吉林大学材料力学课程设计7.2 数据I16

吉林大学
材料力学课程设计
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：7.2I16
学号：4212XXXX
姓名：学长只能帮你到这了
指导教师：***
2014年9月9日
目录：
1.设计目的
2.设计任务及要求
2.1设计计算说明书的要求
2.2分析讨论及说明部分的要求
2.3程序计算部分的要求
3.设计题目及设计内容
4.设计的改进意见及措施
4.1提高曲轴的弯曲强度
4.2提高曲轴的弯曲刚度
4.3提高曲轴的疲劳强度
5.设计体会
6.参考文献
7.附录
7.1 通用程序框图
7.2 C语言程序
7.3 计算输出结果
7.4 标识符
1.设计目的
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计算方法，独立地计算工程中的典型零部件，以达到综合利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，又为后续课程的学习打下基础，并初步掌握工程设计思路和设计方法，使实际工作能力有所提高。

具体有以下六项：
1.使所学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实际中的问题。

3.由于选题力求结合专业实际，课程设计可把材料力学与专业需要结合起来。

4.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。

5.初步了解和掌握工程实际中的设计思路和设计方法。

6.为后续课程的教学打下基础。

2.设计任务和要求
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，列出理论依据并到处计算公式，独立编制计算机程序，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：
1.设计题目的已知条件、所求及零件图。

2.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。

3.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。

4.画出全部内力图，并标明可能的各危险截面。

5.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应力状态图。

6.各危险点的主应力大小及主平面位置。

7.选择强度理论并建立强度条件。

8.列出全部计算过程的理论根据、公式推导过程以及必要的说明。

9.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。

10.疲劳强度计算部分要说明循环特征，σmax，σmin，r，σm，σa的计算，所查k，ε，β各
系数的依据，并列出疲劳强度校核过程及结果。

2.2分析讨论及说明部分的要求
1.分析计算结果是否合理，并讨论其原因、改进措施。

2.提出改进设计的初步方案及设想。

3.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
1. 程序框图
2. 计算机程序（含必要的语言说明及标识符说明）。

3. 打印结果（数据结果要填写到设计计算说明书上）。

3.设计题目及设计内容
单缸柴油机曲轴的强度设计及刚度计算、疲劳强度校核
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[σ]，G 处输入传矩为M e ，曲轴颈中点受切向力F t 、径向力F r 的 作用，且2
t r F F =。

曲柄臂简化为矩形截面，且满足：
6.14.1≤≤
D h ，45.2≤≤b
h
， 有关数据见表1，表2。

表1 固定数据
题目要求：
（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，取疲劳强度系数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θy ，θz 。

y
x
z F Me Ay Fy
Me=9549n
P =481.27 N/m Ft=r
Me
=8021.16 N Fr=4010.58 N F Ay =
Fr L L L 212+=2489.32 N F Fy =Fr 2
11
L L L +=1521.25 N
F Az =
Ft L L L 212+=4978.65 N F Fz =Ft L L L 2
11
+=3042.51 N
内力图如下： M X
M 1=F Az ·r=298.72 N/m
My
M 2=F Az ·（L 1-2
3
L ）=368.42 N/m M 3=F Az ·L 1=547.65 N/m M 4=F Fz (L 2-2
3
L )=438.12 N/m
M 5=F Ay ·(L 1-
23
L )=184.21 N/m M 6=F Ay ·L 1=273.83 N/m M 7=F Fy ·(L 2-2
3L
)=219.06 N/m
F N1=F Ay =2489.32 N F N2=F Fy =1521.25 N (2)确定主轴直径D:
危险截面在E 处，受弯矩和扭矩组合变形，由第三强度理论得
σr3=227241Me M M W
++≦[σ]
D ≧
3
22
724]
[32Me M M ++σπ=38.8mm 所以D=40mm
确定曲柄颈直径d ：
曲柄颈危险点在CD 中点处，受弯矩和扭矩组合变形，由第三强度理论得： σr3=
2
326211M M M W
++≦[σ]
d ≧3
2
32621]
[32M M M ++σπ=38.67mm
所以曲柄颈直径为d=40mm
（3）校核曲柄臂
曲柄臂危险截面为E 截面，截面受正压力，弯矩和扭矩：
危险点为D 1,D 2,D 3
D 1点为纯压力：
σ=2
7
12W M W Me A F N +
+≦[σ] W 1=62bh W 2=62hb D 2点： τ2=
2
4hb M α σ2=A
F W M N 2
27+ 由第三强度理论得 σr3=22224τσ+≦[σ]
D 3点： τ3=v τ2 σ3=
1
2W Me
A F N +
由第三强度理论得 σr3’=23234τσ+≦[σ]
所以曲柄臂足够强度。

（4）疲劳强度校核
已知τ-1=180 MPa , Ψτ=0.05 ετ=0.78
查书可知σb=450 MPa Kτ=1.29,插入法算得β=0.94
H-H 截面在工作时只受扭转力Me 产生的切应力τ，不工作时受力为0 所以r=0，为脉冲载荷。

τmax =
Wp
Me
=38.30 MPa τmin =0 τa =()min max 2
1ττ-=19.15 MPa )(2
1min max τττ+=m =19.15 MPa
m
a K n τψτβ
εττττ
τ+=
-1
=5.19>2 安全
（5）用能量法计算A-A 截面转角θy ，θz
如图所示，在A-A 处XOZ 面内加一单位力偶，再用叠加法计算θy
支座反力为F Az2和F Fz2，其中F Az2=F Fz2=
2
11
L L +=3.45 N
曲柄臂EI d =644d E π EI D =64
4
D E π GI=()μβ+123
hb E
θy =∑∑
+GI
M
EI
M
ωω
=
⎪⎪⎭
⎫⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛+⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⨯⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛-213122123221221322322312432322L L F L L F L L M M L L L L F EI Fz Fz Fz D +
()⎪⎭
⎫
⎝⎛⨯+⨯⨯⨯-+⎪⎭⎫ ⎝⎛+⨯⨯ ⎝⎛222332332223231221421
L F F L L M M L L F M L EI Fz Fz Fz d +
()⎪⎪⎭⎫⎪⎪⎭⎫ ⎝
⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛
-+⨯⨯⨯-+⎪⎭⎫ ⎝⎛-⨯⨯
2232221423222334332234L L F F L L M M L L F L M Fz Fz Fz + ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝
⎛
-⨯⨯+⨯⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛+22132242322L L F r M M r L L F GI Fz Fz =0.005069rad
同理在XOY 面内在Ａ处加单位力偶
其中F A ｙ2=F F ｙ2＝
2
11
L L +。