材料力學課程設計--單缸柴油機曲軸的強度設計

1、<p><b>　　材料力學課程設計</b></p><p><b>　　設計計算說明書</b></p><p>　　設計題目：單缸柴油機曲軸的強度設計</p><p>　　及剛度計算、疲勞強度校核</p><p><b>　　目錄</b></p>&l

2、t;p>　　設計目的··································

3、83;·2</p><p>　　設計任務和要求······························

4、2</p><p>　　2.1、設計計算說明書的要求······························&#

5、183;·······2</p><p>　　2.2、分析討論及說明書部分的要求······················&

6、#183;·········3</p><p>　　2.3、程序計算部分的要求····················

7、3;···················3</p><p>　　設計題目············

8、3;·······················4</p><p>　　3.1、畫出曲軸的內力圖·······&#

9、183;··································5</p>

10、<p>　　3.2、設計曲軸頸直徑d和主軸頸D································

11、;·8</p><p>　　3.3、校核曲柄臂的強度·····························

12、83;············9</p><p>　　3.4、校核主軸頸H-H截面處的疲勞強度·················

13、;·········· 12</p><p>　　3.5、用能量法計算A-A截面的轉角 ，···················

14、;···· 13</p><p>　　分析討論及必要說明··························17&l

15、t;/p><p>　　參考文獻································

16、83;···17</p><p>　　設計的改進措施及方法························17</p><p&

17、gt;　　設計體會···································&

18、#183;18</p><p><b>　　一、設計目的</b></p><p>　　本課程設計是在系統(tǒng)學完材料力學課程之后，結合工程實際中的問題，運用材料力學的基本理論和計算方法，獨立地計算工程中的典型零部件，以達到綜合利用材料力學知識解決工程實際問題的目的。同時，可以使學生將材料力學的理論和現(xiàn)代計算方法及手段融為一體，既從整體上掌握了基本理論和現(xiàn)代計算方法，又提

19、高了分析問題、解決問題的能力；既是對以前所學知識（高等數(shù)學、工程圖學、理論力學、算法語言、計算機和材料力學等）的綜合運用，又為后續(xù)課程的學習打下基礎，并初步掌握工程設計思路和設計方法，使實際工作能力有所提高。具體有一下六項：</p><p>　　(1).使所學的材料力學知識系統(tǒng)化、完整化。</p><p>　　(2).在系統(tǒng)全面復習的基礎上，運用材料力學知識解決工程實際中的問題。</

20、p><p>　　(3).由于選題力求結合專業(yè)實際，因而課程設計可把材料力學與專業(yè)需要結合起來。</p><p>　　(4).綜合運用以前所學的各門課程的知識（高等數(shù)學、工程圖學、理論力學、算法語言、計算機等），使相關學科的知識有機地聯(lián)系起來。</p><p>　　(5).初步了解和掌握工程實際中的設計思路和設計方法。</p><p>　　(6).

21、為后續(xù)課程的教學打下基礎。</p><p>　　二、設計任務和要求</p><p>　　參加設計者要系統(tǒng)復習材料力學課程的全部基本理論和方法，獨立分析、判斷設計題目的已知條件和所求問題，畫出受力分析計算簡圖和內力圖，列出理論依據(jù)并到處計算公式，獨立編制計算機程序，通過計算機給出計算結果，并完成設計計算說明書。</p><p>　?。?）.設計計算說明書的要求<

22、;/p><p>　　設計計算說明書是該題目設計思路、設計方法和設計結果的說明，要求書寫工整，語言簡練，條理清晰、明確，表達完整。具體內容應包括：</p><p>　　設計題目的已知條件、所求及零件圖。</p><p>　　畫出結構的受力分析計算簡圖，按比例標明尺寸、載荷及支座等。</p><p>　　靜不定結構要畫出所選擇的基本靜定系統(tǒng)和及與之相

23、應的全部求和過程。</p><p>　　畫出全部內力圖，并標明可能的各危險截面。</p><p>　　危險截面上各種應力的分布規(guī)律圖及由此判定各危險點處的應力狀態(tài)圖。</p><p>　　選擇強度理論并建立強度條件。</p><p>　　列出全部計算過程的理論依據(jù)、公式推導過程以及必要的說明。</p><p>　　對變

24、形及剛度分析要寫明所用的能量法計算過程及必要的內力圖和單位力圖。</p><p>　　疲勞強度計算部分要說明循環(huán)特性， ， ，r ， ， 的計算，所查κ，ε，β各系數(shù)的依據(jù)，疲勞強度校核過程及結果。</p><p>　　（2）.分析討論及說明部分的要求</p><p>　　分析計算結果是否合理，并討論其原因、改進措施。</p><p&g

25、t;　　提出改進設計的初步方案及設想。</p><p>　　提高強度、剛度及穩(wěn)定性的措施及建議。</p><p>　?。?）.程序計算部分的要求</p><p><b>　　計算機程序。</b></p><p>　　打印結果（數(shù)據(jù)結果要填寫到設計計算說明書上）。</p><p><b>

26、　　三、設計題目</b></p><p>　　單缸柴油機曲軸的強度設計及剛度計算、疲勞強度校核</p><p>　　某柴油機曲軸可以簡化為下圖所示的結構，材料為球墨鑄鐵（QT450—5）彈性常數(shù)為E、，許用應力[]，G處輸入傳矩為 ，曲軸頸中點受切向力、徑向力 的作用，且 。曲柄臂簡化為矩形截面，1.41.6 , 2.54 ,,</p><p><

27、b>　　已知數(shù)據(jù)如下表：</b></p><p><b>　　畫出曲軸的內力圖。</b></p><p>　　設計曲軸頸直徑d ，主軸頸直徑D 。</p><p>　　校核曲柄臂的強度。 </p><p>　　校核主軸頸 H-H 截面處的疲勞強度，取疲勞強度系數(shù)n=2。鍵槽為端銑加工，主軸頸表面為車削加

28、工。</p><p>　　用能量法計算A-A截面的轉角 θy , θz 。</p><p><b>　　、畫出曲軸的內力圖</b></p><p><b>　　. 外力分析</b></p><p>　　畫出曲軸的計算簡圖（上圖），計算外力偶矩。</p><p><b&g

29、t;　　計算反力</b></p><p>　　在XOY平面內: </p><p><b>　　在XOZ平面內： </b></p><p><b>　　. 內力分析</b></p><p>　　主軸頸的EF左端 （1-1）截面為危險截面，受扭轉和兩向彎曲</p><p

30、>　　曲柄臂DE段下端（2-2）為危險截面，受扭轉、兩向彎曲和壓縮</p><p>　　曲柄勁CD段中間截面（3-3）為危險截面，受扭轉和兩向彎曲</p><p>　　、曲軸內力圖，如下圖所示。</p><p>　　（不計內力彎曲切應力，彎矩圖畫在受壓側）</p><p>　?。▎挝唬?力-N 力矩-N·m）</p&

31、gt;<p>　　、設計曲軸頸直徑d和主軸頸D</p><p>　　主軸頸的危險截面為EF段的最左端1-1截面，受扭轉和兩向彎曲，根據(jù)主軸頸的受力狀態(tài)，可用第三強度理論計算：</p><p><b>　　其中：</b></p><p><b>　　得 ： 取 </b></p><p>

32、　?。?）曲柄頸CD屬于圓軸彎扭組合變形，由第三強度理論，在危險截面3-3中</p><p><b>　　其中：</b></p><p><b>　　得： 取 </b></p><p>　?。ㄈ⑿：饲鄣膹姸?lt;/p><p>　?。ň唧w求解過程通過C語言可得）</p>&l

33、t;p>　　由程序得h，b的最佳值為，。</p><p><b>　　查表得： ，</b></p><p><b>　　曲柄臂的強度計算</b></p><p>　　曲柄臂的危險截面為矩形截面，且受扭轉、兩向彎曲及軸力作用（不計剪力的作用），曲柄臂上的危險截面2-2應力分布圖與下圖所示：</p><

34、;p>　　點： 點處于單向應力狀態(tài)</p><p>　　所以：點滿足強度要求。</p><p>　　點： 點處于二向應力狀態(tài)，受扭轉切應力作用</p><p>　　點的正應力為軸向力和繞Z軸的彎矩共同引起的</p><p><b>　　由第三強度理論：</b></p><p><

35、b>　　因為</b></p><p>　　所以：點滿足強度條件。</p><p>　　點： 點處于二向應力狀態(tài)</p><p><b>　　根據(jù)第三強度理論：</b></p><p>　　所以：點滿足強度理論條件。</p><p>　　綜上所述：曲柄臂滿足強度條件。</p

36、><p>　?。ㄋ模?、 校核主軸頸H-H截面處的疲勞強度</p><p>　　由題意： （材料的強度極限）</p><p><b>　　查表得 </b></p><p>　　已知 </p><p>　　FH 處只受扭轉作用</p><p>　　

37、所以，扭轉切應力為脈動循環(huán)</p><p><b>　　安全系數(shù)：</b></p><p>　　所以，H-H截面的疲勞強度符合強度要求。</p><p>　?。ㄎ澹?、 用能量法計算A-A截面的轉角。</p><p>　　采用圖乘法分別求解截面的轉角。</p><p>　　、求：在截面A加一單位力偶

38、矩。并作出單位力偶矩作用下的彎矩圖與外載荷作用下的彎矩圖如下（畫在受彎的一側）：</p><p><b>　　由平衡方程得：</b></p><p>　　B點的彎矩為： </p><p><b>　　E點的彎矩為： </b></p><p><b>　　由圖乘法：<

39、/b></p><p><b>　　查表得：</b></p><p><b>　　·</b></p><p><b>　　·</b></p><p><b>　　桿件的抗扭剛度：</b></p><p>&

40、lt;b>　　·</b></p><p><b>　　由公式：</b></p><p><b>　　得：</b></p><p>　　、求：在截面A加一單位力偶矩。并作出單位力偶矩作用下的彎矩圖與外載荷作用下的彎矩圖如下（畫在受彎的一側）：</p><p><b&g

41、t;　　同理得：</b></p><p><b>　　B點的彎矩為：</b></p><p><b>　　E點的彎矩為：</b></p><p><b>　　·</b></p><p><b>　　·</b></p&g

42、t;<p><b>　　·</b></p><p><b>　　由公式：</b></p><p><b>　　得：</b></p><p><b>　　分析討論及必要說明</b></p><p>　　在本次設計中，做以下幾點說明：&

43、lt;/p><p>　　在外力分析時，在設定未知力的時候，由于已知沒有X方向的外力，故未設</p><p>　　在畫內力圖時，不計彎曲切應力，故未畫剪力圖。</p><p>　　在強度計算方面，由于材料是球墨鑄鐵，其物理性質與剛相近，用第三強度理論而不用第一或第二強度理論公式。</p><p>　　在膠合曲柄臂時，畫內力分布時，把曲柄臂的危險截面

44、看成矩形，忽略了圓孔對其的影響。</p><p>　　在疲勞強度校核H-H截面時，忽略鍵槽對的影響。</p><p><b>　　五、參考文獻</b></p><p>　　1、材料力學/聶毓琴，孟光偉主編，北京：機械工業(yè)出版社，2004.2。</p><p>　　2、材料力學實驗與課程設計/聶毓琴、吳宏主編，北京：機械工

45、業(yè)出版社，2006.8。</p><p>　　3、C程序設計/第三版，譚浩強主編，北京：清華大學出版社，2005.7。</p><p>　　六、設計的改進措施及方法</p><p>　　1、提高曲軸的彎曲強度</p><p>　　合理安排曲軸的受力情況及設計合理的截面，但對于該曲軸只能采用合理安排曲軸的受力情況。在機械結構允許的情況下，可采取

46、將集中載荷適當分散或將集中力盡量靠近支座。</p><p><b>　　提高曲軸的彎曲剛度</b></p><p>　　提高彎曲剛度的主要措施有：改善結構形式，減少彎矩的數(shù)值，選擇合理的截面及合理選材等。但對于該曲軸只能改善結構形式，減少彎矩的數(shù)值及合理選材。</p><p><b>　　提高曲軸的疲勞強度</b><

47、/p><p>　　提高疲勞強度的主要措施有：減緩應力集中及提高曲軸的表面強度等。為了消除和緩解應力集中，再設計曲軸時，應盡量避免出現(xiàn)方形直角或帶有尖角的孔和槽，即在主軸頸和曲柄臂相連處應采用半徑較大的過度圓角，提高曲軸表面的強度可通過兩方面實現(xiàn),一是從加工入手，提高表面加工質量，可采用精細加工降低表面粗糙度，如果將材料改為高強度鋼就尤其要注意；二是增加表面強度，對曲軸中應力集中的部位如鍵槽處應采取某些工藝措施，即表面

48、熱處理或化學處理，如表面高頻淬火、滲碳、滾壓、噴丸等。</p><p><b>　　七、設計體會</b></p><p>　　通過這次的課程設計，我對材料力學有了更深一層的認識：材料力學是一門被各個工程廣泛應用的學科，是通過理論與實驗來進行強度、剛度、穩(wěn)定性以及材料的力學性能的研究。在保證安全、可靠、經濟節(jié)省的前提下，為構件選擇適當?shù)牟牧希_定合理的截面形狀和尺寸提供

49、基本理論和計算方法。初步了解和掌握工程實踐中的設計思想和設計方法。這次的課程設計讓我深知理論與實際相結合的重要性，為后續(xù)課程的學習打下基礎。</p><p>　　此外，我深深的體會到了僅僅掌握課本中的理論和方法是遠遠不夠的，工程實際中的一些問題要比想象的復雜的多，只有不斷進行工程問題的分析和研究，從中獲得大量的寶貴經驗，才能以最經濟的代價、最合理的方法解決遇到的難題。</p><p>