曲轴强度计算.docx

1、曲轴强度计算JX4D30曲轴强度计算发动机开发部汪恩波曲轴的强度直接影响发动机寿命， 因此曲轴强度计算是发动机设计的重要环节。最近几年来，随着计算机及其软件技术的发展，出现了许多先进的曲轴强度计算方法，但在设计的初始阶段，目前普遍采用上午还是曲轴强度估算法。RICARDO计算方法该计算方法有两点假定：（一）曲轴的每一个曲拐是相互独立的，不受其轴其他部分受力的影响，并以简支梁的形式支撑在主轴承上。（二）曲轴所受力是以点负荷的形式作用在曲轴上。已知条件连杆轴颈d=53宽 l=33主轴颈D=70宽 l=31曲臂厚h=19.5宽 B=110重叠度A=9.05连杆长 L= 158mm曲柄半径 52.45

2、mm活塞行程 S=104.9mm圆角半径 R=3.5mm缸径 d=95.4mm发动机转速额定转速 n=3600,r/min;发动机最高转速 n=4200r/min最高燃烧压力 pmax =160bar;最大平均有效压力pme =12.222bar;活塞连杆组往复质量m1=1.3195,kg;活塞连杆组旋转质量m2=0.8925kg.曲轴材料S53C 屈服强度s=588 Mpa抗拉强度 b=660 Mpa重叠度的定义：重叠度 AD PD JSDJ 为主轴径直径， S 为活塞行程）2的定义（ DP 为连杆轴颈直径，弯曲应力计算1 曲轴受力计算压缩上止点时的曲轴作用力FmaxFL maxFp FjF

3、Rmax2式中， Fj 为活塞连杆组往复惯性力；Fp 为燃气作用力（ N ） ;FL max 、 FRmax 为左右两侧主轴承支撑力的最大值（N）Fj2n2（S ）10518Sm2 m1 12LFj2 36002104.90.8925（104.9 ）5181.3195 12 1019734.1158Fpd 2 pmax4Fpd 2 pmax95.4216114310N44FmaxFpF j1143101973467022N22排气上止点时的曲轴作用力FjFmin2FjFmin 9867.5 N22、单个曲拐三个危险截面（ A-A 、 B-B 、 C-C）上的弯矩经过计算a=19.25mm b=

4、32.5mm c=40.5mm l=58mm曲柄臂中央处（ A-A ）M AmaxFmax a =67022x19.25=1290173.5NmmM AminFmin a =9867.5x19.25=189939.75Nmm连杆轴颈圆角处（ B-B ）MB maxFmaxb =67022x32.5=2178215NmmMB minFmin b =9867.5x32.5=314827.5Nmm连杆轴颈中央处（ C-C）MMC maxFmax c =67022x32.5=67022x40.5=2714391 NmmCminFmin c =9867.5x40.5=399633.75Nmm式中， M

5、A max 、 M A min 、 M B max 、 M Bmin 、 M C max 、 M Cmin 分别为曲拐三个危险截面上的最大和最小弯矩（ N.m ）a b c 为曲轴有关尺寸，如图所示。名义弯曲应力：M maxn maxWbM minn minWbA- A 处名义弯曲应力M max1290173.5n maxWbA6930.6186MPan minM min189939.727MPaWb6930.6B- B 处名义弯曲应力n maxM maxM max2178215149MPaWb3332Dp3253n minM minM min314827.522MPaWb3332D p325

6、3C-C 处名义弯曲应力n maxM maxM max2714391186MPaWb3332Dp3253n minM minM min399633.7527MPaWb3332D p5332式中nmax 、 n min 为三个截面的最大、最小名义弯曲应力（Mpa ） ;M max 、 M min 分别为三个危险截面的最大最小弯矩（Nmm ） ;Wb 为三个危险截面的抗弯截面系数（mm3 ）。名义弯曲平均应力及名义弯曲应力幅分别为nmn maxn min2A- A 处名义弯曲应力幅nmax nminnm2nmax n minna2106.5MPa79.5MPaB- B 处名义弯曲应力幅n max

7、n minnm2nmax nminna2=85.5 Mpa63.5MPaC- C 处名义弯曲应力幅n max n minnm2nmax nminna2=106.5 Mpa79.5MPa4弯曲应力m b nma b na式中，m 、a 为弯曲平均应力幅（Mpa ） ;b 为弯曲应力集中系数A-A 处弯曲应力mbnmmbnm2.15106.5229MPaabna2.1579.5171MPamax 200MPamin 29 MPaB- B处mbnmmbnm2.685.5222MPaabna2.679.5207MPamaxmin215MPa8 MPaC-C 处mbnmmbnm2.15106.5229M

8、Paabna2.1579.5171MPamax 200MPamin 29 MPa切应力计算1.扭矩计算Tm1.257d 2Spmei 10 795.4 2 104.9 1222.2 4 10 7291441.257TmaxKTmax82912328 NmTmin2TmTmax229123281746 Nm式中， Tm 为发动机平均扭矩（N.m ） ;pme 为最大平均有效压力（kPa） ;系数 K 为K=8(4 缸机 )2 名义切应力n maxTmax232879.6MPaWtD 3p16n minTminTmin174659.8 MPaWtD p3D p31616式中，nmax 、 nmin

9、 为名义最大、最小切应力（Mpa ） ;Wt 为连杆轴颈的抗扭截面系数（mm3 ） ,WtD p3.16名义平均切应力及名义切应力幅分别为n max n minnm277.6 59.828.9MPan max nminna22.切应力77.6 59.8268.7MPam t nma t na式中，m 、 a 为平均应力幅（ Mpa ） ;t 为切应力集中系数。A-A处及C-C处mt nmmtnm1.0058.99MPaatna1.00568.769MPamax78MPamin60MPaB-B 处mtnm3.18.9 27MPamtnm3.168.7213MPamaxmin240MPa186MP

10、a等效应力 e弯曲应力及切应力的等效应力由下列计算主应力2 2p1 （ ）2 2p222（ ）22等效应力e p12 p22 p1 p2式中， e 为等效应力（ Mpa ） ; p1 、 p2 为主应力（ Mpa ）。1.名义主应力及名义等效应力为A-A 和 C-C 截面p1nmaxp1nmaxp2 nmaxp2 nmaxp1nminp1nminp2 nminp2 nminnemaxnemaxneminneminn max（ nmax22）nmax22200（20022228MPa22）79.6n max（ n max22）n max22200（2002228MPa2）79.62nmin22（

11、 n min ）nmin2229（292276MPa2） (59.8)222nmin（ n min ）nmin2229（292247MPa22） (59.8)p12nmaxp22n maxp1n max p2 nmax2282(28)2228(28)243MPap12nminp22nminp1nmin p 2 n min762(47)276(47)108MPa对于 B-B 截面p1nmaxn max（ nmax22）nmax22p1nmax215（21522241MPa2）79.62p2 nmaxn max（ n max22）n max22p2 nmax215（2152226MPa2）79.6

12、2p1nmin22nmin（ n min ）nmin22p1nmin8（82264MPa22） (59.8)p2 nmin22nmin（ n min ）nmin22p2 nmin8（82256MPa2） (59.8)2nemaxp12nmaxp22n maxp1n max p2 nmaxnemax2412(26)2241(26)255MPaneminp12nminp22nminp1nmin p 2 n minnemin642(56)264(56)104MPa2.实际主应力及实际等效主应力为p1max22max（ max ）max22p2max22max（ max ）max22p1minmin（

13、 min22）min22p1minmin（ min22）min22e maxp21maxp22maxp1max p2maxe minp21minp22minp1min p2minA- A和C-C点p1maxp1maxp2maxp2maxp1minp1minp2minp2minemaxemaxemineminmax（ max22）max22200（2002782227MPa22）max（ max22）max22200（200278227MPa22）min（22min ）min2229（292(60)276MPa22）（22minmin ）min2229（29260)247 MPa22） (p21

14、maxp22maxp1max p2max2272(27)2227( 27)242MPap21min p22minp1min p2min76 2(47)276 (47)108MPa对于 B-B 截面p1maxmax（ max22）max22p1max215（2152782240MPa22）p2maxmax（ max22）max22p2max215（215278282MPa22）p1min（22minmin ）min22p1min8（8260)264MPa22） (p2min（22minmin ）min22p2min8（292256MPa2） (60)2emaxp21maxp22maxp1max

15、p2maxemax2402(82)2227(82)288MPaeminp21minp22minp1min p2minemin642(56)264(56)104MPa曲轴为钢时的平均应力及应力幅曲轴为钢时， 应力集中系数只影响应力幅的值， 而对平均应力无影响。 因此，在计算平均等效应力时，应以名义主应力来计算等效平均应力，而用实际主应力来计算等效应力幅，式中，em 、ea 为等效平均应力及等效应力幅（Mpa ），即对于 A-A 和 C-C 截面：nemax neminem2emax e minea2243 10867.5MPa2242 ( 108)175MPa2对于 B-B 截面nemax neminem2emax e minea2255 10476MPa2288 ( 104)196MPa2通过歌德曼图判