曲柄轴的强度设计疲劳强度校核及刚度计算.doc

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1、 目录1、 设计目的2、 设计任务和要求2.1、设计计算说明书的要求2.2、分析讨论及说明书部分的要求2.3、程序计算部分的要求3、 设计题目3.1、画出曲轴的内力图3.2、设计主轴颈D和曲轴颈直径d3.4、校核主轴颈的疲劳强度3.5、用能量法计算A端面的转角 ，4、 分析讨论及说明5、 参考文献6、 设计体会7、 附录：计算机程序及结果一、设计目的本课程设计的目的是在于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

2、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（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）综合运用，又为后继课程（机械设计、专业课等）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。具体的有以下六项：1、使学生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、综合运用了以前所学的个门课程的知识（高数、制图、理力、算法语言、计算机等等）使相关学科的知识有机地联系起来；5、初步了解和

3、掌握工程实践中的设计思想和设计方法；6、为后继课程的教学打下基础。二、材料力学课程设计的任务和要求要求参加设计者，要系统地复习材料力学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，列出理论依据和导出计算公式，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。1、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，条理清晰、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

4、所选择的基本静定系统及与之相应的全部求解过程；（4）画出全部内力图，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判定各危险点处的应力状态图；（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，的计算，所查各系数的依据，并绘出构件的持久极限曲线，疲劳强度校核过程及结果。2、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）提出改进设计的初步方案及设

5、想；（3）提高强度、刚度及稳定性的措施及建议。3、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）。4、材料力学课程设计的一般过程材料力学课程设计与工程中一般设计过程相似。从分析设计方案开始到进行必要的计算和对结构的合理性进行分析，最后的结论，希望同学们计划好时间，避免前松后紧甚至不能按时完成设计任务。材料力学课程设计可大致分为以下几个阶段：（1）设计准备阶段认真阅读材料力学课程设计指导书。明确设计要求、结合设计题目复习材料力学的有关理论知识，制定设计的步骤、方法和时间分配等；（2）外力及变形分析入手，分析计

6、算内力、应力及变形、绘制各种内力图及位移、转角曲线；（3）建立强度、刚度条件并进行相应的设计计算必要的公式推导；（4）编制计算机程序并调通程序；（5）上机计算机并打印出结果；（6）整理数据结果并书写设计计算说明书；（7）分析讨论设计和计算的合理性、优缺点及改进意见和措施；（8）课程设计总结、准备答辩。三、设计题目7.曲轴的强度设计、疲劳强度校核及刚度计算7-1 设计题目某曲轴材料为球墨铸铁（），曲轴臂抽象为矩形。，（左右臂尺寸相同），有关数据查表7-121）画出曲柄轴内力图。2）按强度条件设计主轴颈和曲柄颈的直径3）校核曲柄臂强度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,键槽

7、为端铣加工，轴颈表面为车削加工，5）用能量法计算A端截面的转角，设计数据：（表7-12中第13组数据）206.536022012080121. 画出曲柄轴的内力图1） 外力分析，, , ，解得 ， ， ，解得 ，（2） 内力分析1）主轴颈c端面为危险截面，受到两项弯矩和扭转2）右曲柄臂下端面为危险截面，受到两项弯矩和扭转和轴力 左曲柄臂上端面为危险截面，受到两项弯矩，扭转和轴力曲轴颈中间截面D为危险截面，受扭转和两向弯曲:：2.按强度条件设计主轴颈D和曲柄轴颈的直径d主轴颈的危险截面为C截面，受扭转和两向弯曲,可用第三强度理论计算： 故D取。 （2）曲轴颈属于弯扭组合变形，由第三强度理论可得：

8、 故d取。 3.曲柄臂的强度计算 曲柄臂的危险截面为矩形截面，受扭转、两向弯曲及轴力的作用。为确定危险点的位置，画出曲柄臂上截面应力分布图。左曲柄臂的强度计算根据应力分布图可判定出可能的危险点为，。对点进行应力分析。点处于单向拉伸和两项弯曲的拉应力，此时扭转切应力为零2）对点进行应力分析。由于有扭转切应力，查材料力学表3-1，得到，。正应力由轴力、绕Z轴的弯矩共同引起。由于点处于二向应力状态，故选用第三强度理论： 3）对点进行应力分析。同理可得：应用第三强度理论： 故，综上所述3个危险点都是安全的，所以左曲轴臂安全 右曲轴臂的强度计算 根据应力分布图可判定出可能的危险点为，。1)对点进行应力分

9、析。点处于单向拉伸，所以正应力2）对点进行应力分析。由于有扭转切应力，查表3-1，得到，。正应力由轴力、绕Z轴的弯矩共同引起。由于点处于二向应力状态，故选用第三强度理论： 对点进行应力分析。同理可得应用第三强度理论： 故，综上所述3个危险点都是安全的，所以右曲轴臂安全 （四）、 校核主轴颈安装飞轮的键槽处截面的疲劳强度查材料力学得有效应力集中系数，表面质量系数。已知，n=2。安装飞轮的键槽处只受扭转作用，并且由于曲轴的启停，可以看做在启动之后正常工作时是看做为所受扭转带来的切应力是最大值，而停止时是最小的，可以看作为一种应力循环。忽略键槽对抗扭截面系数的影响，飞轮处截面抗扭截面系数曲轴工作时，

10、在不变扭矩作用下，曲轴不工作时， 故该循环为脉动循环。 安全系数：所以，飞轮处截面的疲劳强度是足够的。（五）、 用能量法计算A截面的转角。采用图乘法分别求解截面的转角。、求：在截面A加一单位力偶矩，并求得支座反力如下图所示。由平衡方程得：当，时，查表可得：方向与单位力偶矩相同。、求：在截面A加一单位力偶矩，支座反力，弯矩图和轴力图如下图所示。方向与单位力偶矩相同。四、分析讨论及说明对本次设计，有以下几点说明：1、在画内力图时，不计弯曲切应力，故未画剪力图。2、在强度计算方面，由于材料是球墨铸铁，其物理性质与刚相近，用第三强度理论而不用第一或第二强度理论公式。3、在校核曲柄臂时，画内力分布时，把

11、曲柄臂的危险截面看成矩形，忽略了圆孔对其的影响。改进措施： 根据疲劳破坏的分析，裂纹源通常是在有应力集中的部位产生，而且构件持久极限的降低，很大程度是由于各种影响因素带来的应力集中影响。因此设法避免或减弱应力集中，可以有效提高构件的疲劳强度。可以从以下几个方面来提高构件的疲劳强度：1.一般来说，构件表层的应力都很大，例如在承受弯曲和扭转的构件中，其最大应力均发生在构件的表层。同时由于加工的原因，构件表层的刀痕或损伤处，又将引起应力集中。因此，对疲劳强度要求高的构件，应采用精加工方法，以获得较高的表面质量。2.增加表层强度：常用的方法有表面热处理和表面机械强化两种方法。可采用高频淬火等热处理，渗

12、碳、氮化等化学处理和机械方法强化表层，以提高疲劳强度。五、参考文献1、材料力学 聂毓琴、孟广伟主编，机械工业出版社，2004.2。2、材料力学实验与课程设计 聂毓琴、吴宏主编，机械工业出版社，2006.8。3、C程序设计 第三版 谭浩强主编，清华大学出版社，2005.7六、设计体会 假期过后再进行材料力学的课程设计，发现自己上学期所学习的那些知识确实有所遗漏，虽然都是考试的重点，但仍然存在遗漏或者疏忽之处，在这次课程设计中找到了不少。在解答本题时，也确实学习了不少新的知识。所谓温故而知新，在做课程设计的时候我对所学的知识有了更高层次的认识，以前所学的弯矩图，应力状态分析以及强度理论等知识都认真

13、仔细的学习了一遍。这是我此次课程设计期间最大的收获。七、附录：程序：#include#include#define Pi 3.1415926#define n 2#define i 120e6#define E 150e9int main() int angle,d,D;double temps,tempc,Fy,Fz,Mx,e,l,l1,l2,l3,l4,F,FAy,FAz,FBy,FBz,W,Mx1,My1,Mz1,Mx2,My2,Mz2,DD,g,f,dd,h,b,A,s1,s2,s3,t2,t3,a,sr2,sr3,r,s11,s22,s33,t22,t33,sr22,sr33,tma

14、x,tmin,R,tm,ta,nt,T,Kt,Et,B,pt,Q1,Q11,Q12,Q13,Q14,Q15,Q16,EI1,EI2,EI3,Q2,Q21,Q22,Q23,Q24,Q25,GI1,B1,u,G;printf(enter the data:F,W,l1,l2,l3,e,anglen);scanf(%lf,%lf,%lf,%lf,%lf,%lf,%d,&F,&W,&l1,&l2,&l3,&e,&angle);temps=sin(angle*Pi/180);tempc=cos(angle*Pi/180);Fy=F*temps;Fz=F*tempc;Mx=Fz*e;printf(Fy=%

15、lf,Fz=%lf,Mx=%lfn,Fy,Fz,Mx);FBz=Fz*l1/(l1+l2);FBy=(Fy*l1-W*(l1+l2+l3)/(l1+l2);FAz=l2*Fz/(l1+l2);FAy=(Fy*l2+W*l3)/(l1+l2);printf(FAy=%lf,FAz=%lf,FBy=%lf,FBz=%lfn,FAy,FAz,FBy,FBz);l=1.5*e;l4=0.5*l;Mx1=FAz*e+(Fz-FAz)*e;My1=FAz*(l1+l4)-Fz*l4;Mz1=FAy*(l1+l4)-Fy*l4;f=sqrt(Mx1*Mx1+My1*My1+Mz1*Mz1);g=32*f/(

16、Pi*i);DD=pow(g,1.0/3.0); My2=l1*FAz;Mx2=e*FAz;Mz2=FAy*l1;f=sqrt(Mx2*Mx2+My2*My2+Mz2*Mz2);g=32*f/(Pi*i);dd=pow(g,1.0/3.0);printf(D=%.4lfm,d=%.4lfmn,DD,dd);D=(int)(1000*DD);d=(int)(1000*dd);if(d%2=0) d=d+2;else d=d+1;if(D%2=0) D=D+2;else D=D+1;printf(故D取%dmm,d取%dmm n,D,d);a=0.231;r=0.858;h=1.2*(double

17、)D/1000;b=2*h/3;A=h*b;s1=FAy/A+FAz*e*6/(h*h*b)+FAy*6*(l1-l4)/(b*b*h);printf(s1=%.2lfPa,s1);s2=FAy/A+FAy*(l1-l4)*6/(b*b*h);t2=FAz*(l1-l4)/(a*h*b*b);sr2=sqrt(s2*s2+4*t2*t2);printf(sr2=%lfPa,sr2);t3=r*t2;s3=FAy/A+FAz*e*6/(h*h*b);sr3=sqrt(s3*s3+4*t3*t3);printf(sr3=%lfPan,sr3);if(s1=i&sr2=i&sr3=i)printf(

18、左曲轴臂安全n);s11=(W+FBy)/A+Mx1*6/(h*h*b)+(FAy*(l1+l4)-Fy*l4)*6/(h*b*b);printf(s11=%lfPa,s11);s22=(W+FBy)/A+(FAy*(l1+l4)-Fy*l4)*6/(h*b*b);t22=(FAz*(l1+l4)-Fz*l4)/(a*h*b*b);sr22=sqrt(s22*s22+4*t22*t22);printf(sr22=%lfPa,sr22);s33=(W+FBy)/A+Mx1*6/(h*h*b);t33=r*t22;sr33=sqrt(s33*s33+4*t33*t33);printf(sr33=%

19、lfPan,sr33);if(s11=i&sr22=i&sr33=n)printf(安全n);EI1=E*Pi*(double)D/1000)*(double)D/1000)*(double)D/1000)*(double)D/1000)/64;EI2=E*h*b*b*b/12;EI3=E*Pi*(double)d/1000)*(double)d/1000)*(double)d/1000)*(double)d/1000)/64;Q11=(l1-l4)*FAy*(l1-l4)/2*(l1+2*l4+3*l2)/(3*(l1+l2)/EI1;Q12=FAy*(l1-l4)*e*(l2+l4)/(l

20、1+l2)/EI2;Q13=(FAy*l4*l4/2*(3*l2+l4)/(3*(l1+l2)+FAy*(l1-l4)*l4*(2*l2+l4)/(2*(l1+l2)+(Fy-FAy)*l4*l4/2*(3*l2-l4)/(3*(l1+l2)+(FAy*(l1+l4)-Fy*l4)*l4*(2*l2-l4)/(2*(l1+l2)/EI3;Q14=(l2-l4)/(l1+l2)*e*(FAy*(l1+l4)-Fy*l4)/EI2;Q15=(l2-l4)/(l1+l2)*(l2-l4)/2*(FAy*(l1+l4+(l2-l4)/3)-Fy*(l4+(l2-l4)/3)/EI1;Q16=e/(l1

21、+l2)*E*h*b)*(W+FBy-FAy);Q1=Q11+Q12+Q13+Q14+Q15+Q16;printf(A点处转角z=%lfn,Q1);u=0.27;G=E/(2*(1+u);B1=0.196;GI1=G*B1*h*b*b*b;Q21=FAz*(l1-l4)*(l1-l4)/2*(l1+3*l2+2*l4)/(3*(l1+l2)/EI1;Q22=FAz*(l1-l4)*e*(l2+l4)/(l1+l2)/GI1;Q23=(FAz*l4*l4/2*(3*l2+l4)/(3*(l1+l2)+FAz*(l1-l4)*l4*(2*l2+l4)/(2*(l1+l2)+(-FAz+Fz)*l4*l4/2*(3*l2-l4)/(3*(l1+l2)+(FAz*(l1+l4)-l4*Fz)*l4*(2*l2-l4)/(2*(l1+l2)/EI3;Q24=(l2-l4)/(l1+l2)*e*(FAz*(l1+l4)-l4*Fz)/GI1;Q25=(l2-l4)/(l1+l2)*(l2-l4)*(FAz*(l1+l4)-l4*Fz)/(3*EI1);Q2=Q21+Q22+Q23+Q24+Q25;printf(A点处转角y=%lfn,Q2);return 0;运行结果