材料力学课程设计 单缸柴油机曲轴

材料力学课程设计

班级：441006班

作者：刘百川44100608

题目：单缸柴油机曲轴的强度设计

及刚度计算、疲劳强度校核题号：4

数据号：24

指导老师：李锋

课程设计的目的

材料力学课程设计的目的是在于系统学习材料力学课程之后，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的计算方法，又提高了分析问题、解决问题的能力；既是对以前所学的知识的综合应用，又为后续课程的学习打下基础，并初步掌握工程设计思想和设计方法，对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，因而课程设计可以把材料力学知识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.使我们初步了解和掌握工程实践中的设计思想和设计方法。

6.为后续课程的学习打下基础。

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。

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e M ，曲轴颈中点受切向力t F 、径向力r F 的作用，且2t r F F =

。曲柄臂简化为矩形截面，1.4 1.6h D ≤≤，2.54h

b

≤≤, 3 1.2l r =。

已知数据如下表：

注：带*标记的为独立的一组设计计算数据，与他人不相同。

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。

n=。键槽为端铣加工，4.校核主轴颈H-H截面处的疲劳强度，取疲劳安全系数2

主轴颈表面为车削加工。

θθ。

5.用能量法计算A-A截面的转角,

y z

作答如下：

1.画出曲轴的内力图

（1） 外力分析

画出曲轴的计算简图。 外力偶矩e M =9549

P n =9549×14.0450

=297N m ⋅ t F =

e

M r =5940N r F =2

t

F =2970N

下面计算反力 在面xOy 内：Ay F =

2

12

r F l l l +=1843N Fy F =

1

12

r F l l l +=1127N 在面xOy 内：Az F =

2

12

t F l l l +=3687N Fz F =

1

12

t F l l l +=2253N （2）内力分析

A ．主轴颈的EF 左端（1-1）截面受扭转和两向弯曲，为最危险：

1x M =e M =297N m ⋅ 1y M =Fz F （2l –

3

2

l ）=338N m ⋅

1z M =Fy F （2l –

3

2

l ）=169N m ⋅ B ．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。

2x M =e M =297N m ⋅ 2y M =Fz F （3

22

l l -

）=338N m ⋅ 2z M =Fy F （3

22

l l -

）=169N m ⋅ 2N F =Fy F =1127N

C ．曲柄颈C

D 段中间截面（3-3）受扭转和两向弯曲，为最危险。

3x M =Az F r =184N m ⋅ 3y M =Az F 1l =406N m ⋅

3z M =Ay F 1l =203N m ⋅

做图如下页所示（不计内力弯曲切应力，弯矩图画在受压侧）： （单位：力—N 力矩—N m ）

y

x

M 295

295406338338

M

447

447297

297

N

F 1843

1127

z

M 147147

406169

169

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

根据主轴颈的受力状态，可用第三强度理论计算

3r σσ=

≤[] 其中

3

1132

W D

π= 得34.4D mm ≥取36D mm =

(2)曲柄颈CD 属于圆轴弯扭组合变形，由第三强度理论，在危险截面3-3中：

3r σσ=

[] 其中

3

3132

W d

π= 得34.6d mm ≥取36d mm =

3.校核曲柄臂的强度

（具体求解通过C 程序可得，见附录） 由程序得,h b 的最佳值为52h mm =，21b mm =。 查表得0.258α=，0.767γ=