单缸柴油机轴的强度设计及刚度计算、疲劳强度校核 杨韬.docVIP

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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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