單缸柴油機曲軸的強度設計及剛度計算、疲勞強度校核 楊韜

1、材料力學課程設計設計題目：單缸柴油機曲軸的強度設計及剛度計算、疲勞強度校核班級： 鐵車三班 學號： 2014120950 姓名： 楊韜 指導老師： 任小平 一、 設計目的系統(tǒng)學完材料力學之后，能結合工程中的實際問題，運用材料力學的基本理論和計算方法，獨立地計算工程中的典型零部件，以達到綜合運用材料力學的知識解決工程實際問題之目的。同時，可以使學生將材料力學的理論和現(xiàn)代計算方法及手段融為一體。既從整體上掌握了基本理論和現(xiàn)代的計算方法，又提高了分析問題，解決問題的能力；既把以前所學的知識綜合運用，又為后繼課程打下基礎，并初步掌握工程中的設計思想和設計方法，對實際工作能力有所提高二、設計題目某柴油機

2、曲軸可以簡化為下圖所示的結構，材料為球墨鑄鐵(QT450-5)，彈性常數(shù)為E、，許用應力為，G處輸入轉矩為，曲軸頸中點受切向力、徑向力的作用，且=。曲柄臂簡化為矩形截面，1.41.6，2.54, =1.2r,有關數(shù)據(jù)如下表：要求： 1. 畫出曲軸的內力圖。2. 設計曲軸頸直徑d，主軸頸直徑D。3. 校核曲柄臂的強度。4. 校核主軸頸H-H截面處的疲勞強度，取疲勞安全系數(shù)n=2。鍵槽為端銑加工，主軸頸表面為車削加工。5. 用能量法計算A-A截面的轉角,。數(shù)據(jù)0.110.181500.27120180 0.050.7816.43000.05零件圖：單缸柴油機曲軸零件簡化圖：三、設計內容3.1 柴油

3、機曲軸的內力圖 （1）受力分析計算簡圖：（2）外力分析：計算外力偶矩：Me=9549·=9549×16.4/300=572.94計算切向力Ft，徑向力Fr=9549N =4774.5N由平衡條件計算反力：在xOy平面: =2963.5N =1811N在xOz平面: =5927N =3622N(3)內力分析：畫出內力圖。不計彎曲切應力（故未畫剪力圖），彎矩圖畫在纖維受壓側。根據(jù)內力圖確定危險截面。（單位：力-N，力矩-N·m）主軸頸以EF段的左端（1-1）截面最危險，受扭轉和兩向彎曲 =572.94N·m=·（-）=521.6N·m =

4、·（-）=300.8N·m曲柄臂以DE段的下端（2-2）截面最危險，受扭轉兩向彎曲及壓縮=572.94N·m=·（-）=521.6N·m =·（-）=300.8N·m=1811N曲軸頸以CD段中間（3-3）截面K最危險，受扭轉和兩向彎曲=×r=355.62N·m=×=651.97N·m=×=325.99N·m3.2 設計曲軸頸直徑d，主軸頸直徑D (1)曲軸頸CD處于扭轉和兩向彎曲的組合變形，對危險截面（3-3）應用第三強度理論計算=其中帶入數(shù)據(jù)得到d40.98mm

5、實際取d=41mm.(2)主軸頸EF處于扭轉和兩向彎曲的組合變形，對危險截面（1-1）應用第三強度理論計算=其中代入數(shù)據(jù)得到D41.09mm實際取D=42mm.綜上，曲軸頸直徑d=41mm 主軸頸直徑D=42mm3.3 校核曲柄臂的強度 （1）設計h，b 當h和b在題設范圍內變化，求解曲柄臂危險截面滿足強度條件且截面面積h×b最小時的h和b，即為h，b的最佳值。具體求解可通過C程序得到，計算機程序見5.2通過程序可得最佳h=60.01mm b=23.99mm查P70表得=0.258 =0.767 =0.249（2）求解危險點曲柄臂的危險截面為矩形截面，且受扭轉、兩向彎曲及軸力作用（這

6、里不計剪力的作用）。為確定危險點的位置，畫出曲柄臂上的危險截面（2-2）應力分布圖根據(jù)應力分布圖，可以判定處可能的危險點有，三點。對點進行力分析。由于點處于單向壓縮，所以為正壓力的代數(shù)疊加，即= = =86.35Mpa所以點安全。對點進行應力分析。點有扭轉切應力，=58.53Mpa 點的正應力為軸向力和繞z軸的彎矩共同引起的，即=46.56MPa=125.61MPa又=4.6735 所以點安全。點處于二向應力狀態(tài)=41.05MPa=98.72MPa 所以點安全。綜上，三點都安全，即危險截面強度足夠。曲柄臂滿足強度條件。3.4 校核主軸頸H-H截面處的疲勞強度曲軸材料為球墨鑄鐵（QT450-5）

7、， 即 =450MPa 端銑加工鍵槽車削加工表面，查P369可得 =1.29，=0.9438已知 =180MPa =0.78 =0.05 n=2FH處只受扭轉作用（忽略鍵槽對抗扭系數(shù)的影響的影響=-39.39MPa =0r=-即扭轉切應力為脈動循環(huán)。n=5.37n=2所以H-H截面處的疲勞強度足夠。 /MPa由 解得FH的持久極限=342.86MPa102.7/MPa構件的持久極限曲線：3.5 運用能量法計算A-A截面處的轉角和運用圖乘法求解和。（1）求：在截面A-A處施加單位力偶=1.彎矩圖和單位力矩作用下的彎矩圖如下 =+ +=（1.13+1.21+2.89）/1000=5.23×

8、;rad（2）求：在截面A-A處施加單位力偶=1.作彎矩圖和單位力矩圖以及軸力圖和如下 =+ =(0.565+1.697-0.00032+0.601)×=2.86×rad四、分析計算和設計4.1 對計算過要說明(1)所有圖線都是由AutoCAD2004軟件繪制，部分數(shù)學公式經(jīng)Mathtype6.5編輯而成。(2) 在畫內力圖時，由于不計彎曲切應力，故未畫剪力圖。(3) 在設計D,d和校核強度時，由于材料是球墨鑄鐵（QT450-5），其金屬性與鋼接近，塑性好，強度較高，且處于復雜應力狀態(tài)，故采用第三強度理論校核。(4) 在設計h、b的實際尺寸時，是通過程序在題設范圍1.4 1

9、.6，2.5 4之間變化取值進行校核強度，直到得出使截面積最小的最佳結果。 (5) 在校核H-H處的疲勞強度時，忽略了鍵槽對扭轉切應力 的影響。因此值不變，=。(6) 發(fā)動機曲軸應力屬于脈動循環(huán)振動應力，柴油機工作良好的情況下，可認為曲軸受到不變的轉動力矩，校核強度時，設曲軸工作在脈動循環(huán)下。4.2 改進設計的初步方案及設想（1）提高曲軸的彎曲強度在機械結構允許的情況下，可改變，將集中力盡量靠近支座或將集中載荷適當分散。另外，選擇合理的截面及合理的材料，可以選擇彈性模量較大的材料。（2）提高曲軸的彎曲剛度改變截面的形狀，鑄造曲軸可以采用空心工藝，不僅可以減小質量消除一部分慣性，另外空心結構也有

10、助于提高剛度改善結構形式。其次，主軸頸應盡量避免出現(xiàn)方形直角或帶有尖角的孔和槽，即在主軸頸和曲柄臂相連處應采用半徑較大的過度圓角，這樣可以消除應力集中，相對于帶尖叫孔槽的主軸強度剛度是較高的。（3）提高曲軸的疲勞強度設置平衡重，平衡發(fā)動機不平衡的離心力和離心力矩，可以減小曲軸工作時不平衡的振動，將脈動循環(huán)轉換為對稱循環(huán)，從而提高曲軸的疲勞強度。提高曲軸表面的強度，對曲軸中應力集中的部位如鍵槽處應采取某些工藝措施，即表面熱處理或化學處理，如表面高頻淬火、滲碳、滾壓、噴丸等。五、計算程序 5.1 計算機程序C程序核心為求解滿足題設及強度條件下截面積最小時的b和hinclude<math.h&

11、gt;#include<stdio.h>#define G 100 /為消除單位所設常數(shù)#define D 42/D為主軸頸直徑#define Y 120/=120kPamain()float Mz,My,Mx,F; /分別為曲柄臂所受扭矩彎矩和軸力float Z1,Z2,Z3,Q2,Q3,Y2,Y3; /分別為float h,b,h1,b1;float a,r; /即和float s,m=1.6*D*0.4*1.6*D; /s為截面面積，m為題設允許最大截面printf("input Mx,My,Mz,F:n");scanf("%f%f%f%f&qu

12、ot;,&Mx,&My,&Mz,&F);for(h=1.4*D;h<=1.6*D;h=h+0.01) /h和b的循環(huán)范圍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; 和的函數(shù)關系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)

13、;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)/循環(huán)條件為強度校核安全s=h*b;if(s<m)m=s;h1=h;b1=b;/令截面積最小printf("get the result:n" );printf("h=%5.2fmmnb=%5.2fmmnm=%7.2