曲柄轴的强度设计、疲劳强度校核及刚度计算

1材料力学课程设计计算说明书设计题目：曲柄轴的强度设计、疲劳强度校核及刚度计算数据号：7.7-6学号：姓名：指导教师：2目录一、设计目的··················································3二、设计任务和要求···········································32.1、设计计算说明书的要求···········································32.2、分析讨论及说明书部分的要求·····································42.3、程序计算部分的要求·············································4三、设计题目·····················································43.1、数据1）画出曲柄轴的内力图··············································52）设计主轴颈D和曲柄颈直径d·······································83）校核曲柄臂的强度················································94）校核主轴颈飞轮处的疲劳强度·································155）用能量法计算A端截面的转角y，z·······························16四、分析讨论及必要说明······································20五、设计的改进措施及方法··································20六、设计体会····················································21七、参考文献···················································213附录一.流程图························································24二.C语言程序·····················································25三．计算输出结果··················································284一、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。具体有一下六项：(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，因而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。2.1设计计算说明书的要求设计计算说明书是该题目设计思路、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)画出结构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和过程。54)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的应力状态图。6)选择强度理论并建立强度条件。7)列出全部计算过程的理论依据、公式推导过程以及必要的说明。8)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。9)疲劳强度计算部分要说明循环特性，max，min，r，m，a的计算，所查K，，各系数的依据，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)计算机程序。2)打印结果（数据结果要填写到设计计算说明书上）。三、设计题目某曲柄轴材料为球墨铸铁（QT400—10），[]=120MPa，曲柄臂抽象为矩形（图7-12），h=1.2D,b/h=2/3(左、右臂尺寸相同)，l=1.5e,4l=0.5l,有关数据查下表：要求：6（一）画出曲柄轴的内力图。（二）按强度条件设计主轴颈D和曲轴颈的直径d。（三）校核曲柄臂的强度。（四）安装飞轮处为键槽，校核主轴颈的疲劳强度，取疲劳安全系数n=2。键槽为端铣加工，轴颈表面为车削加工，-1=160MPa，=0.05，=0.76。（五）用能量法计算A端截面的转角θy,θz。图7-12（一）、画出曲轴的内力图（1）.外力分析F/kNW/kN1ml/m2ml/m3l/mme/mm156.2400250120120127画出曲轴的计算简图（上图），计算F分力和扭矩Mx。Fy=F*sinαFz=F*cosαMx=Fz*e由平衡条件计算反力zz1z12()=-l+l+l=0BMAFF（）211*lllFFzBz9029.06Nyy112123=-l+(l+l)+W(l+l+l)=0ByMFF（A）213211)(**lllllWlFFyBy-5425.43Nzzz+=ABFFF212*lllFFzAz5643.16Nyy+-F+=0ABzFFW2132**lllWlFFyAy2344.11N（2）内力分析内力图如下，不计弯曲切应力，弯矩图画在纤维受压侧，根据内力图确定危截面。(单位：力-N力矩N·m)81）主轴颈c端面为危险截面，受到两项弯矩和扭转eMMx11768.12N·m4411*)(*lFllFMyAyz867.93N·m4411*)(*lFllFMzAzy1444.65N·m2）右曲柄臂下端面为危险截面，受到两项弯矩和扭转和轴力eMMx21768.12N·m4412*)(*lFllFMzAzy1444.65N·m4412*)(*lFllFMyAyz867.93N·myBNFWF2774.57N左曲柄臂上端面为危险截面，受到两项弯矩，扭转和轴力eFMzxA*'2677.18N·m)(*'412llFMzyA1749.38N·m)(*'412llFMyzA726.67N·myANFF2'2344.11N3）曲轴颈中间截面D为危险截面，受扭转和两向弯曲eFMzxA*3677.18N·m13*lFMzyA2257.26N·m1*3lFMyzA937.64N·m（二）、设计曲轴颈直径d和主轴颈D（1）主轴颈的危险截面为C截面，受扭转和两向弯曲,可用第三强度理论计算：222311111rxyzMMMW222111332[]xyzMMMD9∴222311132[]xyzDMMM0.0591m故D取60mm。（2）曲轴颈属于弯扭组合变形，由第三强度理论可得：222333321rxyzMMMW222333332[]xyzMMMd∴222333332[]xyzdMMM0.0599m故d取60mm。（三）、校核曲柄臂的强度曲柄臂的危险截面为矩形截面，受扭转、两向弯曲及轴力的作用。为确定危险点的位置，画出曲柄臂上截面应力分布图。①左曲柄臂的强度计算10N（F）y（M）根据应力分布图可判定出可能的危险点为1D，2D，3D。111）对1D点进行应力分析。1D点处于单向拉伸和两项弯曲的拉应力，此时扭转切应力为零6'6''''2222232222hbMbhMbhFWMWMAFzxNzzxxN=42612280Pa][120000000Pa2）对2D点进行应力分析。由于2D有扭转切应力，查《材料力学》表3-1，得到，。22'hbMyPa50457171正应力由轴力、绕Z轴的弯矩共同引起。6''''222222hbMbhFWMAFzNzzNPa269611866048.0*072.067.726072.0*048.011.23442由于2D点处于二向应力状态，故选用第三强度理论：2234r12][12000000010445386550457171*42696118622PaPa3）对3D点进行应力分析。同理可得：Pa4329225350457171*858.0'6'''''222222bhMbhFWMAFxNxxNPa170068806072.0*048.018.677072.0*048.011.23442应用第三强度理论：223'4''r][1200000008823894043292253*41700688022PaPa故，综上所述3个危险点都是安全的，所以左曲轴臂安全②右曲轴臂的强度计算N（F）1314根据应力分布图可判定出可能的危险点为1D，2D，3D。1)对1D点进行应力分析。1D点处于单向拉伸，所以正应力662222232322hbMbhMbhFWMWMAFzxNzzxxN][120000000742503346048.0*072.093.8676072.0*048.012.1768072.0*048.057.77422PaPa2）对2D点进行应力分析。由于2D有扭转切应力，查表3-1，得到，。1522hbMyPa41667878048.0*072.0*209.065.14442正应力由轴力、绕Z轴的弯矩共同引起。6222322hbMbhFWMAFzNzzNPa316162676048.0*072.093.867072.0*048.057.7742由于2D点处于二向应力状态，故选用第三强度理论：2234r2241667878*431616267][12000000089131569PaPa2）对3D点进行应力分析。同理可得Pa3575103941667878*858.0'6'222322bhMbhFWMAFxNxxNPa428495096072.0*048.012.1768072.0*048.057.7442应用第三强度理论：223'4''r][1200000008335842835751039*44284950922PaPa故，综上所述3个危险点都是安全的，所以右曲轴臂安全16（四）、校核主轴颈安装飞轮的键槽处截面的疲劳强度查《材料力学》得有效应力集中系数1.30K，表面质量系数0.95。已知1160MPa，0.05，0.76，n=2。安装飞轮的键槽处只受扭转作用，并且由于曲轴的启停，可