曲柄轴强度设计疲劳校核及刚度计算课程设计刘晨.docx

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曲柄轴强度设计疲劳校核及刚度计算课程设计刘晨

材料力学课程设计

班级：

机械工程系铁道车辆1班

作者：

刘晨（2014120892）

题目：

曲轴的强度设计、疲劳强度校核及刚度计算

指导老师：

任小平老师

2016年6月9日

一、 课程设计的目的-------------------------------------------2

二、 课程设计的任务和要求---------------------------------3

三、 设计计算说明书的要求---------------------------------3

四、 分析讨论及说明部分的要求--------------------------4

五、 程序计算部分的要求------------------------------------4

六、 设计题目-----------------------------------------------------4

七、设计内容-----------------------------------------------------5

（一）画出曲柄轴的内力图-------------------------6   

（二）设计曲柄颈直径d，主轴颈直径D-------7 

（三）校核曲柄臂的强度-----------------------------8 

（四）校核主轴颈的疲劳强度----------------------11 

（五）用能量法计算A截面的转角---------------12 

（六）计算机程序--------------------------------------14

八、设计的改进措施及方法------------------------------18 

九、设计体会--------------------------------------------------19  

十、参考文献--------------------------------------------------20 

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；既能对以前所学的知识（高等数学、工程图学、理论力学、算法语言、计算机和材料力学等）的综合应用，又为后继课程（机械设计、专业课等）得学习打下基础，并初步掌握工程中的设计思想和设计方法，对实际工作能力有所提高。

1、通过课程设计实践,使学生所学的材料力学知识系统化，完整化；

2、在系统全面复习的基础上，运用材料力学知识解决工程中的实际问题；

3、由于选题力求结合专业实际，因而课程设计可以把材料力学知识和专业需要结合起来；

4、综合运用了先修各门课的知识（高等数学，工程图学，理论力学，算法语言，计算机等课程）使相关单科的知识有机的联系起来；

5、初步了解和掌握工程实践中的设计思想和设计方法；

6、为后续课程的教学和毕业设计打下坚实的基础。

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条件和所求问题，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、设计计算说明书的要求

设计计算说明书是该题目设计思想,设计方法和设计结果的说明。

要求书写工整,语言简练,条理清楚,明确,表达完整。

具体内容应包括:

（1）设计题目的已知条件、所求及零件图；

（2）画出构件的受力分析计算简图,按比例标明尺寸、载荷及

支座等；

（3）静不定结构要画出构件的基本静定系统及与之相应的全部

求解过程；

（4）画出全部內力图,并标明可能的各危险截面；

（5）危险截面上各种应力的分布规律图及由此而判定各危险点

的应力状态图；

（6）各危险点的主应力大小及主平面位置；

（7）选择强度理论并建立强度条件；

（8）列出全部计算过程的理论根据，公式推导过程以及必要的

说明；

（9）对变形及刚度分析要写明所用的能量法计算过程及必要的

内力图和单位力图；

（10）疲劳强度计算部分要说明循环特征、最大应力、最小应力、

平均应力、应力幅的计算，所查k、ε、β各系数的依据

并绘出该构件的持久极限曲线，疲劳强度校核过程及结果。

四、分析讨论及说明部分的要求

1、分析计算结果是否合理，并分析其原因，改进措施；

2、提高改进设计的初步方案及设想；

3、提高强度、刚度及稳定性的措施及建议。

五、程序计算部分的要求

1、程序框图；

2、计算机程序（含必要的语言说明及标识符说明）；

3、打印结果（结果数据要填写到设计计算说明书上）。

六、 设计题目

某柴油机柄轴材料为球墨铸铁（QT400-10），[σ]=120MPa，曲柄臂抽象为矩形（如图），h=1.2D，b/h=2/3（左、右臂尺寸相同），l=1.5e，l4=0.5l。

一）要求：

1.画出曲轴的内力图。

2.按照强度条件设计主轴颈D和曲轴颈的直径d。

3.校核曲柄臂的强度。

4.安装飞轮处为键槽，校核主轴颈的疲劳强度，取疲劳安全系数n=2。

键槽为端铣加工，轴颈表面为车削加工，τ-1=160MPa,

。

5.用能量法计算A端截面的转角

。

二）设计数据（表7-12中第7组数据）

F/kN

W/kN

l1/mm

l2/mm

l3/mm

e/mm

α（°）

15

7.1

360

240

130

100

13

七、设计内容

外力分析

在XOY平面内：

∑MB=0FAy=

=2888N（下）

∑MA=0FBy=

=6614N（上）

在XOZ平面内：

∑MB=0FAz=

=5846N（外）

∑MA=0FBz=

=8770N（外）

（一）画出曲柄轴的内力图

画出内力图。

不计弯曲切应力（故未画剪力图），弯矩图画在受压。

根据内力图，确定危险截面。

1.对于主轴颈危险点可能是图中D点，则D点处受弯曲和扭转，有：

MD1x=Ft·e=1462N·m

MD1y=1447N·m

MD1z=1003N·m

2.曲柄颈中间截面C最危险，受扭转和两向弯曲,有：

MCx=FAz·e=585N·m

MCy=2105N·m

MCz=1040N·m

3.曲柄臂受到轴力作用，危险点可能也是图中D或E点，有:

MD2x=Ft·e=1462N·mMEx=585N·m

MD2y=1447N·mMEy=1666N·m

MD2z=1003N·mMEz=823N·m

FND=486NFNE=2888N

（二）设计主轴颈直径D和曲轴颈直径d

1.校核主轴颈D

①主轴颈的危险截面为D处，进行校核。

根据主轴颈的受力状态用

第三强度理论计算

=

≤[

]其中

=

≤120MPa

求得D≥57.9则D=58mm

2.校核曲轴颈直径d

在曲轴颈上，危险截面位于中间截面C处，对此处进行分析，受两

向弯曲和扭转作用。

根据受力情况，同样应用第三强度理论进行校核，有：

=

=

≤[

]

M=

其中

=

求得d≥59.0即d=60mm

则有D=58mm，d=60mmh=69.6mm,b=46.4mm

（三）校核曲柄臂的强度

由题可得：

h/b=3/2

经查表可得，α=0.231β=0.196γ=0.858

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

），曲柄臂上的危险截面可能为D端或者E端，分别对其进行检验。

①左臂，即检验顶端E处。

根据应力分布图可判定出可能的危险点

为

，

，

。

点：

点处于单向拉伸应力状态

=

=

=49.464MPa<[

]

所以

点满足强度条件。

点:

点处于二向应力状态，存在扭转切应力

=48.130MPa

点的正应力为轴向力和绕z轴的弯矩共同引起的

=

=33.848MPa

由第三强度理论可得

MPa<[

]

所以

点满足强度条件。

点：

点处于二向应力状态

=

=16.510MPa

根据第三强度理论

=84.226MPa<[

]

所以

点满足强度条件。

即E处截面强度满足条件。

②右臂，即检验底端D处。

根据应力分布图可判定出可能的危险点为

，

，

。

对D1点进行应力分析。

由于D1处于单向压缩，正应力为代数和，即

=

=

=79.338MPa<[

]故D1点安全

对D2点进行应力分析，D2点有扭转切应力，

=

=

=41.803MPa

点的正应力为轴向力和绕z轴的弯矩共同引起的

=

=40.312MPa

根据第三强度理论

=92.817MPa<[

]

故D2点安全。

对D3点进行应力分析，与D2点相类似，正应力为轴向力和绕y

轴的弯矩共同引起的，即

=

=35.867MPa

=

=39.177MPa

=81.735MPa<[

]

故D3点安全。

即D处截面强度满足条件。

综上，曲柄臂满足强度条件。

（四）校核主轴颈的疲劳强度

由题意查得球墨铸铁

查表得

已知

由零件图可知，键槽处有扭转切应力，无弯曲正应力，工作时切应力基本不变，但机器时开时停，可视为脉动循环。

=

=38.16MPa

=19.08MPa

切应力是动脉循环，用以下公式进行疲劳强度校核

=4.899>n=2故安全

（五）用能量法计算A端截面的转角

采用图乘法分别求解A-A截面的转角

。

1.求

：

在截面A加一单位力偶矩

。

并作出单位力偶矩作用下

的弯矩图

与外载荷作用下的弯矩图

如下（画在受拉一侧）：

EI1=150×10

×

×60

×10

/64

EI2=150×10

×

×58

×10

/64

EI3=150×10

×hb

/12

EA=150×10

×hb

2.求

：

在截面A加一单位力偶矩

。

并作出单位力偶矩作用

下的弯矩图

。

与外载荷作用下的弯矩图

如下（画在受压一侧）：

查表得

EI1=150×10

×

×60

×10

/64

EI2=150×10

×

×58

×10

/64

EI3=150×10

×hb

/12

（六）计算机程序

#include

#include

#definePI3.1415926

#definetal160

#defineE150e9

intmain（）

{doubleF,W,L1,L2,L3,L4,e,alfa,sigma=120,Faz,Fbz,Fay,