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1、 材料力学课程设计材料力学课程设计班级：班班级：班作者：作者： 霍占伟霍占伟题目：单缸柴油机曲轴的强度设计及刚度计算、题目：单缸柴油机曲轴的强度设计及刚度计算、 疲劳强度校核疲劳强度校核指导老师：李峰指导老师：李峰2012.10.15班级 1一、一、课程设计的目的课程设计的目的材料力学课程设计的目的是在于系统学习材料力学后，能结合工程中的实际问题，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，以达到综合运用材料力学的知识解决工程实际问题之目的。同时，可以使我们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的计算方法，又提高了分析问题，解决问题的能
2、力；既把以前所学的知识综合应用，又为后继课程打下基础，并初步掌握工程中的设计思想和设计方法，对实际工作能力有所提高。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问题。3）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。4）初步了解和掌握工程实践中的设计思想和设计方法，为后续课程的学习打下基础。5）为后续课程教学打下基础。二、二、课程设计的任务和要求课程设计的任务和要求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所求问题，画出受力分析计算简图和内
3、力图，列出理论依据并导出计算公式，独立编制计算程序，通过计算机给出计算结果，并完成设计计算说明班级 2书。三、三、 设计题目设计题目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、，许用应力为，G 处输入转矩为，曲轴颈中点受切向力、eMtF径向力的作用，且=。曲柄臂简化为矩形截面，rFrF2tF1.41.6，2.54, =1.2r,已知数据如下表：h Dh b3l1/lm2/lm/E Gpa /Mpa1/ Mpa0.110.181500.27120180/P kW/( /min)n r/rm0.050.788.51700.06(一)画出曲轴的内力图。(二)
4、设计曲轴颈直径 d，主轴颈直径 D。(三)设计曲柄臂的 b、h。(四)校核主轴颈 H-H 截面处的疲劳强度，取疲劳安全系数 n=2。键槽为端铣 加工，主轴颈表面为车削加工。(五)用能量法计算 A-A 截面的转角,。yz班级 31、画出曲轴的内力图画出曲轴的内力图（1）外力分析外力分析 画出曲轴的计算简图，计算外力偶矩Nm45.4771705.89549n9549ePM读图N5 .795706. 045.477e trMF班级 4N75.397825 .7957 2t rFF在 xoy 平面内取平衡y=0 F=0M即 FAy+FFy-Fr=0Frl1-FFyl1（+l2）=0计算反力 解方程可求
5、得在 XOY 平面内：=2469.57 NAyF212rF l ll18. 011. 00.183978.75 =1509.18 NFyF112rF l ll18. 011. 011. 03978.75 同样道理 在 XOE 平面内：=4939.14 NAzF212tFl ll18. 011. 018. 05 .7957 =3018.36 NFzF112tFl ll18. 011. 011. 05 .7957 在多个作用力作用下曲轴组合变形，每一段变形情况不一致，可分段分析。各段变形复合 单独分析复杂，分成每个方向上单独受力，作出内力图。（2）内力分析（可先分析危险截面各处受力状况）内力分析（
6、可先分析危险截面各处受力状况）主轴颈的 EF 左端（1-1）截面最危险，受扭转和两向弯曲组合变形=477.45 1XMeMN m=*（）=434.641YMFzF2l3 2lN m=*（）=217.321ZMFyF2l3 2lN m班级 5曲柄臂 DE 段下端（2-2）截面最危险，受扭转、两向弯曲和压缩组合变形=Me=477.452XMN m=*（）=434.642YMFzF2l3 2lN m=*（）=217.322ZMFyF2l3 2lN m=1509.18 N2NFFyF曲柄颈 CD 段，以 A 端开始分析，过中间位置时各力和力矩开始变小，因此中间截面 （3-3）最危险，受扭转和两向弯曲组
7、合变形=*r=293.653XMAzFN m=*=543.313YMAzF1lN m=*=271.653ZMAyF1lN m曲柄臂 BC 段根据 A 端受力，C 端截面最危险，受两个弯矩，一个扭矩，一个轴力作用 组合变形M4x=FAz*r=296.35NmM4y=FAz*（l1-）=365.50Nm2l3M4z=FAy*（l1-）=182.75Nm2l3F4N=FAy=2469.57Nm主轴 AB 端，B 段截面最危险，受两个弯矩作用M5y=FAz*（l1-）=365.50Nm2l3M5z=FAy*(l1-)=182.75Nm2l3由上分析可知各危险截面的力和力矩，有对于各段轴为两端或一端受力
8、，内力图为线性关 系。 可以用两点法，按相应的比例关系及 x、y、z、轴力方向作出各段的内力图。（3） 内力图如下（不计内力弯曲切应力，弯矩图画在受压侧）：班级 6（单位： 力N 力矩）N mg班级 72、设计曲轴颈直径设计曲轴颈直径 d 和主轴颈直径和主轴颈直径 D（1）主轴颈的危险截面为 EF 的最左端，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=3r11 W2 12 12 1zyxMMM其中=11 W332 D=120MPaD32 12 12 1x M32zyMM得 D38.68mm 取 D=40mm(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
9、-3 中：222 3333 31rXYZMMMW222 333 332XYZMMM d 班级 8d32 32 32 3x M32zyMM得 d38.58 mm 故取 d=40 mm 3、校核曲柄臂的强度校核曲柄臂的强度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） ，由内力图可知危险截面为 2-2 截面，曲柄臂上的危险截面 2-2 的应力分QF布图如下图：根据应力分布图可判定出可能的危险点为，。1D2D3D班级 9已知条件 6 . 1h4 . 1D4bh5 . 2理想情况为截面面积（b*h）最小，同时也符合强度要求。可先取面积最小值检验其强度要求是否符合。
10、即令： 4 . 1Dh4bhh=1.4 D=56mm b=14mm4h 点： 点处于单向应力状态1D1D其中 A2=bh Wz2= wx2=6hb2 6bh2把数据代入上式中得222222NXZXZFMM AWW=185.97MPa选取此种尺寸时不满足强度要求，考虑到所给条件截面面积最大可 为h=1.6 D=64mm b=h2.5=25.6mm带入得222222NXZXZFMM AWW班级 10=59.39MP 2n22. 500.1905. 000.1994375. 078. 030. 1180 K1- ma 安全。所以，H-H 截面的疲劳强度足够。5、用能量法计算用能量法计算 A-A 截面
11、的转角截面的转角,yz采用图乘法分别求解 A-A 截面的转角,。yz(1) 求： 在截面 A 加一单位力偶矩。并作出单位力偶矩作用下的弯矩图yyM与外载荷作用下的弯矩图如下（画在受压一侧）：yMyM由平衡方程得12113.4480.11 0.18AzFzFFNll 班级 13B 点的弯矩为3 11 3.4480.11 0.0360.7452llN m E 点的弯矩为3 23.4480.180.0360.4972EFzlMFlN mGPaEG06.5927. 012150 12由图乘法：h=58mm，b=23mm 查表得 0.249EI1=E=18840.04 pam4 EI3=18840.04
12、 pam464D4 644dE其中尽管 h/b 取值不同，对会有影响。但都是在很小范围内变化，对转角影响不会太大，可取=0.249GIt= 12085.57pam4）（ 12hbE311nnciciii y iiipMM EIGI）（）（）（497. 006. 0434.68745. 006. 0365.56023. 0058. 0249. 01006.5912497. 0621. 0036. 0434.68497. 03497. 0-621. 02036. 0434.68-543.421 2621. 0745. 0036. 056.3650.621)30.621-0.745(036. 036
13、5.56)-(543.4216404. 0101501497. 03268.4340.036)-(0.18210.745)30.745-1(365.560.036)-(0.11216404. 0101501394 94 9班级 14=rad31068. 4从而得rad3y1012. 4同理（2）求：在截面 A 加一单位力偶矩。并作出单位力偶矩作用下的弯矩图zzM与外载荷作用下的弯矩图如下（画在受压一侧）：zMzM班级 15同理得： 12113.4480.11 0.18FyAyFFNll 3 23.4480.180.0360.7452BFylMFlN m0.497EMN m由图乘法：EA=Ehb
14、=m2MPa1 .200023. 0058. 0101509m4 .m4 pahbEEI075.88211232paDEEI188406441m4 PaEIEI1884013班级 1611nnciiiNci z iiiiMF EIEA497. 03234.2170.036)-(0.18210.745)30.745-1(78.1820.036)-(0.112111EI)497. 006. 034.217745. 006. 0(182.78EI1220.621745. 0036. 0182.780.621)30.621-0.745(182.78)-(271.7036. 021EI132497. 0621. 0036. 0217.340.497)30.479)-(0.6212(0.036217.34)-(271.721)448. 306. 018.1509448. 306. 0(2469.57EA1= rad31080. 2设计优化以上的设计只是保证了强度安全性方面的要求，并没有考虑到材料成本等问题。应是在能保证强度要求条件下满足所用材料最省为最佳方案。回到问题三，关于 b、h 的计算可设计思路，b/D 和b/h 从取值 1.6 和 2.5 开始，逐次减小 0.01，同时检验取值能否满足曲轴的强度要求。直至
