1、材料力學課程設計設計計算說明書設計題目：單缸柴油機曲軸的強度設計及剛度計算、疲勞強度校核數據號： 7-2- -5 班級：汽車 00 班 學號： 15100000 姓名： 彬哥目錄一、 材料力學課程設計的目的 1 二、設計題目 2三、設計內容3.1 柴油機曲軸的內力圖 3.2 設計曲軸頸直徑 d， 主軸頸直徑 D 3.3 校核曲柄臂的強度 3.4 校核主軸頸 H-H 截面處的疲勞強度 3.5 運用能量法計算 A-A 截面處的轉角 y 和 z 四、 分析討論計算和設計 4.1 對計算過程的幾點必要說明 4.2 改進設計的初步方案及設想 五、 計算程序 5.1 程序框圖5.2 計算機程序5.2 輸出

2、結果六、 設計體會 一、材料力學課程設計的目的 本課程設計的目的是在于系統學完材料力學之后， 能結合工程中 的實際問題， 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， 以達到綜合運用材料力學的知識解決工程實際問題 之目的。同時，可以使學生將材料力學的理論和現代計算方法及手段 融為一體。 既從整體上掌握了基本理論和現代的計算方法， 又提高了 分析問題，解決問題的能力；既把以前所學的知識（高等數學、工程 圖學、理論力學、算法語言、計算機和材料力學等）綜合運用，又為 后繼課程（機械設計、專業課等）打下基礎，并初步掌握工程中的設 計思想和設計方法，對實際工作能力有所提高。具體的

3、有以下六項： 1使學生的材料力學知識系統化、完整化； 2在系統全面復習的基礎上，運用材料力學知識解決工程中的實 際問題； 3由于選題力求結合專業實際，因而課程設計可以把材料力學知 識和專業需要結合起來； 4綜合運用了以前所學的個門課程的知識（高數、制圖、理力、 算法語言、計算機等等）使相關學科的知識有機地聯系起來； 5初步了解和掌握工程實踐中的設計思想和設計方法； 6為后繼課程的教學打下基礎。二、設計題目 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)，彈性常數為 E、，許用應力為 ，G 處輸入轉矩為 Me， 曲軸頸中點受切向力 Ft 、徑向力 Fr 的作用，且 Fr

4、 = Ft 。曲柄臂簡化為2矩形截面， 1.4 h 1.6，2.5 h4, l 3 =1.2r,有關數據如下表： Db要求： 1. 畫出曲軸的內力圖。2. 設計曲軸頸直徑 d，主軸頸直徑 D。3. 校核曲柄臂的強度。4. 校核主軸頸 H-H 截面處的疲勞強度，取疲勞安全系數 n=2。鍵槽為端銑加工，主軸頸表面為車削加工。5. 用能量法計算 A-A 截面的轉角 y , z 。注：對于材料的力學性質， 若在設計過程中需要， 可查閱材料力學、 工程手冊或材料力學實驗指導書等有關資料，不論從何處查 得，均需標明出處。相關數據l1 / ml 2 / mE/Gpa/ Mpa1/ Mpa0.110.1815

5、00.27120180P/kWn/(r /min)r / m0.050.7815.62600.06零件圖： 單缸柴油機曲軸零件簡化圖：三、設計內容3.1 柴油機曲軸的內力圖計算外力偶矩：Me=9549 Pn =95491256.06 =572.94計算切向力 Ft ，徑向力 FrFt =Me =9549N trFr=Ft =4774.5N r2FFy = Frl1 =1811N Fy l1 l2Ftl 1FFz= t 1 =3622N Fz l1 l2由平衡條件計算反力：在 xOy平面: FAy = Frl2 =2963.5N Ay l1 l2Ftl 2在 xOz平面: FAz= t 2 =5

6、927NAz l1 l2（3） 內力分析： 畫出內力圖。不計彎曲切應力（故未畫剪力圖） ，彎矩圖畫在纖維受壓側。根據內力圖確定危險截面。 （單位：力 -N，力矩 -N m）355.6My圖438.6 652521.6Mx圖438.6521.6355.6573573326Mz圖 219.3260.8FN 圖1811260.219.32963.5 主軸頸以 EF段的左端（ 1-1 ）截面最危險，受扭轉和兩向彎曲 M 1x = M e =572.94Nml3l3M1y=FFz（l2- 23）=521.6Nm M1z=FFy（l2- 23 ） =260.8N m 曲柄臂以 DE段的下端（ 2-2）截面

7、最危險，受扭轉兩向彎曲及壓縮M 2 x = M e =572.94NmM2y=FFz（l2- l23 ）=521.6Nm M2z=FFy（l2- l23 ）=260.8Nm FN2=FFy =1811N 曲軸頸以 CD段中間（ 3-3 ）截面 K最危險，受扭轉和兩向彎曲 M 3 x = FAz r=355.62N mM3y=FAz l1=651.97NmM3z=FAy l1=325.99Nm3.2 設計曲軸頸直徑 d，主軸頸直徑 D(1) 曲軸頸 CD處于扭轉和兩向彎曲的組合變形， 對危險截面 (3-3) 應用第三強度理論計算r3 2 4 2 =W1 M3x2 M 3y2 M3z2 1 32其

8、中 3Wd3帶入數據得到 d40.98mm 實際取 d=41mm.(2) 主軸頸 EF處于扭轉和兩向彎曲的組合變形， 對危險截面 (1-1) 應用第三強度理論計算r3 2 4 2 =W1 M1x2 M1y2 M1z2 其中 1 32WD3代入數據得到 D41.09mm 實際取 D=42mm.綜上，曲軸頸直徑 d=41mm主軸頸直徑 D=42mm3.3 校核曲柄臂的強度（1）設計 h，b當 h 和 b 在題設范圍內變化，求解曲柄臂危險截面滿足強度條件 且截面面積 hb最小時的 h和 b，即為 h，b的最佳值。具體求解可 通過 C程序得到，計算機程序見 5.2通過程序可得最佳 h=60.01mm

9、b=23.99mm查 P70表得 =0.258=0.767 =0.249（2）求解危險點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 （這里不計剪力 FQ 的作用）。為確定危險點的位置，畫出曲柄臂上的 危險截面（ 2-2 ）應力分布圖根據應力分布圖，可以判定處可能的危險點有 D1，D2， D3三點 對 D1點進行力分析。由于 D1點處于單 向壓縮，所以為正壓力的代數疊加，即FN2 M 2x M 2z=A2 W2x W2zFFy 6 Me 6 M 2z = e 2zhbh2bhb2=86.35Mpa 所以 D1點安全。 對 D2點進行應力分析。 D2 點有扭轉切應力， M2y=

10、2 =58.53Mpahb2D2點的正應力為軸向力和繞 z 軸的彎矩共同引起的，即FN2 M2z =FFyA2 W2z hb6 M 2zhb2=46.56MPar3 2 4 2 =125.61MPa125.61 120120100 =4.673 5所以 D2點安全。 D3 點處于二向應力狀態1 max 0.767 58.53 44.89MPaFN2=A2M 2x =FFyW2x = hb6Mh2b=41.05MPar3 2 4 2 =98.72MPan=2所以 H-H截面處的疲勞強度足夠。構件的持久極限曲線：m /MPa3.5 運用能量法計算 A-A 截面處的轉角 y和 z 運用圖乘法求解 y

11、 和 z。1）求 y：在截面 A-A 處施加單位力偶 My =1.彎矩圖 M y和單位力6464d4EI364150 10941 1020806.38Pa.m464GI p G hb3E hb39 3 12150 109 0.249 60.01 23.993 10 122(1 )i M cin i M ciEI1i 1 GI p2 (1 0.27)12183.48Pa m4EI1+GIp1( 1M18M8)+( 3M3 4M 5 5M5 6M7)EI3（2）求 z：在截面 A-A 處施加單位力偶 Mz =1.作彎矩圖 Mz和單位 力矩圖 M z以及軸力圖 FN和FN 如下260.8181160

12、.82963.53.448013.448Nl1 l2EI2 E hb3326219.3150 109 60.01 23.993 10 120Mz圖1Mz=121129.123.44810356.77Pa.m4EA Ehb 150 109 60.01 23.993 10 6 215945985Pa.m4zniMcini FNcizi + ( 3M 34 M5 5M5 6M7)EI3=(0.565+1.697-0.00032+0.601) 10 3=2.86 10 3rad EI1i 1 EA1 11= ( 1M1 8M8)+( 2M 27M7)+ ( 9M9 10M10)EI1EI 2EA四、分

13、析討論計算和設計4.1 對計算過要說明(1) 所有圖線都是由 AutoCAD2004 軟件繪制，部分數學公式經 Mathtype6.5 編輯而成。(2) 在畫內力圖時，由于不計彎曲切應力，故未畫剪力圖。(3) 在設計 D,d 和校核強度時，由于材料是球墨鑄鐵( QT450-5)，其 金屬性與鋼接近，塑性好，強度較高，且處于復雜應力狀態，故采用 第三強度理論校核。(4) 在設計 h、b 的實際尺寸時， 是通過程序在題設范圍 1.4 h D1.6，2.5 h 4之間變化取值進行校核強度，直到得出使截面積最 b小的最佳結果。(5) 在校核 H-H 處的疲勞強度時，忽略了鍵槽對扭轉切應力max 的影響

14、。因此 Wp 值不變，D2Wp= 1D6(6) 發動機曲軸應力屬于脈動循環振動應力，柴油機工作良好的情況 下，可認為曲軸受到不變的轉動力矩，校核強度時，設曲軸工作在脈 動循環下。4.2 改進設計的初步方案及設想（1）提高曲軸的彎曲強度在機械結構允許的情況下，可改變 l1,l2，將集中力盡量靠近支座或 將集中載荷適當分散。另外，選擇合理的截面及合理的材料，可以選 擇彈性模量較大的材料。（2）提高曲軸的彎曲剛度改變截面的形狀， 鑄造曲軸可以采用空心工藝， 不僅可以減小質量 消除一部分慣性， 另外空心結構也有助于提高剛度改善結構形式。 其 次，主軸頸應盡量避免出現方形直角或帶有尖角的孔和槽， 即在主

15、軸 頸和曲柄臂相連處應采用半徑較大的過度圓角， 這樣可以消除應力集 中，相對于帶尖叫孔槽的主軸強度剛度是較高的。（3）提高曲軸的疲勞強度設置平衡重， 平衡發動機不平衡的離心力和離心力矩， 可以減小曲 軸工作時不平衡的振動， 將脈動循環轉換為對稱循環， 從而提高曲軸 的疲勞強度。 提高曲軸表面的強度， 對曲軸中應力集中的部位如鍵槽 處應采取某些工藝措施， 即表面熱處理或化學處理， 如表面高頻淬火、 滲碳、滾壓、噴丸等。五、計算程序5.1 計算機程序C 程序核心為求解滿足題設及強度條件下截面積最小時的 b 和 hinclude#include#define G 100#define D 42#de

16、fine Y 120/為消除單位所設常數/D 為主軸頸直徑/=120kPamain()float Mz,My,Mx,F;float Z1,Z2,Z3,Q2,Q3,Y2,Y3;/分別為曲柄臂所受扭矩彎矩和軸力/ 分 別 為D1D2D3點的 : max， 1 : D2 D3點的第三理論強度float h,b,h1,b1;float a,r;float s,m=1.6*D*0.4*1.6*D; printf(input Mx,My,Mz,F:n); scanf(%f%f%f%f,&Mx,&My,&Mz,&F);/即和/s 為截面面積， m 為題設允許最大截面for(h=1.4*D;h=1.6*D;h

17、=h+0.01) /h 和 b 的循環范圍for(b=0.25*h;b=2.5&h/b=3&h/b=4)a=0.222+0.015*h/b;r=0.777-0.008*h/b ;Z1=F/(b*h)+6*G*Mz/(b*b*h)+6*G*Mx/(b*h*h) ;Z2=F/(b*h)+6*G*Mz/(b*b*h);Z3=F/(b*h)+6*G*Mx/(b*h*h) ;Q2=G*My/(b*b*h*a) ;Q3=r*Q2;Y2=sqrt(Z2*Z2+4*Q2*Q2);Y3=sqrt(Z3*Z3+4*Q3*Q3); 和 的函數關系if(Z1=Y&(Y2-Y)/Y0.05&(Y3-Y)/Y0.05)/循環條件為強度校核安全s=h*b;if(sm) m=s;h1=h;b1=b; printf(get the result:n );/令截面積最小printf(h=%5.2fmmnb=%5.2fmmnm=%7.2fmm,h=h1,b=b1,m);5.2 輸出結