單缸柴油機(jī)曲軸的強(qiáng)度設(shè)計(jì)及剛度計(jì)算疲勞強(qiáng)度校核24

1、材料力學(xué)課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū) 設(shè)計(jì)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 圖號(hào)：7-2 數(shù)據(jù)號(hào)：II-11 學(xué)號(hào)： 卡號(hào)： 姓名：井子源 指導(dǎo)教師：魏媛 目錄1、 設(shè)計(jì)目的··································

2、··22、 設(shè)計(jì)任務(wù)和要求······························22.1、設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)的要求·············

3、3;························22.2、分析討論及說(shuō)明書(shū)部分的要求······················

4、3;·········32.3、程序計(jì)算部分的要求······································&#

5、183;·33、 設(shè)計(jì)題目····································43.1、畫(huà)出曲軸的內(nèi)力圖·········

6、;·································63.2、設(shè)計(jì)曲軸頸直徑d和主軸頸D··············

7、;···················93.3、校核曲柄臂的強(qiáng)度····························

8、3;·············103.4、校核主軸頸H-H截面處的疲勞強(qiáng)度··························· 123.5、用能量法計(jì)算A-A截面的轉(zhuǎn)角 ，··&

9、#183;···················· 134、 分析討論及必要說(shuō)明··························175、

10、 設(shè)計(jì)的改進(jìn)措施及方法························186、 設(shè)計(jì)體會(huì)······················

11、3;·············187、 參考文獻(xiàn)···································&

12、#183;19一、設(shè)計(jì)目的 本課程設(shè)計(jì)是在系統(tǒng)學(xué)完材料力學(xué)課程之后，結(jié)合工程實(shí)際中的問(wèn)題，運(yùn)用材料力學(xué)的基本理論和計(jì)算方法，獨(dú)立地計(jì)算工程中的典型零部件，以達(dá)到綜合利用材料力學(xué)知識(shí)解決工程實(shí)際問(wèn)題的目的。同時(shí)，可以使學(xué)生將材料力學(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)代計(jì)算方法，又提高了分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力；既是對(duì)以前所學(xué)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)和材料力學(xué)等）的綜合運(yùn)用，又為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，并初步掌握工程設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法，使實(shí)際工作能力有所提高。具體有一下六項(xiàng)：(1).使所學(xué)的材料力學(xué)知識(shí)系統(tǒng)化、完整化。(2).在系統(tǒng)全面復(fù)習(xí)

13、的基礎(chǔ)上，運(yùn)用材料力學(xué)知識(shí)解決工程實(shí)際中的問(wèn)題。(3).由于選題力求結(jié)合專業(yè)實(shí)際，因而課程設(shè)計(jì)可把材料力學(xué)與專業(yè)需要結(jié)合起來(lái)。(4).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)。(5).初步了解和掌握工程實(shí)際中的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法。(6).為后續(xù)課程的教學(xué)打下基礎(chǔ)。二、設(shè)計(jì)任務(wù)和要求參加設(shè)計(jì)者要系統(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)題目的已知條件和所求問(wèn)題，畫(huà)出受力分析計(jì)算簡(jiǎn)圖和內(nèi)力圖，列出理論依據(jù)并到處計(jì)算公式，獨(dú)立編制計(jì)算機(jī)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(shū)。（1）.設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明

14、書(shū)的要求設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)是該題目設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)結(jié)果的說(shuō)明，要求書(shū)寫(xiě)工整，語(yǔ)言簡(jiǎn)練，條理清晰、明確，表達(dá)完整。具體內(nèi)容應(yīng)包括：Ø 設(shè)計(jì)題目的已知條件、所求及零件圖。Ø 畫(huà)出結(jié)構(gòu)的受力分析計(jì)算簡(jiǎn)圖，按比例標(biāo)明尺寸、載荷及支座等。Ø 靜不定結(jié)構(gòu)要畫(huà)出所選擇的基本靜定系統(tǒng)和及與之相應(yīng)的全部求和過(guò)程。Ø 畫(huà)出全部?jī)?nèi)力圖，并標(biāo)明可能的各危險(xiǎn)截面。Ø 危險(xiǎn)截面上各種應(yīng)力的分布規(guī)律圖及由此判定各危險(xiǎn)點(diǎn)處的應(yīng)力狀態(tài)圖。Ø 選擇強(qiáng)度理論并建立強(qiáng)度條件。Ø 列出全部計(jì)算過(guò)程的理論依據(jù)、公式推導(dǎo)過(guò)程以及必要的說(shuō)明。Ø 對(duì)變形及剛度

15、分析要寫(xiě)明所用的能量法計(jì)算過(guò)程及必要的內(nèi)力圖和單位力圖。Ø 疲勞強(qiáng)度計(jì)算部分要說(shuō)明循環(huán)特性， ， ，r ， ， 的計(jì)算，所查，各系數(shù)的依據(jù)，疲勞強(qiáng)度校核過(guò)程及結(jié)果。（2）.分析討論及說(shuō)明部分的要求² 分析計(jì)算結(jié)果是否合理，并討論其原因、改進(jìn)措施。² 提出改進(jìn)設(shè)計(jì)的初步方案及設(shè)想。² 提高強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性的措施及建議。（3）.程序計(jì)算部分的要求v 計(jì)算機(jī)程序。v 打印結(jié)果（數(shù)據(jù)結(jié)果要填寫(xiě)到設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)上）。三、設(shè)計(jì)題目單缸柴油機(jī)曲軸的強(qiáng)度設(shè)計(jì)及剛度計(jì)算、疲勞強(qiáng)度校核 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（QT4505）彈性常數(shù)為E、，許

16、用應(yīng)力，G處輸入傳矩為 ，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 ,已知數(shù)據(jù)如下表：0.110.181500.27120180n/(r/min)0.050.7816.83400.05(1) 畫(huà)出曲軸的內(nèi)力圖。(2) 設(shè)計(jì)曲軸頸直徑d ，主軸頸直徑D 。(3) 校核曲柄臂的強(qiáng)度。 (4) 校核主軸頸 H-H 截面處的疲勞強(qiáng)度，取疲勞強(qiáng)度系數(shù)n=2。鍵槽為端銑加工，主軸頸表面為車削加工。(5) 用能量法計(jì)算A-A截面的轉(zhuǎn)角 y , z 。4.1 畫(huà)出曲軸的內(nèi)力圖4.1.1 畫(huà)出分析圖 外力分析畫(huà)出曲軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖（上圖），計(jì)算外力偶矩。 計(jì)算反力在

17、XOY平面內(nèi): 在XOZ平面內(nèi)： 內(nèi)力分析1 主軸頸的EF左端 （1-1）截面為危險(xiǎn)截面，受扭轉(zhuǎn)和兩向彎曲 2 曲柄臂DE段下端（2-2）為危險(xiǎn)截面，受扭轉(zhuǎn)、兩向彎曲和壓縮 3 曲柄勁CD段中間截面（3-3）為危險(xiǎn)截面，受扭轉(zhuǎn)和兩向彎曲4.1.4曲軸內(nèi)力圖，如下圖所示。（不計(jì)內(nèi)力彎曲切應(yīng)力，彎矩圖畫(huà)在受壓側(cè)）（單位： 力-N 力矩-N·m）4.2 設(shè)計(jì)曲軸頸直徑d和主軸頸D（1） 主軸頸的危險(xiǎn)截面為EF段的最左端1-1截面，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：得 ： 取 （2）曲柄頸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3-3中 其中：

18、得： 取 4.3 校核曲柄臂的強(qiáng)度（1） （具體求解過(guò)程通過(guò)C語(yǔ)言可得） 由程序得h，b的最佳值為，。 查材料力學(xué)(機(jī)械工業(yè)出版社)P70頁(yè)表3-1得： （2） 曲柄臂的強(qiáng)度計(jì)算 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)剪力的作用），曲柄臂上的危險(xiǎn)截面2-2應(yīng)力分布圖與下圖所示：Ø 點(diǎn)： 點(diǎn)處于單向應(yīng)力狀態(tài) 所以：點(diǎn)滿足強(qiáng)度要求。Ø 點(diǎn)： 點(diǎn)處于二向應(yīng)力狀態(tài)，受扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力作用 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：因?yàn)樗裕狐c(diǎn)不滿足強(qiáng)度條件。Ø 點(diǎn)： 點(diǎn)處于二向應(yīng)力狀態(tài) 根據(jù)第三強(qiáng)度理論：所以：點(diǎn)滿足強(qiáng)度理論條件。綜上所

19、述：曲柄臂不滿足強(qiáng)度條件。4.4 校核主軸頸H-H截面處的疲勞強(qiáng)度查詢QT450-5材料的強(qiáng)度極限為:查詢材料力學(xué)（機(jī)械工業(yè)出版社）課本P355圖13-10及表13-3得：端銑加工得鍵槽有效應(yīng)力集中系數(shù) 當(dāng)表面為車削時(shí)表面質(zhì)量系數(shù)已知 FH 處只受扭轉(zhuǎn)作用 所以，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán) 安全系數(shù)：所以，H-H截面的疲勞強(qiáng)度符合強(qiáng)度要求。4.5 用能量法計(jì)算A-A截面的轉(zhuǎn)角。采用圖乘法分別求解截面的轉(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(huà)在受彎的一側(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： 查表得：·&#

20、183;桿件的抗扭剛度： ·由公式： 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圖如下（畫(huà)在受彎的一側(cè)）：同理得：B點(diǎn)的彎矩為：E點(diǎn)的彎矩為：···由公式： 得：四、分析討論及計(jì)算說(shuō)明在我的設(shè)計(jì)中，特做以下幾點(diǎn)說(shuō)明：（1）在外力分析時(shí)，在設(shè)定未知力的時(shí)候，由于已知條件中沒(méi)有X方向的外力，故不考慮（2）在畫(huà)內(nèi)力圖時(shí)，不考慮彎曲切應(yīng)力對(duì)設(shè)計(jì)的影響，故未畫(huà)剪力圖。（3）在強(qiáng)度計(jì)算方面，由于材料是球墨鑄鐵，其物理性質(zhì)與鋼相近，所以采用第三強(qiáng)度理論而不用第一或第二強(qiáng)度理論。（4）在校核曲柄臂畫(huà)內(nèi)力分布時(shí)，把曲柄臂的

21、危險(xiǎn)截面簡(jiǎn)化成矩形，忽略圓孔對(duì)其的影響。（5）在校核H-H截面疲勞強(qiáng)度時(shí)，忽略鍵槽對(duì)的影響。五、本次設(shè)計(jì)的不足及改進(jìn)措施5.1 提高曲軸的彎曲強(qiáng)度及剛度 通過(guò)合理安排曲軸的受力情況及設(shè)計(jì)合理的截面，可以有效的提升曲軸的強(qiáng)度。本設(shè)計(jì)中的曲軸可以采用合理安排受力情況。在機(jī)械結(jié)構(gòu)允許的情況下，可采取將集中載荷適當(dāng)分散或?qū)⒓辛ΡM量靠近支座的受力情況。對(duì)于曲軸彎曲剛度，可以通過(guò)改善機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式，減少?gòu)澗氐拇笮?，選擇合理的截面及合理選材等方法提高其剛度。對(duì)于本例中可改善曲軸結(jié)構(gòu)形式，減少?gòu)澗氐拇笮〖昂侠磉x材來(lái)達(dá)到曲軸剛度的要求。5.2 提高曲軸的疲勞強(qiáng)度 提高疲勞強(qiáng)度的主要措施有減緩應(yīng)力集中及提高曲軸的

22、表面強(qiáng)度等。為了消除和緩解應(yīng)力集中，在設(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)度可通過(guò)兩方面實(shí)現(xiàn),一是從加工入手，提高表面加工質(zhì)量，可采用精細(xì)加工降低表面粗糙度，這在將材料改為高強(qiáng)度鋼時(shí)尤其重要；二是增強(qiáng)表面強(qiáng)度，對(duì)曲軸中應(yīng)力集中的部位如鍵槽處應(yīng)采取表面熱處理或化學(xué)處理等工藝措施，如表面高頻淬火、滲碳、滾壓、噴丸等冷加工的方法。六、設(shè)計(jì)體會(huì) 通過(guò)這次的課程設(shè)計(jì)，我對(duì)材料力學(xué)的相關(guān)知識(shí)應(yīng)用有了更深一層的認(rèn)識(shí)：材料力學(xué)是一門被各個(gè)工程廣泛應(yīng)用的學(xué)科，是通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性以及材料的力學(xué)性能的研究。在保

23、證安全、可靠、經(jīng)濟(jì)節(jié)省的前提下，為構(gòu)件選擇適當(dāng)?shù)牟牧?，確定合理的截面形狀和尺寸提供基本理論和計(jì)算方法。這些在此次設(shè)計(jì)過(guò)程中我有了切身的體會(huì)。 此外，我深深的感到僅僅掌握課本中的理論和方法是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，工程實(shí)際設(shè)計(jì)中的問(wèn)題要比想象的復(fù)雜的多。短暫的一個(gè)零件設(shè)計(jì)過(guò)程，就運(yùn)用到了眾多的以前學(xué)過(guò)的理論知識(shí)，由此我更加增強(qiáng)了對(duì)專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)的熱情，并由衷的感到要把材料力學(xué)知識(shí)學(xué)懂悟透必須要有扎實(shí)的基本功以及嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)的科學(xué)研究精神。當(dāng)然，實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，在理論學(xué)習(xí)工程中不斷進(jìn)行工程問(wèn)題的實(shí)踐設(shè)計(jì)和論證，從而獲得大量的寶貴經(jīng)驗(yàn)，才能以最經(jīng)濟(jì)的過(guò)程、最合理的方法解決遇到的設(shè)計(jì)難題。此次課程設(shè)計(jì)讓我受益

24、匪淺，當(dāng)然設(shè)計(jì)中也還有很多不足，懇請(qǐng)老師批評(píng)指正。七、參考文獻(xiàn)1聶毓琴，孟廣偉，材料力學(xué)，機(jī)械工業(yè)出版社2007.22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，2006.83譚浩強(qiáng),C程序設(shè)計(jì)（第三版），北京，清華大學(xué)出版社，2005.7八、附錄8.1 求解h,b的C語(yǔ)言程序如下8.2 求解h，b的C語(yǔ)言程序如下：#include<math.h>#include<stdio.h>#define G 1000#define D 50#define Y 120int main()float Mz,My,Mx,F;float Z1,Z2,Z3,Q2