单缸柴油机曲轴的强度设计及刚度计算、疲劳强度校核

3）曲轴颈 CD 段中间截面（3-3）为危险截面，受扭转和两向弯曲
= = M F 296.3 N ⋅ m Az r 3x
M = F = 543.3 N ⋅ m 3y Az l1
M F 271.7 N ⋅ m = = 3z Ay l1
（二）设计曲轴颈直径 d 和主轴颈 D
（1）主轴颈的危险截面为 EF 段的最左端 1-1 截面，受扭转和两向弯曲,可 用第三强度理论计算：
2
一、 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。具体有一下六项： (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。
1
四、 分析讨论及必要说明· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 27 五、设计的改进措施及方法· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·28 六、 设计体会· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 28 七、 参考文献· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·29 附录
由平衡条件计算反力 在 XOY 平面内: = FAy
Fr l2 = 2469.6 N l1 + l2 Fr l1 1509.2 N = l1 + l2
= Fwenku.baidu.comy
6
在 XOZ 平面内： = FAz
Ft l2 = 4939.1N l1 + l2 Ft l1 = 3018.4 N l1 + l2
= FFz
σ = r3
1 M 1x 2 + M 1 y 2 + M 1z 2 W1
（2）内力分析
内力图如下，不计弯曲切应力，弯矩图画在纤维受压侧，根据内力图确定危截 面。(单位：力-N 力矩 N·m)
7
1）主轴颈的 EF 左端 （1-1）截面为危险截面，受扭转和两向弯曲
477.45 N ⋅ m M = M = 1x e
l M 1 y = FFz × (l2 − 3 ) = 434.6 N ⋅ m 2 l M 1z = FFy × (l2 − 3 ) = 217.3 N ⋅ m 2
2）曲柄臂 DE 段下端（2-2）为危险截面，受扭转、两向弯曲和压缩
M= M = 477.45 N ⋅ m 2x e
l M 2 y = FFz × (l2 − 3 ) = 434.6 N ⋅ m 2 l M 2 z = FFy × (l2 − 3 ) = 217.3 N ⋅ m 2
F= F = 1509.2 N N2 Fy
材料力学课程设计 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：7.2-15 学号：42100214 姓名：邓文哲 指导教师：魏媛
目录
一、设计目的· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·3 二、设计任务和要求· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·3
二、 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路、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) 画出结构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和过程。
一．程序框图· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·30 二．C 语言程序· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 31 三．计算输出结果· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·35 四．标识符· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·36
4
l 1 /m
0.11 要求：
l 2 /m
0.18
E/GPa
150
µ
0.27
[σ ]/MPa
120
τ −1 / MPa
ψτ
0.05
ετ
0.78
180
（一） 画出曲轴的内力图。 （二） 设计曲轴颈直径 d ，主轴颈直径 D 。 （三） 校核曲柄臂的强度。 （四） 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。 （五） 用能量法计算 A-A 截面的转角 θy , θz 。
三、 设计题目· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 4
3.1、数据 15-Ⅰ 1）画出曲轴的内力图· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·6 2）设计曲轴颈直径 d 和主轴颈 D· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·8 3）校核曲柄臂的强度· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·9 4） 校核主轴颈 H-H 截面处的疲劳强度· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 12 5） 用能量法计算 A-A 截面的转角 θy ， · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·13 θz · 3.2 数据 15-Ⅱ 1）画出曲轴的内力图· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·17 2）设计曲轴颈直径 d 和主轴颈 D· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 19 3)校核曲柄臂的强度· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·20 4）校核主轴颈 H-H 截面处的疲劳强度· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·23 5） 用能量法计算 A-A 截面的转角 θy ， · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 24 θz ·
3
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的应力状态图。 6) 选择强度理论并建立强度条件。 7) 列出全部计算过程的理论依据、公式推导过程以及必要的说明。 8) 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。 9) 疲劳强度计算部分要说明循环特性，σ max ，σ min ，r ， σ m ， σ a 的
2.1、 设计计算说明书的要求· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 3 2.2、 分析讨论及说明书部分的要求· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 4 2.3、 程序计算部分的要求· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 4
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[ σ ]，G 处输入转矩为 Me ，曲轴颈中点受切向力
h Ft 、径向力 Fr 的作用，且 Fr = Ft 。曲柄臂简化为矩形截面，1.4 ≤
2
D
≤ 1.6 ,
2.5 ≤
h ≤ 4 , l3 = 1.2r ,有关数据如下表： b
5
3.1 数据 15-Ⅰ
P / kW
n / (r / min)
r/m
12.0
240
0.06
（一）画出曲轴的内力图
（1）. 外力分析
画出曲轴的计算简图（上图） ，计算外力偶矩。
12.0 P Me = 9549 × = 9549 × = 477.45 N ⋅ m 240 n
Ft ∴= F = r M e 477.45 = = 7957.5 N 0.06 r Ft = 3978.75 N 2
计算，所查 K ， ε ， β 各系数的依据，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) 计算机程序。 2) 打印结果（数据结果要填写到设计计算说明书上） 。