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1、材料力学课程设计之单缸柴油 机曲轴的强度设计（doc 14页）材料力学课程设计班级：作者：题目：单缸柴油机曲轴的强度设计及刚度计算、疲劳强度校核指导老师：2007.11.05一. 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
2、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。让我们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。2）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。3）使我们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。二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 书。三设计题目
3、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、u，许用应力为。，G处输入转矩为吃，曲轴颈中点受切向力Ft、 径向力Fr的作用，且Fr =兰。曲柄臂简化为矩形截面，1.4W 土 W1.6, 2.5W h W 4, 13=1.2r,已知数据如下表：l / ml / mE / GpaRc /Mpat / Mpa0.110.181500.27120180WTTP/ kWn /(r /min)r / m0.050.7815.52800.06（一）画出曲轴的内力图。（二）设计曲轴颈直径d，主轴颈直径D。（三）校核曲柄臂的强度。I） 校核主轴颈H-H截面处的疲劳强度，
4、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0 。100单缸柴油机的轴简化国主勒家有树了 M1、画出曲轴的内力图(1)外力分析画出曲轴的计算简图，计算外力偶矩Me=9549 =9549* 10.5 =1003 .N - mnF = m =16717N-FtrF = f =8358N r 2计算反力在XOY平面内：F =旦=5188N心 l + 12F =早=3170N玲声在 XOE 平面内：，=fi2 =10376N膈 l1 + 12F =里=6341NFz l + lS+2（2）内力分析主轴颈的EG左端（1-1）截面最危险， 转和两向弯曲=
5、m=1003n . m2）2M1X=*M1YFf=*M 1zFFy受扭=913 2N - m=456 2N - mI l曲柄臂DE段下端（2-2）截面最危险， 转、两向弯曲和压缩i受扭=m=1003 nM,vN - m2 XM 2Y = F；( 12 -？ =913 N. mM 2 Z = Ff*( 12 一 P =456N. m=3170NF F N 2 Fy曲柄颈CD段中间截面（3-3）最危险，受扭转和两向弯曲Fa *r=623Nm3 X Az3Y AzM 3= Faz* 己141 N mM 3Z =A* YR m（2）图如下图（不计内力弯曲切应力，弯矩图画在受压侧）:（单位：力一N力矩一
6、N m）571M 384456384 4565188 31702、 设计曲轴颈直径d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b = L Jm 27 + (JM 2y + MZ)2 W b ”w 1其中1 = 32& 兀D3得 DN495mm 取 D=50mm（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1-1中：Q = JM 2 + M 2 + M 2 r 3 W 3 X 3Y 3Z3侦 M 2 + M 2 + M 2兀d 332326232 +11412 + 5712 49.4mm故取 d = 50m
7、m3、校核曲柄臂的强度（具体求解通过C语言可得，见附录）由程序得h,b的最佳值为h = 72.32mm, b = 28.92mm。查表得 a = 0.258, y =0.767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fq），曲柄臂上的危险截面2-2的应力分布图如下图：根据应力分布图可判定出可能的危险点为D1, D2, D3。2 ZF b N 2 2M MW2 X6 x m 6 x M0-2-2 Zh 2bF = Fy + hbh 2b=50.73MPa b 所以D点满足强度条件。1D2点的正应力为轴向力和绕z轴的弯矩共同引起的FMb = N 2 + 2
8、ZAW22 ZF6 x M= F + hb31706 x 456+= 46.75MPa b r 3. 125.99 -120,10x100% = 4.996% 5%所以D2点满足强度条件。D3点D3点处于二向应力状态t = yi = 0.767 x 58.5 = 44.87MPaMH2Xw2 XFFy +hb6 x M eh 2b31706x10034、校核主轴颈H-H截面处的疲劳强度由题意气=450MPa查表得Kt= 1.43p = 0.9438已知t = 180 MPa-1st= 0.789t = 0.05 n = 2+= 41.303MPa72.32 x 28.92x 10-6 28.9
9、2 x 72.322 x 10-9根据第三强度理论b =：b 2+4t 2 =、：41.3032 + 4 x 44.872 = 98.789MPa nT齐t +中 t 078 篇依 x 21.05 -0.05x21.05T所以，H-H截面的疲劳强度足够。5、用能量法计算aa截面的转角气,e z采用图乘法分别求解AA截面的转角,e(1)求e y:在截面A加一单位力偶矩町。并作出单位力偶矩作用下的弯矩图My与外载荷作用下的弯矩图My如下(画在受压一侧):由平衡方程得F = - FAzFz0.11 + 0.18=3.448N0.497E点的弯矩为MB 点的弯矩为 I】-? = 1 -3.448x(0
10、.11 0.036)= 0.745N-m=3.448 x(0.18 - 0.036)= 0.497N - m由图乘法:h = 72.32mm, b = 28.92mm 查表得 p = 0.249兀 D4兀 X 504 X 10-12E 有=150 X 10小 = 456.19 四. m 464兀 d 4兀 X 504 X 10-12EI3 = E M = 150 X109X = 45996四 m 464Ephb3150x109 x 0.249 x 72.32 x 29.823 x 10-12GI = 21 =2Q027)= 28199.29pa m4=gEIi0yi=1i=1EI 21L1 X
11、(0.11- 0.036)x 768 x(1 - 0.745+ 0.745 +1 x(0.18 0.036)x 913 x - x 0.497231 卜EI31 x 0.036 x (1141 768)x f 0.745 0.621 + 0.6211 + 768 x 0.036 x2 k 3 J0.745 + 0.6212+1 x(1141 - 913)x 0.036 x2f 2 x(0.621 0.497 )+ 0.497 + 913 x 0.036 xJ+ 上(710 x 0.06 x 0.745 + 844 x 0.06 x 0.497 ) GIt=3.96 x10-3 rad0.621 + 0.497（2）求0 :在截面A加一单位力偶矩M。并作出单位力偶矩作用下的弯矩图吒与外载荷作用下的弯矩图M z如下（画在受压一侧）:0.49384456560.7450.497fn518831
