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单缸柴油机轴的强度设计及刚度计算、疲劳强度校核 杨韬
材料力学课程设计
设计题目:单缸柴油机曲轴的强度设计及刚度计算、疲劳强度校核
班级: 铁车三班
学号: 2014120950
姓名: 杨韬
指导老师: 任小平
设计目的
系统学完材料力学之后,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,可以使学生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;既把以前所学的知识综合运用,又为后继课程打下基础,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
二、设计题目
某柴油机曲轴可以简化为下图所示的结构,材料为球墨铸铁(QT450-5),弹性常数为E、μ,许用应力为[σ],G处输入转矩为,曲轴颈中点受切向力、径向力的作用,且=。曲柄臂简化为矩形截面,1.4≤≤1.6,2.5≤≤4, =1.2r,有关数据如下表:
要求: 1. 画出曲轴的内力图。
2. 设计曲轴颈直径d,主轴颈直径D。
3. 校核曲柄臂的强度。
4. 校核主轴颈H-H截面处的疲劳强度,取疲劳安全系数n=2。键槽为端铣加工,主轴颈表面为车削加工。
5. 用能量法计算A-A截面的转角,。
数据
0.11
0.18
150
0.27
120
180
0.05
0.78
16.4
300
0.05
零件图:单缸柴油机曲轴
零件简化图:
三、设计内容
3.1 柴油机曲轴的内力图
(1)受力分析计算简图:
(2)外力分析:
计算外力偶矩:
Me=9549·=9549×16.4/300=572.94
计算切向力Ft,径向力Fr
==9549N ==4774.5N
由平衡条件计算反力:
在xOy平面: ==2963.5N ==1811N
在xOz平面: ==5927N ==3622N
(3)内力分析:
画出内力图。不计弯曲切应力(故未画剪力图),弯矩图画在纤维受压侧。根据内力图确定危险截面。(单位:力-N,力矩-N·m)
①主轴颈以EF段的左端(1-1)截面最危险,受扭转和两向弯曲
==572.94N·m
=·(-)=521.6N·m =·(-)=300.8N·m
②曲柄臂以DE段的下端(2-2)截面最危险,受扭转两向弯曲及压缩
==572.94N·m
=·(-)=521.6N·m =·(-)=300.8N·m
==1811N
③曲轴颈以CD段中间(3-3)截面K最危险,受扭转和两向弯曲
=×r=355.62N·m
=×=651.97N·m
=×=325.99N·m
3.2 设计曲轴颈直径d,主轴颈直径D
(1)曲轴颈CD处于扭转和两向弯曲的组合变形,对危险截面(3-3)应用第三强度理论计算
=≤[]
其中
带入数据得到d≥40.98mm
实际取d=41mm.
(2)主轴颈EF处于扭转和两向弯曲的组合变形,对危险截面(1-1)应用第三强度理论计算
=≤[]
其中
代入数据得到D≥41.09mm
实际取D=42mm.
综上,曲轴颈直径d=41mm
主轴颈直径D=42mm
3.3 校核曲柄臂的强度
(1)设计h,b
当h和b在题设范围内变化,求解曲柄臂危险截面满足强度条件且截面面积h×b最小时的h和b,即为h,b的最佳值。具体求解可通过C程序得到,计算机程序见5.2
通过程序可得最佳h=60.01mm b=23.99mm
查P70表得α=0.258 ν=0.767 β=0.249
(2)求解危险点
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(这里不计剪力的作用)。为确定危险点的位置,画出曲柄臂上的危险截面(2-2)应力分布图
σσσσ根据应力分布图,可以判定处可能的危险点有,,三点。
σ
σ
σ
σ
①对点进行力分析。由于点处于单
向压缩,所以为正压力的代数叠加,即
=
=
=86.35Mpa<[]
所以点安全。
②对点进行应力分析。点有扭转切应力,
==58.53Mpa
点的正应力为轴向力和绕z轴的弯矩共同引起的,即
===46.56MPa
=125.61MPa
又=4.673%<5% 所以点安全。
③点处于二向应力状态
===41.05MPa
=98.72MPa<[] 所以点安全。
综上,,三点都安全,即危险截面强度足够。曲柄臂满足强度条件。
3.4 校核主轴颈H-H截面处的疲劳强度
曲轴材料为球墨铸铁(QT450-5), 即 =450MPa
端铣加工键槽车削加工表面,查P3
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