吉林大学单缸柴油机曲轴的强度设计及刚度计算、疲劳强度校核(完整版)

吉林大学《材料力学》课程设计设计计算说明书设计题目：单缸柴油机曲轴的强度设计及刚度计算、疲劳强度校核(声明，本设计中程序、计算都是自己编写，程序输入自己的参数后即可达到前四题的结果，希望对你有用)交作业序号：34图号：7-2数据号：Ⅱ-3班级：机械九班学号：41100904姓名：…铭目录一、设计目的·····················································2二、设计任务和要求···············································22.1设计计算说明书的要求········································22.2分析讨论及说明书部分的要求··································32.3程序计算部分的要求··········································3三、设计题目·····················································3四、设计内容·····················································54.1画出曲轴的内力图············································54.2设计曲轴颈直径d和主轴颈D···································74.3校核曲柄臂的强度············································84.4校核主轴颈H-H截面处的疲劳强度······························104.5用能量法计算A-A截面的转角zy,···························11五、分析讨论及必要说明···········································14六、设计的改进措施及方法·········································14七、设计体会·····················································15八、参考文献·····················································16九、附录·························································172一、设计目的本课程设计是在系统学完材料力学课程之后，结合工程实际中的问题，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，以达到综合利用材料力学知识解决工程实际问题的目的。同时，可以使学生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计算方法，又提高了分析问题、解决问题的能力；既是对以前所学知识（高等数学、工程图学、理论力学、算法语言、计算机和材料力学等）的综合运用，又为后续课程的学习打下基础，并初步掌握工程设计思路和设计方法，使实际工作能力有所提高。具体有以下六项：1.使所学的材料力学知识系统化、完整化。2.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中的问题。3.由于选题力求结合专业实际，课程设计可把材料力学与专业需要结合起来。4.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。5.初步了解和掌握工程实际中的设计思路和设计方法。6.为后续课程的教学打下基础。二、设计任务和要求参加设计者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条件和所求问题，画出受力分析计算简图和内力图，列出理论依据并到处计算公式，独立编制计算机程序，通过计算机给出计算结果，并完成设计计算说明书。32.1设计计算说明书的要求设计计算说明书是该题目设计思想、设计方法和设计结果的说明。要求书写工整，语言简练，条理清晰、明确，表达完整。具体内容应包括：（1）设计题目的已知条件、所求及零件图；（2）画出构件的受力分析计算简图，按比例标明尺寸，载荷及支座等；（3）静不定结构要画出所选择的基本静定系统及与之相应的全部求解过程；（4）画出全部内力图，并标明可能的各危险截面；（5）危险截面上各种应力的分布规律图及由此判定各危险点处应力状态图；（6）各危险点的主应力大小及主平面位置；（7）选择强度理论并建立强度条件；（8）列出全部计算过程的理论根据、公式推导过程以及必要的说明；（9）对变形及刚度分析要写明所用的能量法计算过程及必要的内力图和单位力图；（10）疲劳强度计算部分要说明循环特征，amr,,,,minmax的计算，所查,,k各系数的依据，并列出疲劳强度校核过程及结果。2.2分析讨论及说明部分的要求1.分析计算结果是否合理，并讨论其原因、改进措施。2.提出改进设计的初步方案及设想。3.提高强度、刚度及稳定性的措施及建议。2.3程序计算部分的要求1.程序框图2.计算机程序（含必要的语言说明及标识符说明）。3.打印结果（数据结果要填写到设计计算说明书上）。4三、设计题目7.2单缸柴油机曲轴的强度设计及刚度计算、疲劳强度校核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、，许用应力[]，G处输入传矩为eM，曲轴颈中点受切向力tF、径向力rF的作用，且2/trFF。曲柄臂简化为矩形截面，1.4Dh/1.6,2.5h/b4,r.l213。已知固定数据和设计计算数据如下表（I-9）：题目要求：（1）画出曲轴的内力图。（2）设计曲轴颈直径d，主轴颈直径D。（3）校核曲柄臂的强度。（4）校核主轴颈H-H截面处的疲劳强度，取疲劳强度系数n=2。键槽为端铣加工，主轴颈表面为车削加工。（5）用能量法计算A-A截面的转角xy,。/ml1/ml2E/GPa/MPaσ/MPaτ10.110.181500.27120180ψτP/kwmin)//(rnr/m/ml30.050.7812.43000.050.065四、设计内容4.1画出曲轴的内力图4.1.1画出分析图64.1.2外力分析画出曲轴的计算简图（上图），计算外力偶矩。mNnPMe39530012.495499549N.rMFet7900050395NFFtr3950279002/计算反力：在XOY平面内:NlllFFrAy2452212NlllFFF1498211ry在XOZ平面内：NlllFFA4903212tzNlllFFF2997211tz4.1.3内力分析（1）由图7-2得出，主轴颈的EF左端（1-1）截面为最危险截7面，受扭转和两向弯曲。mNMMex3951mNllFMFzy4502/321mNllFMFyz2252/321（2）曲柄臂DE段下端（2-2）为危险截面，受扭转、两向弯曲和压缩m395ex2NMMmNllFMFzy4502/322m225）2（32y2zNllFMFNFFFN1498y2（3）曲柄劲CD段中间截面（3-3）为危险截面，受扭转和两向弯曲mNrFMAzx2453mNlFMAzy53913mNlFMAyz165134.1.4作曲轴内力图单位：力F/（N）力矩M/（N·m）注：不计内力弯曲切应力，弯矩图画在受压侧。84.2设计曲轴颈直径d和主轴颈D（1）主轴颈的危险截面为EF段的最左端1-1截面，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：σWσzyxrMMM121212131)321(31DπW结果得：37.87mmD，实际取38mmD。（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3-3中σWσzyxrMMM323232331)d321(33W结果得：37.37mmd，实际取38mmd。94.3校核曲柄臂的强度具体求解过程通过C语言程序运行可得。由程序得h，b的最佳值为h=57.09mm，mm82.22b.查《材料力学》(机械工业出版社)P70页表3-1并由插入法可得258.0，767.0。（1）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QF的作用），曲柄臂上的危险截面2-2应力分布图与下图所示：根据应力分布图可以判定出可能的危险点为D1，D2，D3。10此时1D点处于单向应力状态：ZZXXNWMWMAFσ2222221bhMhbMhbFZXFy222266MPaσMPa12042.78所以1D点满足强度要求。此时2D点处于二向应力状态，受扭转切应力作用：MPa.bαhMτy67.581082.2209.572580450922212D点的正应力为轴向力和绕Z轴的弯矩共同引起的，故：ZZNWMAFσ22222bhMhbFZFy226σMPa56.46由第三强度理论：MPar12667.58456.4642221223因为%5%5%100120120126，符合强度要求。2D点满足强度条件。3D点处于二向应力状态：11a0.4567.58767.012MPMPabhMhbFWMAFXFyXXN01.3362222223根据第三强度理论：σMPa.σστr86.950.450133422242233所以3D点满足强度理论条件。综上所述：曲柄臂满足强度条件。4.4校核主轴颈H-H截面处的疲劳强度查询QT450-5材料的强度极限为:aMPb450。查询《材料力学》（机械工业出版社）课本P355图13-10及表13-3得：端铣加工得键槽有效应力集中系数1.29K当表面为车削时表面质量系数9438.0。已知：aMP1-180尺寸系数0.78敏感系数0.052n。FH处只受扭转作用：0066.36108.3101639516minmaxmax1236311minMPaDMWMxpx12所以扭转切应力为脉动循环。2-minmaxa2minmaxma33.18266.362minmaMP安全系数：n83.533.1805.033.189438.078.029.1180nma1K综上所述，H-H截面的疲劳强度符合强度要求。4.5用能量法计算A-A截面的转角zy，。采用图乘法分别求解截面的转角zy，。（1）求y：在截面A加一单位力偶矩yM。并作出单位力偶矩作用下的弯矩图yM与外载荷作用下的弯矩图yM如下（画在受弯的一侧，计算过程如下）：13由平衡方程得：NFFFA448.318.011.01ll121zzB点的弯矩为：mNllFMAzB.724.0)03.011.0(448.31)2(131E点的弯矩为：·517.003.018.0448.32ll32zNFMFE）（）（m查《材料力学》附表得249.0。a08.153536410381015064124941PDEEI·m4.a08.153536415064103810d124943PEEI.m4杆件的抗扭刚度)27.01(21082.2209.57249.010150)1(212393hbEGIp4ma17.9976P由公式ninipciiiciiyGIMEIM11