材料力学课程设计之单缸柴油机曲轴的强度设计(doc 14页)

材料力学课程设计

班级：

作者：

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

指导老师：

2007.11.05

一、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后，能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之目的。同时，可以使我们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；既把以前所学的知识综合应用，又为后继课程打下基础，并初步掌握工程中的设计思想和设计方法，对实际工作能力有所提高。

1）使所学的材料力学知识系统化，完整化。让我们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问题。

2）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。

3）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，为后续课程的学习打下基础。

二、课程设计的任务和要求

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。

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e M ，曲轴颈中点受切向力t F

、径向力r F 的作用，且r F =2t F 。曲柄臂简化为矩形截面，1.4≤h

D

≤1.6，2.5≤

h

b

≤4, 3l =1.2r,已知数据如下表：

(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，取疲劳安全系数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y θ,z θ。

1、 画出曲轴的内力图

（1） 外力分析

画出曲轴的计算简图，计算外力偶矩 Me=9549

p

n

=9549*10.5100=1003N m ⋅

∴t F =

e

M r =16717N r F =2

t

F =8358N

计算反力

在XOY 平面内：Ay F =2

12

r F l l l +=5188N Fy F =

1

12

r F l l l +=3170N 在XOE 平面内：Az F =2

12

t F l l l +=10376N

Fz F =1

12

t F l l l +=6341N

（2） 内力分析

①主轴颈的EG 左端（1-1）截面最危险，受扭转和两向弯曲 1X M =m=1003N m ⋅

1Y M =Fz F *（2l –

3

2l ）=913N m ⋅ 1Z M =Fy F *（2l –3

2

l ）=456N m ⋅

②曲柄臂DE 段下端（2-2）截面最危险，受扭转、两向弯曲和压缩

2X M =m=1003N m ⋅

2Y M =Fz F *（2l –3

2l ）=913N m ⋅

2Z M =Fy F *（2l –3

2

l ）=456N m ⋅

2N F =Fy F =3170N

③曲柄颈CD 段中间截面（3-3）最危险，受扭转和两向弯曲

3X M =Az F *r=623N m ⋅ 3Y M =Az F *1l =1141N m ⋅ 3Z M =Ay F *1l =571N m ⋅

（1） 图如下图（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 768

7681141913913

M

623

1003

1003

N

F 5188

3170

z

M 384

384571456

456

1、 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 σ=

11

ω

[σ]

其中

1

1

ω=

3

32

D

π 得D ≥49.5mm 取D=50mm

(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1-1中： 3r σ=

22

2

3

3332X Y Z M M M ++= []222

3

326231141571120MPa d

σπ=

++≤= 得 49.4d mm ≥ 故取 50d mm =

1、 校核曲柄臂的强度

(1)（具体求解通过C 语言可得，见附录）

由程序得h,b 的最佳值为 72.32h mm =，28.92b mm =。 查表得 0.258α=，0.767γ=

(2)曲柄臂的强度计算

曲柄臂的危险截面为矩形截面，且受扭转、两向弯曲及轴力作用（不计剪力Q F ），曲柄臂上的危险截面2-2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1D ，2D ，3D 。