72單缸柴油機(jī)曲軸的強(qiáng)度設(shè)計(jì)及剛度計(jì)算、疲勞強(qiáng)度校核

1、 材料力學(xué)課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)計(jì)算說明書設(shè)計(jì)題目：單缸柴油機(jī)曲軸的強(qiáng)度設(shè)計(jì)及剛度計(jì)算、疲勞強(qiáng)度校核目錄一、設(shè)計(jì)目的·········································&

2、#183;···········2二、設(shè)計(jì)任務(wù)和要求····································

3、83;··········22.1 設(shè)計(jì)計(jì)算說明書的要求·····································

4、···32.2 分析討論及說明書部分的要求··································32.3 程序計(jì)算部分的要求·······

5、3;··································33、 設(shè)計(jì)題目··············&#

6、183;······································4四、設(shè)計(jì)內(nèi)容··········&

7、#183;··········································54.1 畫出曲軸的內(nèi)力圖·····

8、·······································54.2 設(shè)計(jì)曲軸頸直徑d和主軸頸D········

9、··························74.3 校核曲柄臂的強(qiáng)度······················

10、;······················84.4 校核主軸頸H-H截面處的疲勞強(qiáng)度························&#

11、183;·····104.5 用能量法計(jì)算A-A截面的轉(zhuǎn)角···························11五、分析討論及必要說明············

12、;·······························14六、設(shè)計(jì)的改進(jìn)措施及方法················

13、83;························14七、設(shè)計(jì)體會(huì)························&

14、#183;····························15八、參考文獻(xiàn)····················

15、;·································16九、附錄················

16、;·········································17一、設(shè)計(jì)目的 本課程設(shè)計(jì)是在系統(tǒng)學(xué)完材料力學(xué)課程之后，結(jié)合工程實(shí)際中的問題，運(yùn)用材料力學(xué)的基本理論和計(jì)

17、算方法，獨(dú)立地計(jì)算工程中的典型零部件，以達(dá)到綜合利用材料力學(xué)知識(shí)解決工程實(shí)際問題的目的。同時(shí)，可以使學(xué)生將材料力學(xué)的理論和現(xiàn)代計(jì)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)代計(jì)算方法，又提高了分析問題、解決問題的能力；既是對以前所學(xué)知識(shí)（高等數(shù)學(xué)、工程圖學(xué)、理論力學(xué)、算法語言、計(jì)算機(jī)和材料力學(xué)等）的綜合運(yùn)用，又為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，并初步掌握工程設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法，使實(shí)際工作能力有所提高。具體有以下六項(xiàng)：1. 使所學(xué)的材料力學(xué)知識(shí)系統(tǒng)化、完整化。2. 在系統(tǒng)全面復(fù)習(xí)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用材料力學(xué)知識(shí)解決工程實(shí)際中的問題。3. 由于選題力求結(jié)合專業(yè)實(shí)際，課程設(shè)計(jì)可把材料力學(xué)與專業(yè)需要結(jié)合起來。

18、4. 綜合運(yùn)用以前所學(xué)的各門課程的知識(shí)（高等數(shù)學(xué)、工程圖學(xué)、理論力學(xué)、算法語言、計(jì)算機(jī)等），使相關(guān)學(xué)科的知識(shí)有機(jī)地聯(lián)系起來。5. 初步了解和掌握工程實(shí)際中的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法。6. 為后續(xù)課程的教學(xué)打下基礎(chǔ)。二、設(shè)計(jì)任務(wù)和要求參加設(shè)計(jì)者要系統(tǒng)復(fù)習(xí)材料力學(xué)課程的全部基本理論和方法，獨(dú)立分析、判斷設(shè)計(jì)題目的已知條件和所求問題，畫出受力分析計(jì)算簡圖和內(nèi)力圖，列出理論依據(jù)并到處計(jì)算公式，獨(dú)立編制計(jì)算機(jī)程序，通過計(jì)算機(jī)給出計(jì)算結(jié)果，并完成設(shè)計(jì)計(jì)算說明書。2.1 設(shè)計(jì)計(jì)算說明書的要求設(shè)計(jì)計(jì)算說明書是該題目設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)結(jié)果的說明。要求書寫工整，語言簡練，條理清晰、明確，表達(dá)完整。具體內(nèi)容應(yīng)包括：

19、（1） 設(shè)計(jì)題目的已知條件、所求及零件圖；（2） 畫出構(gòu)件的受力分析計(jì)算簡圖，按比例標(biāo)明尺寸，載荷及支座等；（3） 靜不定結(jié)構(gòu)要畫出所選擇的基本靜定系統(tǒng)及與之相應(yīng)的全部求解過程；（4） 畫出全部內(nèi)力圖，并標(biāo)明可能的各危險(xiǎn)截面；（5） 危險(xiǎn)截面上各種應(yīng)力的分布規(guī)律圖及由此判定各危險(xiǎn)點(diǎn)處應(yīng)力狀態(tài)圖；（6） 各危險(xiǎn)點(diǎn)的主應(yīng)力大小及主平面位置；（7） 選擇強(qiáng)度理論并建立強(qiáng)度條件；（8） 列出全部計(jì)算過程的理論根據(jù)、公式推導(dǎo)過程以及必要的說明；（9） 對變形及剛度分析要寫明所用的能量法計(jì)算過程及必要的內(nèi)力圖和單位力圖；（10）疲勞強(qiáng)度計(jì)算部分要說明循環(huán)特征，的計(jì)算，所查各系數(shù)的依據(jù)，疲勞強(qiáng)度校核過程及結(jié)

20、果,并繪出構(gòu)件的持久極限曲線。2.2 分析討論及說明部分的要求1.分析計(jì)算結(jié)果是否合理，并討論其原因、改進(jìn)措施。2.提出改進(jìn)設(shè)計(jì)的初步方案及設(shè)想。3.提高強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性的措施及建議。2.3 程序計(jì)算部分的要求1. 程序框圖2. 計(jì)算機(jī)程序（含必要的語言說明及標(biāo)識(shí)符說明）。3. 打印結(jié)果（數(shù)據(jù)結(jié)果要填寫到設(shè)計(jì)計(jì)算說明書上）。三、設(shè)計(jì)題目7.2 單缸柴油機(jī)曲軸的強(qiáng)度設(shè)計(jì)及剛度計(jì)算、疲勞強(qiáng)度校核某柴油機(jī)曲軸可以簡化為下圖所示的結(jié)構(gòu)，材料為球墨鑄鐵（QT4505）彈性常數(shù)為E、，許用應(yīng)力，G處輸入傳矩為 ，曲軸頸中點(diǎn)受切向力、徑向力 的作用，且。曲柄臂簡化為矩形截面，1.41.6 , 2.54 ,

21、。已知固定數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)如下表（I-11）：0.110.181500.271201800.050.7811.61400.050.06 題目要求：（1）畫出曲軸的內(nèi)力圖。（2）設(shè)計(jì)曲軸頸直徑d ，主軸頸直徑D 。（3）校核曲柄臂的強(qiáng)度。 （4）校核主軸頸 H-H 截面處的疲勞強(qiáng)度，取疲勞強(qiáng)度系數(shù)n=2。鍵槽為端銑加工，主軸頸表面為車削加工。（5）用能量法計(jì)算A-A截面的轉(zhuǎn)角 。四、設(shè)計(jì)內(nèi)容4.1 畫出曲軸的內(nèi)力圖4.1.1 畫出分析圖4.1.2 外力分析畫出曲軸的計(jì)算簡圖（上圖），計(jì)算外力偶矩。 計(jì)算反力：在XOY平面內(nèi): 在XOZ平面內(nèi)： 4.1.3 內(nèi)力分析（1）主軸頸的EF左端（1-1

22、）截面為最危險(xiǎn)截面，受扭轉(zhuǎn)和兩向彎曲。 （2）曲柄臂DE段下端（2-2）為危險(xiǎn)截面，受扭轉(zhuǎn)、兩向彎曲和壓縮 （3）曲柄勁CD段中間截面（3-3）為危險(xiǎn)截面，受扭轉(zhuǎn)和兩向彎曲4.1.4 作曲軸內(nèi)力圖 單位：力F/（N） 力矩M/（N·m） 注：不計(jì)內(nèi)力彎曲切應(yīng)力，彎矩圖畫在受壓側(cè)。4.2設(shè)計(jì)曲軸頸直徑d和主軸頸D（1）主軸頸的危險(xiǎn)截面為EF段的最左端1-1截面，受扭轉(zhuǎn)和兩向彎曲，根據(jù)主軸頸的受力狀態(tài)，可用第三強(qiáng)度理論計(jì)算： 結(jié)果得：，實(shí)際取。（2）曲柄頸CD屬于圓軸彎扭組合變形，由第三強(qiáng)度理論，在危險(xiǎn)截面3-3中。 結(jié)果得： ，實(shí)際取。4.3 校核曲柄臂的強(qiáng)度 具體求解過程通過C語言程

23、序運(yùn)行可得。 由程序得h，b的最佳值為，。 查表可知，。（1）曲柄臂的強(qiáng)度計(jì)算曲柄臂的危險(xiǎn)截面為矩形截面，且受扭轉(zhuǎn)、兩向彎曲及軸力作用（不計(jì)剪力的作用），曲柄臂上的危險(xiǎn)截面2-2應(yīng)力分布圖與下圖所示： 根據(jù)應(yīng)力分布圖可以判定出可能的危險(xiǎn)點(diǎn)為D1，D2，D3。 此時(shí)點(diǎn)處于單向應(yīng)力狀態(tài)： 所以點(diǎn)滿足強(qiáng)度要求。 此時(shí)點(diǎn)處于二向應(yīng)力狀態(tài)，受扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力作用： 點(diǎn)的正應(yīng)力為軸向力和繞Z軸的彎矩共同引起的： 由第三強(qiáng)度理論： 因?yàn)?，不符合?qiáng)度要求。點(diǎn)不滿足強(qiáng)度條件。 點(diǎn)處于二向應(yīng)力狀態(tài)： 根據(jù)第三強(qiáng)度理論：所以點(diǎn)滿足強(qiáng)度理論條件。綜上所述：曲柄臂不滿足強(qiáng)度條件。4.4校核主軸頸H-H截面處的疲勞強(qiáng)度 由題意

24、： （材料的強(qiáng)度極限）。 查表得： 端銑加工得鍵槽 當(dāng)表面為車削時(shí)。 已知： 。 FH 處只受扭轉(zhuǎn)作用： 所以扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)。 安全系數(shù)：綜上所述，H-H截面的疲勞強(qiáng)度符合強(qiáng)度要求。4.5 用能量法計(jì)算A-A截面的轉(zhuǎn)角。 采用圖乘法分別求解截面的轉(zhuǎn)角。（1）求：在截面A加一單位力偶矩。并作出單位力偶矩作用下的彎矩圖與外載荷作用下的彎矩圖如下（畫在受彎的一側(cè)，計(jì)算過程如下）：由平衡方程得：B點(diǎn)的彎矩為： E點(diǎn)的彎矩為： 由圖乘法： 查表得。··桿件的抗扭剛度：由公式計(jì)算得： (2)求：在截面A加一單位力偶矩。并作出單位力偶矩作用下的彎矩圖與外載荷作用下的彎矩圖如下（畫在

25、受彎的一側(cè)）： 同理得：B點(diǎn)的彎矩為：E點(diǎn)的彎矩為：由公式得： 五、分析討論及必要說明在本次設(shè)計(jì)中，做以下幾點(diǎn)說明：（1）在外力分析時(shí)，在設(shè)定未知力的時(shí)候，由于已知沒有X方向的外力，故未設(shè)（2）在畫內(nèi)力圖時(shí)，不計(jì)彎曲切應(yīng)力，故未畫剪力圖。（3）在強(qiáng)度計(jì)算方面，由于材料是球墨鑄鐵，其物理性質(zhì)與鋼相近，所以采用第三強(qiáng)度理論而不用第一或第二強(qiáng)度理論。（4）在膠合曲柄臂畫內(nèi)力分布時(shí)，把曲柄臂的危險(xiǎn)截面簡化成矩形，忽略圓孔對其的影響。（5）在疲勞強(qiáng)度校核H-H截面時(shí)，忽略鍵槽對的影響。六、設(shè)計(jì)的改進(jìn)措施及方法6.1 提高曲軸的彎曲強(qiáng)度 合理安排曲軸的受力情況及設(shè)計(jì)合理的截面，但對于該曲軸只能采用合理安排

26、曲軸的受力情況。在機(jī)械結(jié)構(gòu)允許的情況下，可采取將集中載荷適當(dāng)分散或?qū)⒓辛ΡM量靠近支座。6.2 提高曲軸的彎曲剛度 提高彎曲剛度的主要措施有：改善結(jié)構(gòu)形式，減少彎矩的數(shù)值，選擇合理的截面及合理選材等。但對于該曲軸只能改善結(jié)構(gòu)形式，減少彎矩的數(shù)值及合理選材。6.3 提高曲軸的疲勞強(qiáng)度 提高疲勞強(qiáng)度的主要措施有減緩應(yīng)力集中及提高曲軸的表面強(qiáng)度等。為了消除和緩解應(yīng)力集中，再設(shè)計(jì)曲軸時(shí)，應(yīng)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(yīng)采用半徑較大的過度圓角，提高曲軸表面的強(qiáng)度可通過兩方面實(shí)現(xiàn),一是從加工入手，提高表面加工質(zhì)量，可采用精細(xì)加工降低表面粗糙度，如果將材料改為高強(qiáng)度鋼就尤

27、其要注意；二是增加表面強(qiáng)度，對曲軸中應(yīng)力集中的部位如鍵槽處應(yīng)采取某些工藝措施，即表面熱處理或化學(xué)處理，如表面高頻淬火、滲碳、滾壓、噴丸等。七、設(shè)計(jì)體會(huì) 通過這次的課程設(shè)計(jì)，我對材料力學(xué)有了更深一層的認(rèn)識(shí)：材料力學(xué)是一門被各個(gè)工程廣泛應(yīng)用的學(xué)科，是通過理論與實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性以及材料的力學(xué)性能的研究。在保證安全、可靠、經(jīng)濟(jì)節(jié)省的前提下，為構(gòu)件選擇適當(dāng)?shù)牟牧希_定合理的截面形狀和尺寸提供基本理論和計(jì)算方法。初步了解和掌握工程實(shí)踐中的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。這次的課程設(shè)計(jì)讓我深知理論與實(shí)際相結(jié)合的重要性，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。 此外，我深深的體會(huì)到了僅僅掌握課本中的理論和方法是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，

28、工程實(shí)際中的一些問題要比想象的復(fù)雜的多，只有不斷進(jìn)行工程問題的分析和研究，從中獲得大量的寶貴經(jīng)驗(yàn)，才能以最經(jīng)濟(jì)的代價(jià)、最合理的方法解決遇到的難題。此次課程設(shè)計(jì)讓我受益匪淺，設(shè)計(jì)中還有很多不足，希望老師批評指正。八、參考文獻(xiàn)1聶毓琴等，材料力學(xué)，北京，機(jī)械工業(yè)出版社，2013.12等，材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)，北京，機(jī)械工業(yè)出版社，2011.23譚浩強(qiáng),C程序設(shè)計(jì)（第四版），北京，清華大學(xué)出版社，2010.6九、附錄9.1 程序框圖 計(jì)算外力及支座反力確定危險(xiǎn)截面并輸出變量M1x, M1y, M1z, M2x, M2yM2z, FN2, M3x, M3y, M3z由第三強(qiáng)度理論計(jì)算D，d計(jì)算危險(xiǎn)點(diǎn)

29、主應(yīng)力并輸出計(jì)算n，校核疲勞強(qiáng)度圖乘法計(jì)算轉(zhuǎn)角調(diào)子程序進(jìn)行強(qiáng)度校核并計(jì)算轉(zhuǎn)角定義已知量輸入原始數(shù)據(jù)曲柄臂安全曲柄臂不安全開始n>2調(diào)子程序計(jì)算h, b疲勞強(qiáng)度安全疲勞強(qiáng)度不安全輸出結(jié)果結(jié)束YNYN9.2 C語言程序#include<stdio.h>#include<math.h>#define PI 3.1415926double Me,FAy,FAz,FFy,FFz,M1x,M1y,M1z,M2x,M2y,M2z,FN2,M3x,M3y,M3z;double h,b,S=120e6,S1,S2,S3,E=150e9,u=0.27,r;double L1,L2,L

30、3;int D,d;int main() /主函數(shù) double hb();double jhqbb();double jhplqd();double zhuanjiao();double P,n,Ft,Fr;double DD,dd,Sigma3,BB;printf("enter the data:P,n,rn");scanf("%lf,%lf,%lf",&P,&n,&r);L1=0.11,L2=0.18;L3=1.2*r;printf("L1=%lf,L2=%lf,L3=%lf,P=%lf,n=%lf,r=%lfn&

31、quot;,L1,L2,L3,P,n,r);Me=9549*P/n;Ft=Me/r;Fr=Ft/2;FAy=Fr*L2/(L1+L2);FAz=Ft*L2/(L1+L2);FFy=Fr*L1/(L1+L2);FFz=Ft*L1/(L1+L2);M1x=Me;M1y=FFz*(L2-L3/2);M1z=FFy*(L2-L3/2);M2x=Me;M2y=FFz*(L2-L3/2);M2z=FFy*(L2-L3/2);FN2=FFy;M3x=FAz*r;M3y=FAz*L1;M3z=FAy*L1;printf("Me=%.2lfN·m,Ft=%.2lfN,Fr=%.2lfNn&q

32、uot;,Me,Ft,Fr);printf("FAy=%.1lfN,FAz=%.1lfN,FFy=%.1lfN,FFz=%.1lfNn",FAy,FAz,FFy,FFz);printf("M1x=%.2lfN·m,M1y=%.1lfN·m,M1z=%.1lfN·mn",M1x,M1y,M1z);printf("M2x=%.2lfN·m,M2y=%.1lfN·m,M2z=%.1lfN·m,FN2=%.1lfNn",M2x,M2y,M2z,FN2);printf("M3

33、x=%.1lfN·m,M3y=%.1lfN·m,M3z=%.1lfN·mn",M3x,M3y,M3z);Sigma3=sqrt(M3x*M3x+M3y*M3y+M3z*M3z);BB=32*Sigma3/(PI*S);dd=pow(BB,1.0/3.0);Sigma3=sqrt(M1x*M1x+M1y*M1y+M1z*M1z);BB=32*Sigma3/(PI*S);DD=pow(BB,1.0/3.0);printf("D=%.4lfm,d=%.4lfmn",DD,dd);D=(int)(1000*DD);d=(int)(1000*d

34、d);if(d%2=0) d=d+2;else d=d+1;if(D%2=0) D=D+2;else D=D+1;printf("故D取%dmm,d取%dmm n",D,d);hb(); /調(diào)用求解h，b子函數(shù)jhqbb(); /調(diào)用校核曲柄臂子函數(shù)jhplqd(); /調(diào)用校核疲勞強(qiáng)度子函數(shù)zhuanjiao(); /調(diào)用求轉(zhuǎn)角子函數(shù) return 0;double hb() /求解h，b子函數(shù)double Z1,Z2,Z3,Q2,Q3;double h1,b1;double a,r;double s,m=(1.6*D)*(0.4*1.6*D);for(h=1.4*D;h

35、<=1.6*D;h+=0.01) for(b=0.25*h;b<=0.4*h;b+=0.01) if(h/b>=2.5&&h/b<=3) /查表3-1，利用插入法確定a,ra=0.213+0.018*h/b;r=0.837-0.028*h/b;elsea=0.222+0.015*h/b;r=0.777-0.008*h/b; Z1=1e6*FN2/(b*h)+6e9*M2x/(b*h*h)+6e9*M2z/(b*b*h); Z2=1e6*FN2/(b*h)+6e9*M2z/(b*b*h); Z3=1e6*FN2/(b*h)+6e9*M2x/(b*h*h);

36、 Q2=1e9*M2y/(b*b*h*a); Q3=r*Q2;S1=Z1; S2=sqrt(Z2*Z2+4*Q2*Q2); /應(yīng)用第三強(qiáng)度理論S3=sqrt(Z3*Z3+4*Q3*Q3);if(S1<S&&S2<S&&S3<S) s=b*h;if(s<m) /選取使截面積S最小的h,bm=s;h1=h;b1=b; h=h1,b=b1;printf("故h和b值為:n");printf("h=%.2lfmmnb=%.2lfmmn",h,b);return 0;double jhqbb() /校核曲柄臂

37、子函數(shù)double Z1,Z2,Z3,Q2,Q3,S2,S3;double a,r;if(h/b>=2.5&&h/b<=3) a=0.213+0.018*h/b;r=0.837-0.028*h/b;elsea=0.222+0.015*h/b;r=0.777-0.008*h/b; Z1=FN2/(b*h)+6e3*M2x/(b*h*h)+6e3*M2z/(b*b*h); Z2=FN2/(b*h)+6e3*M2z/(b*b*h); Z3=FN2/(b*h)+6e3*M2x/(b*h*h); Q2=1e3*M2y/(b*b*h*a); Q3=r*Q2; printf(&q

38、uot;Z1=%.2lfMPa,Z2=%.2lfMPa,Z3=%.2lfMPa,Q2=%.2lfMPa,Q3=%.2lfMPan",Z1,Z2,Z3,Q2,Q3);S1=Z1; S2=(sqrt(Z2*Z2+4*Q2*Q2); S3=(sqrt(Z3*Z3+4*Q3*Q3);printf("S1=%.2lfMPa,",S1);if(S1-S)/S<0.05)printf("所以D1點(diǎn)安全n");printf("S2=%.2lfMPa，",S2);if(S2-S)/S<0.05)printf("所以D2點(diǎn)

39、安全n");printf("S3=%.2lfMPa，",S3);if(S3-S)/S<0.05)printf("所以D3點(diǎn)安全n");if(S1-S)/S<0.05&&(S2-S)/S<0.05&&(S3-S)/S<0.05)printf("故曲柄臂強(qiáng)度是足夠的n");elseprintf("曲柄臂強(qiáng)度不符合要求n");return 0;double jhplqd() /校核疲勞強(qiáng)度子函數(shù)double Kt=1.29,B=0.9438,Wp,Qmin

40、,Qmax,Qa,Qm,nt;double t_1=180e6,Fai=0.05,Et=0.78;Wp=PI*D*D*D/16e9;Qmin=(-1e-6)*Me/Wp;Qmax=0;Qa=(Qmax-Qmin)/2;Qm=(Qmax+Qmin)/2;nt=t_1/(Kt*Qa*1e6/(Et*B)+Fai*Qm*1e6);printf("Qmin=%.1lfMPa,Qmax=%.1lfMPa,Qa=%.1lfMPa,Qm=%.1lfMPa,nt=%.2lfn",Qmin,Qmax,Qa,Qm,nt);if (nt>2)printf("H-H截面疲勞強(qiáng)度是足夠的n");elseprintf("H-H截面疲勞強(qiáng)度不足夠n");return 0;double zhuanjiao() /求轉(zhuǎn)角子函數(shù) double _FAz,_FFz,_FA