材料力學課程設計單缸柴油機曲軸的強度設計及剛度計算、疲勞強度校核匯總

1、材料力學課程設計設計計算說明書設計題目：單缸柴油機曲軸的強度設計及剛度計算、疲勞強度校核數(shù)據(jù)號：7-2-n-5班級：汽車00班學號：15100000姓名：彬哥目錄一、材料力學課程設計的目的1二、設計題目2三、設計內(nèi)容3.1 柴油機曲軸的內(nèi)力圖3.2 設計曲軸頸直徑d,主軸頸直徑D3.3 校核曲柄臂的強度3.4 校核主軸頸H-H截面處的疲勞強度3.5 運用能量法計算A-A截面處的轉角外和%四、分析討論計算和設計4.1 對計算過程的幾點必要說明4.2 改進設計的初步方案及設想五、計算程序5.1 程序框圖5.2 計算機程序5.3 輸出結果六、設計體會材料力學課程設計的目的本課程設計的目的是在于系統(tǒng)學

2、完材料力學之后，能結合工程中的實際問題，運用材料力學的基本理論和計算方法，獨立地計算工程中的典型零部件，以達到綜合運用材料力學的知識解決工程實際問題之目的。同時，可以使學生將材料力學的理論和現(xiàn)代計算方法及手段融為一體。既從整體上掌握了基本理論和現(xiàn)代的計算方法，又提高了分析問題，解決問題的能力；既把以前所學的知識（高等數(shù)學、工程圖學、理論力學、算法語言、計算機和材料力學等）綜合運用，又為后繼課程（機械設計、專業(yè)課等）打下基礎，并初步掌握工程中的設計思想和設計方法，對實際工作能力有所提高。具體的有以下六項：1使學生的材料力學知識系統(tǒng)化、完整化；2在系統(tǒng)全面復習的基礎上，運用材料力學知識解決工程中的

3、實際問題；3由于選題力求結合專業(yè)實際，因而課程設計可以把材料力學知識和專業(yè)需要結合起來；4綜合運用了以前所學的個門課程的知識（高數(shù)、制圖、理力、算法語言、計算機等等）使相關學科的知識有機地聯(lián)系起來；5初步了解和掌握工程實踐中的設計思想和設計方法；6為后繼課程的教學打下基礎。二、設計題目某柴油機曲軸可以簡化為下圖所示的結構，材料為球墨鑄鐵(QT450-5),彈性常數(shù)為E、p,許用應力為打，G處輸入轉矩為Me,曲軸頸中點受切向力Ft、徑向力Fr的作用，且fr=E。曲柄臂簡化為2矩形截面，1.4wOwi.6,2.5WhW4,l3=1.2r,有關數(shù)據(jù)如下表：Db要求：1.畫出曲軸的內(nèi)力圖。2 .設計曲

4、軸頸直徑d,主軸頸直徑Do3 .校核曲柄臂的強度。4 .校核主軸頸H-H截面處的疲勞強度，取疲勞安全系數(shù)n=2。鍵梢為端銃加工，主軸頸表面為車削加工。5 .用能量法計算A-A截面的轉角可。注：對于材料的力學性質，若在設計過程中需要，可查閱材料力學、工程手冊或材料力學實驗指導書等有關資料，不論從何處查得，均需標明出處。相關數(shù)據(jù)11/m12/mE/Gpab】/Mpai_1/Mpa0.110.181500.27120180甲P/kWn/(r/min)r/m0.050.7815.62600.06零件圖：單缸柴油機曲軸DH-H單缸就機由軸觸圖1-主軸覆2小棚t1的拗（三、設計內(nèi)容3.1柴油機曲軸的內(nèi)力圖

5、(1)受力分析計算簡圖:(2)外力分析：計算外力偶矩：Me=9549-=9549X156=572.94n260計算切向力Ft,徑向力FrF=%=9549NF上=4774.5Ntrr2由平衡條件計算反力：在xOy平面：FA=-Frl=2963.5NFF-Frl=1811NyliI2yliI2FJ2_FJi在xOz平面：FA7=j-=5927NFf=3622NliI2li12內(nèi)力分析：畫出內(nèi)力圖。不計彎曲切應力(故未畫剪力圖)，彎矩圖畫在纖維受壓側。根據(jù)內(nèi)力圖確定危險截面。(單位：力-N,力矩-Nmi)Mx圖355.6Jr355.67r廣griKjqIfjjJfjfJ川Iff八ffff八八l（5。

6、573My圖438.6 652 521.618112963.5573主軸頸以EF段的左端（1-1）截面最危險，受扭轉和兩向彎曲M1=M=572.94Nm1xe一l3、Ll3、M1y=FFz.（l2-j）=521.6N-mM1z=FFy（l2-j）=260.8N-m曲柄臂以DE段的下端（2-2）截面最危險，受扭轉兩向彎曲及壓縮M2=M=572.94Nm2xel3、l3、M2y=FFz.（%：!）=521.6NmM2z=FFy（l2-j）=260.8NmFN2=FFy=1811N曲軸頸以CD段中間（3-3）截面K最危險，受扭轉和兩向彎曲M3x=FAzXr=355.62NmM3y=FAzxl1=65

7、1.97NmM3z=FAyxl1=325.99N-m3.2設計曲軸頸直徑d,主軸頸直徑D(1)曲軸頸CD處于扭轉和兩向彎曲的組合變形，對危險截面(3-3)應用第三強度理論計算二13=:242=，M3x2M3y2M3z2W二甘132其中一二一W二d3帶入數(shù)據(jù)得到dn40.98mm實際取d=41mm.(2)主軸頸EF處于扭轉和兩向彎曲的組合變形，對危險截面(1-1)應用第三強度理論計算%3=2+4父”=七M1x2+M1y2+M1z2w4甘132其中-=八W二D3代入數(shù)據(jù)得到D41.09mm實際取D=42mm.綜上，曲軸頸直徑d=41mm主軸頸直徑D=42mm3.3校核曲柄臂的強度(1)設計h,b當

8、h和b在題設范圍內(nèi)變化，求解曲柄臂危險截面滿足強度條件且截面面積hxb最小時的h和b,即為h,b的最佳值。具體求解可通過C程序得到，計算機程序見5.2通過程序可得最佳h=60.01mmb=23.99mm查P70表得=0.258y=0.767B=0.249(2)求解危險點曲柄臂的危險截面為矩形截面，且受扭轉、兩向彎曲及軸力作用(這里不計剪力Fq的作用)。為確定危險點的位置，畫出曲柄臂上的危險截面(2-2)應力分布圖根據(jù)應力分布圖，可以判定處可能的危險點有D1,D2,D3三點。對D1點進行力分析。由于D1點處于單向壓縮，所以為正壓力的代數(shù)疊加，即二二N 町業(yè)AW2xW2z22hb h2bhb2=8

9、6.35Mpa 仃所以D1點安全。對D2點進行應力分析。D2點有扭轉切應力,M2y二 hb2=58.53MpaD2點的正應力為軸向力和繞z軸的彎矩共同引起的，即一FN2 M2z FFy 6 Ma = + = +2AW2z hb hb絲=46.56MPa二 r3 二 2 42 =125.61MPa刀 125.61-120120M00% =4.673 %5%所以 口2點安全。D3點處于二向應力狀態(tài)1=Lmax=0.76758.53=44.89MPalax二 _Fn2M2xFFy6 M2.AW2x hb h be =41.05MPa綜上D1, D度條件。&2+42=98.72MPan=2所以H-H截

10、面處的疲勞強度足夠。-1-12 由2-od2構件的持久極限曲線:3.5 運用能量法計算A-A截面處白轉角和外運用圖乘法求解8y和ez。(1)求:在截面A-A處施加單位力偶My=1.彎矩圖My和單位力矩作用下的彎矩圖My如下EI3二 d49E 150 10964二 414 10420806.38Pa.m464GI p = G hb3 pE : hb32(1 )93_12150 109 0.249 60.01 23.993 102 (1 0.27)=12183.48Plm4iMci 八EI1n i M ci i=1 GIp1,Eli(1M18M8)+(3M34M55M56M7)EI313+(切2M

11、2+67M7)=(1.13+1.21+2.89)/1000=5.23x10radGIp2277(2)求:在截面A-A處施加單位力偶Mz=1.作彎矩圖Mz和單位 力矩圖MZ以及軸力圖FN和F7如下326Mz圖219.3260.8181160.829.2963.5瓦圖3.4483.4481+01=3.448N1112Mz=1EI2 = Ehb- =150 10921260.01 23.993 10-12X 12=10356.77Pam4EA=Ehb=15010960.0123.99310劣=215945985Pa.m4niMcin-FNci飛=、.icLi一NczidEI1TEA111=(1M18

12、M8)+(2M27M7)+(-9M910M10)E11EI2EA1,+(3M34M55M56M7)EI3二(0.565+1.697-0.00032+0.601)乂10與=2.86X10*ad四、分析討論計算和設計4.1對計算過要說明(1)所有圖線都是由AutoCAD2004軟件繪制，部分數(shù)學公式經(jīng)Mathtype6.5編輯而成。(2)在畫內(nèi)力圖時，由于不計彎曲切應力，故未畫剪力圖。(3)在設計D,d和校核強度時，由于材料是球墨鑄鐵(QT450-5),其金屬性與鋼接近，塑性好，強度較高，且處于復雜應力狀態(tài)，故采用第三強度理論校核。(4)在設計h、b的實際尺寸時，是通過程序在題設范圍1.4W立wD

13、1.6,2.5hW4之間變化取值進行校核強度，直到得出使截面積最b小的最佳結果。(5)在校核H-H處的疲勞強度時，忽略了鍵梢對扭轉切應力ax的二D2影響。因此Wp值不變，Wp=晨。(6)發(fā)動機曲軸應力屬于脈動循環(huán)振動應力，柴油機工作良好的情況下，可認為曲軸受到不變的轉動力矩，校核強度時，設曲軸工作在脈動循環(huán)下。4.2改進設計的初步方案及設想（1）提高曲軸的彎曲強度在機械結構允許的情況下，可改變l1,l2，將集中力盡量靠近支座或將集中載荷適當分散。另外，選擇合理的截面及合理的材料，可以選擇彈性模量較大的材料。（2）提高曲軸的彎曲剛度改變截面的形狀，鑄造曲軸可以采用空心工藝，不僅可以減小質量消除一

14、部分慣性，另外空心結構也有助于提高剛度改善結構形式。其次，主軸頸應盡量避免出現(xiàn)方形直角或帶有尖角的孔和槽，即在主軸頸和曲柄臂相連處應采用半徑較大的過度圓角，這樣可以消除應力集中，相對于帶尖叫孔槽的主軸強度剛度是較高的。（3）提高曲軸的疲勞強度設置平衡重，平衡發(fā)動機不平衡的離心力和離心力矩，可以減小曲軸工作時不平衡的振動，將脈動循環(huán)轉換為對稱循環(huán)，從而提高曲軸的疲勞強度。提高曲軸表面的強度，對曲軸中應力集中的部位如鍵槽處應采取某些工藝措施，即表面熱處理或化學處理，如表面高頻淬火、滲碳、滾壓、噴丸等。五、計算程序5.1計算機程序C程序核心為求解滿足題設及強度條件下截面積最小時的include#in

15、clude#defineG100#defineD42#defineY120main()floatMz,My,Mx,F;floatZ1,Z2,Z3,Q2,Q3,Y2,Y3;為消除單位所設常數(shù)/D為主軸頸直徑/d=120kPa分別為曲柄臂所受扭矩彎矩和軸力/D1D2D3點的:-：.max，i:D2D3點的第三理論強度floath,b,h1,b1;floata,r;floats,m=1.6*D*0.4*1.6*D;printf(inputMx,My,Mz,F:n);scanf(%f%f%f%f,&Mx,&My,&Mz,&F);即a和y/s為截面面積，m為題設允許最大截面for(h=1.4*D;h=1

16、.6*D;h=h+0.01)for(b=0.25*h;b=2.5&h/b=3&h/b=4)a=0.222+0.015*h/b;r=0.777-0.008*h/b;Z1=F/(b*h)+6*G*Mz/(b*b*h)+6*G*Mx/(b*h*h);Z2=F/(b*h)+6*G*Mz/(b*b*h);Z3=F/(b*h)+6*G*Mx/(b*h*h);Q2=G*My/(b*b*h*a);Q3=r*Q2;Y2=sqrt(Z2*Z2+4*Q2*Q2);Y3=sqrt(Z3*Z3+4*Q3*Q3);if(Z1=Y&(Y2-Y)/Y0.05&(Y3-Y)/Y0.05)s=h*b;if(sm)m=s;h1=h

17、;b1=b;printf(gettheresult:n);a和y的函數(shù)關系循環(huán)條件為強度校核安全令截面積最小printf(h=%5.2fmmnb=%5.2fmmnm=%7.2fmm,h=h1,b=b1,m);5.2輸出結果C:ProgramFilesMicrosoftVisualStudioMyProjectss5Debugss,exeinputMx,My,Ma,F:573521.6260.81811gettheresult:b=23.99nnn=1439.79nnPiessan9keytocontinueL曲軸內(nèi)力圖未知空求解:FAiCH) 5926.9658Me CH*(n) ,72. 9400口LFFfOtl 13622.0346FtW |9549?0000MlXgm) 572.94000M2Y QI*(n) 521.5T299M2Z Om)網(wǎng),78649FN2Q0 |1811.0173M3X *m) |355- 61195M3Y(N*m) 651.96624Ia Olh) 325 .98312FrCW)f4.5000FAyQJ)53,4829FFZ(H)LI.0173IflIM1YW*)|521.57299IKI?(K*m)|260,T8649M2X但*巾)|572.9400023, 992601口 |6 249033mm3.校核曲柄臂的強度二h|60.0095hma|