材料力學(xué)課程設(shè)計(jì)單缸柴油機(jī)曲軸的強(qiáng)度設(shè)計(jì)

1、學(xué)號(hào)：作者： 序號(hào): 題目：?jiǎn)胃撞裼蜋C(jī)曲軸的強(qiáng)度設(shè)計(jì) 及剛度計(jì)算、疲勞強(qiáng)度校核 指導(dǎo)老師： 2013.10.05目錄1、 課程設(shè)計(jì)的目的.22、 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求.23、 設(shè)計(jì)題目.34、 畫出曲軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖及內(nèi)外力分析.45、 設(shè)計(jì)曲軸頸直徑d和主軸頸直徑D.76、 設(shè)計(jì)曲柄臂的尺寸.87、 校核主軸頸H-H截面處的疲勞強(qiáng)度.108、 用能量法計(jì)算A-A截面的轉(zhuǎn)角,.119、 設(shè)計(jì)和計(jì)算的合理性，優(yōu)缺點(diǎn)及改進(jìn)意見和措施1310、 設(shè)計(jì)體會(huì)1311、 參考文獻(xiàn)1412、 附錄.15一、 課程設(shè)計(jì)的目的材料力學(xué)課程設(shè)計(jì)的目的是在于系統(tǒng)學(xué)習(xí)材料力學(xué)后，能結(jié)合工程中的實(shí)際問(wèn)題，運(yùn)用材料力學(xué)的基本

2、理論和計(jì)算方法，獨(dú)立地計(jì)算工程中的典型零部件，以達(dá)到綜合運(yùn)用材料力學(xué)的知識(shí)解決工程實(shí)際問(wèn)題之目的。同時(shí)，可以使我們將材料力學(xué)的理論和現(xiàn)代計(jì)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(jì)算方法，又提高了分析問(wèn)題，解決問(wèn)題的能力；既把以前所學(xué)的知識(shí)綜合應(yīng)用，又為后繼課程打下基礎(chǔ)，并初步掌握工程中的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法，對(duì)實(shí)際工作能力有所提高。1）使所學(xué)的材料力學(xué)知識(shí)系統(tǒng)化，完整化。讓我們?cè)谙到y(tǒng)全面復(fù)習(xí)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用材料力學(xué)知識(shí)解決工程實(shí)際問(wèn)題。2）綜合運(yùn)用以前所學(xué)的各門課程的知識(shí)（高等數(shù)學(xué)、工程圖學(xué)、理論力學(xué)、算法語(yǔ)言、計(jì)算機(jī)等），使相關(guān)學(xué)科的知識(shí)有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)。3）使我們初步了解和掌握工

3、程實(shí)踐中的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。二、 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求要系統(tǒng)復(fù)習(xí)材料力學(xué)課程的全部基本理論和方法，獨(dú)立分析、判斷設(shè)計(jì)題目的已知所求問(wèn)題，畫出受力分析計(jì)算簡(jiǎn)圖和內(nèi)力圖，列出理論依據(jù)并導(dǎo)出計(jì)算公式，獨(dú)立編制計(jì)算程序，通過(guò)計(jì)算機(jī)給出計(jì)算結(jié)果，并完成設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書。三、 設(shè)計(jì)題目某柴油機(jī)曲軸可以簡(jiǎn)化為下圖所示的結(jié)構(gòu)，材料為球墨鑄鐵(QT450-5)彈性常數(shù)為E、，許用應(yīng)力為，G處輸入轉(zhuǎn)矩為，曲軸頸中點(diǎn)受切向力、徑向力的作用，且=。曲柄臂簡(jiǎn)化為矩形截面，1.41.6，2.54, =1.2r,已知數(shù)據(jù)如下表：0.110.181500.27120180 0.050.7814.44

4、200.06(一) 畫出曲軸的內(nèi)力圖。(二) 設(shè)計(jì)曲軸頸直徑d，主軸頸直徑D。(三) 校核曲柄臂的強(qiáng)度。(四) 校核主軸頸H-H截面處的疲勞強(qiáng)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。(五) 用能量法計(jì)算A-A截面的轉(zhuǎn)角,。四、 曲軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖（1） 外力分析計(jì)算外力偶矩Me=9549=9549*=327=5457N =2728N利用平衡條件計(jì)算支座反力 在XOY平面內(nèi)：=1693N =1035N在XOZ平面內(nèi)：=3387N =2070N（2） 內(nèi)力分析不計(jì)彎曲切應(yīng)力（故未畫出剪力圖），彎矩圖畫在纖維受壓的一側(cè)，根據(jù)內(nèi)力圖確定危險(xiǎn)截面。主軸頸EB左端截面最危險(xiǎn)，受扭轉(zhuǎn)和

5、兩向彎曲=Me=327=*（）=298=*（）=149曲柄臂DE段下端截面最危險(xiǎn)，受扭轉(zhuǎn)、兩向彎曲和壓縮=Me=327=*（）=298=*（）=149=1035N連桿軸頸頸CD段中間截面最危險(xiǎn)，受扭轉(zhuǎn)和兩向彎曲=*r=203=*=373=*=186五、 設(shè)計(jì)曲軸頸直徑d和主軸頸直徑D（1）主軸頸的危險(xiǎn)截面為EB的最左端，受扭轉(zhuǎn)和兩向彎曲 根據(jù)主軸頸的受力狀態(tài)，可用第三強(qiáng)度理論計(jì)算=其中= (2)曲軸頸CD屬于圓軸彎扭組合變形，由第三強(qiáng)度理論，在危險(xiǎn)截面中： 編輯程序，求解h，b。六、 設(shè)計(jì)曲柄臂的尺寸曲柄臂的危險(xiǎn)截面為矩形截面，且受扭轉(zhuǎn)、兩向彎曲及軸力作用（不計(jì)剪力），曲柄臂上的危險(xiǎn)截面的應(yīng)力

6、分布圖如下圖：根據(jù)應(yīng)力分布圖可判定出可能的危險(xiǎn)點(diǎn)為，。（1）點(diǎn)： 點(diǎn)處于單向應(yīng)力狀態(tài) （2）點(diǎn)： 點(diǎn)處于二向應(yīng)力狀態(tài)，存在扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 點(diǎn)的正應(yīng)力為軸向力和繞z軸的彎矩共同引起的 由第三強(qiáng)度理論 （3）點(diǎn)： 點(diǎn)處于二向應(yīng)力狀態(tài) 根據(jù)第三強(qiáng)度理論 （4）1.41.6，2.54通過(guò)查表，由插入法可得，最佳曲柄臂的尺寸是在滿足上述四個(gè)條件的基礎(chǔ)上使其面積S=hb達(dá)到最小值，編輯程序，由程序得h,b的最佳值為 ，。七、 校核主軸頸H-H截面處的疲勞強(qiáng)度球墨鑄鐵（QT450-5）強(qiáng)度極限b=450MP。端銑加工得鍵槽有效應(yīng)力集中系數(shù)K=1.29當(dāng)表面為車削加工時(shí)，利用插入法求得其表面質(zhì)量系數(shù)=0.94。已

7、知-1=180MPa，=0.05，=0.78。FB處只受扭轉(zhuǎn)作用，忽略鍵槽對(duì)抗扭截面系數(shù)的影響，H-H截面抗扭截面系數(shù)：曲軸工作時(shí)，在不變扭矩Me作用下，曲軸不工作時(shí)， 因此 循環(huán)特征 r=故該循環(huán)為脈動(dòng)循環(huán)。 所以，H-H截面的疲勞強(qiáng)度是足夠的。八、 用能量法計(jì)算A-A截面的轉(zhuǎn)角,采用圖乘法分別求解A-A截面的轉(zhuǎn)角,。(1) 求： 在截面A加一單位力偶矩。并作出單位力偶矩作用下的彎矩圖 與外載荷作用下的彎矩圖如下（畫在受壓一側(cè)）：由平衡方程得B點(diǎn)的彎矩為E點(diǎn)的彎矩為由圖乘法：， 查表由插入法可得 （2）求：在截面A加一單位力偶矩。并作出單位力偶矩作用下的彎矩圖 與外載荷作用下的彎矩

8、圖如下（畫在受壓一側(cè)）：同理得： 由圖乘法： 編寫程序,求解,九、 分析討論設(shè)計(jì)和計(jì)算的合理性、優(yōu)缺點(diǎn)及改進(jìn)意見和措施1、設(shè)計(jì)中，做以下幾點(diǎn)說(shuō)明： （1）在畫內(nèi)力圖時(shí)，忽略彎曲切應(yīng)力，故未畫剪力圖。 （2）在強(qiáng)度計(jì)算方面，由于材料是球墨鑄鐵（QT450-5），其性質(zhì)與塑性材料相近，故 用第三強(qiáng)度理論而不用第一或第二強(qiáng)度理論。 （3）在校核曲柄臂畫內(nèi)力分布時(shí)忽略了圓孔對(duì)其的影響。 （4）在疲勞強(qiáng)度校核H-H截面時(shí)，忽略鍵槽對(duì)min的影響。 2 、計(jì)的改進(jìn)意見及措施提高曲軸的彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)合理的截面以及合理布置支座的形式合理安排曲軸的受力情

9、況；也可以在結(jié)構(gòu)允許的情況下將集中載荷適當(dāng)分散讓在和盡量靠近支座。提高曲軸的彎曲剛度 改善結(jié)構(gòu)形式，盡量減小跨度，選擇合理的截面形狀，減少?gòu)澗氐臄?shù)值并且合理選材等形式提高曲軸的彎曲剛度。提高曲軸的疲勞強(qiáng)度 提高疲勞強(qiáng)度主要有減緩應(yīng)力集中和提高構(gòu)件表面強(qiáng)度兩種方式。設(shè)計(jì)曲軸時(shí)，應(yīng)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(yīng)采用半徑較大的過(guò)度圓角。提高曲軸表面的強(qiáng)度：用精細(xì)加工，降低表面粗糙度，尤其對(duì)高強(qiáng)度鋼更重要；對(duì)曲軸中應(yīng)力集中的部位如鍵槽處應(yīng)采取某些工藝措施，即表面熱處理或化學(xué)處理，如表面高頻淬火、滲碳等或表層用滾壓等冷加工辦法。 十、 設(shè)

10、計(jì)體會(huì)通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，自己學(xué)到了許多東西，將自己平常在課堂上學(xué)習(xí)的東西真正地用到了實(shí)際當(dāng)中去，加強(qiáng)了對(duì)各科之間聯(lián)系的認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)的興趣，加深了對(duì)CAD、VC、MATHTYPE等軟件的理解和應(yīng)用能力以及發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題的能力，達(dá)到了鍛煉的目的。對(duì)于本次課程設(shè)計(jì)中的不足之處，還希望老師批評(píng)指正。謝謝老師長(zhǎng)期以來(lái)的辛勤教導(dǎo)與幫助。 十一、 參考文獻(xiàn) 1聶毓琴等，材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)，北京，機(jī)械工業(yè)出版社，2006.8 2聶毓琴，孟廣偉，材料力學(xué)，機(jī)械工業(yè)出版社2007.2 3譚浩強(qiáng)，C程序設(shè)計(jì)（第三版），北京，清華大學(xué)出版社，2005.7十二、 附錄C語(yǔ)言

11、程序如下：include<stdio.h>#include<math.h>#define PI 3.1415926double main()double p,n,Fr,Ft,FAy,FBy,FAz,FBz,L1=0.11,L2=0.18,r,L3,Me;double M1x,M1y,M1z,D,W1,S=120e6;int M2x,M2y,M2z,d,W2;double M3x,M3y,M3z,b,h,A3,Alpha,Gama,Sigma,T,t,h1,b1;double m=1.6*D*0.4*1.6*D*(1e-6),Sigma1,Sigma2,Sigma3,T1

12、,T2,T3,A,B,C;double _FAz,_FBz,_FAy,_FBy,_Mb,_Me,EI1,EI2,EI3,EA,GIt,B1,Zy,Zz,X,E=150e9,u=0.27;printf(" 設(shè)計(jì)題目：?jiǎn)胃撞裼蜋C(jī)曲軸 n請(qǐng)輸入P/kw,n/(r/min),r/mn");scanf("%lf,%lf,%lf",&p,&n,&r);Me=(9549*p)/n;L3=1.2*r;Ft=Me/r;Fr=Ft/2;FAy=Fr*L2/(L1+L2);FBy=Fr*L1/(L1+L2);FAz=2*FAy;FBz=2*FBy;pr

13、intf("Ft=%5.2f,Fr=%5.2fnFAy=%5.2f,FBy=%5.2fnFAz=%5.2f,FBz=%5.2fn",Ft,Fr,FAy,FBy,FAz,FBz); printf("設(shè)計(jì)主軸頸直徑n"); /設(shè)計(jì)主軸頸和曲軸頸直徑 M1x=Me;M1y=FBz*(L2-L3/2);M1z=FBy*(L2-L3/2);printf("M1x=%5.2f,M1y=%5.2f,M1z=%5.2fn",M1x,M1y,M1z);D=pow (32*sqrt(M1y*M1y+M1z*M1z+M1x*M1x)/(PI*S),1.0/

14、3.0)*1000;printf("D=%5.2fmm",D);if(int)D%2=0) D=(int)D+2;else D=(int)D+1;putchar(32);putchar(32);printf("故取D=%5.2fmmn",D);printf("設(shè)計(jì)曲軸頸直徑n"); M2x=FAz*r;M2y=FAz*L1;M2z=FAy*L1;printf("M2x=%5.2f,M2y=%5.2f,M2z=%5.2fn",M2x,M2y,M2z);d=pow (32*sqrt(M2y*M2y+M2z*M2z+M2

15、x*M2x)/(PI*S),1.0/3.0)*1000;printf("d=%5.2fmm",D);if(int)d%2=0) d=(int)d+2;else d=(int)d+1;putchar(32);putchar(32);printf("故取d=%5.2fmmn",d);for(h=1.4*D;h<=1.6*D;h=h+0.01) /設(shè)計(jì)曲柄臂的尺寸h,b for(b=0.25*h;b<=0.4*h;b=b+0.01)A3=b*h*(1e-6);M3x=Me;M3y=FBz*(L2-L3/2);M3z=FBy*(L2-L3/2);Al

16、pha=(1/62.5)*(h/b)+0.218;Gama=(-1/68.2)*(h/b)+0.804; A=FBy/A3+Me/(b*h*h*(1e-9)/6)+FBy*6*(L2-L3/2)/(h*b*b*(1e-9);T2=M3y/(Alpha*h*b*b*(1e-9);Sigma2=FBy/A3+6*M3z/(b*h*h*(1e-9);B=sqrt(Sigma2*Sigma2+4*T2*T2);T3=Gama*T2;Sigma3=FBy/A3+6*M3x/(b*h*h*(1e-9);C=sqrt(Sigma3*Sigma3+4*T3*T3); if(A<=S&&B

17、<=S&&C<=S )A3=b*h;if(A3<m) m=A3;h1=h;b1=b; Alpha=(1/62.5)*(h1/b1)+0.218;Gama=(-1/68.2)*(h1/b1)+0.804;printf("Alpha=%5.2f,Gama=%5.2fn",Alpha,Gama);printf("曲柄臂最理想的尺寸為h=%5.2fmm,b=%5.2fmmn",h1,b1);if(h/b>=2.5&&h/b<=3) B1=0.179+0.028*h/b;elseB1=0.209+0.0

18、18*h/b;_FAz=1/(L1+L2);_FBz=_FAz;_FAy=_FAz;_FBy=_FAz;_Mb=1-_FAz*(L1-L3/2);_Me=_FBz*(L2-L3/2);X=(_Mb+_Me)/2;EI1=E*PI*D*D*D*D*(1e-12)/64;EI2=E*PI*d*d*d*d*(1e-12)/64;GIt=E*B1*h*b*b*b*(1e-12)/(2*(1+u);EI3=E*h*b*b*b*(1e-12)/12;EA=E*h*b*(1e-6);printf("EI1=%.2lf,EI2=%.2lf,EI3=%.2lf,GIt=%.2lf，EA=%.2lfn",EI1,EI2,EI3,GIt,EA);Zy=1/EI1*(0.5*(L1-L3/2)*FAz*(L1-L3/2)*(1-_Mb)/3+_Mb)+0.5*(L2-L3/2)*FBz*(L2-L3/2)*2/3*_Me)+1/EI2*(F