材料力學(xué)課程設(shè)計--單缸柴油機(jī)曲軸的強(qiáng)度設(shè)計

1、<p><b>　　材料力學(xué)課程設(shè)計</b></p><p><b>　　設(shè)計計算說明書</b></p><p>　　設(shè)計題目：單缸柴油機(jī)曲軸的強(qiáng)度設(shè)計</p><p>　　及剛度計算、疲勞強(qiáng)度校核</p><p><b>　　目錄</b></p>&l

2、t;p>　　設(shè)計目的··································

3、83;·2</p><p>　　設(shè)計任務(wù)和要求······························

4、2</p><p>　　2.1、設(shè)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(shè)計題目············

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

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

10、<p>　　3.2、設(shè)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(qiáng)度·····························

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

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

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

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

16、83;···17</p><p>　　設(shè)計的改進(jìn)措施及方法························17</p><p&

17、gt;　　設(shè)計體會···································&

18、#183;18</p><p><b>　　一、設(shè)計目的</b></p><p>　　本課程設(shè)計是在系統(tǒng)學(xué)完材料力學(xué)課程之后，結(jié)合工程實際中的問題，運(yùn)用材料力學(xué)的基本理論和計算方法，獨(dú)立地計算工程中的典型零部件，以達(dá)到綜合利用材料力學(xué)知識解決工程實際問題的目的。同時，可以使學(xué)生將材料力學(xué)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(xué)知識（高等數(shù)學(xué)、工程圖學(xué)、理論力學(xué)、算法語言、計算機(jī)和材料力學(xué)等）的綜合運(yùn)用，又為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，并初步掌握工程設(shè)計思路和設(shè)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(xué)的材料力學(xué)知識系統(tǒng)化、完整化。</p><p>　　(2).在系統(tǒng)全面復(fù)習(xí)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用材料力學(xué)知識解決工程實際中的問題。</

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

21、為后續(xù)課程的教學(xué)打下基礎(chǔ)。</p><p>　　二、設(shè)計任務(wù)和要求</p><p>　　參加設(shè)計者要系統(tǒng)復(fù)習(xí)材料力學(xué)課程的全部基本理論和方法，獨(dú)立分析、判斷設(shè)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(nèi)力圖，列出理論依據(jù)并到處計算公式，獨(dú)立編制計算機(jī)程序，通過計算機(jī)給出計算結(jié)果，并完成設(shè)計計算說明書。</p><p>　?。?）.設(shè)計計算說明書的要求<

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

23、應(yīng)的全部求和過程。</p><p>　　畫出全部內(nèi)力圖，并標(biāo)明可能的各危險截面。</p><p>　　危險截面上各種應(yīng)力的分布規(guī)律圖及由此判定各危險點(diǎn)處的應(yīng)力狀態(tài)圖。</p><p>　　選擇強(qiáng)度理論并建立強(qiáng)度條件。</p><p>　　列出全部計算過程的理論依據(jù)、公式推導(dǎo)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(nèi)力圖和單位力圖。</p><p>　　疲勞強(qiáng)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(qiáng)度校核過程及結(jié)果。</p><p>　?。?）.分析討論及說明部分的要求</p><p>　　分析計算結(jié)果是否合理，并討論其原因、改進(jìn)措施。</p><p&g

25、t;　　提出改進(jìn)設(shè)計的初步方案及設(shè)想。</p><p>　　提高強(qiáng)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(jī)程序。</b></p><p>　　打印結(jié)果（數(shù)據(jù)結(jié)果要填寫到設(shè)計計算說明書上）。</p><p><b>

26、　　三、設(shè)計題目</b></p><p>　　單缸柴油機(jī)曲軸的強(qiáng)度設(shè)計及剛度計算、疲勞強(qiáng)度校核</p><p>　　某柴油機(jī)曲軸可以簡化為下圖所示的結(jié)構(gòu)，材料為球墨鑄鐵（QT450—5）彈性常數(shù)為E、，許用應(yīng)力[]，G處輸入傳矩為 ，曲軸頸中點(diǎn)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(nèi)力圖。</b></p><p>　　設(shè)計曲軸頸直徑d ，主軸頸直徑D 。</p><p>　　校核曲柄臂的強(qiáng)度。 </p><p>　　校核主軸頸 H-H 截面處的疲勞強(qiáng)度，取疲勞強(qiáng)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(zhuǎn)角 θy , θz 。</p><p><b>　　、畫出曲軸的內(nèi)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(nèi): </p><p><b>　　在XOZ平面內(nèi)： </b></p><p><b>　　. 內(nèi)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(zhuǎn)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(zhuǎn)、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(zhuǎn)和兩向彎曲</p><p>　　、曲軸內(nèi)力圖，如下圖所示。</p><p>　　（不計內(nèi)力彎曲切應(yīng)力，彎矩圖畫在受壓側(cè)）</p><p>　?。▎挝唬?力-N 力矩-N·m）</p&

31、gt;<p>　　、設(shè)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(zhuǎn)和兩向彎曲，根據(jù)主軸頸的受力狀態(tài)，可用第三強(qiáng)度理論計算：</p><p><b>　　其中：</b></p><p><b>　　得 ： 取 </b></p><p>

32、　　（2）曲柄頸CD屬于圓軸彎扭組合變形，由第三強(qiáng)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>　　（三）、校核曲柄臂的強(qiáng)度</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(qiáng)度計算</b></p><p>　　曲柄臂的危險截面為矩形截面，且受扭轉(zhuǎn)、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(yīng)力分布圖與下圖所示：</p><

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

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

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

37、所以，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)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(qiáng)度符合強(qiáng)度要求。</p><p>　?。ㄎ澹?用能量法計算A-A截面的轉(zhuǎn)角。</p><p>　　采用圖乘法分別求解截面的轉(zhuǎn)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(cè)）：</p><p><b>　　由平衡方程得：</b></p><p>　　B點(diǎn)的彎矩為： </p><p><b>　　E點(diǎn)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(cè)）：</p><p><b&g

41、t;　　同理得：</b></p><p><b>　　B點(diǎn)的彎矩為：</b></p><p><b>　　E點(diǎn)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(shè)計中，做以下幾點(diǎn)說明：&

43、lt;/p><p>　　在外力分析時，在設(shè)定未知力的時候，由于已知沒有X方向的外力，故未設(shè)</p><p>　　在畫內(nèi)力圖時，不計彎曲切應(yīng)力，故未畫剪力圖。</p><p>　　在強(qiáng)度計算方面，由于材料是球墨鑄鐵，其物理性質(zhì)與剛相近，用第三強(qiáng)度理論而不用第一或第二強(qiáng)度理論公式。</p><p>　　在膠合曲柄臂時，畫內(nèi)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(qiáng)度校核H-H截面時，忽略鍵槽對的影響。</p><p><b>　　五、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1、材料力學(xué)/聶毓琴，孟光偉主編，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.2。</p><p>　　2、材料力學(xué)實驗與課程設(shè)計/聶毓琴、吳宏主編，北京：機(jī)械工

45、業(yè)出版社，2006.8。</p><p>　　3、C程序設(shè)計/第三版，譚浩強(qiáng)主編，北京：清華大學(xué)出版社，2005.7。</p><p>　　六、設(shè)計的改進(jìn)措施及方法</p><p>　　1、提高曲軸的彎曲強(qiáng)度</p><p>　　合理安排曲軸的受力情況及設(shè)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(jī)械結(jié)構(gòu)允許的情況下，可采取

46、將集中載荷適當(dāng)分散或?qū)⒓辛ΡM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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(qiáng)度</b><

47、/p><p>　　提高疲勞強(qiáng)度的主要措施有：減緩應(yīng)力集中及提高曲軸的表面強(qiáng)度等。為了消除和緩解應(yīng)力集中，再設(shè)計曲軸時，應(yīng)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(yīng)采用半徑較大的過度圓角，提高曲軸表面的強(qiáng)度可通過兩方面實現(xiàn),一是從加工入手，提高表面加工質(zhì)量，可采用精細(xì)加工降低表面粗糙度，如果將材料改為高強(qiáng)度鋼就尤其要注意；二是增加表面強(qiáng)度，對曲軸中應(yīng)力集中的部位如鍵槽處應(yīng)采取某些工藝措施，即表面

48、熱處理或化學(xué)處理，如表面高頻淬火、滲碳、滾壓、噴丸等。</p><p><b>　　七、設(shè)計體會</b></p><p>　　通過這次的課程設(shè)計，我對材料力學(xué)有了更深一層的認(rèn)識：材料力學(xué)是一門被各個工程廣泛應(yīng)用的學(xué)科，是通過理論與實驗來進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性以及材料的力學(xué)性能的研究。在保證安全、可靠、經(jīng)濟(jì)節(jié)省的前提下，為構(gòu)件選擇適當(dāng)?shù)牟牧?，確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(shè)計思想和設(shè)計方法。這次的課程設(shè)計讓我深知理論與實際相結(jié)合的重要性，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。</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(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，工程實際中的一些問題要比想象的復(fù)雜的多，只有不斷進(jìn)行工程問題的分析和研究，從中獲得大量的寶貴經(jīng)驗，才能以最經(jīng)濟(jì)的代價、最合理的方法解決遇到的難題。</p><p>