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1、 材料力学课程设计 设计计算说明书 设计题目：单缸柴油机曲轴的强度设计及刚度计算、疲劳强度校核 数据号：7-2-5 班级：汽车 00 班 学号：15100000 姓名：彬哥 目录 一、材料力学课程设计的目的 1 二、设计题目 2 三、设计内容 3.1 柴油机曲轴的内力图 3.2 设计曲轴颈直径 d，主轴颈直径 D 3.3 校核曲柄臂的强度 3.4 校核主轴颈 H-H 截面处的疲劳强度 3.5 运用能量法计算 A-A 截面处的转角y和z 四、分析讨论计算和设计 4.1 对计算过程的几点必要说明 4.2 改进设计的初步方案及设想 五、计算程序 5.1 程序框图 5.2 计算机程序 5.2 输出结果
2、 六、设计体会 一、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
3、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（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。二、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、，许用应力为，G 处输入转矩为eM，曲轴颈中点受切向力tF、径向力rF的作用，且rF=2tF。曲柄臂简化为矩形截面，1.4hD1.6，2.5hb4,3
4、l=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，主轴颈表面为车削加工。5.用能量法计算 A-A 截面的转角y,z。注：对于材料的力学性质，若在设计过程中需要，可查阅 材料力学、工程手册或材料力学实验指导书等有关资料，不论从何处查得，均需标明出处。相关数据 1/lm 2/lm/E Gpa /Mpa 1/Mpa 0.11 0.18 150 0.27 120 180 /P kW/(/min)nr/rm 0.05 0.78 15.6 260 0.06
5、零件图：单缸柴油机曲轴 零件简化图：三、设计内容 3.1 柴油机曲轴的内力图 （1）受力分析计算简图：（2）外力分析：计算外力偶矩：Me=9549Pn=954915.6260=572.94 计算切向力 Ft，径向力 Fr tF=eMr=9549N rF=2tF=4774.5N 由平衡条件计算反力：在 xOy平面:AyF=212rF lll=2963.5N FyF=112rF lll=1811N 在 xOz平面:AzF=212tFlll=5927N FzF=112tFlll=3622N(3)内力分析：画出内力图。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
6、：力-N，力矩-Nm）My图438.6438.6652521.6521.6Mx图355.6573573355.6N260.8260.8326219.3219.3Mz图18112963.5F 图主轴颈以 EF 段的左端（1-1）截面最危险，受扭转和两向弯曲 1xM=eM=572.94Nm 1yM=FzF（2l-32l）=521.6Nm 1zM=FyF（2l-32l）=260.8Nm 曲柄臂以 DE 段的下端（2-2）截面最危险，受扭转两向弯曲及压缩 2xM=eM=572.94Nm 2yM=FzF（2l-32l）=521.6Nm 2zM=FyF（2l-32l）=260.8Nm 2NF=FyF=18
7、11N 曲轴颈以 CD 段中间（3-3）截面 K 最危险，受扭转和两向弯曲 3xM=AzFr=355.62Nm 3yM=AzF1l=651.97Nm 3zM=AyF1l=325.99Nm 3.2 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 2234r=2223331xyzMMMW 其中3132Wd 带入数据得到 d 40.98mm 实际取 d=41mm.(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 2234r=2221111xyzMMMW 其中3132WD 代入数据
8、得到 D 41.09mm 实际取 D=42mm.综上，曲轴颈直径 d=41mm 主轴颈直径 D=42mm 3.3 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 h b 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=60.01mm b=23.99mm 查 P70表得=0.258 =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QF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）
9、应力分布图 根据应力分布图，可以判定处可能的危险点有1D，2D，3D三点。对1D点进行力分析。由于1D点处于单 向压缩，所以为正压力的代数叠加，即=222222NxzxzFMMAWW =22266FyezFMMhbh bhb =86.35Mpa 所以1D点安全。对2D点进行应力分析。2D点有扭转切应力，=22yMhb=58.53Mpa 2D点的正应力为轴向力和绕 z 轴的弯矩共同引起的，即=2222NzzFMAW=226FyzFMhbhb=46.56MPa 2234r=125.61MPa 又125.61 120100120=4.6735 所以2D点安全。3D点处于二向应力状态 1max0.76
10、758.5344.89MPa =2222NxxFMAW=26FyeFMhbh b=41.05MPa 2234r=98.72MPa 所以3D点安全。综上1D，2D，3D三点都安全，即危险截面强度足够。曲柄臂满足强度条件。3.4 校核主轴颈 H-H截面处的疲劳强度 曲轴材料为球墨铸铁（QT450-5），即 b=450MPa 端铣加工键槽车削加工表面，查 P369可得 K=1.29，=0.9438 已知 1=180MPa r=0.78 =0.05 n=2 FH 处只受扭转作用（忽略键槽对抗扭系数的影响pW的影响 min=1xpMW=1216xMD=-39.39MPa max=0 r=minmax=-
11、即扭转切应力为脉动循环。mmaxmin1()19.702MPa maxmin1()19.702aMPa n=1amrK =1801.2919.700.05 19.700.78 0.9438=5.37n=2 所以 H-H截面处的疲劳强度足够。由122 解得 FH 的持久极限=342.86MPa 构件的持久极限曲线：a/MPa m/MPa 102.7 3.5 运用能量法计算 A-A截面处的转角y和z 运用图乘法求解y和z。（1）求y：在截面 A-A处施加单位力偶yM=1.弯矩图yM和单位力矩作用下的弯矩图yM如下 10.7450.497521.6521.6438.6438.6My0.830.683
12、0.6210.5590.4970.3310M=1图图yMw1w2w3w4w5w6w7w844129414210150 1022911.75.6464DEIEPa m 44129434110150 1020806.38.6464dEIEPa m3931234150 100.24960.0123.991012183.482(1)2(10.27)pE hbGIG hbPa m 111nniciiciyiipMMEIGI=118811()MMEI+3345556731()MMMMEI +22771()pMMGI=（1.13+1.21+2.89）/1000=5.23310rad（2）求z：在截面 A-A
13、处施加单位力偶zM=1.作弯矩图zM和单位力矩图zM以及轴力图NF和NF如下 Mz=10Mz图Mz图219.3219.3326260.8260.81FN图FN图18112963.53.4483.4481213.448FyAyFFNll 331294260.01 23.9910150 1010356.77.1212hbEIEPa m 9364150 1060.0123.9910215945985.EAEhbPa m 111nniciiNciziiMFEIEA =118811()MMEI+227721()MMEI+9910101()MMEA+3345556731()MMMMEI =(0.565+1
14、.697-0.00032+0.601)310=2.86310rad 四、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 AutoCAD2004 软件绘制，部分数学公式经Mathtype6.5 编辑而成。(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 1.4 hD 1.6，2.5hb 4 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)在校核 H-H
15、 处的疲劳强度时，忽略了键槽对扭转切应力 max的影响。因此pW值不变，pW=216D。(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12,l l，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现方形
16、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。五、计算程序 5.1 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 include#include#define G 100 /为消除单位所设常数
17、#define D 42/D 为主轴颈直径#define Y 120/=120kPa main()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:DDDDD float 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,&Mx,&My,&Mz,&F);for(h=1.4*D;h=1.6*D;h=h
18、+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(Z1=Y&(Y2-Y)/Y0.05&(Y3-Y)/Y0.05)/循环条件为强度校核安全 s=
19、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);5.2 输出结果 六、设计体会 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,这是学习材料力学的目的。在通过这次的材料力学课程设计后，我对材料力学这门科学有了更深刻的认识，对材料力学知识掌握的更加牢固，并且掌握了一些设计和解决问题的方法。这次的课程设计让我进一步了解了理论与实际相结合的重要性，为后续的学习打下基础。同时，也让我认识了我的一些不足之处，我将争取在今后改正。最后，感谢老师的辛勤教诲 二一二年九月