材力课设-单缸柴油机曲轴的强度设计及刚度计算、疲劳强度校核-吉林大学.doc

材力课设 单缸柴油机曲轴的强度设计及刚度计算、疲劳强度校核 吉林大学（可编辑）
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材 料 力 学

课程设计说明书

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。

设计者： 吉林大学汽车工程学院

工业设计专业

序号：33 指导老师:李锋

目录
1.材料力学课程设计的目的………………………3
2.材料力学课程设计的任务和要求………………4
2.1设计计算说明书的要求 ……………………4
2.2分析讨论及说明部分的要 …………………5
2.3程序计算部分的要求 ………………………5
3.设计题目 …………………………………………5
4.设计过程 …………………………………………7
4.1.画出曲轴的内力图。 ………………………7
4.2设计曲轴颈直径d，主轴颈直径D。………9
4.3设计曲柄臂尺寸h和b。(计算机程序)……10
4.4校核主轴颈H--H截面处的疲劳强度………13
4.5用能量法计算A--A截面的转角,………14
5. 必要说明…………………………………………18
6. 提高刚度、强度、稳定性的措施………………18
7. 设计体会…………………………………………19
8. 参考文献…………………………………………19

一． 材料力学课程设计的目的
本课程设计是在系统学完材料力学课程之后，结合工程实际中
的问题，运用材料力学的基本理论和设计方法，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知识解决工程实际问题的目
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计算方法，又提高了分析问
题、解决问题的能力；既是对以前所学知识（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）的综合运用，又为后续
课程（机械设计、专业课等）的学习打下基础，并初步掌握工程设计
思想和设计方法，使实际工作能力有所提高。具体有以下六项：
⑴使所学的材料力学知识系统化、完整化。
⑵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中的问题。
⑶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与专业需要结合起来。
⑷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。
⑸初步了解和掌握工程实践中的设计思想和设计方法。
⑹为后续课程的学习打下基础。
二. 材料力学课程设计的任务和要求
参加设计者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条件和所求问题，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。
2.1设计计算说明书的要求
设计计算说明书是该题目设计思想、设计方法和设计结果的说明，要求书写工整，语言简练，条理清晰-、明确，表达完整。具体内容应包括：
⑴设计题目的已知条件、所求及零件图。
⑵画出构件的受力分析计算简图，按比例标明尺寸、载荷及支座等。
⑶静不定结构要画出所选择的基本静定系统及与之相应的全部求解过程。
⑷画出全部内力图，并表面可能的各危险截面。
⑸各危险截面上各种应力的分布规律图及由此判定各危险点处的应力状态图。
⑹各危险点的主应力大小及主平面的位置。
⑺选择强度理论并建立强度条件。
⑻列出全部计算过程的理论依据、公式推导过程及必要的说明。
⑼对变形及刚度分析要写明所用的能量法计算过程及必要的内力图和单位力图。
⑽疲劳强度计算部分要说明循环特征，σmax，σmin，r ，σ m，σ a的计算，所查各系数的，ｋ, ε ，β 依据，疲劳强度校核过程及结果，并绘出构件的持久曲线。
2.2分析讨论及说明部分的要求
⑴分析计算结果是否合理，并讨论其原因、改进措施。
⑵提出改进设计的初步方案及设想。
⑶提高强度、刚度及稳定性的措施及建议。
2.3程序计算部分的要求
⑴程序框图。
⑵计算机程序（含必要的说明语言及标识符说明）。
⑶打印结果（数据结果要填写到设计计算说明书上）。
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,已知数据如下表：

0.11
0.18
150
0.27
120
180

0.05
0.78
9.1
160
0.06

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.设计曲柄臂尺寸h和b。
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．答：
1.画出曲轴的内力图

（1） 外力分析
计算扭矩：=95499549×=543
计算Ft、Fr: ==9050N
==4525N
计算反力：
在面xOy内：==2808N
==1716N
在面xOz内：==5617N
==3432N
（2） 内力分析

主轴颈的EF左端（1-1）截面受扭转和两向弯曲，为最危险：
==543
=（–）=494
=（–）=247
曲柄臂DE段下端（2-2）截面受扭转、两向弯曲和压缩，为最危险。
==543
=（）=494
=（）=247
==1716N
曲柄颈CD段中间截面（3-3）最危险，受扭转和两向弯曲
=r=337
==618
==309
下图单位： 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
根据第三强度理论：

其中=
得D≥40.4mm取D=42mm
(2) 曲柄颈CD属于圆轴弯扭组合变形，由第三强度理论得

得 d≥40.3mm 故取
3.设计曲柄臂尺寸h和b
(1)通过C语言程序得h,b的最佳值为 h=58.92 , b=23.56
程序如下：
#include
#include
#define G 1000
#define D 42
#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(s2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： 点处于单向压缩应力状态

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
由题意查得球墨铸铁
由书P369查得理论应力集中系数
书P370查得
已知
在H--H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截面的疲劳强度符合强度要求。

5.用能量法计算A-A截面的转角,
(1) 求
h=58.92mm，b=23.56mm 由书P70页查表得
先计算抗弯刚度：

抗扭刚度：

采用的图乘法，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。

由平衡法得
B点的弯矩为
E点的弯矩为

（方向与单位力偶相同）

（2） 求：

用图乘法计算，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（画在受压一侧）：

同理得：

B点的弯矩为：
m
E点的弯矩为：
·

五．分析讨论及必要说明
在本次设计中，做以下几点说明：
1.在外力分析时，在设定未知力的时候，由于已知没有X方向的外力，故未设
2.在画内力图时，不计弯曲切应力，故未画剪力图。
3.在校核曲柄臂时，画内力分布时，把曲柄臂的危险截面看成矩形，忽略了圆孔对其的影响。
4.在疲劳强度校核H-H截面时，忽略键槽对的影响。

六．提高刚度、强度、稳定性的措施
1、提高曲轴的弯曲强度的主要措施（书P140）
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或将集中载荷适当分散，将静定结构变为静不定结构。
2、 提高曲轴的弯曲刚度的主要措施（书P166）
提高弯曲刚度的主要措施有：改善结构形式，如合理设计和布置支座，尽量减小跨度等，减少弯矩的数值，选择合理的截面及合理选材等。对于该曲轴可以改善结构形式，减少弯矩的数值及合理选材。
3、 提高曲轴的疲劳强度的主要措施（书P380）
1）减缓应力集中：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。
2） 提高曲轴的表面强度：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、氮化等或用表层滚压、喷丸等冷加工方法。
七．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。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。
感谢老师的辛勤教诲！
八．参考文献
1、材料力学
2、材料力学实验与课程设计
3、C程序设计