单缸柴油机曲轴

材料力学课程 材料力学课程设计 学号 ：41091307 姓名： 吴茂坤 题目：单缸柴油机曲轴的强度设计 及刚度计算、疲劳强度校核 指导老师：李锋 2011.10.20 目录 1、 课程设计的目的·······························2 2、 课程设计的任务和要求·························2 3、 设计题目·····································3 4、 设计过程·····································4 1、 画出曲轴的内力图··························4 2、 设计曲轴颈直径d和主轴颈直径D ············6 3、 校核曲柄臂的强度··························7 4、 校核主轴颈H-H截面处的疲劳强度············9 5、 用能量法计算A-A截面的转角 , ············9 5、 设计的改进措施及方法·························13 6、 程序计算部分·································13 7、 设计体会····································15 参考文献····································15 一、课程设计的目的 材料力学课程设计的目的是在于系统学习材料力学后，能结合工程中的实际问题，运用材料力学的基本理论和计算方法，独立地计算工程中的典型零部件，以达到综合运用材料力学的知识解决工程实际问题之目的。同时，可以使我们将材料力学的理论和现代计算方法及手段融为一体。既从整体上掌握了基本理论和现代的计算方法，又提高了分析问题，解决问题的能力；既把以前所学的知识综合应用，又为后继课程打下基础，并初步掌握工程中的设计思想和设计方法，对实际工作能力有所提高。 1）使所学的材料力学知识系统化，完整化。让我们在系统全面复习的基础上，运用材料力学知识解决工程实际问题。 2）综合运用以前所学的各门课程的知识（高等数学、工程图学、理论力学、算法语言、计算机等），使相关学科的知识有机地联系起来。 3）使我们初步了解和掌握工程实践中的设计思想和设计方法，为后续课程的学习打下基础。 二、课程设计的任务和要求 要系统复习材料力学课程的全部基本理论和方法，独立分析、判断设计题目的已知所求问题，画出受力分析计算简图和内力图，列出理论依据并导出计算公式，独立编制计算程序，通过计算机给出计算结果，并完成设计计算说明书。 三、设计题目 某柴油机曲轴可以简化为下图所示的结构，材料为球墨铸铁(QT450-5)弹性常数为E、μ，许用应力为[σ]，G处输入转矩为 ，曲轴颈中点受切向力 、 径向力 的作用，且 = 。曲柄臂简化为矩形截面，1.4≤ ≤1.6，2.5≤ ≤4, =1.2r,已知数据如下： 0.11 0.18 150 0.27 120 180 0.05 0.78 10.5 100 0.06 (1) 画出曲轴的内力图。 (2) 设计曲轴颈直径d，主轴颈直径D。 (3) 校核曲柄臂的强度。 (4) 校核主轴颈H-H截面处的疲劳强度，取疲劳安全系数n=2。键槽为端铣 加工，主轴颈表面为车削加工。 (5) 用能量法计算A-A截面的转角 , 。 四、设计过程 1、画出曲轴的内力图 （1） 外力分析 画出曲轴的计算简图，计算外力偶矩 Me=9549 =9549* =1003 EMBED Equation.DSMT4 = =16717N = =8358N 再由平衡条件计算反力 在XOY平面内： = =5188N = =3170N 在XOZ平面内： = =10376N = =6341N （2） 内力分析 ①主轴颈以EF的左端（1-1）截面最危险，受扭转和两向弯曲 = Me =1003 = *（ – ）=913 = *（ – ）=456 ②曲柄臂以DE段的下端（2-2）截面最危险，受扭转、两向弯曲和压缩 = Me =1003 = *（ – ）=913 = *（ – ）=456 = =3170N ③曲轴颈以CD段中间截面（3-3）最危险，受扭转和两向弯曲 = *r=623 = * =1141 = * =571 内力图如下图（由 可知， 与梁的长度的关系总是比 和梁的长度关系高一个数量级。当 （梁的跨度与截面高度之比）较大时，不需要对弯曲切应力进行强度校核，因此在内力图里没画出剪力图。弯矩图画在受压侧）： （单位： 力—N 力矩— ） 2、设计曲轴颈直径d和主轴颈直径D （1）主轴颈的危险截面为EF的最左端，受扭转和两向弯曲 根据主轴颈的受力状态，可用第三强度理论计算 = EMBED Equation.DSMT4 ≤[ ] 其中 = 得D≥49.5mm取D=50mm （2）曲轴颈CD属于圆轴弯扭组合变形，由第三强度理论，在危险截面1-1中： 得 故取 3、校核曲柄臂的强度 (1)（具体求解通过C语言可得，见六、程序计算部分） 由程序得h,b的最优值取为 ， 。 查《材料力学》[1]表3-1，利用插入法得 ， (2)曲柄臂的强度计算 曲柄臂的危险截面为矩形截面，且受扭转、两向弯曲及轴力作用（不计剪力 ），曲柄臂上的危险截面2-2的应力分布图如下图： 根据应力分布图可判定出可能的危险点为 ， ， 。 · 点： 点处于单向应力状态 所以 点满足强度条件。 · 点： 点处于二向应力状态，存在扭转切应力 点的正应力为轴向力和绕z轴的弯矩共同引起的 由第三强度理论 ∵ 所以 点满足强度条件。 · 点： 点处于二向应力状态 根据第三强度理论 所以 点满足强度条件。 综上，曲柄臂满足强度条件。 4、校核主轴颈H-H截面处的疲劳强度 确定H-H截面上的各影响系数。 查《材料力学课程设计指导书》[2]附录得Q-450-5强度极限 查《材料力学》[1]图13-10b得 =1.29, 查《材料力学》[1]表13-3，车削加工， 已知 FH处只受扭转作用 所以，扭转切应力为脉动循环。 = 安全系数 所以，H-H截面的疲劳强度足够。 5、用能量法计算A-A截面的转角 , 采用图乘法分别求解A-A截面的转角 , 。 （1） 求 ：在截面A加一单位力偶矩 。并作出单位力偶矩作用下的弯矩图 与外载荷作用下的弯矩图 如下（画在受压一侧）： 由平衡方程得 B点的弯矩为 E点的弯矩为 由图乘法： ， 查表得 方向与单位力矩方向相同 （2）求 ：在截面A加一单位力偶矩 。并作出单位力偶矩作用下的弯矩图 与外载荷作用下的弯矩图 如下（画在受压一侧）： 同理得： 由图乘法： 方向与单位力矩方向相同 五、设计的改进措施及方法 针对曲轴设计及方法主要有三方面： 1、提高曲轴弯曲强度： 提高弯曲强度的主要措施有：合理安排曲轴受力情况及设计合理的界面等。但对于该曲轴只能采用合理安排曲轴的受力情况，在机械结构允许的情况下，可采取集中载荷适当分散或将集中力尽量靠近支座。 2、提高曲轴疲劳强度： 提高望去刚度的主要措施有：减缓应力集中及提高曲轴表面强度等。为了消除或缓解应力集中，在设计曲轴时，应尽量避免出现方形直角或带有尖角的孔或槽，即在主轴颈和曲柄臂相连处应采用较大的过渡圆角。提高曲轴表面强度可通过两方面实现。一是从加工入手提高表面加工质量，可采用精细加工，降低表面粗糙度，如果将材料改为高强度钢就尤其要注意；二是增强表面强度，对曲轴中应力集中的部位如键槽处应采取某些工艺措施，即表面热处理或化学处理，如表面高频淬火、渗碳、氮化等或表层用滚压、喷丸等冷加工方法，这种方法的特点是使曲轴表面残余应力，减少表面出现微裂纹的机会，以提高曲轴的疲劳强度。 3、提高曲轴的弯曲强度： 提高弯曲强度的主要措施有：改善结构形式，减小弯矩数值，选择合理的截面及合理选材等，但对于该曲轴只能采用改善结构形式，减少弯矩的数值及合理选材。在机械结构允许的情况下，可合理设计和布置支座，即带轮可采用卸载装置，也可采用将集中载荷适当分散或尽量减少跨度，也可将材料改为弹性模量E较大的钢材，但这势必会增加费用。 六、程序计算部分 曲柄臂满足强度要求时必须有： 点： 点： 点： 或者至少要满足： 点： 点： 点： 另外处于经济性考虑，应该尽量使截面积 最小。 由以上分析可以编写计算机程序，计算出 、 的最优值。 计算最优 、 的C程序如下： #include #include #define G 1000 /*换算常数*/ #define D 50 /*主轴颈直径D*/ #define Y 120 /*许用应力120MPa*/ void main() {float Mz,My,Mx,F; float Z1,Z2,Z3,Q2,Q3,Y2,Y3; float h,b,h1,b1; float a,r; float s,m=1.6*D*0.4*1.6*D; printf("input Mx,My,Mz,F:\n"); scanf("%f%f%f%f",&Mx,&My,&Mz,&F); for(h=1.4*D;h<=1.6*D;h=h+0.01) for(b=0.25*h;b<=0.4*h;b=b+0.01) {if(h/b>=2.5&&h/b<=3) /*（查表3-1），利用插入法确定a,r*/ {a=0.213+0.018*h/b; r=0.837-0.028*h/b;} if(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) ; /*计算D1点正应力*/ Z2=F/(b*h)+6*G*Mz/(b*b*h); /*计算D2点正应力*/ Z3=F/(b*h)+6*G*Mx/(b*h*h) ; /*计算D3点正应力*/ Q2=G*My/(b*b*h*a) ; /*计算D2点切应力*/ Q3=r*Q2; /*计算D3点切应力*/ Y2=sqrt(Z2*Z2+4*Q2*Q2); /*应用第三强度理论*/ Y3=sqrt(Z3*Z3+4*Q3*Q3); if((Z1-Y)/Y<0.05&&(Y2-Y)/Y<0.05&&(Y3-Y)/Y<0.05) {s=h*b; if(s