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

1、<p><b>　　作業(yè)號：</b></p><p><b>　　材料力學(xué)課程設(shè)計(jì)</b></p><p>　　汽車工程學(xué)院工業(yè)設(shè)計(jì)</p><p>　　題目：單缸柴油機(jī)曲軸的強(qiáng)度設(shè)計(jì)</p><p>　　及剛度計(jì)算、疲勞強(qiáng)度校核</p><p>　　2011年10

2、月18號</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　一材料力學(xué)課程設(shè)計(jì)的目的，任務(wù)，要求…………………………3</p><p>　　二設(shè)計(jì)題目……………………………………………………………4</p><p>　　三曲軸的內(nèi)力圖………………………………………………………6</p><

3、p>　　四設(shè)計(jì)曲軸頸直徑d，主軸頸直徑D…………………………………10</p><p>　　五校核曲柄臂的強(qiáng)度…………………………………………………11</p><p>　　六校核主軸頸H-H處的疲勞強(qiáng)度……………………………………13</p><p>　　七能量法計(jì)算A-A截面的轉(zhuǎn)角θy，θz………………………………14</p><p&g

4、t;　　八設(shè)計(jì)體會(huì)……………………………………………………………18</p><p>　　九附錄…………………………………………………………………19</p><p>　　一 課程設(shè)計(jì)目的，任務(wù)，要求</p><p><b>　　目的</b></p><p>　　材料力學(xué)課程設(shè)計(jì)的目的在于系統(tǒng)學(xué)習(xí)材料力學(xué)后，能結(jié)合工程中

5、實(shí)際問題，運(yùn)用材料力學(xué)的基本理論和計(jì)算方法，獨(dú)立地計(jì)算工程中的典型零部件，以達(dá)到綜合運(yùn)用材料力學(xué)的知識解決工程實(shí)際問題之目既從整體上掌握了基本理論和現(xiàn)代的計(jì)算方法，又提高了分析問題，解決問題的能力，既把以前所學(xué)的知識綜合應(yīng)用，又為后續(xù)課程打下基礎(chǔ)，并初步掌握工程中的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法，對實(shí)際工作能力有所提高。</p><p><b>　　任務(wù)</b></p><p>

6、　　使所學(xué)的材料力學(xué)知識系統(tǒng)化，完整化。讓我們在系統(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(shí)際工程。</p><p>　　綜合運(yùn)用以前所學(xué)的各門課程（高數(shù)，工圖，理論力學(xué)，C語言等）使相關(guān)學(xué)科的知識有機(jī)的聯(lián)系起來。</p><p>　　是我們初步了解和掌握工程實(shí)踐中的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。</p><p><b>　　要求<

7、;/b></p><p>　　要系統(tǒng)復(fù)習(xí)材料力學(xué)課程的全部理論和方法，獨(dú)立分析，判斷設(shè)計(jì)題目的已知所求問題，畫出受力分析圖和內(nèi)力圖，列出理論依據(jù)，導(dǎo)出計(jì)算公式，獨(dú)立編制計(jì)算程序，通過計(jì)算給出計(jì)算結(jié)果，并完成計(jì)算說明書。</p><p><b>　　二 設(shè)計(jì)題目</b></p><p>　　7.2.1單缸柴油機(jī)曲軸的強(qiáng)度設(shè)計(jì)及剛度計(jì)算，疲勞

8、強(qiáng)度校核</p><p>　　某柴油機(jī)曲軸可以簡化為圖7—2所示結(jié)構(gòu)，材料為球墨鑄鐵（QJ450—5），彈性常數(shù)E、μ，許用應(yīng)力為[σ]，G處輸入轉(zhuǎn)矩為Me，曲軸頸中點(diǎn)受切向力Ft，徑向力Fr的作用，且Fr=Ft/????2。曲柄臂簡化為矩形截面，1.4≤≤1.6，2.5≤≤4，=1.2r,已知數(shù)據(jù)如下表。</p><p><b>　　表7-3 固定數(shù)據(jù)</b><

9、;/p><p><b>　　要求：</b></p><p><b>　　畫出曲軸受力圖。</b></p><p>　　設(shè)計(jì)曲軸頸直徑d，主軸頸直徑D。</p><p><b>　　校核曲柄臂的強(qiáng)度。</b></p><p>　　校核主軸頸H-H截面處的疲勞強(qiáng)

10、度，取疲勞安全系數(shù)n=2，鍵槽為端銑加工，主軸頸表面為車削加工。</p><p>　　用能量法計(jì)算A-A截面的轉(zhuǎn)角θy，θz。</p><p><b>　　三 曲軸的內(nèi)力圖</b></p><p>　　外力分析：如圖7-3</p><p>　　由公式 Me=9549*{P}/{n} 得Me=9549*14/380

11、=351.81N.m</p><p>　　由外力矩∑M外=0 得Ft*r=Me Ft=351.81/0.07=5025.79N Fr=Ft/2=2512.89N</p><p><b>　　計(jì)算支反力</b></p><p>　　在XOY面內(nèi) 對F處求矩 FAy(l1+l2)=Fr*l2 FAy

12、=1559.73N</p><p>　　對A處求矩 FFy(l1+l2)=Fr*l1 FFy=953.17N</p><p>　　在XOZ面內(nèi) 對F處求矩 FAz(l1+l2)=Ft*l2 FAz=3119.45N</p><p>　　對A處求矩 FFz(l1+l2)=Ft*l1 FFz=1906.034N</p><

13、;p><b>　　內(nèi)力分析</b></p><p>　　分析Mx a：對于主軸頸左端Mx=0，右端 Mx=351.81N.m</p><p>　　b：對于曲柄臂來說 Mx=Me=351.8N.m</p><p>　　C：對于主軸頸來說 Mx=FAz*r=218.36N.m</p><p>

14、;　　分析My a 主軸頸右 My=FFz(l2-l3/2)=263.07N.m </p><p>　　左 My=FFz(l1-l3/2)=212.12N.m</p><p>　　b 曲柄臂 My=FFz(l2-l3/2)=263.07N.m</p><p>　　C 曲軸頸 My=FAz*l1=343.14N.m</p>

15、;<p>　　分析Mz a 主軸頸左 Mz=FAy(l1-l3/2)=106.06N.m</p><p>　　右 Mz=FFy（l2-l3/2)=131.54N.m</p><p>　　b 曲柄臂 Mz=131.54N.m</p><p>　　c 曲軸頸 Mz=FAy*l1=171.57N.m</p><p&

16、gt;　　分析FN a 對于主軸頸與曲軸頸 FN=0</p><p>　　b 對于曲柄臂 FN1=FAy FN2=FFy</p><p><b>　　四個(gè)圖即為所求。</b></p><p>　　四 設(shè)計(jì)曲軸頸直徑d，主軸頸直徑D</p><p>　　根據(jù)前面內(nèi)力圖，可知主軸頸EF段最左端截面

17、為危險(xiǎn)截面，同時(shí)受彎扭組合。</p><p>　　由第三強(qiáng)度理論得：= ≤[] 其中=</p><p>　　代入數(shù)據(jù)得 D≥0.0339m D取34mm</p><p>　　同理可得 曲軸頸 中間截面為危險(xiǎn)截面，也是彎扭組合</p><p>　　由第三強(qiáng)度理論得：≤[]</p><p>　　代入數(shù)據(jù)得

18、 d≥0.0335m d取34mm</p><p>　　五 校核曲柄臂的強(qiáng)度</p><p><b>　?。ň唧w過程見附錄）</b></p><p>　　由C語言得h=50.30 b=20.12</p><p>　　查表計(jì)算得 α=0.258 γ=0.767 β=0.249</p&g

19、t;<p><b>　　曲柄臂的強(qiáng)度計(jì)算</b></p><p>　　曲柄臂的危險(xiǎn)截面為矩形截面，且受扭轉(zhuǎn)，兩向彎曲及軸力作用，曲柄臂的危險(xiǎn)截面2-2的應(yīng)力分布圖如下</p><p>　　根據(jù)應(yīng)力分布圖可以確定危險(xiǎn)點(diǎn)為D1,D2,D3</p><p>　　a：D1點(diǎn)處于單向應(yīng)力狀態(tài)</p><p>　　=5

20、7.91MPa≤ []=120MPa</p><p>　　所以D1點(diǎn)滿足強(qiáng)度條件。</p><p>　　b：D2點(diǎn)處于二向應(yīng)力狀態(tài)，存在扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力。</p><p>　　Τ=M2y/(αhbb)=50.08MPa</p><p>　　σ=FN2/A2+M2z/W2z=38.77MPa</p><p>　　由第三強(qiáng)度理論

21、知 σr3=√(σ*σ+4*τ*τ)=92.31MPa</p><p><b>　　所以</b></p><p>　　所以D2不滿足強(qiáng)度條件。</p><p>　　c: D3點(diǎn)處于二向應(yīng)力狀態(tài)，由短邊中點(diǎn)切應(yīng)力τ`=是短邊上最大切應(yīng)力并τ`=γ*τmax得</p><p>　　τ`=38.41MPa</p&g

22、t;<p>　　σ`=FN2/A2+M2x/W2x=42.41MPa</p><p>　　σr3=√(σ`*σ`+4*τ`*τ`)=87.75MPa≤[]=120MPa</p><p>　　所以D3滿足強(qiáng)度條件。</p><p>　　六 校核主軸頸H-H處的疲勞強(qiáng)度</p><p>　　由題意知 σb=450MPa</p

23、><p>　　查表知Kτ=1.3 β=0.9438</p><p>　　已知τ-1=180MPa ετ=0.78 ψτ=0.05 n=2</p><p>　　FH處只受扭作用 τmin= -Me/Wp= -45.59MPa</p><p><b>　　τmax=0</b></p>

24、<p>　　r=τmin/τmax=-∞ 為脈動(dòng)循環(huán)。</p><p>　　τa= -τm=-τmin/2=+22.79MPa</p><p>　　nτ=τ-1/(Kτ*τa/ετ*β+ψτ*τm)=4.6>n=2</p><p><b>　　所以安全。</b></p><p>　　七 能量法計(jì)算A-

25、A界面的轉(zhuǎn)角θy，θz</p><p>　　分析可知 可采用圖乘法求解A-A截面的轉(zhuǎn)角θy，θz。</p><p>　　求θy：在A-A截面處Y方向加一單位力偶矩=1，并作出彎矩圖與外載荷作用下的彎矩圖My。</p><p><b>　　My</b></p><p><b>　　由平衡方程知</b>

26、</p><p>　　B點(diǎn)彎矩為1-3.448*（0.11-0.6*0.07）=0.766Nm</p><p>　　E點(diǎn)彎矩為3.448*（0.18-0.6*0.07）=0.476Nm</p><p><b>　　由圖形互乘法得</b></p><p>　　EI1=E*π*D4/64=9839.59pa.m4</p

27、><p>　　EI3=E*π*d4/64=9839.59pa.m4</p><p>　　GIτ=E*β*h*b3/2*(1+μ)=6006.38pa.m4</p><p>　　={(l1-l3/2)*212.12*0.844/2+(l2-l3/2)*263.07*0.317/2}/EI1+{l3*(343.14-212.12)*0.524/4+212.12*(0.766

28、+0.621)*l3/4+(343.14-263.07)*0.573*l3/4+l3*(0.621+0.476)*263.07/4}/EI3+(212.12*0.07*0.766+263.07*0.07*0.476)/GIτ=6.04*10-3</p><p>　　求θz 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Mz如下</p><p><b&

29、gt;　　同理可得 </b></p><p>　　MBz=0.766N.m</p><p>　　MEz=0.476N.m</p><p><b>　　由圖乘法得</b></p><p>　　EA=E*h*b=1.52*108pa.m2</p><p>　　EI2=E*h*b3/12

30、=5121.08pa.m4</p><p>　　={106.06*(0.11-0.6*0.07)*0.844*0.5+131.54*(0.18-0.6*0.07)*0.317*0.5}/EI1+(106.06*0.07*0.766+131.54*0.07*0,476)/EI2+{0.5*0.6*0.07*(171.57-106.06)*0.669+106.06*0.6*0.07*(0.766+0.621)*0.5

31、+0.5*0.6*0.07*(171.57-131.54)*0.573+131.54*0.6*0.07*(0.621+0.476)*0.5}/EI3+(1559.73*0.6*0.07*3.448-953.17*3.448*0.6*0.07)/EA=3.34*10-3</p><p><b>　　八 設(shè)計(jì)體會(huì)</b></p><p>　　通過這次課程設(shè)計(jì)，自己獨(dú)立完成

32、了所有題目的解答過程，加深了對材料力學(xué)的理解和運(yùn)用，以及CAD，C語言等的運(yùn)用，真正地將所學(xué)知識所學(xué)知識用在了對實(shí)際問題的解決上，并通過和同學(xué)們的研究討論，達(dá)到了鍛煉的目的。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　1.《材料力學(xué)》，聶毓琴，孟廣偉，機(jī)械工業(yè)出版社，2009</p><p>　　2.《材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)與課

33、程設(shè)計(jì)》 聶毓琴，吳宏，機(jī)械工業(yè)出版社 2006</p><p>　　3.《C程序設(shè)計(jì)》，譚浩強(qiáng)，清華大學(xué)出版社，2007</p><p><b>　　附錄</b></p><p>　　#include<math.h></p><p>　　#include<stdio.h></p>

34、<p>　　#define G 1000</p><p>　　#define D 34</p><p>　　#define Y 120</p><p><b>　　main()</b></p><p>　　{float Mz,My,Mx,F;</p><p>　　float Z1,Z2

35、,Z3,Q2,Q3,Y2,Y3;</p><p>　　float h,b,h1,b1;</p><p>　　float a,r;</p><p>　　float s,m=1.6*D*0.4*1.6*D;</p><p>　　printf("input Mx,My,Mz,F:\n");</p><p>

36、;　　scanf("%f%f%f%f",&Mx,&My,&Mz,&F);</p><p>　　for(h=1.4*D;h<=1.6*D;h=h+0.01)</p><p>　　for(b=0.25*h;b<=0.4*h;b=b+0.01)</p><p>　　{if(h/b>=2.5&&a

37、mp;h/b<=3)</p><p>　　{a=0.258+0.018*h/b;</p><p>　　r=0.767-0.028*h/b;}</p><p>　　if(h/b>=3&&h/b<=4)</p><p>　　{a=0.267+0.015*h/b;</p><p>　　r=0

38、.753-0.008*h/b;}</p><p>　　Z1=F/(b*h)+6*G*Mz/(b*b*h)+6*G*Mx/(b*h*h);</p><p>　　Z2=F/(b*h)+6*G*Mz/(b*b*h);</p><p>　　Z3=F/(b*h)+6*G*Mx/(b*h*h);</p><p>　　Q2=G*My/(b*b*h*a);&

39、lt;/p><p><b>　　Q3=r*Q2;</b></p><p>　　Y2=sqrt(Z2*Z2+4*Q2*Q2);</p><p>　　Y3=sqrt(Z3*Z3+4*Q3*Q3);</p><p>　　if(Z1<=Y&&(Y2-Y)/Y<0.05&&(Y3-Y)/Y&

40、lt;0.05)</p><p><b>　　{s=h*b;</b></p><p><b>　　if(s<m)</b></p><p>　　{m=s;h1=h;b1=b;}}}</p><p>　　printf("get the result:\n");</p>