曲軸強(qiáng)度計(jì)算..

1、JX4D30 曲 軸 強(qiáng) 度 計(jì) 算 發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)部汪恩波曲軸的強(qiáng)度直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)壽命，因此曲軸強(qiáng)度計(jì)算是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。最近幾年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)及其軟件技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多先進(jìn)的曲軸強(qiáng)度計(jì)算方法，但在設(shè)計(jì)的初始階段，目前普遍采用上午還是曲軸強(qiáng)度估算法。RICARDO 計(jì)算方法該計(jì)算方法有兩點(diǎn)假定：曲軸的每一個(gè)曲拐是相互獨(dú) 立的，不受其軸其他部分受 力的影響，并以簡(jiǎn)支梁的形 式支撐在主軸承上。 曲軸所受力是以點(diǎn)負(fù)荷的形 式作用在曲軸上。（二）已知條件連桿軸頸d=53 寬 l=33主軸頸D=70 寬 l=31曲臂厚h=19.5寬 B=110重疊度A=9.05連桿長(zhǎng) L= 158mm曲柄半徑5

2、2.45mm活塞行程S=104.9mm圓角半徑R=3.5mm缸徑 d=95.4mm發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速n=3600,r/min;發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速n=4200r/min最高燃燒壓力pmax =160bar;最大平均有效壓力pme =12.222bar;活塞連桿組往復(fù)質(zhì)量m1=1.3195,kg;活塞連桿組旋轉(zhuǎn)質(zhì)量m2=0.8925kg.曲軸材料S53C 屈服強(qiáng)度 s=588 Mpa抗拉強(qiáng)度 b=660 Mpa重疊度的定義：重疊度 A DP DJ S 的定義（DP為連桿軸頸直徑，DJ為主軸徑直徑，S為活塞行程）2彎曲應(yīng)力計(jì)算1 曲軸受力計(jì)算 壓縮上止點(diǎn)時(shí)的曲軸作用力FF Fmax Lmax RmaxF

3、p Fj2式中， Fj為活塞連桿組往復(fù)慣性力；Fp 為燃?xì)庾饔昧Γ∟） ;FLmax、 FRmax為左右兩側(cè)主軸承支撐力的最大值（N）Fj22n18SSm2 m（ 1 1） 102LFj23600182104.90.8925 1.3195（ 1104.92 158 10519734.1FpFpd2p 4maxFmaxFpFj2295.42 16 114310N4114310 19734 67022N2maxdp4排氣上止點(diǎn)時(shí)的曲軸作用力FminFj2FjFminj 9867.5N22、單個(gè)曲拐三個(gè)危險(xiǎn)截面（ 經(jīng)過(guò)計(jì)算A-A 、B-B 、 C-C）上的彎矩l=58mma=19.25mm b=32

4、.5mm c=40.5mm曲柄臂中央處（A-A ）M Amax Fmaxa=67022x19.25=1290173.5NmmM AminFmina=9867.5x19.25=189939.75Nmm連桿軸頸圓角處（B-B）M F b =67022x32.5=2178215NmmBmax maxMBminFminb=9867.5x32.5=314827.5NmmM Cmin式中，小彎矩（N.m） a b c 為曲軸有關(guān)尺寸，如圖所示。名義彎曲應(yīng)力：M maxn maxWbn minM minWbA- A處名義彎曲應(yīng)力M max1290173.5n maxWbA6930.6186MPanminM

5、min189939.7Wb6930.627MPa連桿軸頸中央處（C-C）M C F c =67022x32.5=67022x40.5=2714391 Nmm Cmax maxFminc=9867.5x40.5=399633.75NmmM Amax、 M Amin 、 M Bmax 、 M Bmin 、 M C max、 M Cmin 分別為曲拐三個(gè)危險(xiǎn)截面上的最大和最2B- B 處名義彎曲應(yīng)力nmaxn minM maxWbM minWbM max2178215 149MPa32 p M min53332314827.522MPa3 D 32 p353332C-C 處名義彎曲應(yīng)力nmaxM m

6、axM maxnminWbM min3Dp332 p M minWb32Dp2714391 186MPa53332399633.7527MPa32533式中 nmax、 nmin為三個(gè)截面的最大、最小名義彎曲應(yīng)力（Mpa） ; Mmax、 Mmin分別為三個(gè)危險(xiǎn)截mm ） 。面的最大最小彎矩（Nmm） ;Wb 為三個(gè)危險(xiǎn)截面的抗彎截面系數(shù)（ 名義彎曲平均應(yīng)力及名義彎曲應(yīng)力幅分別為nmaxnminnmA- A 處名義彎曲應(yīng)力幅nmnmax nmin 106.5MPanmaxnanmin 79.5MPaB- B 處名義彎曲應(yīng)力幅nmaxnmnmin=85.5 Mpananmax nmin 63.5

7、MPaC- C 處名義彎曲應(yīng)力幅nmnmax nmin=106.5 Mpananmax nmin 79.5MPa4彎曲應(yīng)力b nmb na為彎曲應(yīng)力集中系數(shù)式中，m 、 a為彎曲平均應(yīng)力幅（Mpa） ; bA-A 處彎曲應(yīng)力b nmb nm 2.15 106.5 229MPab 2.15 79.5 171MPab namax200MPamin 29 MPaB-B處b nmb nm 2.6 85.5 222MPab na 2.6 79.5 207MPamax 215MPamin 8 MPaC-C 處mbnmmbnm2.15106.5 229MPaabna2.1579.5 171MPamax 20

8、0MPamin29 MPa切應(yīng)力計(jì)算1 扭矩計(jì)算2727Tmd 2Spmei 10 795.42 104.9 1222.2 4 10 7291m 4 1.257 me4 1.257Tmax KTmax 8 291 2328NmTmin 2Tm Tmax 2 291 23281746Nm式中，Tm為發(fā)動(dòng)機(jī)平均扭矩（N.m） ; pme為最大平均有效壓力（kPa） ;系數(shù)K 為K=8（4 缸機(jī) ）2 名義切應(yīng)力nmax79.6MPaTmax23283 WtD3p1616TminTmin3WtD 3p161746D 3p1659.8MPa式中， nmax 、 nmin 為名義最大、最小切應(yīng)力（Mpa

9、） ;Wt 為連桿軸頸的抗扭截面系數(shù)（3 mm )Wt名義平均切應(yīng)力及名義切應(yīng)力幅分別為77.6 59.88.9MPanmax nminnm2nan max nmin277.6 59.8268.7MPa2. 切應(yīng)力m t nm式中，m、a為平均應(yīng)力幅（Mpa） ; t為切應(yīng)力集中系數(shù)。A-A 處 及 C-C 處mtnmmtnm1.0058.99MPaatna1.00568.769MPamax 78MPamin 60MPaB-B 處mt nm 3.1 8.9 27MPamt nm 3.1 68.7 213MPa240MPamaxmin 186MPa等效應(yīng)力e彎曲應(yīng)力及切應(yīng)力的等效應(yīng)力由下列計(jì)算

10、主應(yīng)力p12（ 2） 22p22222）等效應(yīng)力ep12p22p1 p2式中，e為等效應(yīng)力（Mpa） ; p1 、 p2為主應(yīng)力（Mpa） 。1. 名義主應(yīng)力及名義等效應(yīng)力為A-A 和 C-C 截面p1nmaxn maxnmax 22)nmaxp1nmax2002p2 nmaxn maxn max 22)n max200 22) 2 79.62 228MPa2p2 nmax200p1nminnminn min 22)nminp2 nminp1nminp2 nmin2929) 2 ( 59.8)247MPa200 22) 2 79.6228MPa2nemaxnemaxneminp12nmin2p

11、2nminp1nmin p2nminp1nmaxp2n maxp1n max p2 nmax2282 ( 28)2 228 ( 28) 243MPanemin對(duì)于 B-B 截面762 ( 47)2 76 ( 47) 108MPap1nmaxn maxnmax 22)nmax215p1nmax215 22) 2 79.62 241MPa2p2 nmaxn maxn max 22)n maxp2 nmax215215) 2 79.6226MPap1nminnminp1nminp2 nminp2 nminnemaxnemaxneminnemin2. 實(shí)際主應(yīng)力及實(shí)際等效主應(yīng)力為nminn min 2

12、2)nmin22 ( 59.8)2 64MPanmin ) 22nmin222 ( 59.8)256MPap1nmaxp2n maxp1n max p2 nmax2412 ( 26)2 241 ( 26) 255MPa2minp2nminp1nmin p2nmin642 ( 56)2 64 ( 56) 104MPap1minmin2emax22p 1max p 2maxp1max p2maxeminp1min p2minA- A 和 C-C 點(diǎn)p1maxp1maxp2max( 200) 2 782 27MPaeminemin200 p2max2min ( min ) 22222929 2p1m

13、in229 ( 229)2 ( 60)2 76MPaminmin 22p2min() min222929 22p2min2(2 )( 60)47 MPap22emax1max p 2maxp1max p2maxemax2272 ( 27)2 227 ( 27) 242 MPap 1min p 2minp1min p2min762 ( 47)2 76 ( 47) 108MPa對(duì)于 B-B 截面應(yīng)以名義主應(yīng)力來(lái)計(jì)算等效平均應(yīng)力，而用實(shí)際主應(yīng)力來(lái)計(jì)算等效應(yīng)力幅，式中，p1maxp1maxp2maxp2maxp1minp1minp2minp2minemaxemaxemineminmax2max22ma

14、x2152215222 782 240MPamaxmax22max215215) 2 78282MPa2min ( min) 22min882() 2 ( 60)2 64MPa22minmin) 22min229 22) 2 ( 60)256MPa22p 1max p 2maxp1max p2max2402 ( 82)2 227 ( 82) 288MPap 1min p 2minp1min p2min642 ( 56)2 64 ( 56) 104MPa應(yīng)力集中系數(shù)只影響應(yīng)力幅的值，而對(duì)平均應(yīng)力無(wú)影響。因此， 在計(jì)算平均等效應(yīng)力時(shí)，em、 ea為等效平均應(yīng)力及等效應(yīng)力幅（Mpa） ，即對(duì)于 A-

15、A 和 C-C 截面：emnemax ne min2243 10867.5MPaeaemax emin2242 ( 108)175MPa2對(duì)于B-B截面nemax neminemea通過(guò)歌德曼圖判斷此曲軸的強(qiáng)度滿足要求。emax emin255 10476MPa2288 ( 104)196MPa6.5.1.5 曲軸強(qiáng)度分析曲軸的強(qiáng)度是在歌德曼圖上判斷的，如圖 6-8 所示， 縱坐標(biāo)為最大、最小應(yīng)力，橫坐標(biāo)為等效平均應(yīng)力。如果曲軸的等效應(yīng)力值在疲勞強(qiáng)度圖內(nèi)，則曲軸的設(shè)計(jì)是安全的。圖 6-8 中， b 為材料的抗拉強(qiáng)度(MPa) 當(dāng)曲軸材料為鋼時(shí)，110 0.14(b )；2 b Dp531 66

16、0( 10) 0.14 261MPa1 為材料對(duì)稱(chēng)循環(huán)下的疲勞強(qiáng)度(Mpa) ;1 為考慮安全系數(shù)后的設(shè)計(jì)極限，11 。n其中安全系數(shù)n的取值范圍為：n=1.752,僅考慮彎曲應(yīng)力時(shí)，n=1.51.75 同時(shí)考慮彎曲及扭轉(zhuǎn)應(yīng)力時(shí)。36.5.1.6 抗彎截面系數(shù)Wb 及連桿軸頸處的WbB WbCD3p32 p2.曲柄臂中央WbA由于曲柄背中央處的截面形狀復(fù)雜，所以此處的抗彎截面系數(shù)以簡(jiǎn)化截面作為計(jì)算依據(jù)。簡(jiǎn)化截面如圖 6-7 所示，各尺寸為：D2pS2D2pD2j 2532104.925327022c()()15.844S44104.9S2 D2fp D2fj 2( 4S )222221.760

17、2 (104.92 602 772 )244 104.911u(Dp DjS) (53 70 104.9) 9.05Ymax12 (tfRpRj )2 (u Rp Rj)2 RpRj12(26.5 3.5 3.5)2 (9.05 3.5 3.5)23.5 3.5 15.1tf19.5h Ymaxf15.1.5.35max2222 hc2h5.352 15.822 5.3551.9d R Ymax =51.9-15.1=36.8c15.8arcsin arcsin 0.3093R51.9sin 2 sin444I 1 R () dR (4sin sin ) d R (2 sin 2 ) d Rs

18、in =44892232433I2w c36 tf21.7 15.8326.53 18609I3W w3tav655 621.7 19.53 41152WbA(I1 I2 I3)Ymax(44892 18609 41152)6930.615.16.5.1.7 理論應(yīng)力集中系數(shù)及實(shí)際應(yīng)力集中系數(shù)1. 理論應(yīng)力集中系數(shù)的計(jì)算1）曲柄臂重疊處及連桿軸頸圓角處的理論彎曲應(yīng)力集中系數(shù)bA、bB 及理論切應(yīng)力集中系數(shù)非圓角滾壓曲軸tA、tB1 ） 彎曲應(yīng)力集中系數(shù)bAbB=AboVbf2 0.77x0.898x3.19 2.2bAbB oR其中Abo1.2tf0.4550.455R Abo1.2 Rtf0

19、.4551.251.90.772w 32w 40.544( w)3 0.0615( w)4DPDP2w2w 2Vb 1.962 2.434( w) 1.873( w)2DPDP2 21.72 21.7 22 21.7 32 21.7 41.962 2.434(. ) 1.873(. )2 0.544(. )3 0.0615(. )4 0.89853535353u2 R2f2 1 810.769 (0.0407 u )2 ()2Dp R Dp21.7 2351.9 21 810.769 (0.0407. )2( . )2 3.195351.9 53式中，為圓角滾壓深度（mm） ； u 為重疊度；R 為圓角半徑（mm） ； D p為連桿軸徑直徑（mm） .2）切應(yīng)力集中系數(shù)tA tBRDp0.2205 0.1015p9.0551.90.2205 0.1015531.005532）連桿軸頸中央的彎曲應(yīng)力集中系數(shù)bc 及切應(yīng)力集中系數(shù)tc連桿軸徑中央的彎曲應(yīng)力集中系數(shù)是由于曲軸上的油