材料力學課程設計-單缸柴油機曲軸的強度設計及剛度計算

1、 材料力學課程設計班級：411007班作者： 霍占偉題目：單缸柴油機曲軸的強度設計及剛度計算、 疲勞強度校核指導老師：李峰 2012.10.150 / 24一、 課程設計的目的材料力學課程設計的目的是在于系統(tǒng)學習材料力學后，能結(jié)合工程中的實際問題，運用材料力學的基本理論和計算方法，獨立地計算工程中的典型零部件，以達到綜合運用材料力學的知識解決工程實際問題之目的。同時，可以使我們將材料力學的理論和現(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)代的計算方法，又提高了分析問題，解決問題的能力；既把以前所學的知識綜合應用，又為后繼課程打下基礎，并初步掌握工程中的設計思想和設計方法，對實際工作

2、能力有所提高。1） 使所學的材料力學知識系統(tǒng)化，完整化。2） 在系統(tǒng)全面復習的基礎上，運用材料力學知識解決工程實際問題。3）綜合運用以前所學的各門課程的知識（高等數(shù)學、工程圖學、理論力學、算法語言、計算機等），使相關(guān)學科的知識有機地聯(lián)系起來。4）初步了解和掌握工程實踐中的設計思想和設計方法，為后續(xù)課程的學習打下基礎。5）為后續(xù)課程教學打下基礎。二、 課程設計的任務和要求要系統(tǒng)復習材料力學課程的全部基本理論和方法，獨立分析、判斷設計題目的已知所求問題，畫出受力分析計算簡圖和內(nèi)力圖，列出理論依據(jù)并導出計算公式，獨立編制計算程序，通過計算機給出計算結(jié)果，并完成設計計算說明書。三、 設計題目某柴油機曲

3、軸可以簡化為下圖所示的結(jié)構(gòu)，材料為球墨鑄鐵(QT450-5)彈性常數(shù)為E、，許用應力為，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, =1.2r,已知數(shù)據(jù)如下表：0.110.181500.27120180 0.050.788.51700.06(一) 畫出曲軸的內(nèi)力圖。(二) 設計曲軸頸直徑d，主軸頸直徑D。(三) 設計曲柄臂的b、h。(四) 校核主軸頸H-H截面處的疲勞強度，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) 用能量法計算A-A截面的轉(zhuǎn)角,。1、 畫出曲軸的內(nèi)力圖（1） 外力分析畫出曲軸的計算簡圖，計算

4、外力偶矩 N·m讀圖 N N在xoy平面內(nèi)取平衡y=0 =0即 FAy+FFy-Fr=0 Frl1-FFyl1（+l2）=0計算反力解方程可求得 在XOY平面內(nèi)：=2469.57 N =1509.18 N同樣道理在XOE平面內(nèi)： =4939.14 N =3018.36 N在多個作用力作用下曲軸組合變形，每一段變形情況不一致，可分段分析。各段變形復合單獨分析復雜，分成每個方向上單獨受力，作出內(nèi)力圖。（2） 內(nèi)力分析（可先分析危險截面各處受力狀況）主軸頸的EF左端（1-1）截面最危險，受扭轉(zhuǎn)和兩向彎曲組合變形=477.45 =*（）=434.64=*（）=217.32曲柄臂DE段下端（2

5、-2）截面最危險，受扭轉(zhuǎn)、兩向彎曲和壓縮組合變形=Me=477.45=*（）=434.64=*（）=217.32=1509.18 N曲柄頸CD段，以A端開始分析，過中間位置時各力和力矩開始變小，因此中間截面（3-3）最危險，受扭轉(zhuǎn)和兩向彎曲組合變形=*r=293.65=*=543.31=*=271.65曲柄臂BC段根據(jù)A端受力，C端截面最危險，受兩個彎矩，一個扭矩，一個軸力作用組合變形M4x=FAz*r=296.35N·mM4y=FAz*（l1-）=365.50N·mM4z=FAy*（l1-）=182.75N·mF4N=FAy=2469.57N·m主軸A

6、B端，B段截面最危險，受兩個彎矩作用M5y=FAz*（l1-）=365.50N·mM5z=FAy*(l1-)=182.75N·m由上分析可知各危險截面的力和力矩，有對于各段軸為兩端或一端受力，內(nèi)力圖為線性關(guān)系?？梢杂脙牲c法，按相應的比例關(guān)系及x、y、z、軸力方向作出各段的內(nèi)力圖。（3） 內(nèi)力圖如下（不計內(nèi)力彎曲切應力，彎矩圖畫在受壓側(cè)）：（單位： 力N 力矩） 2、 設計曲軸頸直徑d和主軸頸直徑D（1） 主軸頸的危險截面為EF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)，可用第三強度理論計算=其中= =120MPa D得D38.68mm取D=40mm(2) 曲柄頸CD屬

7、于圓軸彎扭組合變形，由第三強度理論，在危險截面3-3中： d得 d38.58 mm 故取 d=40 mm 3、 校核曲柄臂的強度曲柄臂的強度計算曲柄臂的危險截面為矩形截面，且受扭轉(zhuǎn)、兩向彎曲及軸力作用（不計剪力），由內(nèi)力圖可知危險截面為2-2截面，曲柄臂上的危險截面2-2的應力分布圖如下圖：根據(jù)應力分布圖可判定出可能的危險點為，。 已知條件 理想情況為截面面積（b*h）最小，同時也符合強度要求?？上热∶娣e最小值檢驗其強度要求是否符合。即令： h=1.4D=56mm b=14mml 點： 點處于單向應力狀態(tài) 其中A2=bh Wz2= wx2= 把數(shù)據(jù)代入上式中得 =185.97MPa>選取

8、此種尺寸時不滿足強度要求，考慮到所給條件截面面積最大可為h=1.6D=64mm b=h2.5=25.6mm帶入得 =59.39MP < 此時點滿足強度條件。l 點： 點處于二向應力狀態(tài)，存在扭轉(zhuǎn)切應力曲柄臂簡化為矩形，非圓截面，查表3-1 對=2.5 點的正應力為軸向力和繞z軸的彎矩共同引起的 =32.01MPa 由第三強度理論代入數(shù)據(jù) =86.48MPa < 所以點滿足強度條件。l 點： 點處于二向應力狀態(tài) =28.24MPa 根據(jù)第三強度理論 =67.78MPa < 所以點滿足強度條件。 Ø 綜上，曲柄臂滿足強度條件。可取 =2.5， 滿足強度條件?？蛇M一步細化

9、分析在滿足強度條件下減小h、b值，從而節(jié)約成本。由后面 的附錄求得h,b的最優(yōu)值為58，23.4、 校核主軸頸H-H截面處的疲勞強度由題意 對球墨鑄鐵QT450-5 查表得 （表面質(zhì)量系數(shù)）已知 （尺寸系數(shù)） （敏感系數(shù)） FH處只受扭轉(zhuǎn)作用,無彎曲正應力，工作時切應力基本不變，但機器時開時停，可視為脈動循環(huán)，具體可見材力教材第十三章例題。 = 又知 =- 安全系數(shù) = >2 安全。 所以，H-H截面的疲勞強度足夠。5、 用能量法計算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

10、在受壓一側(cè)）：由平衡方程得 B點的彎矩為 E點的彎矩為 由圖乘法：h=58mm，b=23mm 查表得 EI1=E=18840.04 pa·m4 EI3=18840.04 pa·m4其中盡管h/b取值不同，對會有影響。但都是在很小范圍內(nèi)變化，對轉(zhuǎn)角影響不會太大，可取=0.249GIt= 12085.57pa·m4 =rad從而得同理（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（畫在受壓一側(cè)）： 同理得： 由圖乘法： EA=Ehb=·m2·m4 .·m4 ·m4 = rad 設計優(yōu)

11、化 以上的設計只是保證了強度安全性方面的要求，并沒有考慮到材料成本等問題。應是在能保證強度要求條件下滿足所用材料最省為最佳方案?；氐絾栴}三，關(guān)于b、h的計算可設計思路，b/D和b/h從取值1.6和2.5開始，逐次減小0.01，同時檢驗取值能否滿足曲軸的強度要求。直至不能滿足條件最大值之前的最值為止，即為所求的最適合b、h值。 利用附錄的程序，求b、h最佳值，得： h=58 mm b=23 mm 四、 設計感想 通過這次的課程設計，我對材料力學有了更深一層的認識，材料力學是一門被各個工程廣泛應用的學科，是通過理論與實驗來進行強度、剛度、穩(wěn)定性以及材料的力學性能的研究。在保證安全、可靠、經(jīng)濟節(jié)省的

12、前提下，為構(gòu)件選擇適當?shù)牟牧?，確定合理的截面形狀和尺寸提供基本理論和計算方法。初步了解和掌握工程實踐中的設計思想和設計方法。這次的課程設計讓我深知理論與實際相結(jié)合的重要性為后續(xù)課程的學習打下基礎。這次設計，讓我對以前學的cad、c語言等結(jié)合問題進行實際運用，加深了知識的應用能力。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遠不夠的。工程實際中的一些問題要比想象的復雜的多。只有不斷進行工程問題的分析和研究，從中獲得大量的寶貴經(jīng)驗，才能以最經(jīng)濟的代價、最合理的方法解決遇到的難題。此次課程設計讓我受益匪淺，設計中還有很多不足，希望老師批評指正。 五、 參考文獻 1聶毓琴等材料力學 2聶毓琴等

13、材料力學實驗與課程設計 3譚浩強,C程序設計第三版六、 附錄內(nèi)力圖計算程序一：#include<stdio.h> main() double P=8.50; double r=0.06;double l1=0.11;double l2=0.18;double Me;double Ft;double Fr;double Faz;double Ffz;double Fay;double Ffy;int n=190;Me=9549*P/n;Ft=Me/r;Fr=Ft/2;Fay=(Fr*l2)/(l1+l2);Ffy=(Fr*l1)/(l1+l2);Faz=(Ft*l2)/(l1+l2)

14、;Ffz=(Ft*l1)/(l1+l2);printf("Me=%lf,Ft=%lf,Fr=%lfn",Me,Ft,Fr);printf("Fay=%lf,Ffy=%lf,Faz=%lf,Ffz=%lfn",Fay,Ffy,Faz,Ffz);return 0; 主軸EF段力矩計算程序二：#include<stdio.h> main() double Me=477.45;double Ffy=1509.18; double r=0.06;double Ffz=3018.36;double l1=0.11;double l2=0.18; doub

15、le l3;double M1x;double M1y;double M1z; l3=1.2*r; M1x=Me;M1y=Ffz*(l2-l3/2);M1z=Ffz*(l2-l3/2);printf("M1x=%lfnM1y=%lfnM1z=%lfn",M1x,M1y,M1z);return 0; 曲柄臂de段力矩程序三：#include<stdio.h> main() double Me=412.11; double Ffz=3018.36;double Ffy=1509.18; double r=0.06;double l1=0.11;double l2=0

16、.18;double M2x;double M2y;double M2z;double F2n;double l3;l3=1.2*r; M2x=Me;M2y=Ffz*(l2-l3/2);M2z=Ffy*(l2-l3/2);F2n=Ffy;printf("M2x=%lfnM2y=%lfnM2z=%lfnF2n=%lfn",M2x,M2y,M2z,F2n);return 0; 曲柄頸cd段力矩程序四： #include<stdio.h> main() double Me=477.45; double Faz=4939.14;double Fay=2469.57; d

17、ouble r=0.06;double l1=0.11;double l2=0.18;double M3x;double M3y;double M3z; M3x=Faz*r;M3y=Faz*l1;M3z=Fay*l1;printf("M3x=%lfnM3y=%lfnM3z=%lfn",M3x,M3y,M3z);return 0; 曲柄臂bc段力矩程序五： #include<stdio.h> main() double Fay=2469.57; double r=0.06;double Faz=4939.14;double l1=0.11;double l2=0.

18、18; double l3;double M4x;double M4y;double M4z;double F4n; l3=1.2*r; M4x=Faz*r;M4y=Faz*(l1-l3/2);M4z=Fay*(l1-l3/2);F4n=Fay;printf("M4x=%lfnM4y=%lfnM4z=%lfnM4n=%lfn",M4x,M4y,M4z,F4n);return 0; 主軸ab段力矩程序六： #include<stdio.h> main() double Fay=2469.57; double r=0.06;double Faz=4939.14;do

19、uble l1=0.11;double l2=0.18; double l3;double M5y;double M5z; l3=1.2*r;M5y=Faz*(l1-l3/2);M5z=Fay*(l1-l3/2);printf("M5y=%lfnM5z=%lfn",M5y,M5z);return 0; 求解h，b的C語言程序如下：#include<math.h>#include<stdio.h>#define G 1000#define D 40#define Y 120main()float Mz,My,Mx,F;float Z1,Z2,Z3,Q2,Q3,Y2,Y3;float h,b,h1,b1;float a,r;float s,m=1.6*D*0.4*1.6*D;printf("input Mx,My,Mz,F:n");scanf("%f%f%f%f",&