單缸柴油機(jī)曲軸的強(qiáng)度設(shè)計(jì)及剛度計(jì)算

單缸柴油機(jī)曲軸的強(qiáng)度設(shè)計(jì)及剛度計(jì)

算、疲勞強(qiáng)度校核課程設(shè)計(jì)的目的材料力學(xué)課程設(shè)計(jì)的目的是在于系統(tǒng)學(xué)習(xí)材料力學(xué)課程之后，結(jié)合工程中的實(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(jì)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)代的計(jì)算方法，又提高了分析問題、解決問題的能力；既是對以前所學(xué)的知識的綜合應(yīng)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(jì)思想和設(shè)計(jì)方法，對實(shí)際工作能力有所提高。具體有以下六項(xiàng)：.使所學(xué)的材料力學(xué)知識系統(tǒng)化，完整化。.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)際中的問題。.由于選題力求結(jié)合專業(yè)實(shí)際，因而課程設(shè)計(jì)可以把材料力學(xué)知識與專業(yè)需要結(jié)合起來。.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(jì)算機(jī)等），使相關(guān)學(xué)科的知識有機(jī)地聯(lián)系起來。.使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)。課程設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求參加設(shè)計(jì)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(jì)題目的已知條件和所求問題，畫出受力分析計(jì)算簡圖和內(nèi)力圖，列出理論依據(jù)并導(dǎo)出計(jì)算公式，獨(dú)立編制計(jì)算程序，通過計(jì)算機(jī)給出計(jì)算結(jié)果，并完成設(shè)計(jì)計(jì)算說明書。#設(shè)計(jì)題目某柴油機(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)為瓦日，許用應(yīng)力為9],G處輸入轉(zhuǎn)矩為現(xiàn)，曲軸頸中點(diǎn)受切向力工、徑向力工的作用，且b=且。曲柄臂簡化為矩形截面，1.4<-<1.6,2.5<h<4,D bl=1.2r。3單缸桌油機(jī)曲軸簡化圖單缸桌油機(jī)曲軸簡化圖已知數(shù)據(jù)如下表:l/mil/m2E/GPaA[a]/MPat/MPa-10.110.181500.27120180①T￡T*P/kW*n/(r/min)*r/m*l/m30.050.7814.04500.050.06注：帶*標(biāo)記的為獨(dú)立的一組設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)，與他人不相同。.畫出曲軸的內(nèi)力圖。.設(shè)計(jì)曲軸頸直徑d,主軸頸直徑D。.設(shè)計(jì)曲柄臂尺寸h和b。.校核主軸頸H-H截面處的疲勞強(qiáng)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。.用能量法計(jì)算A-A截面的轉(zhuǎn)角6,6。yz作答如下:.畫出曲軸的內(nèi)力圖（（1）外力分析畫出曲軸的計(jì)算簡圖。外力偶矩M外力偶矩M=9549—549,提=297N?mmMeFmMeFt=1=5940NrFFF='=2970Nr2下面計(jì)算反力Fl—在面xOy內(nèi)：F=—r2=1843N

.11+12FFyFFy=FlFr-1-=1127NFl Fl 在面xOy內(nèi)：F=—d=3687NAz11+12FFzFFzFl-△=2253N（2）內(nèi)力分析A.主軸頸的EF左端（1-1）截面受扭轉(zhuǎn)和兩向彎曲，為最危險:M=M=297N?mx eM=F1L—4)=338N?m1y FF 22M=F（l廠l3）=169N?m1z為22B.曲柄臂DE段下端（2-2）截面受扭轉(zhuǎn)、兩向彎曲和壓縮，為最危險。M=M=297N?m2x eM=FF（l—l3）=338N-m2y Fz22M=F（l一l3）=169N?m2zFy2 2F=F=1127NN2 FyC.曲柄頸CD段中間截面（3-3）受扭轉(zhuǎn)和兩向彎曲，為最危險。M=Fj=184N?m3x AzM=F1、=406N?m3y Az1M=FI=203N?m3z Ay1做圖如下頁所示（不計(jì)內(nèi)力彎曲切應(yīng)力，彎矩圖畫在受壓側(cè)）：（單位：力一N力矩一N,m）297406295My33840614716914716918431127FN2.設(shè)計(jì)曲軸頸直徑d和主軸頸直徑D⑴主軸頸的危險截面為EF的最左端，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(jì)算1 ——-——--一_o= M2+M2+M2<Telr3W1x 1y 1z32兀32兀D3其中-=W1得D>34.4mm取D=36mm⑵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:1 ——-———一_o=——JM2+M2+M2<[o]r3 JW \' 3x3y3z32兀32兀d3其中—=W3得d>34.6mm取d=36mm3.校核曲柄臂的強(qiáng)度（具體求解通過C程序可得，見附錄）由程序得h,b的最佳值為h=52mm，b=21mm。查表得a=0.258，Y=0.7674.校核主軸頸HQ瞰面處的疲勞強(qiáng)度由題意o=45QMPa 查表得K=1.3p=0.9438b t已知t=1SQMPa￡=0.78(p=0.05〃=2-1 T TFH處只受扭轉(zhuǎn)作用?！狹—MTmin-297T=()maxtT-milTma《=—00 hr兀。316FH處只受扭轉(zhuǎn)作用?！狹—MTmin-297T=()maxtT-milTma《=—00 hr兀。3161—xTix(36x10-3)3=-32A2MPa所以，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)。t=-162\MPam安全系數(shù)〃TT+(pTa工m180 ,「〔a =6.471>n13x16.21 -0.05x16.210.78x0.9438所以，截面的疲勞強(qiáng)度足夠。5.用能量法計(jì)算A?A截面的轉(zhuǎn)角0,eyza.求。：y在截面A加一單位力偶矩］iF。并作出單位力偶矩作用下的彎矩圖M~與外載y y荷作用下的彎矩圖M如下頁圖5-1所示（畫在受壓一側(cè)）:

y406338由平衡方程得FAz295圖5-111=3.448NFzl+1 0.11+0.1812——一—、， 406338由平衡方程得FAz295圖5-111=3.448NFzl+1 0.11+0.1812——一—、， ——(B點(diǎn)的彎矩為M=1-Fl-Azl-32(=1-3,448*0.11-V0.06、=0.724N-mE點(diǎn)的彎矩為M=FEFz( 006、=3.448*0.18-——=0.517N-m由圖乘法:h=52mm,b=21mm查表得0=0.249EI=E1兀D4 兀義364義10-12——=150*109義 =12367.19Pa-m46464兀d4 兀義364X10-12EI=E——=150X109x =12367.19Pa-m43 64 64e E0hb3 150x109x0.249x52x213x10-12GI=-f \= f \ =6996.06Pa-m4p2(1+口 2x(1+0.27)nT3M T3'M'U="———a_+—1 ci_yEIGII=1 i i=1 p

1x(0.11—0.03)x295xf1-0,724+0.7241+1x(0.18-0.03)x338x2x0.5172 I3 )2 31+ EI1+ EI32x0.03x(406-295)x[”二理、+0.621+0.03x295x)0.724+0.62121 …f-10.621-0.5171 …0.621+0.517+—x(406—338)x0.03x0.621— +338x0.03x 2 I 3 ) 2+—(295x0.05x0.724+406x0.05x0.517)GIp=5.172x10-3radb.求0：z在截面A加一單位力偶矩M。并作出單位力偶矩作用下的彎矩圖M與外載荷z z作用下的彎矩圖M如下圖5-2,5-3所示（畫在受壓一側(cè)）：z作用下的彎矩圖M如下圖5-2,5-3所示（畫在受壓一側(cè)）：z169M圖5-23.4483.4483.4483.448圖5-3使用同樣方法可得到：廣=-F~=3.448NFyAyM=0.745N?mM=0.517N?mB E由圖乘法：EA=Ehb=150x109x52x21x10-6=1.64x108Pa-m2hb3 52x213x10-12EI=E——=150x109x =6019.65Pa-m42 12 12i=1EIii=1EIii=1EAi1x(0.11-0.03)x147xf1-0,24+0.7241+1x(0.18-0.03)x169x2x0.5172 I3 )2 3+—(147x0.05x0.724+169x0.05x0.517)EI2

1+ EI311+ EI31X0.03x(406-147)x2(0.724-0.621\+0.621+384x0.03x)0.724+0.62121/ 、 (2x(0.621-0.517) 1 0.621+0.724-x(406-169)x0.03x—： -+0.517+147x0.036x 2 I3 ) 21+ (1849x0.05x3.448-1127x0.05x3.448)EA=3.640x10-3rad分析討論及必要說明在本次設(shè)計(jì)中，以下幾點(diǎn)需要說明。.在外力分析中，設(shè)定未知力的時候由于已知無X方向的外力，故未設(shè)F和F；AxAy.在畫內(nèi)力圖時，不計(jì)彎曲切應(yīng)力故未畫剪力圖；.在強(qiáng)度計(jì)算方面，由于材料是球墨鑄鐵，物理性質(zhì)與鋼相近。所以采用了第三強(qiáng)度理論而不是第一或第二強(qiáng)度理論；.在校核主軸頸H-H截面處的疲勞強(qiáng)度時，忽略了鍵槽對Tmax的影響。設(shè)計(jì)的改進(jìn)措施及方法提高曲軸的彎曲強(qiáng)度合理安排曲軸的受力情況及合理設(shè)計(jì)截面。但對于該曲軸，則只能采用合理安排曲軸的受力情況。在機(jī)械結(jié)構(gòu)允許的情況下可以采取將集中載荷適當(dāng)分散或集中力盡量靠近支座的方法。提高曲軸的彎曲剛度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，合理選材等。但對于該曲軸，則只能改善結(jié)構(gòu)形式，減少彎矩的數(shù)值以及合理選材的方法。提高曲軸的疲勞強(qiáng)度提高疲勞強(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，在設(shè)計(jì)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