材料力学课程设计
设计计算说明书
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
图号：7-2
数据号：II-11
学号：
卡号：
姓名：井子源
指导教师：魏媛
目录
1、设计目的 (2)
2、设计任务和要求 (2)
2.1、设计计算说明书的要求 (2)
2.2、分析讨论及说明书部分的要求 (3)
2.3、程序计算部分的要求 (3)
3、设计题目 (4)
3.1、画出曲轴的内力图 (6)
3.2、设计曲轴颈直径d和主轴颈D (9)
3.3、校核曲柄臂的强度 (10)
3.4、校核主轴颈H-H截面处的疲劳强度 (12)
3.5、用能量法计算A-A截面的转角yθ，zθ (13)
4、分析讨论及必要说明 (17)
5、设计的改进措施及方法 (18)
6、设计体会 (18)
7、参考文献 (19)
一、设计目的
本课程设计是在系统学完材料力学课程之后，结合工程实际中的问题，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，以达到综合利用材料力学知识解决工程实际问题的目的。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计算方法，又提高了分析问题、解决问题的能力；既是对以前所学知识（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）的综合运用，又为后续课程的学习打下基础，并初步掌握工程设计思路和设计方法，使实际工作能力有所提高。具体有一下六项：
(1).使所学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实际中的问题。
(3).由于选题力求结合专业实际，因而课程设计可把材料力学与专业需要结合起来。
(4).综合运用以前所学的各门课程的知识（高等数学、工程图学、理论力学、算法语言、计算机等），使相关学科的知识有机地联系起来。
(5).初步了解和掌握工程实际中的设计思路和设计方法。
(6).为后续课程的教学打下基础。
二、设计任务和要求
参加设计者要系统复习材料力学课程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，列出理论依据并到处计算公式，独立编制计算机程序，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路、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：
设计题目的已知条件、所求及零件图。
画出结构的受力分析计算简图，按比例标明尺寸、载荷及支座等。 静不定结构要画出所选择的基本静定系统和及与之相应的全部求和过程。 画出全部内力图，并标明可能的各危险截面。
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。 选择强度理论并建立强度条件。
列出全部计算过程的理论依据、公式推导过程以及必要的说明。 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。 疲劳强度计算部分要说明循环特性，max σ ，min σ ，r ， m σ ， a σ 的
计算，所查κ，ε，β各系数的依据，疲劳强度校核过程及结果。
（2）.分析讨论及说明部分的要求
? 分析计算结果是否合理，并讨论其原因、改进措施。 ? 提出改进设计的初步方案及设想。 ? 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
计算机程序。
打印结果（数据结果要填写到设计计算说明书上）。
三、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
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[σ]，G 处输入传矩为e M ，曲轴颈中点受切
向力t F 、径向力r F 的作用，且2t r F F = 。曲柄臂简化为矩形截面，1.4≤D h
≤1.6 ,
2.5≤
b
h
≤4 ,r .l 213=, 已知数据如下表：
(一) 画出曲轴的内力图。
(二) 设计曲轴颈直径d ，主轴颈直径D 。 (三) 校核曲柄臂的强度。
(四) 校核主轴颈 H-H 截面处的疲劳强度，取疲劳强度系数n=2。键槽为端铣加工，主轴颈表面为车削加工。
(五) 用能量法计算A-A 截面的转角 θ
y ,
θ
z 。
/m l 1
/m l 2
E/GPa
μ
[]/MPa σ
/MPa τ1
-
0.11
0.18
150
0.27
120
180 ψ
τ
ξ
τ
P/kw
n/(r/min) r/m
0.05 0.78
16.8
340
0.05
4.1 画出曲轴的内力图4.1.1 画出分析图
4.1.2 外力分析
画出曲轴的计算简图（上图），计算外力偶矩。
m N n P M e ?=?=?=83.471340
8
.1695499549 N .r M F e t 6.943605
0472===
N F F t
r 3.47182
==
计算反力
在XOY 平面内: N l l l F F r Ay 6.29282
12
=+=
N l l l F F F 7.17892
11
r y =+=
在XOZ 平面内： N l l l F F A 2.58572
12
t z =+=
4.1.3 内力分析
① 主轴颈的EF 左端 （1-1）截面为危险截面，受扭转和两向弯曲
m N M M e x ?==83.4711
m N ）l （l
F M Fz y
?=-?=91.5362
32
1
m
N ）l （l F M Fy z ?=?
=-
46.2682
321
② 曲柄臂DE 段下端（2-2）为危险截面，受扭转、两向弯曲和压缩 m 83.471e x
2?==N M M
m
N ）l （l F M Fz y ?=?
=-
91.5362
322
m 46.2682
32y 2z ?=?
=-N l l F M F ）（
N F F F N 7.1789y 2
==
③ 曲柄劲CD 段中间截面（3-3）为危险截面，受扭转和两向弯曲
m N r F M Az x ?=?=86.2923
m N l F M Az y ?=?=30.64413
m N l F M Ay z ?=?=15.32213
4.1.4曲轴内力图，如下图所示。
（不计内力弯曲切应力，弯矩图画在受压侧）
（单位： 力-N 力矩-N ·m ）
y
x
M 537
537
739616616
M
336
336
541
541
N
F 3358
2052
z
M 269269369308
308
4.2 设计曲轴颈直径d 和主轴颈D
（1）主轴颈的危险截面为EF 段的最左端1-1截面，受扭转和两向弯曲，根据主轴颈的受力状态，可用第三强度理论计算：
[]σW σz y x
r M M M
≤++=
1212
121
31
其中：D
πW 3
1
321=
得 ：m m 17.40≥D 取 m m 42=D
（2）曲柄颈CD 属于圆轴弯扭组合变形，由第三强度理论，在危险截面3-3中
[]σW σz y x
r M M M
≤++=
3232
323
31
其中：d
3213
3
π=W
得： m m 41.40d ≥ 取 mm 42d =
4.3 校核曲柄臂的强度
（1）（具体求解过程通过C 语言可得） 由程序得h ，b 的最佳值为m m 57.60h
=，12m m .22b =。
查《材料力学》(机械工业出版社)P70页表3-1得：
267.0=α753.0=ν
（2） 曲柄臂的强度计算
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（不计剪力Q F 的作用），曲柄臂上的危险截面2-2应力分布图与下图所示：
1D 点： 1D 点处于单向应力状态
Z
Z
X X N W M W M A F σ2222221+
+=
b
h M h b M hb F Z
X Fy 2
22266++=
[]σMPa ≤=41.74 所以：1D 点满足强度要求。
2D 点： 2D 点处于二向应力状态，受扭转切应力作用 MPa .b αh M τy 75810
12.2200.70267.0537
9
2221=???==
- 2D 点的正应力为轴向力和绕Z 轴的弯矩共同引起的
Z
Z
N W M A F σ22222+=
b
h M hb F Z
Fy 2
26+= []σMPa ≤=28.48
由第三强度理论：
MPa τσσr 1277.58428.484212322=?+=+=
因为
%5%83.5%100120
120
127?=?-
所以：2D 点不满足强度条件。
3D 点： 3D 点处于二向应力状态
a 44.2017.58753.012
MP =?==νττ
X
X
N W M A F σ22223+=
h
2X y F b M hb
F 26+=
a 7.292MP = 根据第三强度理论：
[]σMPa σστr ≤=?+=+=52.924.201447.29242222233
所以：3D 点满足强度理论条件。
综上所述：曲柄臂不满足强度条件。
4.4 校核主轴颈H-H 截面处的疲劳强度
查询QT450-5材料的强度极限为:a MP b 450=σ
查询《材料力学》（机械工业出版社）课本P355图13-10及表13-3得：端铣加
工得键槽有效应力集中系数 1.29=τ
K 当表面为车削时表面质量系数
9438.0=β
已知 a MP 1
-180=τ
0.78=τξ 0.05=τψ 2=n
FH 处只受扭转作用
?????
????
∞==-=???-=-=-=--0
2.46310421647216max
min max 93311min ττ
τππτMPa
D M W M x p
x 所以，扭转切应力为脉动循环 2
-min
max a
τττ=
2
min
max m τττ+=
a 32.162
6
4.322
m in
m a MP =--
=-=-=τττ 安全系数：
n 52.63
2.1605.032.169438
.078.029
.1180
n m
a 1
≥=?-??=
+=
-τψτβ
ξττττ
τK
所以，H-H 截面的疲劳强度符合强度要求。
4.5 用能量法计算A-A 截面的转角z y θθ，。
采用图乘法分别求解截面的转角z y θθ，。
（1）、求y θ：在截面A 加一单位力偶矩y M 。并作出单位力偶矩作用下的弯矩图y M 与外载荷作用下的弯矩图y M 如下（画在受弯的一侧）：
1
0.724
0.5170.517
616
616739
537
768
M
y
0.724
由平衡方程得：
N l l F F 21z F z A 448.318
.011.01
1=+=+=
-=
B 点的弯矩为：
·N 2
l l F M 3
1z A B 724.003.011.0448.311=-?-=-?-=）（）（m
E 点的弯矩为： ·N 2
l l F M 3
2z F E 517.003.018.0448.3=-?=-?=）（）（m 由图乘法：
m m 00.70h = 2.12m m
2b = 查表得：263.0=β
a 2900.14264
10241015064
1249
41P D E EI =????==-ππ·m 4
a 2900.14264
15064
10
2410d
12
4
9
4
3P E
EI =???
?==-ππ·m 4
杆件的抗扭刚度：
）
（）（27.01200.70263.015012h E 1012.2210b 12
393p +??????=
+=-μβGI
a 1767.0251P =·m 4 由公式：
∑=+=∑=n
i p
ci i i
ci
i y GI M EI M n
i 1
1
‘“ωωθ 得：
]517.03
21660.03)-(0.18210.724)30.724-1(3750.03)-(0.1121[11????++???=EI
2
621.0724.046903.0)621.03621.0724.0()469-645(03.021[13+??++-???+
EI
]2
517.0621.053703.03517.0621.0621.0537-64503.021+??+--???+）（）（）（517.005.0537724.005.04691
p
??+??+GI
rad 10295.53-?=
（2）、求z θ：在截面A 加一单位力偶矩z M 。并作出单位力偶矩作用下的弯矩图z M 与外载荷作用下的弯矩图z M 如下（画在受弯的一侧）：
0.5170.517
0.724
1
308
308
369269
269M z
0.724
3.448
3.448
2052
N
F 3358
同理得：
N ...l l F F Ay Fy 448318
01101
121=+=+=
-= B 点的弯矩为：
·
N 2
l l F M 3
1z A B 724.003.011.0448.311=-?-=-?-=）（）（m E 点的弯矩为：
N ..）l （l F M Fz E 51700.03）（0.1844832
3
2=-?=-?=·m
Pa Ehb EA 1010108
6-93226.22.12200.70150?=????==·m 2
Pa h E
EI b 29.947012
00.7015012
10
2.1221012
39
3
2=???
?==-·
m 2
由公式：
∑
=+=∑=n
1
i ci
i ci i z n 1
i i
N i
EA F EI M ωωθ 得：
]517.03
2
2690.03)-(0.18210.724)30.724-1(2340.03)-(0.1121[11????++???=EI )517.005.02690.7240.05(23412
??+??+EI 2
621.0724.023403.0)621.03621.0724.0()269322(03.021[13+??++-?-??+EI
]2517.0621.026903.03517.0621.0621.026932203.021+??+--?-??+）（）（ 3.448)0.0517903.4480.05(29301??-??+EA
rad 10734.23-?=
四、分析讨论及计算说明
在我的设计中，特做以下几点说明：
（1）在外力分析时，在设定未知力的时候，由于已知条件中没有X 方向的外力，故不考虑。，Fy x F A F
（2）在画内力图时，不考虑弯曲切应力对设计的影响，故未画剪力图。 （3）在强度计算方面，由于材料是球墨铸铁，其物理性质与钢相近，所以采用第三强度理论而不用第一或第二强度理论。
（4）在校核曲柄臂画内力分布时，把曲柄臂的危险截面简化成矩形，忽略圆孔对其的影响。
（5）在校核H-H 截面疲劳强度时，忽略键槽对m ax τ的影响。
五、本次设计的不足及改进措施
5.1 提高曲轴的弯曲强度及刚度
通过合理安排曲轴的受力情况及设计合理的截面，可以有效的提升曲轴的强度。本设计中的曲轴可以采用合理安排受力情况。在机械结构允许的情况下，可采取将集中载荷适当分散或将集中力尽量靠近支座的受力情况。对于曲轴弯曲刚度，可以通过改善机构结构形式，减少弯矩的大小，选择合理的截面及合理选材等方法提高其刚度。对于本例中可改善曲轴结构形式，减少弯矩的大小及合理选材来达到曲轴刚度的要求。
5.2 提高曲轴的疲劳强度
提高疲劳强度的主要措施有减缓应力集中及提高曲轴的表面强度等。为了消除和缓解应力集中，在设计曲轴时，应尽量避免出现方形直角或带有尖角的孔和槽，即在主轴颈和曲柄臂相连处应采用半径较大的过度圆角；提高曲轴表面的强度可通过两方面实现,一是从加工入手，提高表面加工质量，可采用精细加工降低表面粗糙度，这在将材料改为高强度钢时尤其重要；二是增强表面强度，对曲轴中应力集中的部位如键槽处应采取表面热处理或化学处理等工艺措施，如表面高频淬火、渗碳、滚压、喷丸等冷加工的方法。
六、设计体会
通过这次的课程设计，我对材料力学的相关知识应用有了更深一层的认识：材料力学是一门被各个工程广泛应用的学科，是通过理论与实验来进行强度、刚度、稳定性以及材料的力学性能的研究。在保证安全、可靠、经济节省的前提下，为构件选择适当的材料，确定合理的截面形状和尺寸提供基本理论和计算方法。这些在此次设计过程中我有了切身的体会。
此外，我深深的感到仅仅掌握课本中的理论和方法是远远不够的，工程实
际设计中的问题要比想象的复杂的多。短暂的一个零件设计过程，就运用到了众多的以前学过的理论知识，由此我更加增强了对专业知识学习的热情，并由衷的感到要把材料力学知识学懂悟透必须要有扎实的基本功以及严谨务实的科学研究精神。当然，实践是检验真理的唯一标准，在理论学习工程中不断进行工程问题的实践设计和论证，从而获得大量的宝贵经验，才能以最经济的过程、最合理的方法解决遇到的设计难题。
此次课程设计让我受益匪浅，当然设计中也还有很多不足，恳请老师批评指正。
七、参考文献
[1]聂毓琴，孟广伟，《材料力学》，机械工业出版社2007.2
[2]聂毓琴等，《材料力学实验与课程设计》，北京，机械工业出版社，2006.8
[3]谭浩强,《C程序设计（第三版）》，北京，清华大学出版社，2005.7
八、附录
8.1 求解h,b的C语言程序如下
材料力学习题 第12章 12-1一桅杆起重机，起重杆AB的横截面积如图所示。钢丝绳的横截面面积为10mm2。起重杆与钢丝的许用σ，试校核二者的强度。 力均为MPa [= 120 ] 习题2-1图习题12-2图 12-2重物F=130kN悬挂在由两根圆杆组成的吊架上。AC是钢杆，直径d1=30mm，许用应力[σ]st=160MPa。BC是铝杆，直径d2= 40mm, 许用应力[σ]al= 60MPa。已知ABC为正三角形，试校核吊架的强度。 12-3图示结构中，钢索BC由一组直径d =2mm的钢丝组成。若钢丝的许用应力[σ]=160MPa,横梁AC单位长度上受均匀分布载荷q =30kN/m作用，试求所需钢丝的根数n。若将AC改用由两根等边角钢形成的组合杆，角钢的许用应力为[σ] =160MPa，试选定所需角钢的型号。 12-4图示结构中AC为钢杆，横截面面积A1=2cm2；BC杆为铜杆，横截面面积A2=3cm2。[σ]st = 160MPa，[σ]cop [F。 = 100MPa，试求许用载荷] 习题12-3图习题12-4图 12-5图示结构，杆AB为5号槽钢，许用应力[σ] = 160MPa，杆BC为b h= 2的矩形截面木杆，其截面尺寸为b = 5cm, h = 10cm,许用应力[σ] = 8MPa，承受载荷F = 128kN，试求： （1）校核结构强度；（2）若要求两杆的应力同时达到各自的许用应力，两杆的截面应取多大？ 习题12-5图习题12-6图 12-6图示螺栓，拧紧时产生?l = 0.10mm的轴向变形，试求预紧力F，并校核螺栓强度。已知d1=8mm, d2=6.8mm, d3=7mm, l1=6mm, l2=29mm, l3=8mm; E=210GPa, [σ]=500MPa。 12-7图示传动轴的转速为n=500r/min，主动轮1输入功率P1=368kW，从动轮2和3分别输出功率P2=147kW 和P3=221kW。已知[σ]=212MPa，[ ?]=1?/m, G =80GPa。 （1）试按第四强度理论和刚度条件确定AB段的直径d1和BC段的直径d2。 （2）若AB段和BC段选用同一直径，试确定直径d。
CAE规范 第1部分：概念设计阶段曲轴强度计算1 范围 m kg 1 连杆质量rod m kg 2 活塞组质量pst 3 曲柄半径R mm 4 连杆长度L mm 5 缸套内径D mm D mm 6 曲柄销直径p 7 曲柄销长度p L mm
D mm 8 主轴颈直径j 9 主轴颈长度j L mm L mm 10 连杆大头轴瓦宽度ps L mm 11 曲轴主轴瓦宽度js δmm 12 曲柄销凸台厚度p 13 主轴颈凸台厚度jδmm 14 曲柄销圆角凹入深度p T mm 15 主轴颈圆角凹入深度j T mm 16 曲柄臂厚度h mm 17 曲柄臂宽度B mm 18 转速n rpm 19 最大爆压g p MPa 3 计算流程
图2 流程图 4 计算原理 曲轴的设计基于对高应力区域的疲劳安全进行评估。 本规范中的计算基于以下假定： ●曲柄销圆角、主轴颈圆角为高应力区域； ●曲拐简支在主轴颈上且各曲拐相互独立，可简化为截断简支梁模型； ●曲柄销、主轴颈支反力以轴向抛物线、径向120°余弦分布作用在曲柄销、主轴颈上； ●弯曲应力是引起曲轴破坏的主要因素，输出扭矩产生的影响很小，可以忽略不计。 5 计算工况 对长期稳定工作于额定转速的发动机，以全负荷工况为计算工况；对在大转速范围内工作的发动机，以最大扭矩工况为计算工况；对船用发动机，以超负荷（110%负荷）工况为计算工况。 通常，一个工作周期内，由燃气压力和惯性力引起的作用在曲柄销上的径向载荷对所有曲柄位置都应计算。简单起见，径向力可以采用简化计算，并只计算一个工作周期内的最大受拉和最大受压两种状态。
6 曲轴载荷 6.1 曲柄销载荷 曲柄销载荷以轴向抛物线、径向120°余弦分布的分布力作用在曲柄销上，作用范围为连杆大头轴瓦宽度，其大小按以下公式计算： 图3 曲柄销载荷 θθ23 cos )41(25),(22ps ps p p p L x L D F x q -?= 式中： p F ：作用在曲柄销上的径向载荷，N ；p F 可按曲柄连杆动力学或多体动力学计算得到， 对V 型机，p F 应考虑不同的相位和连杆设计（分叉连杆、连接连杆、并列连杆等）分别计算与合成。 6.2 主轴颈支反力 主轴颈支反力以轴向抛物线、径向120°余弦分布的分布力作用在主轴颈上，作用范围曲轴主轴瓦宽度，其大小按以下公式计算：
目录 课程设计任务书 (1) 第一章活塞式压缩机曲轴结构设计 (2) 1.1轴径尺寸的确定 (3) 1.2 曲轴的静强度验算： (4) 1.2.1 驱动侧的曲柄销位置 I-I (5) 1.2.2驱动侧主轴颈位置III-III (6) 1.2.3 驱动侧曲柄位置V-V (7) 第二章活塞式压缩机曲轴结构校核 (8) 2.1 第一个危险位置 (8) 2.1.1 被驱动侧的曲柄销位置I-I (9) 2.1.2被驱动侧主轴颈位置III-III (9) 2.1.3 被驱动侧曲柄位置V-V (9) 2.2 第二个危险位置 (10) 2.2.1 驱动侧的曲柄销位置I-I (10) 2.2.2驱动侧主轴颈位置III-III (11) 2.2.3 驱动侧的曲柄位置V-V (11) 2.3第三个危险位置 (12) 2.3.1 驱动侧的曲柄销位置I-I (12) 2.3.2 驱动侧主轴颈位置III-III (13) 2.3.3驱动侧主轴颈位置V-V (13) 2.4 第三个危险位置 (14) 2.4.1驱动侧的曲柄销位置I—I (14) 2.4.2 驱动侧的曲柄销位置III—III (15) 2.4.3 驱动侧的曲柄销位置V—V (15) 第三章曲轴的疲劳强度验算 (16) 课程设计总结 (19) 参考文献 (20)
课程设计任务书 学生姓名：你懂得 设计题目：xxxxx压缩机曲轴结构设计及强度校核（1） 设计条件和依据： ZW型压缩机，两列、立式、曲拐错角180°热力、动力计算选取参数如下： 相关位置时曲轴受力： 要求： 1、曲轴的结构设计 2、曲轴的强度校核 （1）静强度校核 （2）疲劳强度校核 3、绘制结构设计草图一张（A2）；绘制曲轴的零件图一张（A1）; 绘制曲轴的装配图一张（A1） 4、计算说明书一份 指导教师：xxx 2013.12.24
杆件的强度、刚度和稳定性计算 1.构件的承载能力，指的是什么？ 答：构件满足强度、刚度和稳定性要求的能力称为构件的承载能力。 (1)足够的强度。即要求构件应具有足够的抵抗破坏的能力，在荷载作用下不致于发生破坏。 (2)足够的刚度。即要求构件应具有足够的抵抗变形的能力，在荷载作用下不致于发生过大的变形而影响使用。 (3)足够的稳定性。即要求构件应具有保持原有平衡状态的能力，在荷载作用下不致于突然丧失稳定。 2.什么是应力、正应力、切应力？应力的单位如何表示？ 答：内力在一点处的集度称为应力。 垂直于截面的应力分量称为正应力或法向应力，用σ表示；相切于截面的应力分量称切应力或切向应力，用τ表示。 应力的单位为Pa。 1 Pa=1 N／m2 工程实际中应力数值较大，常用MPa或GPa作单位 1 MPa=106Pa 1 GPa=109Pa 3.应力和内力的关系是什么？ 答：内力在一点处的集度称为应力。 4.应变和变形有什么不同？ 答：单位长度上的变形称为应变。单位纵向长度上的变形称纵向线应变，简称线应变，以ε表示。单位横向长度上的变形称横向线应变，以ε/表示横向应变。 5.什么是线应变？什么是横向应变？什么是泊松比？ 答：（1）线应变 单位长度上的变形称纵向线应变，简称线应变，以ε表示。对于轴力为常量的等截面直杆，其纵向变形在杆内分布均匀，故线应变为 l l? = ε （4-2） 拉伸时ε为正，压缩时ε为负。线应变是无量纲（无单位）的量。 （2）横向应变 拉(压)杆产生纵向变形时，横向也产生变形。设杆件变形前的横向尺寸为a，变形后为a1，则横向变形为 a a a- = ? 1 横向应变ε/为
轴心受力构件的强度和刚度计算 1．轴心受力构件的强度计算 轴心受力构件的强度是以截面的平均应力达到钢材的屈服应力为承载力极限状态。轴心受力构件的强度计算公式为 f A N n ≤= σ （4-1） 式中： N ——构件的轴心拉力或压力设计值； n A ——构件的净截面面积； f ——钢材的抗拉强度设计值。 对于采用高强度螺栓摩擦型连接的构件，验算净截面强度时一部分剪力已由孔前接触面传递。因此，验算最外列螺栓处危险截面的强度时，应按下式计算： f A N n ≤= ' σ （4-2） 'N =)5.01(1 n n N - （4-3） 式中： n ——连接一侧的高强度螺栓总数； 1n ——计算截面（最外列螺栓处）上的高强度螺栓数； 0.5——孔前传力系数。 采用高强度螺栓摩擦型连接的拉杆，除按式（4-2）验算净截面强度外，还应按下式验算毛截面强度 f A N ≤= σ （4-4） 式中： A ——构件的毛截面面积。 2．轴心受力构件的刚度计算 为满足结构的正常使用要求，轴心受力构件应具有一定的刚度，以保证构件不会在运输和安装过程中产生弯曲或过大的变形，以及使用期间因自重产生明显下挠，还有在动力荷载作用下发生较大的振动。 轴心受力构件的刚度是以限制其长细比来保证的，即
][λλ≤ （4-5） 式中： λ——构件的最大长细比； [λ]——构件的容许长细比。 3. 轴心受压构件的整体稳定计算 《规范》对轴心受压构件的整体稳定计算采用下列形式： f A N ≤? （4-25） 式中：?——轴心受压构件的整体稳定系数，y cr f σ?= 。 整体稳定系数?值应根据构件的截面分类和构件的长细比查表得到。 构件长细比λ应按照下列规定确定： （1）截面为双轴对称或极对称的构件 ? ?? ==y y y x x x i l i l //00λλ （4-26） 式中：x l 0，y l 0——构件对主轴x 和y 的计算长度； x i ，y i ——构件截面对主轴x 和y 的回转半径。 双轴对称十字形截面构件，x λ或y λ取值不得小于5.07b/t （其中b/t 为悬伸板件宽厚比）。 （2）截面为单轴对称的构件 以上讨论柱的整定稳定临界力时，假定构件失稳时只发生弯曲而没有扭转，即所谓弯曲屈曲。对于单轴对称截面，绕对称轴失稳时，在弯曲的同时总伴随着扭转，即形成弯扭屈曲。在相同情况下，弯扭失稳比弯曲失稳的临界应力要低。因此，对双板T 形和槽形等单轴对称截面进行弯扭分析后，认为绕对称轴（设为y 轴）的稳定应取计及扭转效应的下列换算长细比代替y λ [] 2 /122202022222)/1(4)()(2 1 z y z y z y yz i e λ λλλλλ λ--+++= )/7.25//(2 202ωωλl I I A i t z +=
材料力学课程设计 班级： 作者： 题目：曲柄轴的强度设计、疲劳强度校核及刚度计算 指导老师 2015.6.6
一、课程设计的目的 材料力学课程设计的目的是在于系统学习材料力学后，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，可以使我们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应用，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。 1）使所学的材料力学知识系统化，完整化。让我们在系统全面复习的基础上，运用材料力学知识解决工程实际问题。 2）综合运用以前所学的各门课程的知识（高等数学、工程图学、理论力学、算法语言、计算机等），使相关学科的知识有机地联系起来。 3）使我们初步了解和掌握工程实践中的设计思想和设计方法，为后续课程的学习打下基础。 二、课程设计的任务和要求 要系统复习材料力学课程的全部基本理论和方法，独立分析、判断设计题目的已知所求问题，画出受力分析计算简图和内力图，列出理论依据并导出计算公式，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。三、设计题目 某柴油机曲轴材料为球墨铸铁（QT400-10），[σ]=120MPa，曲柄臂抽象为矩形（如图），h=1.2D，b/h=2/3（左、右臂尺寸相同），l=1.5e，l4=0.5l，已知数据如下表： F/kN W/kN l1/mm l2/mm l3/mm e/mm α(?) 20 5.4 380 230 120 120 12 1. 画出曲轴的内力图。 2. 按照强度条件设计主轴颈D和曲轴颈的直径d。 3. 校核曲柄臂的强度。
4L-208型活塞式空气压缩机的选型及设计 （） 摘要：随着国民经济的快速发展，压缩机已经成为众多部门中的重要通用机械。压缩机是压缩气体提高气体压力并输送气体的机械，它广泛应用于石油化工、纺织、冶炼、仪表控制、医药、食品和冷冻等工业部门。在化工生产中，大中型往复活塞式压缩机及离心式压缩机则成为关键设备。本次设计的压缩机为空气压缩机，其型号为D—42/8。该类设备属于动设备，它为对称平衡式压缩机，其目的是为生产装置和气动控制仪表提供气源，因此本设计对生产有重要的实用价值。活塞式压缩机是空气压缩机中应用最为广泛的一种，它是利用气缸内活塞的往复运动来压缩气体的，通过能量转换使气体提高压力的主要运动部件是在缸中做往复运动的活塞，而活塞的往复运动是靠做旋转运动的曲轴带动连杆等传动部件来实现的。 关键词：活塞式压缩机；结构；设计；强度校核；选型 1.1压缩机的用途 4L—20/8型空气压缩机（其外观图见下页），使用压力0.1~1.6Mpa（绝压）排气量20m3 /min，可用于气动设备及工艺流程，适用于易燃易爆的场合。 该种压缩机可以大幅度提高生产率，工艺流程用压缩机是为了满足分离、合成、反应、输送等过程的需要，因而应用于各有关工业中。因为活塞式压缩机已得到如此广泛的应用的需要，故保证其可靠的运转极为重要。气液分离系统是为了减少或消除压缩气体中的油、水及其它冷凝液。 本机为角度式L型压缩机，其结构较紧凑，气缸配管及检修空间也比较宽阔，基础力好，切向力也较均匀，机器转速较高，整机紧凑，便于管理。 本机分成两列，其中竖直列为第一列，水平列为第二列，两列夹角为90度，共用一个曲拐，曲拐错角为0度。
单缸柴油机曲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
一、 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e M ，曲轴颈中点受切向力t F 、径向力r F 的作用，且r F =2 t F 。曲柄臂简化为矩形截面，1.4≤h D ≤1.6，2.5≤h b ≤4, 3l =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y θ ,z θ。 数据 1/l m 2/l m /E Gpa μ []/Mpa σ 1/Mpa τ- 0.11 0.18 150 0.27 120 180 τψ τε /P kW /(/min)n r /r m 0.05 0.78 16.4 300 0.05 零件图：单缸柴油机曲轴 零件简化图：
摘要 活塞式压缩机是一种容积式压缩。它是用来提高气体压力和输送气体。目前活塞式压缩机广泛应用于工业生产中，如石油裂解气的分离、石油加氢精制、气流纺纱、谷物的气力输送、制冷等领域。 本次设计的压缩机主要用于轻纺工业、冶金工业中。通过了解该压缩机的基本结构极其工作原理，重点掌握其结构设计，学会所含零部件的结构设计方法及其强度校核方法。在设计过程中，理论联系实际，我最终了解设计一个机械设备的基本思路和方法。 整个设计过程主要包括三个部分。第一部分是热力计算，包括气缸行程容、最大活塞力、排气温度、功率和效率以及压缩机其他主要结构尺寸的确定；第二部分是动力计算与分析，包括曲柄连杆机构的受力情况的分析计算、主要零部件的强度校核以及力矩平衡；第三部分主要是曲轴的平衡计算。整个设计过程与设计内容是按设计标准要求进行的，符合工程需求。 关键词：活塞式压缩机；结构尺寸；行程容积；主要零部件强度校核；
Abstract Piston type compressor is a new type of compression. It is used to increase the gas pressure and gas transportation. At present, the piston compressor is widely used in industrial production, such as oil gas separation, oil hydrofining, air spinning, grain pneumatic conveying, refrigeration and other fields. The design of the compressor is mainly used for the textile industry, the metallurgical industry. The basic structure of the compressor is working principle, key grasp its structure design, learn the structure design method contained in parts and its strength check method. In the design process, linking theory with practice, I finally understand the basic idea and design method of a mechanical device. The whole design process mainly consists of three parts. The first part is the thermodynamic calculation, including the determination of the cylinder stroke volume, maximum piston force, the other main structure size, power and efficiency as well as the exhaust temperature of compressor; The second part is the dynamic calculation and analysis, including the analysis of force of crank and connecting rod mechanism, the calculation of main parts of the strength check and balance; The third part is the calculation of crankshaft balance. The whole design process and design are carried out according to the design requirements, meet the demands of engineering. Key words: piston compressor; structure; stroke volume; the main parts of the strength check;
第3章构件的强度和刚度 学习目标 理解各种基本变形的应力概念和分布规律； 掌握虎克定律及材料在拉伸和压缩时的机械性能指标的含义； 掌握各种基本变形的应力和强度计算方法； 掌握弯曲刚度的基本计算方法； 了解应力集中和交变应力的概念及材料在交变应力作用下的破坏特点。 3．1 分布内力与应力、变形与应变的概念 3．1．1 分布内力与应力 杆件受力作用时截面上处处有内力。由于假定了材料是均匀、连续的，所以内力在个截面上是连续分布的，称为分布内力。用截面法所求得的内力是分布内力的合力，它并不能说明截面上任一点处内力的强弱。为了度量截面上任一点处内力的强弱程度，在此引入应力这一重要概念。 截面上一点的内力，称为该点的应力。与截面相垂直的应力称为正应力，用σ表示；截面相切的应力称为切应力，也称剪应力，用τ表示。在国际单位制中，应力的基本单位是N ／m2，即Pa。工程中常用单位为MPa，GPa，它们的换算为： l MPa=106Pa=1 N／mm2 1 GPa=103MPa=103 N／mm2 3．1．2应变 在外力的作用下，构件的几何形状和尺寸的改变统称为变形。一般讲，构件内各点的变形是不均匀的，某点上的变形程度，称为应变。 围绕构件内K点取一微小的正六面单元体，如图3—1(a)所示，设其沿x轴方向的棱边长为x ?称为x ?的线变形。 ?+u ?，如图3—1(b)所示，u ?，变形后的边长为x 当x?趋于无穷小时，比值ε=u ?／x?表示一点处微小长度的相对变形量，称为这一点的线应变或正应变，用ε表示。 一点处微小单元体的直角的改变量[图3—1(c)]，称为这一点的切应变，用γ表示。 线应变ε和切应变γ是度量构件内一点变形程度的两个基本量，它们都是无量纲的量。
41 一、 传动轴如图19-5（a ）所示。主动轮A 输入功率kW N A 75.36=，从动轮D C B 、、输出功率分别为kW N kW N N D C B 7.14,11===，轴的转速为n =300r/min 。试画出轴的扭矩图。 解 （1）计算外力偶矩：由于给出功率以kW 为单位，根据（19-1）式： 1170300 75 .3695509550=?==n N M A A (N ·m ) 351300 11 95509550=?===n N M M B C B (N ·m ) 468300 7 .1495509550=?==n N M D D (N ·m ) （2）计算扭矩：由图知，外力偶矩的作用位置将轴分为三段：AD CA BC 、、。现分别在各段中任取一横截面，也就是用截面法，根据平衡条件计算其扭矩。 BC 段：以1n M 表示截面Ⅰ－Ⅰ上的扭矩，并任意地把1n M 的方向假设为图19-5（b ）所示。根据平衡条件0=∑x m 得： 01=+B n M M 3511-=-=B n M M (N ·m ) 结果的负号说明实际扭矩的方向与所设的相反，应为负扭矩。BC 段内各截面上的扭矩不变，均为351N ·m 。所以这一段内扭矩图为一水平线。同理，在CA 段内： M n Ⅱ＋0=+B C M M Ⅱn M = －B C M M -= －702(N ·m ) AD 段：0=D n M M －Ⅲ 468==D n M M Ⅲ(N ·m ) 根据所得数据，即可画出扭矩图[图19－5（e ）]。由扭矩图可知，最大扭矩发生在CA 段内，且702max =n M N ·m 二、 如图19-15所示汽车传动轴AB ，由45号钢无缝钢管制成，该轴的外径 (a ) (c ) C B m (d ) (e ) 图19-5 (b )
杆件的强度计算公式 Document number：NOCG-YUNOO-BUYTT-UU986-1986UT
杆件的强度、刚度和稳定性计算 1.构件的承载能力，指的是什么 答：构件满足强度、刚度和稳定性要求的能力称为构件的承载能力。 (1)足够的强度。即要求构件应具有足够的抵抗破坏的能力，在荷载作用下不致于发生破坏。 (2)足够的刚度。即要求构件应具有足够的抵抗变形的能力，在荷载作用下不致于发生过大的变形而影响使用。 (3)足够的稳定性。即要求构件应具有保持原有平衡状态的能力，在荷载作用下不致于突然丧失稳定。 2.什么是应力、正应力、切应力应力的单位如何表示 答：内力在一点处的集度称为应力。 垂直于截面的应力分量称为正应力或法向应力，用σ表示；相切于截面的应力分量称切应力或切向应力，用τ表示。 应力的单位为Pa。 1Pa=1N／m2 工程实际中应力数值较大，常用MPa或GPa作单位 1MPa=106Pa 1GPa=109Pa 3.应力和内力的关系是什么 答：内力在一点处的集度称为应力。 4.应变和变形有什么不同
答：单位长度上的变形称为应变。单位纵向长度上的变形称纵向线应变，简称线应变，以ε表示。单位横向长度上的变形称横向线应变，以ε/表示横向应变。 5.什么是线应变什么是横向应变什么是泊松比 答：（1）线应变 单位长度上的变形称纵向线应变，简称线应变，以ε表示。对于轴力为常量的等截面直杆，其纵向变形在杆内分布均匀，故线应变为 l l ?=ε（4-2） 拉伸时ε为正，压缩时ε为负。线应变是无量纲（无单位）的量。 （2）横向应变 拉(压)杆产生纵向变形时，横向也产生变形。设杆件变形前的横向尺寸为a ，变形后为a 1，则横向变形为 横向应变ε/ 为 a a ?=/ε（4-3） 杆件伸长时，横向减小，ε/为负值；杆件压缩时，横向增大，ε/为正值。因此，拉(压)杆的线应变ε与横向应变ε/的符号总是相反的。 （3）横向变形系数或泊松比 试验证明，当杆件应力不超过某一限度时，横向应变ε/与线应变ε的绝对值之比为一常数。此比值称为横向变形系数或泊松比，用μ表示。 εεμ/ =（4-4） μ是无量纲的量，各种材料的μ值可由试验测定。 6.纵向应变和横向应变之间，有什么联系
7 曲轴设计 曲轴是发动机中最重要的机件之一。它的尺寸参数在很大程度上不仅 影响着发动机的整体尺寸和重量，而且也在很大程度上影响着发动机的可靠性与寿命。曲轴的破坏事故可能引起发动机其它零件的严重损坏，在发动机的结构改进中，曲轴的改进也占有重要地位。随着内燃机的发展与强化，曲轴的工作条件越来越恶劣了。因此，曲轴的强度和刚度问题就变得更加严重了。在设计曲轴时，必须正确选择曲轴的尺寸参数、结构型式、材料与工艺，以求获得经济最合理的效果。 7.1 曲轴的工作条件、结构型式和材料的选择 7.1.1 曲轴的工作条件和设计要求 曲轴是在不断周期性变化的气体压力、往复和旋转运动质量的惯性力 以及它们的力矩共同作用下工作的，从而使曲轴既扭转又弯曲，产生疲劳应力状态；对内不平衡的发动机曲轴还承受内弯矩和剪力；未采取扭转振动减振措施使曲轴还可能作用着幅值较大的扭转振动弹性力矩。这些载荷都是交变性的，可能引起曲轴疲劳失效。实践表明，弯曲载荷具有决定性作用，弯曲疲劳失效是主要破坏形式。因此曲轴结构强度的研究重点是弯曲疲劳强度，曲轴设计上要致力于提高曲轴的疲劳强度。 曲轴形状复杂，应力集中现象相当严重，特别在连杆轴颈与曲柄臂的 过渡圆角处和润滑油孔出口附近的应力集中尤为突出。通常的曲轴断裂、疲劳裂纹都始于过渡圆角和油孔处。 图7-1表明了曲轴弯曲疲劳破坏和扭 转疲劳破坏的情况。弯曲疲劳裂缝从 轴颈根部表面的圆角处发展到曲柄 上，基本上成450折断曲柄；扭转疲 劳破坏通常是从机械加工不良的油 孔边缘开始，约成450剪断曲柄销。所以，在设计曲轴时，要特别注意设法缓和应力集中现象，强化应力集中 部位。 曲轴各轴颈在很高的比压下，以很大的相对速度在轴承中发生滑动摩 擦。这些轴承在实际变工况运转条件下并不总能保证为液体摩擦，尤其当润滑油不洁净时，轴颈表面遭到强烈的磨料磨损，使得曲轴的实际使用寿命大大降低。所以，设计时，要使其各摩擦表面耐磨，并匹配好适当材料的轴瓦。 图7-1 曲轴的疲劳破坏 a ）弯曲疲劳破坏 b ）扭转疲劳破坏
梁的强度和刚度计算 1．梁的强度计算 梁的强度包括抗弯强度、抗剪强度、局部承压强度和折算应力，设计时要求在荷载设计值作用下，均不超过《规范》规定的相应的强度设计值。 （1）梁的抗弯强度 作用在梁上的荷载不断增加时正应力的发展过程可分为三个阶段，以双轴对称工字形截面为例说明如下： 梁的抗弯强度按下列公式计算： 单向弯曲时 f W M nx x x ≤=γσ （5-3） 双向弯曲时 f W M W M ny y y nx x x ≤+=γγσ （5-4） 式中：M x 、M y ——绕x 轴和y 轴的弯矩（对工字形和H 形截面，x 轴为强轴，y 轴为弱轴）； W nx 、W ny ——梁对x 轴和y 轴的净截面模量； y x γγ,——截面塑性发展系数，对工字形截面，20.1,05.1==y x γγ；对箱形截面，05.1==y x γγ；对其他截面，可查表得到； f ——钢材的抗弯强度设计值。 为避免梁失去强度之前受压翼缘局部失稳，当梁受压翼缘的外伸宽度b 与其厚度t 之比大于y f /23513 ，但不超过y f /23515时，应取0.1=x γ。 需要计算疲劳的梁，按弹性工作阶段进行计算，宜取0.1==y x γγ。 （2）梁的抗剪强度 一般情况下，梁同时承受弯矩和剪力的共同作用。工字形和槽形截面梁腹板上的剪应力分布如图5-3所示。截面上的最大剪应力发生在腹板中和轴处。在主平面受弯的实腹式梁，以截面上的最大剪应力达到钢材的抗剪屈服点为承载力极限状态。因此，设计的抗剪强度应按下式计算
v w f It ≤=τ （5-5） 式中：V ——计算截面沿腹板平面作用的剪力设计值； S ——中和轴以上毛截面对中和轴的面积矩； I ——毛截面惯性矩； t w ——腹板厚度； f v ——钢材的抗剪强度设计值。 图5-3 腹板剪应力 当梁的抗剪强度不满足设计要求时，最常采用加大腹板厚度的办法来增大梁的抗剪强度。型钢由于腹板较厚，一般均能满足上式要求，因此只在剪力最大截面处有较大削弱时，才需进行剪应力的计算。 （3）梁的局部承压强度 图5-4局部压应力 当梁的翼缘受有沿腹板平面作用的固定集中荷载且该荷载处又未设置支承加劲肋，或受有移动的集中荷载时，应验算腹板计算高度边缘的局部承压强度。 在集中荷载作用下，翼缘类似支承于腹板的弹性地基梁。腹板计算高度边缘的压应力分布如图5-4c 的曲线所示。假定集中荷载从作用处以1∶2.5（在h y 高度范围）和1∶1（在h R 高度范围）扩散，均匀分布于腹板计算高度边缘。梁的局部承压强度可按下式计算
压缩机课程设计 学号: 班级: 姓名: 专业: 指导老师: 二零一三年七月
课程设计题目 已知参数： 设计任务：对活塞压缩机进行热力和动力计算。 热力计算 一、 设计原始数据： 排气量：min /1530m Q = 进气压力：Ps=0.5MPa(绝对压力) 进气温度：ts=293K 排气压力：Pd=6.9MPa(绝对压力) 二、 热力计算： 1、计算总压力比: 8.135.09.6== =MPa MPa Ps Pd z ε 2、压力比的分配： 715.321===z εεε
3、计算容积系数： 查《工程热力学》（第四版）沈维道主编，得： 20℃，0.5MPa 时，天然气3195.17015 .12451 .211=== Cv Cp k ; 30℃,1.8575MPa 时，天然气35.17015 .13471 .222===Cv Cp k ； 50℃，6.9MPa 时，天然气46.18231 .16706 .233=== Cv Cp k 。 所以可以大致取值： 第Ⅰ级压缩过程，绝热指数34.11=k ； 第Ⅱ级压缩过程，绝热指数46.12=k 。 查《往复活塞压缩机》郁永章主编，P31，表1-2算得： 第Ⅰ级压缩过程，膨胀指数255.11=m ； 第Ⅱ级压缩过程，膨胀指数352.12=m 。 据《往复活塞压缩机》郁永章主编，P29内容可取： 第Ⅰ级压缩过程，相对余隙容积14.01=α； 第Ⅱ级压缩过程，相对余隙容积16.02=α。 由公式： )1(11--=m v εαλ ，得： 第Ⅰ级压缩过程，容积系数742.0=v λ； 第Ⅱ级压缩过程，容积系数738.0=v λ。 4、确定压力系数： 由于各级因为弹簧力相对气体压力要小的多，压力系数p λ在0.98——1.0之间。故取：
Value Engineering 0引言 曲轴的破坏形式主要是疲劳断裂和轴颈严重磨损，疲劳断裂抗力或疲劳寿命及其耐磨性，主要取决于以下两点：①合理选择曲轴的材质，并用先进的加工技术和强化 工艺。 ②曲轴的结构。主要取决于产品的设计问题曲轴有组合式和整体式之分。前者用于重型和低速发动机中，后者主要用于中大功率发动机中。对于整体结构的曲轴，球铁材质的可以制成空心的，它比实心结构的疲劳强度（抗力）能提高10%左右，如果适当加大曲轴连杆轴颈的过渡圆半径，还能提高疲劳抗力5%。在曲轴上合理地开卸载槽也能提高疲劳抗力。 1内燃机曲轴结构设计的基本要求 对内燃机曲轴的抗弯疲劳强度和扭转刚度有影响的，主要是内燃机曲轴部分的结构形状和主要尺寸，因而内燃机曲轴设计须主要满足以下要求： ①合理配置平衡块，减轻主轴承负荷和振动。应根据各种内燃机的不同特点，结合总体设计综合考虑，上述各项设计要求相互关联，又相互制约。②合理的曲柄排列，改善轴系的扭振情况，扭矩均匀，使其工作时运转平稳。③轴颈—轴承副油孔布置合理，具有足够的承压面积和较高的 耐磨性。④为保证活塞连杆组和曲轴各轴承可靠工作， 应保证足够的刚度，减少曲轴挠曲变形，以尽量避免在工作转速范围内发生共振，提高曲轴的自振频率。⑤功率输出端的静强度、扭转疲劳强度以及曲柄部分的弯曲疲劳强度，都要进行保证。 2曲轴材料和加工工艺的选择①锻钢曲轴（如图1所示）按照曲轴的工作条件，材料在通过强化处理后，应具有优良的综合机械性能，较高的强度和韧性；良好的疲劳抗力，防止疲 劳断裂，提高寿命；良好的耐磨性。 曲轴的材料一般为中碳钢与合金钢，如35CrMoA 、42CrMoA 等。大功率、大排量柴油机多采用综合机械性能较高的锻钢曲轴，但其消耗大量优质合金材料和加工工时，生产周期长，昂贵的设备，使得一般企业难以具备。 ②锻造曲轴（如图2所示）锻造曲轴具有成本低，耐磨性好，吸振能力强，缺口敏感性低以及抗扭转疲劳强度高，变形小，有良好的自润滑能力，抗氧化性好等优点，因此，国内 外中小型内燃机多倾向采用锻造球铁曲轴，这是由于用球铁制造曲轴，可充分利用锻造工艺的优越性，制作复杂的曲柄和内部油腔等，能够得到理想的结构形状，使应力分布更加合理，材料利用的更加充分，同时加工余量小，加工方便，生产周期短，便于大量生产。表1为部分锻造球铁与锻钢曲轴材料的性能比较。 通过上表可以看出，运用不同材料和加工工艺得到的 曲轴在机械性能和硬度方面有较大的差异。 3曲轴的应力分析及强度校核 为对内燃机曲轴进行应力分析及强度校核，内燃机曲 轴的应力分析及强度校核广泛应用CAE 软件-ANSYS ， 下面以单缸机分析为例来具体说明。即利用建立的有限元模性来进行校核和分析。 3.1三维模型的建立将在UG5.0中建立的曲轴模型另存为CATIA 模型文件（*.model ）格式，导入到AN －SYS10.0如图3所示。 —————————————————————— —作者简介：尤杨（1984-），女，河北唐山人，工学学士，助教，研究方 向为汽车底盘电控和发动机电控。 浅谈曲轴设计加工及强度仿真校核方法 Process and Strength Simulation Test Method in Crankshaft Design 尤杨YOU Yang （天津机电职业技术学院，天津300410） （Tianjin Institute of Mechanical &Electrical Engineering ， Tianjin 300410，China ）摘要：在内燃机曲轴设计时曲轴的结构强度和材料选择具有重要的作用，一方面通过对内燃机曲轴疲劳破坏形式及其主要原因 的分析；另一方面通过计算机仿真来进行强度振动分析，曲轴的质量优劣直接影响着发动机的性能和寿命。 Abstract:Crankshaft quality directly affects the engine performance and life.In the design of internal combustion engine crankshaft, crankshaft structure strength and material selection plays an important role.On the one hand,the paper analyzes the internal combustion engine crankshaft fatigue failure forms and main reason;on the other hand,it makes strength vibration analysis through the computer simulation. 关键词：内燃机；曲轴设计；强度仿真Key words:internal combustion engine ；crankshaft design ；strength simulation 中图分类号：TG519.5+4文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）02-0051-02 图1锻钢曲轴 表1锻造球铁与锻钢曲轴材料的性能比较 材料机械性能硬度HB 抗拉强度 σb （N/mm 2 ）屈服强度 σs （N/mm 2 ）延伸率δ5（%）35CrMoA 42CrMoA QT700-2QT800-2 9801080700800 835930420480 121222 170-217280-320225-305245-335 图2锻造曲轴 ·51·
一、 传动轴如图19-5（a ）所示。主动轮A 输入功率kW N A 75.36=，从动轮D C B 、、输出功率分别为kW N kW N N D C B 7.14,11===，轴的转速为n =300r/min 。试画出轴的扭矩图。 解 （1）计算外力偶矩：由于给出功率以kW 为单位，根据（19-1）式： 1170300 75 .3695509550=?==n N M A A (N ·m ) 351300 11 95509550=?===n N M M B C B (N ·m ) 468300 7 .1495509550=?==n N M D D (N ·m ) （2）计算扭矩：由图知，外力偶矩的作用位置将轴分为三段：AD CA BC 、、。现分别在各段中任取一横截面，也就是用截面法，根据平衡条件计算其扭矩。 BC 段：以1n M 表示截面Ⅰ－Ⅰ上的扭矩，并任意地把1n M 的方向假设为图19-5（b ）所示。根据平衡条件0=∑x m 得： 01=+B n M M 3511-=-=B n M M (N ·m ) 结果的负号说明实际扭矩的方向与所设的相反，应为负扭矩。BC 段内各截面上的扭矩不变，均为351N ·m 。所以这一段内扭矩图为一水平线。同理，在CA 段内： M n Ⅱ＋0=+B C M M Ⅱn M = －B C M M -= －702(N ·m ) AD 段：0=D n M M －Ⅲ 468==D n M M Ⅲ(N ·m ) 根据所得数据，即可画出扭矩图[图19－5（e ）]。由扭矩图可知，最大扭矩发生在CA 段内，且702max =n M N ·m 二、 如图19-15所示汽车传动轴AB ，由45号钢无缝钢管制成，该轴的外径 (a ) (c ) C m (d ) (e ) 图19-5 (b )
目录 课程设计任务书............................................................ 2. 第一章活塞式压缩机曲轴结构设计......................... ?错误！未定义书签。 1.1轴径尺寸的确定................................. 错误！未定义书签。 1.2曲轴的静强度验算：............................. 错误！未定义书签。 1.2.1驱动侧的曲柄销位置1-1 ............... 错误！未定义书签。 1.2.2驱动侧主轴颈位置山-山................... 错误！未定义书签。 1.2.3驱动侧曲柄位置V-V ..................... 错误！未定义书签。 第二章活塞式压缩机曲轴结构校核.......................... 错误！未定义书签。 2.1第一个危险位置................................. 错误！未定义书签。 2.1.1被驱动侧的曲柄销位置1-1 ........... 错误！未定义书签。 2.1.2被驱动侧主轴颈位置山-111 ........... 错误！未定义书签。 2.1.3被驱动侧曲柄位置V-V .................... 錯误！未定义书签。 2.2第二个危险位置.................................. 错误！未定义书签。 2.2.1驱动侧的曲柄销位置1-1 ............... 错误！未定义书签。 2.2.2驱动侧主轴颈位置山-山................... 错误！未定义书签。 2.2.3驱动侧的曲柄位置V-V ................... 錯误！未定义书签。 2.3第三个危险位置.................................. 错误！未定义书签。 2.3.1驱动侧的曲柄销位置1-1 ............... 错误！未定义书签。 2.3.2驱动侧主轴颈位置III-III ............... 错误！未定义书签。 2.3.3驱动侧主轴颈位置V-V .................... 錯误！未定义书签。 2.4第三个危险位置.................................. 错误！未定义书签。 2.4.1驱动侧的曲柄销位置I —I ................ 错误！未定义书签。 2.4.2驱动侧的曲柄销位置III —III ........... 错误！未定义书签。 2.4.3驱动侧的曲柄销位置V—V ................ 错误！未定义书签。 第三章曲轴的疲劳强度验算....................... 錯误！未定义书签。 课程设计总结........................................ 错误！未定义书签。 参考文献................................................ 错误！未定义书签。