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1、 1 / 13材料力学课程设计材料力学课程设计 设计计算说明书设计计算说明书设计题目设计题目: : 单缸柴油机曲轴的强度设计单缸柴油机曲轴的强度设计及刚度计算、疲劳强度校核及刚度计算、疲劳强度校核 题号题号: : 7.27.2 .5.5 (53(53 号号) )教学号教学号: : 4109022141090221姓名姓名: : 郭峻非郭峻非指导教师指导教师: : 时间时间: : 2011.102011.10成绩成绩: : 目录目录一一.材料力学课程设计目的材料力学课程设计目的二二.设计题目设计题目三三.设计过程设计过程四四.曲轴内力图曲轴内力图2 / 13五五.设计曲柄颈直径设计曲柄颈直径 d
2、,设计主轴颈直径设计主轴颈直径 D六六.校核曲柄臂的强度校核曲柄臂的强度七七.校核主轴颈校核主轴颈 HH 截面处的疲劳强度截面处的疲劳强度八八.用能量法计算用能量法计算 AA 截面的转角截面的转角九九.设计改进措施及方法设计改进措施及方法十十. 计算机程序计算机程序十一十一. 参考文献参考文献十二十二 .设计总结及体会设计总结及体会一、材料力学课程设计的目的本课程设计的目的是在于系统学完材料力学之后，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，可以使学生将材料力学的理论和现代计算方法及手段融为
3、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，解决问题的能力；既把以前所学的知识（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）综合运用，又为后继课程（机械设计、专业课等）打下基础，并初步掌握工程中的设计思想和设计方法，使实际工作能力有所提高。具体的有以下六项：1使学生的材料力学知识系统化、完整化；3 / 132在系统全面复习的基础上，运用材料力学知识解决工程中的实际问题；3由于选题力求结合专业实际，因而课程设计可以把材料力学知识和专业需要结合起来；4综合运用了以前所学的个门课程的知识（高数、制图、理力、算法语言、计算机等等）使相关学科的知识有机地联系起来；5
4、初步了解和掌握工程实践中的设计思想和设计方法；6 为后继课程的教学打下基础二设计题目某柴油机曲轴可以简化为如图所示结构，材料为球墨铸铁（QT450-5），弹性强度为 E，许用应力为,G 处输入转矩为，eM曲轴颈中点收切向力、颈向力的作用，且=/2.曲柄臂简化为tFrFrFtF矩形截面，1.4 h/D 1.6,2.5 h/b 4, =1.2r,有关数据在表中。3l固定数据表/m1L/m2LE/GPa /Mpa1/MParr0.110.181500.271201800.050.78设计计算数据表编号P/kWn/(r/min)r/m7-1-1211.01500.05要求：1.画出曲轴内力图4 / 1
5、32.设计曲轴颈直径 d，主轴颈直径 D3.校核曲柄臂的强度4.校核主轴颈 H-H 截面处的疲劳强度， ，取疲劳安全系数 n=2.键槽为端铣加工，主轴颈表面为车削加工。5.用能量法 A-A 截面的转角，。yz曲轴柄 曲柄臂 主轴颈3、设计过程。 1.外力分析 M=9549p/n=700.6切向力，径向力tFrF=M/ r =700.6/0.05=14012NtF=/2=7006NrFtF由平衡条件计算反力： 在 XOY 平面上 =*/(+)=4838.6AyFrF2l1l2l=*/(+)=2657.4FyFrF1l1l2l5 / 13在 XOZ 平面上=*/(+)=9677.2AzFtF2l1
6、l2l=*/(+)=5314.8FzFtF1l1l2lMx图700.6700.6MY图1064.56 / 13Mz图532.2内力分析：（1）主轴颈以 EF 的左端截面（1-1)最危险，受扭转和两相弯曲。=700.6N.m =*(-/2)=797.2 =*(-/2)=398.61xM1yMFzF2l3L1zMFyF2l3L(2) 曲柄颈以 EF 的中间（2-2）截面最危险，受扭转和两相弯曲。=*r=483.9 =*=1064.5 =*=532.22xMazF2yMazF1l2zMayF1l(3) 曲柄臂以 DE 段的下端（3-3）截面危险，受扭转，两相弯曲及压缩。=700.6 =*(-/2)=
7、797.2 =*(-/2)=398.63xM3yMFzF2l3L3zMFyF2l3L=2657.43nFFyF四 设计曲柄颈直径 d曲柄颈是圆周，且受弯扭组合变形，因此由第三强度理论=（1/W）*3r222 222xyzMMM即=32/（）*3r3d222483.91064.5532.2得出 d0.04778 所以 d 可以取 0.048五 设计主轴直径 D主轴颈是圆轴，且受弯曲组合变形，由第三强度理论=（1/W）*3r222 111xyzMMM即=32/（）3r3D222700.6797.2398.64838.62657.47 / 13得出 D0.046 则取 D=0.046六 校核曲柄臂的
8、强度曲柄臂的截面为矩形截面，且受扭转，两相弯曲及轴力作用。为确定危险点的位置，画出曲 柄 DE 上截面（3-3）应力分布图。根据应力分布图，可以判断出可能的危险点有 D1 D2 D3 三点 由已知条件： 1.4h/D1.6 2.5h/b4 且 D=0.046 由程序得 H= 0.0672m b=0.02688 =0.258 =0.767、1、对 D1 进行分析。=/+/+/=/bh+6m/b+6/h3nF3A3xM3xW3zM3zWFyF2h3zM2b=2657.4/0.02688*0.0672+6*700.6/0.02688*+6*398.6/*0.067220.067220.02688=8
9、5.357MPan=21amnK 666180*10 1.72*18.34*100.05*18.34*100.78*0.9125所以主轴颈的 H-H 界面处安全八 用能量法计算 AA 截面的转角9 / 13利用能量法对 A-A 截面的转角 的计算yz=/64=3.14*/64=219*DI4D40.0469104m=/64=3.14*/64=260*dI4d40.0489104m=/12=0.02688 */12=8157*zI3bh30.06729104mG=59GPa2(1)E 计算 A-A 截面转角在 A-A 截面加如图所示单位力矩，并绘制出此单位力矩作用下的转矩z图 M，曲柄在外力作用
10、下弯矩图如下：Mz图532.2=（1/2*350*0.074*（1+0.74）/3+1/2*416*0.144*2/3*0.5）z1DEI+（350*0.036*0.68+416*0.036*0.058+1/2*（520-350）*0.036*0.66+1/2*（520-416）1dEI*0.036*0.7）+（350*0.06*0.74+416*0.06*0.5）1 EIz10 / 13=1.93*rad310计算 A-A 截面转角在 A-A 截面加如图所示单位力矩，并绘制出此单位力矩作用下的转矩y图 M，曲柄在外力作用下弯矩图如下：MY图1064.5=(1/2*699*(0.74+1)/3
11、+1/2*831*0.144*2/3*0.5)+(699*0.036*0.68+831*0.036*0.5y1DEI1dEI8+1/2*(1039-699)*0.036*0.66+1/2*(1039-831)*0.036*0.7)+(699*0.06*0.74+831*0.06*0.5)1 EIz=1.467*310九 设计改进措施及方法针对曲轴设计的改进及方法主要分三方面： 1、提高曲轴的弯强度;提高弯曲强度的主要措施有：合理安排曲轴受力情况及设计合理的截面等。但对于该曲 轴只能采用合理安排曲轴的受力情况。在机械结构允许的情况下，可采取将集中载荷适当分散或将集中力尽量靠近支座。 2、提高曲轴
12、的疲劳强度：11 / 13提高疲劳强度的主要措施有：减缓应力集中及提高曲轴表面强度等。为了消除和缓解应 力集中，在设计曲轴时，应尽量避免出现方形直角或带有尖角的孔和槽，即在主轴颈和曲柄 臂相连处应采用半径较大的过度圆角。提高曲轴表面强度可通过两方面实现。一是从加工入 手提高表面加工质量，可采用精细加工，降低表面粗糙度，如果将材料改为高强度钢就尤其 要注意。二是增强表面强度对曲轴中应力集中的部位如键槽处应采取某些工艺措施，即表面 热处理或化学处理，如表面高温淬火，渗碳，氮化等或表层用滚压，喷丸等冷加工方法，这种 方法的特点是使曲轴表面残余压应力，减少表面出现微裂纹的机会，以提高曲轴的疲劳强度。3
13、、提高曲轴的弯曲刚度；提高曲轴的弯曲刚度得方法有：改善结构形式，减少弯矩数值，选择合理的截面及合理选 材等。但对于该曲轴只能采取改善结构形式，减小弯矩的数值及合理选材。在机械结构允许 的情况下，可合理设计和布置支座，即带轮可采用可采用卸载装置，也可采用将集中载荷适 当分散或尽量减小跨度，也可将材料改为弹性模量 E 较大的刚材，但这会增加费用。十 计算机程序#include #include #define D 42 #define Y 120 #define G 1000 void main() double z1,z2,z3,q2,q3,y2,y3;double h,b,h1=0.0,b1=
14、0.0; double mx,my,mz,f; double a,r; printf(“mx=700.6n“); printf(“my=797.2n“); printf(“mz=398.6n“); printf(“f=2657.4n“); mx=700.6; my=797.2; mz=398.6; f=2657.4;for(h=1.4*D;h=2.5r=0.745+0.008*(4-h/b);z1=f/(b*h)+G*mz*6/(b*b*h)+G*mx*6/(h*h*b);12 / 13z2=f/(b*h)+G*mz*6/(h*b*b);z3=f/(b*h)+G*mx*6/(h*h*b);q2
15、=G*my/(h*b*b*a);q3=r*q2;y2=sqrt(z2*z2+4*q2*q2);y3=sqrt(z3*z3+4*q3*q3);if(z1Y if(z1Y printf(“b=%fnh=%fn“,b,h); printf(“a=%fnr=%fn“,a,r); 输出图十一 参考文献聂毓琴 孟广伟主编 材料力学 机械工业出版社聂毓琴 吴宏主编 材料力学实验与课程设计 机械工业出版社十二 设计总结及体会通过材料力学的学习，是我初步了解材料力学的任务是在满足强度，刚度和稳定性的要 求下，以最经济的代价，为构件确定合理的尺寸，选择适宜的材料，为构件设计提供了必要 的理论基础和计算方法。 而且通过此次的课程设计，使我对材料力学知识掌握的更为牢固，并掌握了一定的设计 方法和步骤及解决困难的方法。在这次设计中在 C 语言的设计编程上出现很多问题，但通过 复习以及同学们的帮助终于按时完成了设计。这次课程设计也锻炼了我的意志和信心。13 / 13最后谢谢老师的辛勤教导和帮助！
