材料力学课程设计之单缸柴油机曲轴的强度设计.doc

材料力学课程设计之单缸柴油机曲轴的强度设计

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2020年5月29日
文档仅供参考
材料力学课程设计

班级:
作者:
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:

.11.05

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,能够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,经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
某柴油机曲轴能够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,已知数据如下表:

0.11
0.18
150
0.27
120
180

0.05
0.78
15.5
280
0.06

(一) 画出曲轴的内力图。
(二) 设计曲轴颈直径d,主轴颈直径D。
(三) 校核曲柄臂的强度。
(四) 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。
(五) 用能量法计算A-A截面的转角,。

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
==16717N
==8358N
计算反力
在XOY平面内:==5188N
==3170N
在XOE平面内:==10376N
==6341N
(2) 内力分析
①主轴颈的EG左端(1-1)截面最危险,受扭转和两向弯曲
=m=1003
=*(–)=913
=*(–)=456
②曲柄臂DE段下端(2-2)截面最危险,受扭转、两向弯曲和压缩
=m=1003
=*(–)=913
=*(–)=456
==3170N
③曲柄颈CD段中间截面(3-3)最危险,受扭转和两向弯曲
=*r=623
=*=1141
=*=571
（2） 图如下图(不计内力弯曲切应力,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
=≤[]
其中=
得D≥49.5mm取D=50mm
(2)曲柄颈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)(具体求解经过C语言可得,见附录)
由程序得h,b的最佳值为 ,。
查表得 ,
(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,,。

l 点: 点处于单向应力状态

因此点满足强度条件。
l 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

∵
因此点满足强度条件。
l 点: 点处于二向应力状态

根据第三强度理论

因此点满足强度条件。
Ø 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
由题意
查表得
已知
FH处只受扭转作用

因此,扭转切应力为脉动循环。

安全系数
因此,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

(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:

附录
求解h,b的C语言程序如下:
include<math.h>
#include<stdio.h>
#define G 1000
#define D 50
#define Y 120
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)
{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) ;
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)/Y<0.05&&(Y3-Y)/Y<0.05)
{s=h*b;
if(s<m)
{m=s;h1=h;b1=b;}}}
printf("get the result:\n" );
printf("h=%5.2fmm\nb=%5.2fmm\nm=%7.2fmm",h=h1,b=b1,m);}

设计体会
经过这次课程设计,自己独立完成了所有题目的解答过程,加深了对材料力学、CAD,C语言等知识的理解和运用能力,真正得将所学知识用在了对实际问题的解决上,并经过和同学的讨论研究交流了不同的想法,达到了锻炼的目的。