吉林大學(xué)材力課設(shè)單缸柴油機(jī)曲軸

1、材料力學(xué)課程設(shè)計計算說明書設(shè)計題目：單缸柴油機(jī)曲軸的強(qiáng)度設(shè)計及剛度計算、疲勞強(qiáng)度校核 數(shù)據(jù)號：7.2-2 學(xué)號：4111xxxx 姓名：xxx指導(dǎo)教師：xxxx目錄一、設(shè)計目的···································&#

2、183;··············3二、設(shè)計任務(wù)和要求·································

3、3;·········32.1、設(shè)計計算說明書的要求······································&

4、#183;···32.2、分析討論及說明書部分的要求····································42.3、程序計算部分的要求·····

5、;·······································4三、設(shè)計題目·········

6、3;·········································43.1、數(shù)據(jù)7.2-21）畫出曲軸的內(nèi)力圖·····

7、···········································62）設(shè)計曲軸頸直徑d和主軸頸D····&#

8、183;··································83）校核曲柄臂的強(qiáng)度·············

9、83;·································94）校核主軸頸H-H截面處的疲勞強(qiáng)度·············&#

10、183;··················· 135）用能量法計算A-A截面的轉(zhuǎn)角 ，···························

11、;···· 13四、分析討論及必要說明·····································17五、設(shè)計的改進(jìn)措施及方法····&

12、#183;·····························18六、設(shè)計體會···················

13、;·······························18七、參考文獻(xiàn)·················

14、83;································19附錄一、程序框圖················

15、;··································20二、C語言程序··············&#

16、183;··································21三、計算輸出結(jié)果·············

17、3;································25四、標(biāo)識符················

18、83;···································26一、設(shè)計目的 本課程設(shè)計是在系統(tǒng)學(xué)完材料力學(xué)課程之后，結(jié)合工程實際中的問題，運用材料力學(xué)的基本理論和計算方法，獨立地計算工程中的典型零部件，以達(dá)到綜合利用材料力學(xué)知識解決

19、工程實際問題的目的。同時，可以使學(xué)生將材料力學(xué)的理論和現(xiàn)代計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)代計算方法，又提高了分析問題、解決問題的能力；既是對以前所學(xué)知識（高等數(shù)學(xué)、工程圖學(xué)、理論力學(xué)、算法語言、計算機(jī)和材料力學(xué)等）的綜合運用，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)計思路和設(shè)計方法，使實際工作能力有所提高。具體有一下六項：(1).使所學(xué)的材料力學(xué)知識系統(tǒng)化、完整化。(2).在系統(tǒng)全面復(fù)習(xí)的基礎(chǔ)上，運用材料力學(xué)知識解決工程實際中的問題。(3).由于選題力求結(jié)合專業(yè)實際，因而課程設(shè)計可把材料力學(xué)與專業(yè)需要結(jié)合起來。(4).綜合運用以前所學(xué)的各門課程的知識（高等數(shù)學(xué)、工程圖

20、學(xué)、理論力學(xué)、算法語言、計算機(jī)等），使相關(guān)學(xué)科的知識有機(jī)地聯(lián)系起來。(5).初步了解和掌握工程實際中的設(shè)計思路和設(shè)計方法。(6).為后續(xù)課程的教學(xué)打下基礎(chǔ)。二、設(shè)計任務(wù)和要求參加設(shè)計者要系統(tǒng)復(fù)習(xí)材料力學(xué)課程的全部基本理論和方法，獨立分析、判斷設(shè)計題目的已知條件和所求問題，畫出受力分析計算簡圖和內(nèi)力圖，列出理論依據(jù)并到處計算公式，獨立編制計算機(jī)程序，通過計算機(jī)給出計算結(jié)果，并完成設(shè)計計算說明書。2.1 設(shè)計計算說明書的要求設(shè)計計算說明書是該題目設(shè)計思路、設(shè)計方法和設(shè)計結(jié)果的說明，要求書寫工整，語言簡練，條理清晰、明確，表達(dá)完整。具體內(nèi)容應(yīng)包括：1) 設(shè)計題目的已知條件、所求及零件圖。2) 畫出結(jié)

21、構(gòu)的受力分析計算簡圖，按比例標(biāo)明尺寸、載荷及支座等。3) 靜不定結(jié)構(gòu)要畫出所選擇的基本靜定系統(tǒng)及與之相應(yīng)的全部求和過程。4) 畫出全部內(nèi)力圖，并標(biāo)明可能的各危險截面。5) 危險截面上各種應(yīng)力的分布規(guī)律圖及由此判定各危險點處的應(yīng)力狀態(tài)圖。6) 選擇強(qiáng)度理論并建立強(qiáng)度條件。7) 列出全部計算過程的理論依據(jù)、公式推導(dǎo)過程以及必要的說明。8) 對變形及剛度分析要寫明所用的能量法計算過程及必要的內(nèi)力圖和單位力圖。9) 疲勞強(qiáng)度計算部分要說明循環(huán)特性， ， ，r ， ， 的計算，所查，各系數(shù)的依據(jù)，疲勞強(qiáng)度校核過程及結(jié)果。2.2、分析討論及說明部分的要求1) 分析計算結(jié)果是否合理，并討論其原因、改進(jìn)措施。

22、2) 提出改進(jìn)設(shè)計的初步方案及設(shè)想。3) 提高強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性的措施及建議。2.3、程序計算部分的要求1) 計算機(jī)程序。2) 打印結(jié)果（數(shù)據(jù)結(jié)果要填寫到設(shè)計計算說明書上）。三、設(shè)計題目某柴油機(jī)曲軸可以簡化為下圖所示的結(jié)構(gòu)，材料為球墨鑄鐵（QT4505）彈性常數(shù)為E、，許用應(yīng)力，G處輸入轉(zhuǎn)矩為 ，曲軸頸中點受切向力、徑向力的作用，且 。曲柄臂簡化為矩形截面，1.41.6 , 2.54 ,有關(guān)數(shù)據(jù)如下表：要求：0.110.181500.271201800.050.78（一） 畫出曲軸的內(nèi)力圖。（二） 設(shè)計曲軸頸直徑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

23、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。（五） 用能量法計算A-A截面的轉(zhuǎn)角 y , z 。 3.1數(shù)據(jù)7.2-2 12.22800.05（一）畫出曲軸的內(nèi)力圖（1） . 外力分析畫出曲軸的計算簡圖（上圖），計算外力偶矩。由平衡條件計算反力在XOY平面內(nèi): 在XOZ平面內(nèi)：（2） 內(nèi)力分析1） 主軸頸的EF左端 （1-1）截面為危險截面，受扭轉(zhuǎn)和兩向彎曲2）曲柄臂DE段下端（2-2）為危險截面，受扭轉(zhuǎn)、兩向彎曲和壓縮 3） 曲軸頸CD段中間截面（3-3）為危險截面，受扭轉(zhuǎn)和兩向彎曲內(nèi)力圖如下，不計彎曲切應(yīng)力，彎矩圖畫在纖維受壓側(cè)，根據(jù)內(nèi)力圖確定危截面。(單位：

24、力-N 力矩N·m)（2） 設(shè)計曲軸頸直徑d和主軸頸D（1） 主軸頸的危險截面為EF段的最左端1-1截面，受扭轉(zhuǎn)和兩向彎曲,可用第三強(qiáng)度理論計算： 故D取。 （2）曲軸頸CD屬于彎扭組合變形，由第三強(qiáng)度理論可得： 故d取。（三）校核曲柄臂的強(qiáng)度曲柄臂的危險截面為矩形截面，受扭轉(zhuǎn)、兩向彎曲及軸力的作用。為確定危險點的位置，畫出曲柄臂上（2-2）截面應(yīng)力分布圖。曲柄臂的強(qiáng)度計算:根據(jù)應(yīng)力分布圖可判定出可能的危險點為，。1） 對點進(jìn)行應(yīng)力分析。點處于單向壓縮，所以正應(yīng)力2）對點進(jìn)行應(yīng)力分析。點扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力：正應(yīng)力由軸力、繞Z軸的彎矩共同引起。由于點處于二向應(yīng)力狀態(tài)，故選用第三強(qiáng)度理論： 3）

25、對點進(jìn)行應(yīng)力分析。同理可得： 應(yīng)用第三強(qiáng)度理論： 。綜上，曲柄臂滿足強(qiáng)度要求時必須有：點：點：點：出于經(jīng)濟(jì)性考慮，應(yīng)該盡量使截面積最小。根據(jù)以上分析可以編寫計算機(jī)程序，取遍、所有值，計算出、的最優(yōu)值。由附錄中C程序子函數(shù)hb（）可以求出、的最優(yōu)值如下。h=59.04mmb=23.61 mm現(xiàn)在取h=59.04 mm，b=23.61mm對曲柄臂強(qiáng)度進(jìn)行校核：當(dāng)h=59.04 mm，b=23.61mm時，查表3-1，利用插入法得： 1）點： 所以點安全。2) 點： 由第三強(qiáng)度理論所以點也滿足強(qiáng)度條件。3)點： 由第三強(qiáng)度理論：也安全。所以說，曲柄臂的強(qiáng)度是足夠的。（四） 校核主軸頸H-H截面處的疲

26、勞強(qiáng)度由材料力學(xué)課程設(shè)計附錄得球墨鑄鐵（QT450-5）強(qiáng)度極限。查材料力學(xué)得有效應(yīng)力集中系數(shù)，表面質(zhì)量系數(shù)。已知，。FH 處只受扭轉(zhuǎn)作用。忽略鍵槽對抗扭截面系數(shù)的影響，H-H截面抗扭截面系數(shù)：曲軸工作時，在不變扭矩作用下，曲軸不工作時， 故該循環(huán)為脈動循環(huán)。 安全系數(shù)：所以，H-H截面的疲勞強(qiáng)度是足夠的。（五）、 用能量法計算A-A截面的轉(zhuǎn)角。采用圖乘法分別求解截面的轉(zhuǎn)角。、求：1） 在截面A加一單位力偶矩。由平衡方程得：B點的彎矩為： E點的彎矩為： 2） 單位力偶矩作用下的內(nèi)力圖與外載荷作用下的內(nèi)力圖如下（彎矩畫在受壓的一側(cè)）： 單位:N·m當(dāng)h=59.04 mm，b=23.6

27、1mm時，查表可得：桿件的抗扭剛度： 方向與單位力偶相同。、求：1） 在截面A加一單位力偶矩。2）單位力偶矩作用下的內(nèi)力圖與外載荷作用下內(nèi)力圖如下（彎矩畫在受壓側(cè)）： 方向與單位力偶相同。4、 分析討論及必要說明在本次設(shè)計中，做以下幾點說明：1) 在外力分析時，在設(shè)定未知力的時候，由于已知沒有x方向的外力，故未設(shè)。2) 在畫內(nèi)力圖時，不計彎曲切應(yīng)力，故未畫剪力圖。3) 在強(qiáng)度計算方面，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。4) 在校核曲柄臂時，畫內(nèi)力分布時，把曲柄臂的危險截面看成矩形，忽略了圓孔對其的影響。5) 在疲勞強(qiáng)度校核H-

28、H截面時，忽略鍵槽對的影響。五、設(shè)計的改進(jìn)意見及措施1、提高曲軸的彎曲強(qiáng)度 提高彎曲強(qiáng)度的主要措施有：合理安排構(gòu)件的受力情況及設(shè)計合理的截面，但對于該曲軸只能采用合理安排曲軸的受力情況。在結(jié)構(gòu)允許的情況下，可采取合理設(shè)計和布置支座或?qū)⒓休d荷適當(dāng)分散。2、 提高曲軸的彎曲剛度 提高彎曲剛度的主要措施有：改善結(jié)構(gòu)形式，減少彎矩的數(shù)值、選擇合理的截面及合理選材等。對于該曲軸可以改善結(jié)構(gòu)形式，減少彎矩的數(shù)值并且合理選材，選擇合適的材料。3、 提高曲軸的疲勞強(qiáng)度1） 減緩應(yīng)力集中。為了消除和緩解應(yīng)力集中，再設(shè)計曲軸時，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

29、度圓角2） 提高構(gòu)件表面強(qiáng)度等。提高曲軸表面的強(qiáng)度可通過兩方面實現(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，尤其對高強(qiáng)度鋼更重要；二是增加表層強(qiáng)度，對曲軸中應(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、氮化等或表層用滾壓、噴丸等冷加工辦法。六、設(shè)計體會 通過這次的課程設(shè)計，我對材料力學(xué)有了進(jìn)一步的認(rèn)識：材料力學(xué)的任務(wù)就是在滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的要求下，以最經(jīng)濟(jì)的代價，為構(gòu)件確定合理的形狀和尺寸，選擇適宜的材料，為構(gòu)件設(shè)計提供必要的理論基礎(chǔ)和計算方法。材料力學(xué)課程設(shè)計使我將材料力學(xué)的理論與工程實際結(jié)合起來，讓我深知理論與實際相結(jié)

30、合的重要性，初步了解和掌握了工程實踐中的設(shè)計思想和設(shè)計方法，同時為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。 這次課程設(shè)計鍛煉了自己的實際動手能力，基本學(xué)會了運用所學(xué)材料力學(xué)知識分析和解決實際問題的能力，達(dá)到了學(xué)以致用的目的。同時加強(qiáng)了對上學(xué)期所學(xué)材料力學(xué)知識的理解以及對AutoCAD、C+等軟件的運用能力，使相關(guān)學(xué)科思想和知識有機(jī)的聯(lián)系起來。 此外，我深深的體會到了僅僅掌握課本中的理論和方法是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，工程實際中的一些問題要比想象的復(fù)雜的多，有很多的知識等待著我去學(xué)習(xí)。只有將理論與實際結(jié)合起來，才能以最經(jīng)濟(jì)的代價、最合理的方法解決遇到的難題。 本次設(shè)計中還有很多不足，希望老師能夠批評指正。七、參考文獻(xiàn)1、材

31、料力學(xué)/聶毓琴，孟光偉主編，北京：機(jī)械工業(yè)出版社。2、材料力學(xué)實驗與課程設(shè)計/聶毓琴、吳宏主編，北京：機(jī)械工業(yè)出版社。3、C程序設(shè)計/第四版，譚浩強(qiáng)主編，北京：清華大學(xué)出版社。附錄一、程序框圖：計算外力及支座反力確定危險截面并輸出變量M1x, M1y, M1z, M2x, M2yM2z, FN2, M3x, M3y, M3z由第三強(qiáng)度理論計算D，d計算危險點主應(yīng)力并輸出計算n，校核疲勞強(qiáng)度圖乘法計算轉(zhuǎn)角調(diào)子程序進(jìn)行強(qiáng)度校核并計算轉(zhuǎn)角定義已知量輸入原始數(shù)據(jù)曲柄臂安全曲柄臂不安全開始n>2調(diào)子程序計算h, b疲勞強(qiáng)度安全疲勞強(qiáng)度不安全輸出結(jié)果結(jié)束YNYN二、c語言程序#include<

32、stdio.h>#include<math.h>#define PI 3.1415926double Me,FAy,FAz,FFy,FFz,M1x,M1y,M1z,M2x,M2y,M2z,FN2,M3x,M3y,M3z;double h,b,S=120e6,S1,S2,S3,E=150e9,u=0.27,r;double L1,L2,L3;int D,d;int main() /主函數(shù) double hb();double jhqbb();double jhplqd();double zhuanjiao();double P,n,Ft,Fr;double DD,dd,Sigm

33、a3,BB;printf("enter the data:P,n,rn");scanf("%lf,%lf,%lf",&P,&n,&r);L1=0.11,L2=0.18;L3=1.2*r;printf("L1=%lf,L2=%lf,L3=%lf,P=%lf,n=%lf,r=%lfn",L1,L2,L3,P,n,r);Me=9549*P/n;Ft=Me/r;Fr=Ft/2;FAy=Fr*L2/(L1+L2);FAz=Ft*L2/(L1+L2);FFy=Fr*L1/(L1+L2);FFz=Ft*L1/(L1+L2);

34、M1x=Me;M1y=FFz*(L2-L3/2);M1z=FFy*(L2-L3/2);M2x=Me;M2y=FFz*(L2-L3/2);M2z=FFy*(L2-L3/2);FN2=FFy;M3x=FAz*r;M3y=FAz*L1;M3z=FAy*L1;printf("Me=%.2lfN·m,Ft=%.2lfN,Fr=%.2lfNn",Me,Ft,Fr);printf("FAy=%.1lfN,FAz=%.1lfN,FFy=%.1lfN,FFz=%.1lfNn",FAy,FAz,FFy,FFz);printf("M1x=%.2lfN

35、83;m,M1y=%.1lfN·m,M1z=%.1lfN·mn",M1x,M1y,M1z);printf("M2x=%.2lfN·m,M2y=%.1lfN·m,M2z=%.1lfN·m,FN2=%.1lfNn",M2x,M2y,M2z,FN2);printf("M3x=%.1lfN·m,M3y=%.1lfN·m,M3z=%.1lfN·mn",M3x,M3y,M3z);Sigma3=sqrt(M3x*M3x+M3y*M3y+M3z*M3z);BB=32*Sigma3/

36、(PI*S);dd=pow(BB,1.0/3.0);Sigma3=sqrt(M1x*M1x+M1y*M1y+M1z*M1z);BB=32*Sigma3/(PI*S);DD=pow(BB,1.0/3.0);printf("D=%.4lfm,d=%.4lfmn",DD,dd);D=(int)(1000*DD);d=(int)(1000*dd);if(d%2=0) d=d+2;else d=d+1;if(D%2=0) D=D+2;else D=D+1;printf("故D取%dmm,d取%dmm n",D,d);hb(); /調(diào)用求解h，b子函數(shù)jhqbb()

37、; /調(diào)用校核曲柄臂子函數(shù)jhplqd(); /調(diào)用校核疲勞強(qiáng)度子函數(shù)zhuanjiao(); /調(diào)用求轉(zhuǎn)角子函數(shù) return 0;double hb() /求解h，b子函數(shù)double Z1,Z2,Z3,Q2,Q3;double h1,b1;double a,r;double s,m=(1.6*D)*(0.4*1.6*D);for(h=1.4*D;h<=1.6*D;h+=0.01) for(b=0.25*h;b<=0.4*h;b+=0.01) if(h/b>=2.5&&h/b<=3) /查表3-1，利用插入法確定a,ra=0.213+0.018*h/

38、b;r=0.837-0.028*h/b;elsea=0.222+0.015*h/b;r=0.777-0.008*h/b; Z1=1e6*FN2/(b*h)+6e9*M2x/(b*h*h)+6e9*M2z/(b*b*h); Z2=1e6*FN2/(b*h)+6e9*M2z/(b*b*h); Z3=1e6*FN2/(b*h)+6e9*M2x/(b*h*h); Q2=1e9*M2y/(b*b*h*a); Q3=r*Q2;S1=Z1; S2=sqrt(Z2*Z2+4*Q2*Q2); /應(yīng)用第三強(qiáng)度理論S3=sqrt(Z3*Z3+4*Q3*Q3);if(S1<S&&S2<S&

39、amp;&S3<S) s=b*h;if(s<m) /選取使截面積S最小的h,bm=s;h1=h;b1=b; h=h1,b=b1;printf("故h和b值為:n");printf("h=%.2lfmmnb=%.2lfmmn",h,b);return 0;double jhqbb() /校核曲柄臂子函數(shù)double Z1,Z2,Z3,Q2,Q3,S2,S3;double a,r;if(h/b>=2.5&&h/b<=3) a=0.213+0.018*h/b;r=0.837-0.028*h/b;elsea=0.2

40、22+0.015*h/b;r=0.777-0.008*h/b; Z1=FN2/(b*h)+6e3*M2x/(b*h*h)+6e3*M2z/(b*b*h); Z2=FN2/(b*h)+6e3*M2z/(b*b*h); Z3=FN2/(b*h)+6e3*M2x/(b*h*h); Q2=1e3*M2y/(b*b*h*a); Q3=r*Q2; printf("Z1=%.2lfMPa,Z2=%.2lfMPa,Z3=%.2lfMPa,Q2=%.2lfMPa,Q3=%.2lfMPan",Z1,Z2,Z3,Q2,Q3);S1=Z1; S2=(sqrt(Z2*Z2+4*Q2*Q2); S3=

41、(sqrt(Z3*Z3+4*Q3*Q3);printf("S1=%.2lfMPa,",S1);if(S1-S)/S<0.05)printf("所以D1點安全n");printf("S2=%.2lfMPa，",S2);if(S2-S)/S<0.05)printf("所以D2點安全n");printf("S3=%.2lfMPa，",S3);if(S3-S)/S<0.05)printf("所以D3點安全n");if(S1-S)/S<0.05&&

42、;(S2-S)/S<0.05&&(S3-S)/S<0.05)printf("故曲柄臂強(qiáng)度是足夠的n");elseprintf("曲柄臂強(qiáng)度不符合要求n");return 0;double jhplqd() /校核疲勞強(qiáng)度子函數(shù)double Kt=1.29,B=0.9438,Wp,Qmin,Qmax,Qa,Qm,nt;double t_1=180e6,Fai=0.05,Et=0.78;Wp=PI*D*D*D/16e9;Qmin=(-1e-6)*Me/Wp;Qmax=0;Qa=(Qmax-Qmin)/2;Qm=(Qmax+Qmin)/2;nt=t_1/(Kt*Qa*1e6/(Et*B)+Fai*Qm*1e6);printf("Qmin=%.1lfMPa,Qmax=%.1lfMPa,Qa=%.1lfMPa,Qm=%.1lfMPa,nt=%.2lfn",Qmin,Qmax,Qa,Qm,nt);if (nt>2)printf("H-H截面疲勞強(qiáng)度是足夠的n");elseprintf("H-H截面疲勞強(qiáng)度