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1、精选优质文档-倾情为你奉上吕梁学院材料力学课程设计 课题名称 单杠柴油机曲轴的强度设计 及刚度计算、疲劳强度校核 院（系） 矿业工程系 专 业 机械设计制造及其自动化 姓 名 雷震华 学 号 起讫日期 2015.5.25-2015.6.25 指导教师 李辉 2015年6月25日单杠柴油机曲轴的强度设计及刚度计算、疲劳强度校核摘要本文是在于系统学完材料力学之后，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，可以使学生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
2、方法，又提高了分析问题，解决问题的能力；把以前所学的知识（高等数学、工程图学、理论力学、算法语言、计算机和材料力学等）综合运用，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。为后继课程（机械设计、专业课等）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。关键词：曲轴弯曲 弯矩 扭矩 强度 刚度专心-专注-专业目录第一章、材料力学课程设计的目的本课程设计的目的是在于系统学完材料力学之后，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
3、知识解决工程实际问题之目的。同时，可以使学生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（高等数学、工程图学、理论力学、算法语言、计算机和材料力学等）综合运用，又为后继课程（机械设计、专业课等）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。具体的有以下六项： 1使学生的材料力学知识系统化、完整化；2在系统全面复习的基础上，运用材料力学知识解决工程中的实际问题；3由于选题力求结合专业实际，因而课程设计可以把材料力学知识和专业需要结 合起来；4综合运用了以前所学的个门课程的知识
4、（高数、制图、理力、算法语言、计算机等等）使相关学科的知识有机地联系起来；5初步了解和掌握工程实践中的设计思想和设计方法；6为后继课程的教学打下基础。第二章、设计题目某柴油机曲轴可以简化为下图所示结构，材料为球墨铸铁（QT450-5），弹性常数为E、，许用应力为，G处输入转矩为Me，曲轴颈中点受切向力Ft、径向力Fr的作用，且Fr=Ft2。曲柄臂简化为矩形截面，1.4hD1.6,2.5hb4，l3=1.2r，有关数据如下表：要求：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
5、加工；5用能量计算法A-A截面的转角y，z。相关数据l1ml2mEGpaMpa-1Mpa0.110.181500.27120180Pkwn（rmin）rml30.050.7815.73200.060.06第三章、设计内容3.1 柴油机曲轴的内力图3.1.1受力分析简图（如图一）3.1.2外力分析：(1)计算外力偶矩：Me=9549pn=954915.7320=468.5 Nm(2)计算切向力Ft，径向力FrFt=Mer=7808.30N Fr=Ft2=3904.15N(3)由平衡条件计算反力：在xOy平面：FAy=Frl2（l1+l2）=2423.3NFFy=Frl1（l1+l2）=1480.
6、90N在xOz平面:FAz=Ftl2l1+l2=4846.55NFFz=Ftl1l1+l2=2961.8N3.14、内力分析画出内力图（如图二）。不计弯曲切应力（故未画剪力图），弯矩图画在纤维受压侧。根据内力图确定危险截面。（单位：力-N，力矩-Nm） 轴颈以EF段的左端（1-1）截面最危险，受扭转和两向弯曲M1x=Me=468.5Nm M1y=FFzl2-l32=444.3 NmM1z=FFyl2-l32=222.1 Nm 柄臂以DE段的下端（2-2）截面最危险，受扭转两向弯曲及压缩M2x=Me=468.5 Nm M2y=FFzl2-l32=444.3NmM2z=FFyl2-l32=222.
7、1 Nm FN2=FFy=1480.90N 轴颈以CD段中间（3-3）截面K最危险，受扭转和两向弯曲M3x=FAzr=290.8NmM3y=FAzl1=533.1NmM3z=FAyl1=266.6Nm3.2 设计曲轴颈直径d，主轴颈直径D(1)曲轴颈CD处于扭转和两向弯曲的组合变形，对危险截面（3-3）应用第三强度理论计算r3=2+42=1wM3x2+M3y2+M3z2 其中1w=32d3带入数据得d38.3mm实际取d=40mm(2)主轴颈EF处于扭转和两向弯曲的组合变形，对危险截面（1-1）应用第三强度理论计算r3=2+42=1wM1x2+M1y2+M1z2其中1w=32D3带入数据得D3
8、8.7mm实际取D=40mm综上，曲轴颈直径40mm 主轴径直径 40mm3.3 校核曲柄臂的强度（1）设计h，b当h和b在题设范围内变化，求解曲柄臂危险截面满足强度条件且截面面积hb最小时的h和b，即为h，b的最佳值。具体求解可通过C程序得到，计算机程序见5.2通过程序可得最佳h=57.81mm b=23.11mm查P70表得=0.258 v=0.767 =0.249（2）求解危险点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（这里不计剪力FQ的作用）。为确定危险点的位置，画出曲柄臂上的危险截面（2-2）应力分布图（如图三）根据应力分布图，可以判定处可能的危险点有D1，D2，D3
9、三点。 D1点进行力分析。由于D1点处于单 向压缩，所以为正压力的代数叠加，即(图四)=FN2A2+M2xw2x+M2zw2z =FFy（hb）+6Me（h2b）+6M2z（hb2）=80.66Mpa所以D1点安全 对D2点进行应力分析。D2点有扭转切应力，=M2y（hb2）=58.53MpaD2点的正应力为轴向力和绕z轴的弯矩共同引起的，即=FN2A2+M2zw2z=FFy（hb）+6M2z（hb2）=44.27Mpar3=2+42=119.98Mpa又125.61-100%=4.637%n=2所以H-H截面处的疲劳强度足够。由=-1-2（-2）解得FH的持久极限-=342.86Mpa构件的
10、持久极限曲线（图五）3.5 运用能量法计算A-A截面处的转角y和zq运用图解法求解y和z（1）求yq：在截面A-A处施加单位力偶My=1.弯矩图My和单位力矩作用下的弯矩图My如下（见图六）EI1=ED464=15010940410-1264=18849.56pam4EI3=Ed464=15010940410-1264=18849.56pam4GIP=Ghb3=Ehb3（21+）=1501090.24957.8123.11310-12（2（1+0.27）=10496.91pam4y=i=1niMci(EI1)+i=1niFNci（EA）=1EI11M1+8M8+1EI22M2+7M7+1EA-
11、9M9+10M10+1EI33M3+4M5+5M5+6M7=0.565+1.697-0.00032+0.601103=5.058 10-3rad第四章、分析讨论计算和设计4.1 对计算过要说明(1)所有图线都是由AutoCAD2007软件绘制。(2) 在画内力图时，由于不计弯曲切应力，故未画剪力图。(3) 在设计D,d和校核强度时，由于材料是球墨铸铁（QT450-5），其金属性与钢接近，塑性好，强度较高，且处于复杂应力状态，故采用第三强度理论校核。(4) 在设计h、b的实际尺寸时，是通过程序在题设范围1.4hD1.6,2.5hb4之间变化取值进行校核强度，直到得出使截面积最 小的最佳结果。(5
12、) 在校核H-H处的疲劳强度时，忽略了键槽对扭转切应力max的影响。因此wp值不变，wp=D216。(6) 发动机曲轴应力属于脉动循环振动应力，柴油机工作良好的情况下，可认为曲轴受到不变的转动力矩，校核强度时，设曲轴工作在脉动循环下。4.2 改进设计的初步方案及设想（1）提高曲轴的弯曲强度在机械结构允许的情况下，可改变l1,l2，将集中力尽量靠近支座或将集中载荷适当分散。另外，选择合理的截面及合理的材料，可以选择弹性模量较大的材料。（2）提高曲轴的弯曲刚度改变截面的形状，铸造曲轴可以采用空心工艺，不仅可以减小质量消除一部分惯性，另外空心结构也有助于提高刚度改善结构形式。其次，主轴颈应尽量避免出
13、现方形直角或带有尖角的孔和槽，即在主轴颈和曲柄臂相连处应采用半径较大的过度圆角，这样可以消除应力集中，相对于带尖叫孔槽的主轴强度刚度是较高的。（3）提高曲轴的疲劳强度设置平衡重，平衡发动机不平衡的离心力和离心力矩，可以减小曲轴工作时不平衡的振动，将脉动循环转换为对称循环，从而提高曲轴的疲劳强度。提高曲轴表面的强度，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、滚压、喷丸等。第五章、设计体会通过这次的课程设计，我对材料力学有了更深一层的认识：材料力学是一门被各个工程广泛应用的学科，是通过理论与实验来进行强度、刚度、稳定性以及材料的力学性能的研究。
14、在保证安全、可靠、经济节省的前提下，为构件选择适当的材料，确定合理的截面形状和尺寸，提供基本理论和计算方法。初步了解和掌握工程实践中的设计思想和设计方法。这次的课程设计让我深知理论与实际相结合的重要性，为后续课程的学习打下基础。此外，我深深地体会到了仅仅掌握课本中的理论和方法是远远不够的，工程实际中的一些问题要比想象的复杂的多，只有不断地进行工程问题的分析和研究，从中获得大量的宝贵经验，才能以最经济的代价、最合理的方法解决遇到的难题。此次课程设计让我受益匪浅，设计中还有很多不足，希望老师批评指正。第六章、计算程序6.1计算机程序C程序核心为求解满足题设及强度条件下截面积最小时的b和h#incl
15、ude#include#define G 100 /为消除单位所设常数#define D 40 /D为主轴颈直径#define Y 120 /=120kPamain() float Mz,My,Mx,F; /分別为曲柄臂所受扭矩弯矩和轴力 float Z1,Z2,Z3,Q2,Q3,Y2,Y3; /分别 为 点的第三理论强度，点的321max321:DDDDDfloat h,b,h1,b1; float a,r; /即和 float s,m=1.6*D*0.4*1.6*D; /s为截面面积，m为题设允许最大截面 printf(input Mx,My,Mz,F:n); scanf(%f%f%f%f
16、,&Mx,&My,&Mz,&F);for(h=1.4*D;h=1.6*D;h=h+0.01) /h和b的循环范围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(Z
17、1=Y&(Y2-Y)/Y0.05&(Y3-Y)/Y0.05) /循环条件为强度校核安全 s=h*b; if(sm) m=s;h1=h;b1=b; /令截面积最小 printf(get the result:n ); printf(h=%5.2fmmnb=%5.2fmmnm=%7.2fmm,h=h1,b=b1,m);6.2输出结果第七章设计的改进措施及方法7.1 提高曲轴的弯曲强度 合理安排曲轴的受力情况及设计合理的截面，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，可采取将集中载荷适当分散或将集中力尽量靠近支座。7.2 提高曲轴的弯曲刚度 提高弯曲刚度的主要措施有：改善结
18、构形式，减少弯矩的数值，选择合理的截面及合理选材等。但对于该曲轴只能改善结构形式，减少弯矩的数值及合理选材。7.3提高曲轴的疲劳强度 提高疲劳强度的主要措施有：减缓应力集中及提高曲轴的表面强度等。为了消除和缓解应力集中，再设计曲轴时，应尽量避免出现方形直角或带有尖角的孔和槽，即在主轴颈和曲柄臂相连处应采用半径较大的过度圆角，提高曲轴表面的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；二是增加表面强度，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、滚压、喷丸等。结束语通过
19、这次的课程设计，我对材料力学有了更深一层的认识：材料力学是一门被各个工程广泛应用的学科，是通过理论与实验来进行强度、刚度、稳定性以及材料的力学性能的研究。在保证安全、可靠、经济节省的前提下，为构件选择适当的材料，确定合理的截面形状和尺寸提供基本理论和计算方法。初步了解和掌握工程实践中的设计思想和设计方法。这次的课程设计让我深知理论与实际相结合的重要性，为后续课程的学习打下基础这次课程设计锻炼了自己的实际动手能力，基本学会了运用所学材料力学知识分析和解决实际问题的能力，达到了学以致用的目的。同时加强了对本学期所学材料力学知识的理解以及对C+软件的运用能力，使相关学科思想和知识有机的联系起来。此外，我深深的体会到了仅仅掌握课本中的理论和方法是远远不够的，工程实际中的一些问题要比想象的复杂的多，只有不断进行工程问题的分析和研究，从中获得大量的宝贵经验，才能以最经济的代价、最合理的方法解决遇到的难题。 此次课程设计让我受益匪浅，设计中还有很多不足，希望老师批评指正。 参考文献1刘鸿文等，材料力学1，北京，高等教育出版社，2011.12 吴宏主等，材料力学实验与课程设计，北京，机械工业出版社，2011.2 3谭浩强,C程序设计（第四版），北京，清华大学出版社，2010.6