材料力学课程设计
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
数据号：7.2-15
学号：42100214
姓名：邓文哲
指导教师：魏媛
目录
一、设计目的 (3)
二、设计任务和要求 (3)
2.1、设计计算说明书的要求 (3)
2.2、分析讨论及说明书部分的要求 (4)
2.3、程序计算部分的要求 (4)
三、设计题目 (4)
3.1、数据15-Ⅰ
1）画出曲轴的内力图 (6)
2）设计曲轴颈直径d和主轴颈D (8)
3）校核曲柄臂的强度 (9)
4）校核主轴颈H-H截面处的疲劳强度 (12)
5）用能量法计算A-A截面的转角yθ，zθ (13)
3.2数据15-Ⅱ
1）画出曲轴的内力图 (17)
2）设计曲轴颈直径d和主轴颈D (19)
3)校核曲柄臂的强度 (20)
4）校核主轴颈H-H截面处的疲劳强度 (23)
5）用能量法计算A-A截面的转角yθ，zθ (24)
四、分析讨论及必要说明 (27)
五、设计的改进措施及方法 (28)
六、设计体会 (28)
七、参考文献 (29)
附录
一．程序框图 (30)
二．C语言程序 (31)
三．计算输出结果 (35)
四．标识符 (36)
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。
2.1 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：
1)设计题目的已知条件、所求及零件图。
2)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。
3)静不定结构要画出所选择的基本静定系统及与之相应的全部求和过程。
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) 选择强度理论并建立强度条件。
7) 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。 8) 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。 9) 疲劳强度计算部分要说明循环特性，m ax σ ，min σ ，r ， m σ ， a σ 的
计算，所查K ，ε，β各系数的依据，疲劳强度校核过程及结果。
2.2、分析讨论及说明部分的要求
1) 分析计算结果是否合理，并讨论其原因、改进措施。 2) 提出改进设计的初步方案及设想。 3) 提高强度、刚度及稳定性的措施及建议。
2.3、程序计算部分的要求
1) 计算机程序。
2) 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
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2
t r F F = 。曲柄臂简化为矩形截面，1.4≤
D
h ≤
1.6 ,
2.5≤
b
h ≤4 ,312l .r =,有关数据如下表：
要求：
（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
1/M Pa τ-
τ
ψ
τ
ε
0.11 0.18 150
0.27 120
180 0.05 0.78
3.1数据15-Ⅰ
/P kW
/(/min)n r
/r m
12.0 240 0.06
（一）画出曲轴的内力图
（1）. 外力分析
画出曲轴的计算简图（上图），计算外力偶矩。
12.0954********.45240
e P M N m n
=?
=?
=?
∴477.457957.50.06
e t M F N r =
=
=
3978.752
t r F F N =
=
由平衡条件计算反力 在XOY 平面内: 2122469.6r Ay F l F N l l =
=+
112
1509.2r Fy F l F N l l =
=+
在XOZ 平面内：2124939.1t Az F l F N l l =
=+
112
3018.4t Fz F l F N l l =
=+
（2）内力分析
内力图如下，不计弯曲切应力，弯矩图画在纤维受压侧，根据内力图确定危截面。(单位：力-N 力矩N ·m)
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
1477.45x e M M N m ==?
312()434.62y Fz l M F l N m =?-
=?
312()217.32
z Fy l M F l N m =?-
=?
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 2477.45x e M M N m ==? 322()434.62y Fz l M F l N m =?-
=?
322()217.32
z Fy l M F l N m =?-
=?
21509.2N Fy F F N ==
3）曲轴颈CD 段中间截面（3-3）为危险截面，受扭转和两向弯曲
3296.3x Az M F r N m ==?
31543.3y A z M F l N m ==?
31271.7z A y M F l N m ==?
（二）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,可用第三强度理论计算：
2
2
2
31111
1r x y z M M M W σ=
+
+
222111
3
32
[]x y
z M M
M
D
σπ=
++≤
∴222
3
11132
[]
x y z D M M M πσ≥
++
222
3
6
32
(434.6)(217.3)(477.45)12010
π=
++??
3
38.7
10m -=?
故D 取40m m 。
（2）曲轴颈CD 属于弯扭组合变形，由第三强度理论可得： 222
33332
1r x y z M M M W σ=
++
222333
3
32
[]x y
z M M
M
d
σπ=
++≤
∴222
3
33332
[]
x y z d M M M πσ≥
++
222
3
6
32
(296.3)(543.3)(271.7)12010
π=
++??
338.610m -=? 故d 取40m m 。
（三）校核曲柄臂的强度
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（2-2）截面应力分布图。 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1D ，2D ，3D 。
1）对1D 点进行应力分析。
1D 点处于单向压缩，所以正应力
22223F =N x z x
z
M M A
W W σ++
2222
2
F /6
/6
N x z M M bh
bh hb =
+
+
2）对2D 点进行应力分析。
2D 点扭转切应力：
22
y
M
hb τα=
正应力由轴力、绕Z
轴的弯矩共同引起。
222222
/6
N z z
N z F M A W F M bh
hb σ=+
=
+
由于2D 点处于二向应力状态，故选用第三强度理论：
2
2
34r σστ
=
+
3）对3D 点进行应力分析。
同理可得：
应用第三强度理论：
2
2
3''4'
r σστ=
+ 。
综上，曲柄臂满足强度要求时必须有：
1D 点：[]σσ≤ 2D 点：3[]r σσ≤ 3D 点：3'[]r σσ≤
出于经济性考虑，应该尽量使截面积S hb =最小。 根据以上分析可以编写计算机程序，取遍h 、b 所有值，计算出h 、b 的最优值。 由附录中C 程序子函数hb （）可以求出h 、b 的最优值如下。
h=57.39 mm b=22.95 mm
现在取h=57.39 mm ，b=22.95mm 对曲柄臂强度进行校核：
当h=57.39 mm ，b=22.95mm 时，查表3-1，利用插入法得：0.2580.767αγ==、 1）1D 点：
222222
''/6
N x x
N x F M A W F M bh
bh τγτσ==+=
+
2222
2
6
9
9
2
2
/6
/6
1509.2477.45217.310101057.3922.95
22.9557.39/6
57.3922.95/6
82.20[]
N x z F M M bh
bh hb M Pa σσ=+
+
=
?+
?+
????=<
所以1D 点安全。 2) 2D 点：
22
2
9
222
6
2
9
434.6
0.25857.3922.951055.74/6
1509.2217.3622.9557.3910
57.3922.9510
44.29y
N z M hb
M Pa
F M bh
b h M Pa
τασ---==
???==+
?=
+
????=
由第三强度理论
2
2
22
3444.29+455.74=119.96M Pa<[]
r σστ
σ=
+=?
所以2
D 点也满足强度条件。
3)3D 点：
222
6
2
9
'0.76755.7442.75'/6
1509.2477.45657.3922.9510
22.9557.3910
39.05N x M Pa M Pa F M bh
bh M Pa
τγτσ--==?==
+
?=
+
????=
由第三强度理论：
2
2
2
2
3''4'39.05442.7594.00[]
r M Pa σστσ=+=
+?=<
3D 也安全。
所以说，曲柄臂的强度是足够的。 （四） 校核主轴颈
H-H 截面处的疲劳强度
由《材料力学课程设计》附录得球墨铸铁（QT450-5）强度极限450b M Pa σ=。 查《材料力学》得有效应力集中系数 1.29K τ=，表面质量系数0.9438β=。 已知1180M Pa τ-=，0.05τψ=，0.78τε=。
FH 处只受扭转作用。
忽略键槽对抗扭截面系数的影响，H-H 截面抗扭截面系数：
3
16
p D
W π=
曲轴工作时，在不变扭矩e M 作用下，
min 3
33
16477.45
38/16
(4010)
e
M M Pa
D τππ---?=
=
=-??
曲轴不工作时， m a x 0τ= ∴min max
r ττ=
=-∞
故该循环为脉动循环。
m ax m in
-192
a M P a τττ==
m ax m in
192
m M P a
τττ+=
=-
安全系数：
1
180
n 5.57n 1.29190.0519
0.780.9438
a m
K ττ
ττττψτεβ
-=
=
=>?-?+?
所以，H-H 截面的疲劳强度是足够的。
（五）、 用能量法计算A-A 截面的转角,y
z
θ
θ。
采用图乘法分别求解截面的转角y z θθ，。
Ⅰ、求y θ：
1）在截面A 加一单位力偶矩y M 。
由平衡方程得：
12
11 3.44830.110.18
Az Fz F F N l l =-=
=
=++
B 点的弯矩为：
311()134483(0110036)074482
B
Az l M
F l ....N m =-?-
=-?-=?
E 点的弯矩为：
32() 3.4483(0.180.036)0.49662
E
Fz l M
F l N m
=?-
=?-=?
2）单位力偶矩作用下的内力图y M 与外载荷作用下的内力图y M 如下（弯矩
画在受压的一侧）： 单位:N ·
m
当h=57.39 mm ，b=22.95mm 时，查表可得：249.0=β
34
4
9
4
1(4010)
1501018849.56a m
64
64
D EI E
P ππ-??==??
=?
4
34
9
4
2(4010)
1501018849.56a m
64
64
d
EI E
P ππ-??==??
=?
杆件的抗扭刚度：
9312
3
4
150100.24957.3922.9510
10198.692(1+)
2(10.27)
t E hb
G I P a m
βμ-?????=
=
=??+1
1
121110.744812(0.110.036)365.5(0.7448)(0.180.036)434.60.4966232310.74480.620710.74480.6207365.50.0360.036(543.3365.5)(0.6207)223
0.036n
n
i ci
i ci
y i i i
t
M M EI G I EI EI ωωθ===
+
-??
=
?-??++?-???????+-?+
??+??-?+??+∑
∑
()
3
0.62070.4966
10.62070.4966434.60.036(543.3434.6)(0.6207)2
2
31365.50.060.7448434.60.060.49665.1310t
G I rad
-+-?
??+??-?-
?
?
+??+??=?方向与单位力偶相同。 Ⅱ、求z θ：
1）在截面A 加一单位力偶矩
z
M
。
2）单位力偶矩作用下的内力图与外载荷作用下的内力图如下（弯矩画在受压的
一侧）：
96
82
1501057.3922.9510
1.97510EA Ehb Pa m -==????=??
3
312
9
4
357.3922.9510
150108668.6712
12
hb
EI E
Pa m
-??==??
=?
1
1
121110.744812(0.110.036)182.8(0.7448)(0.180.036)217.30.4966232310.74480.620710.74480.6207182.80.0360.036(271.7182.8)(0.6207)2230.036n
n
i ci
i ci
z i i i
i
M M EI EA EI EI ωωθ===
+
-??
=
?-??++?-???????+-?+
??+??-?+??
+∑
∑
()()
33
0.62070.4966
10.62070.4966217.30.036(271.7217.3)(0.6207)2
2
31182.30.060.7448217.30.060.496611509.20.06 3.4482469.60.06 3.4482.8210EI EA
rad
-+-?
??+??-?-
?
?
+??+??+??-??
=
?
方向与单位力偶相同。
3.2、数据15-Ⅱ
/P kW
/(/min)n r
/r m
16.0 400 0.05
（一）画出曲轴的内力图
（1）. 外力分析
画出曲轴的计算简图（上图），计算外力偶矩。
16.0954********.96400
e P M N m n
=?
=?
=?
∴381.967639.20.05
e t M F N r
=
=
=
3819.62
t r F F N =
=
由平衡条件计算反力 在XOY 平面内: 2122370.8r Ay F l F N l l =
=+
112
1448.8r Fy F l F N l l =
=+
在XOZ 平面内：2124741.6t Az F l F N l l =
=+
112
2897.6t Fz F l F N l l =
=+
（2）内力分析
内力图如下，不计弯曲切应力，弯矩图画在纤维受压侧，根据内力图确定危截面。(单位：力-N 力矩N ·m)
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
1381.96x e M M N m ==?
312()434.62y Fz l M F l N m =?-
=?
312()217.32
z Fy l M F l N m =?-
=?
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 2381.96x e M M N m ==? 322()434.62y Fz l M F l N m =?-
=?
322()217.32
z Fy l M F l N m =?-
=?
21448.8N Fy F F N ==
3)曲轴颈CD 段中间截面（3-3）为危险截面，受扭转和两向弯曲
3237.1x Az M F r N m ==?
31521.6y A z M F l N m ==?
31260.8z A y M F l N m ==?
（二）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,可用第三强度理论计算：
2
2
2
31111
1r x y z M M M W σ=
++
222111
3
32
[]x y
z M M
M
D
σπ=
++≤
∴222
3
11132
[]
x y z D M M M πσ≥
++
材料力学课程设计 班级： 作者： 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 指导老师： 2007.11.05
班级 姓名 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 = 2t 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,已知数据如下表：
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
1前言 1.1柴油机与曲轴 1.1.1柴油机的工作原理 柴油机的每个工作循环都要经历进气、压缩、做功和排气四个过程。 四行程柴油机的工作过程：柴油机在进气冲程吸入纯空气，在压缩冲程接近终了时，柴油经喷油泵将油压提高到10MPa以上，通过喷油器以雾状喷入气缸，在很短时间内与压缩后的高温空气混合，形成可燃混合气。压缩终了时气缸内空气压力可达3.5～4.5MPa，温度高达476.85℃～726.85℃，极大地超过柴油的自燃温度，因此柴油喷人气缸后，在很短的时间内即着火燃烧，燃气压力急剧达到6～9MPa，温度升高到1726.85℃～2226.85℃。在高压气体推动下，活塞向下运动并带动曲轴旋转做功。废气同样经排气门、排气管等处排出。 四行程柴油机的每个工作循环均经过如下四个行程： （1）进气行程在这个行程中，进气门开启，排气门关闭，气缸与化油器相通，活塞由上止点向下止点移动，活塞上方容积增大，气缸内产生一定的真空度。可燃混合气被吸人气缸内。活塞行至下止点时，曲轴转过半周，进气门关闭，进气行程结束。 由于进气道的阻力，进气终了时气缸内的气体压力稍低于大气压，约为0.07～0.09MPa。混合气进入气缸后，与气缸壁、活塞等高温机件接触，并与上一循环的高温残余废气相混合，所以温度上升到96.85℃～126.85℃。 （2）压缩行程进气行程结束后，进气门、排气门同时关闭。曲轴继续旋转，活塞由下止点向上止点移动，活塞上方的容积缩小，进入到气缸中的混合气逐渐被压缩，使其温度、压力升高。活塞到上止点时，压缩行程结束。 压缩终了时鼓，混合气温度约为326.85℃～426.85℃，压力一般为0.6～ 1.2MPa。 （3）做功行程活塞带动曲轴转动,曲轴通过转动把扭矩输出。 （4）排气行程进气口关闭，排气口打开，排除废气。 由上可知，四行程汽油机或柴油机，在一个工作循环中，只有一个行程作功，其余三个行程作为辅助行程都是为作功行程创造条件的。因此，单缸发动机工作不平稳。现代汽车都采用多缸发动机，在多缸发动机中，所有气缸的作功行程并不同时进行，而尽可能有一个均匀的作功间隔，因而多缸发动机曲轴运转均匀，工作平稳，并可获得足够大的功率。例如六缸发动机，在一个工作循环中，曲轴要旋转720°，曲轴转角每隔120°就有一个气缸作功。
柴油机曲轴ANSYS计算报告 蔡川东:20114541
目录 1摘要3 2workbench高级应用基础3 2.1接触设置 (3) 2.2多点约束MPC (4) 3模型介绍5 3.1模型简化 (5) 3.1.1轴瓦建立 (6) 3.1.2质量块建立 (6) 3.2材料性能和参数 (7) 3.3有限元模型构建 (7) 4强度分析9 4.1理论简介 (9) 4.2载荷工况 (9) 4.3计算分析 (11) 5模态分析12 5.1理论简介 (12) 5.2约束条件 (12) 5.3计算分析 (12) 6结果与讨论13
1摘要 曲轴是柴油机中最重要的部件之一，也是受力情况最复杂的部件，他的参数尺寸以及设计方法在很大程度上影响着柴油机的性能和可靠性。随着柴油机技术的不断完善和改进，曲轴的工作条件也越来越复杂。曲轴设计是否可靠,对柴油机使用寿命有很大影响，因此在研制过程中需要给予高度重视。因此，对曲轴的结构进行强度分析在柴油机的设计和改进过程中占有极为重要的地位。此外，在周期性变化的载荷作用下，曲轴系统可能在柴油机转速范围内发生共振，产生附加的动应力，使曲轴过早的出现弯曲疲劳破坏和扭转疲劳破坏，因此有必要对曲轴进行动态特性分析以获取其固有频率避免共振带来不良影响。本文以六缸柴油机的曲轴为对象，计算分析了曲轴在一种载荷工况下的强度分析，找出其最大应力所在位置，以及讨论起是否在参考安全范围内，为曲轴设计中的强度计算提供一种可行性方案。同时对曲轴进行模态分析，找出其各阶固有频率，并观察其各阶模态形状，为柴油机避免共振提供数据参考。 实验采用有限元法对曲轴进行分析，有限元法是根据变分原理求解数学物理问题的一种数值计算方法，是分析各种结构问题的强有力的工具，使用有限元法可方便地进行分析并为设计提供理论依据。本文利用曲轴的三维模型IGES文件，导入Workbench中进行工况设计。比较准确地得到应力、变形的大小及分布和曲轴的固有频率及振型。 2workbench高级应用基础 2.1接触设置 (1)接触问题属于不定边界问题，即使是弹性接触问题也具有表面非线性，其中既有由接触面 积变化而产生的非线性及由接触压力分布变化而产生的非线性，也有由摩擦作用产生的非线性。由于这种表面非线性和边界不定性，所以，一般来说，接触问题的求解是一个反复迭代过程。 当接触内力只和受力状态有关而和加载路径无关时，即使载荷和接触压力之间的关系是非线性的，仍然属于简单加载过程或可逆加载过程。通常无摩擦的接触属于可逆加载。当存在摩擦时，在一定条件下可能出现不可逆加载过程或称复杂加载过程，这时一般要用载荷增量方法求解。 (2)接触面的连接条件。在接触问题中，除了各相互接触物体内部变形的协调性以外，必须保 证各接触物体之间在接触边界上变形的协调性，不可相互侵入。同时还包括摩擦条件—称为接触面的连接条件。采用有限元法分析接触问题时，需要分别对接触物体进行有限元网格剖分，并规定在初始接触面上，两个物体对应节点的坐标位置相同，形成接触对。 (3)workbench中有5中接触类型分别是: ?Bonded无相对位移。就像共用节点一样。 ?No seperation法向不分离，切向可以有小位移。 ?Frictionless法向可分离，但不渗透，切向自由滑动 ?Rough法向可分离，不渗透，切向不滑动
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;
重庆大学网络教育学院 毕业设计（论文） 柴油机曲轴零件加工工艺及夹具设计 学生所在校外学习中心江苏张家港校处学习中心批次层次专业111 专升本机械设计制造及其自动化学号 w11107861 学生 指导教师 起止日期 2013.1.21--2013.4.14
摘要 曲轴是发动机上的一个重要的旋转机件，装上连杆后，可承接活塞的上下(往复)运动变成循环运动。曲轴主要有两个重要加工部位：主轴颈和连杆颈。主轴颈被安装在缸体上，连杆颈与连杆大头孔连接，连杆小头孔与汽缸活塞连接，是一个典型的曲柄滑块机构。发动机工作过程就是：活塞经过混合压缩气的燃爆，推动活塞做直线运动，并通过连杆将力传给曲轴，由曲轴将直线运动转变为旋转运动。而曲轴加工的好坏将直接影响着发动机整体性能的表现。曲轴的材料是由碳素结构钢或球墨铸铁制成的，有两个重要部位：主轴颈，连杆颈。 这次毕业设计介绍柴油机曲轴加工工艺规程及相关夹具的设计，及曲轴的规程制定中遇到问题的分析，经济性分析，工时定额，切削用量的计算。同时还介绍曲轴加工中用到的两套夹具的设计过程。在工艺设计中，结合实际进行设计，对曲轴生产工艺进行了改进，优化了工艺过程和工艺装备，使曲轴的生产加工更经济、合理。 根据现阶段机械零件的制造工艺和技术水平，本着以制造技术的先进性，合理性，经济性进行零件的形状、尺寸、精度等级、表面粗糙度、材料等技术分析。并根据以上分析来选择合理的毛坯制造方法，设计工艺规程，夹具设计。 关键词：柴油机曲轴工艺夹具
目录 中文摘要…………………………………………………………………………………………I 1.引言 (1) 2.曲轴的生产纲领 (2) 3.零件的分析 (2) 3.1曲轴的用途及工作条件 (2) 3.2分析零件上的技术要求，确定要加工的表面 (3) 3.3加工表面的尺寸和形状精度 (4) 3.4尺寸和位置精度 (4) 3.5加工表面的粗糙度及其它方面的质量要求 (4) 3.6热处理要求 (4) 4.曲轴材料和毛坯的定 (4) 4.1确定毛坯的类型 (4) 4.2确定毛坯的生产方法 (4) 4.3确定毛坯的加工余量 (4) 5.曲轴的工艺过程设计 (5) 5.1粗、精加工的定位基准 (5) 5.1.1粗加工 (5) 5.1.2粗加工 (5) 5.2工件表面加工方法的选择 (5) 5.3曲轴机械加工的基本路线 (5) 5.4加工余量及毛坯尺寸 (6) 5.5工序设计 (6) 5.5.1加工设备与工艺装备的选择 (8) 5.5.2机械加工余量、工序尺寸及公差的确定 (9) 5.6确定工时定额 (11) 5.7机械加工工艺规程卡片和机械加工工序卡片 (12) 5.7.1机械加工工艺过程卡片 (12) 5.7.2机械加工工序卡片 (12) 6.柴油机曲轴加工键槽夹具设计 (13) 6.1.1夹具类型的分析 (13) 6.1.2工装夹具定位方案的确定 (13) 6.1.3工件夹紧形式的确定 (13) 6.1.4对刀装置 (13) 6.1.5分度装置的确定以及补补助装置 (14) 6.1.6夹具定位夹紧方案的分析论证 (14) 6.1.7夹具结构类型的设计 (15) 6.2夹具总图设计 (16) 6.4绘制夹具零件图 (16)
材料力学课程设计 学号：41091307 姓名：吴茂坤 题目：单缸柴油机曲轴的强度设计及刚度计算、疲劳强度校核指导老师：李锋 2011.10.20
目录 一、课程设计的目的 (2) 二、课程设计的任务和要求 (2) 三、设计题目 (3) 四、设计过程 (4) 1、画出曲轴的内力图 (4) 2、设计曲轴颈直径d和主轴颈直径D (6) 3、校核曲柄臂的强度 (7) 4、校核主轴颈H-H截面处的疲劳强度 (9) 5、用能量法计算A-A截面的转角yθ,zθ (9) 五、设计的改进措施及方法 (13) 六、程序计算部分 (13) 七、设计体会 (15) 八、参考文献 (15)
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。
发动机曲轴结构设计 Document number：PBGCG-0857-BTDO-0089-PTT1998
曲轴的结构 曲轴的作用是把活塞往复运动通过连杆转变为旋转运动，传给底盘的传动机构。同时，驱动配气机构和其它辅助装置，如风扇、水泵、发电机等【18】。 曲轴一般由主轴颈，连杆轴颈、曲柄、平衡块、前端和后端等组成，如图所示。一个主轴颈、一个连杆轴颈和一个曲柄组成了一个曲拐，直列式发动机曲轴的曲拐数目等于气缸数，而V型发动机曲轴的曲拐数等于气缸数的一半。 图 主轴颈是曲轴的支承部分，通过主轴承支承在曲轴箱的主轴承座中。主轴承的数目不仅与发动机气缸数目有关，还取决于曲轴的支承方式。 曲柄是主轴颈和连杆轴颈的连接部分，断面为椭圆形，为了平衡惯性力，曲柄处常设置平衡重。平衡重用来平衡发动机不平衡的离心力矩及一部分往复惯性力，从而保证了曲轴旋转的平稳性【19】。 曲轴的连杆轴颈是曲轴与连杆的连接部分，曲柄与主轴颈的相连处用圆弧过渡，以减少应力集中。直列发动机的连杆轴颈数目与气缸数相等而V型发动机的连杆轴颈数等于气缸数的一半。
曲轴前端装有正时齿轮，以驱动风扇和水泵的皮带轮以及起动爪等。为了防止机油沿曲轴轴颈外漏，在曲轴前端装有一个甩油盘，在齿轮室盖上装有油封。曲轴的后端用来安装飞轮，在后轴颈与飞轮凸缘之间制成档油凸缘与回油螺纹，以阻止机油向后窜漏。 曲轴的形状和曲拐相对位置取决于气缸数、气缸排列和发动机的发火顺序。多缸发动机的发火顺序应使连续作功的两缸保持尽量远的距离，这样既可以减轻主轴承的载荷，又能避免可能发生的进气重叠现象。此外作功间隔应力求均匀，也就是说发动机在完成一个工作循环的曲轴转角内，每个气缸都应发火作功一次，以保证发动机运转平稳。 曲轴的作用：它与连杆配合将作用在活塞上的气体压力变为旋转的动力，传给底盘的传动机构。同时，驱动配气机构和其它辅助装置，如风扇、水泵、发电机等。工作时，曲轴承受气体压力，惯性力及惯性力矩的作用，受力大而且受力复杂，并且承受交变负荷的冲击作用。同时，曲轴又是高速旋转件，因此，要求曲轴具有足够的刚度和强度，具有良好的承受冲击载荷的能力，耐磨损且润滑良好【20】。 曲轴的疲劳损坏形式 曲轴的工作情况十分复杂，它是在周期性变化的燃气作用力、往复运动和旋转运动惯性力及其他力矩作用下工作的，因而承受着扭转和弯曲的复杂应力。曲轴箱主轴承的不同心度会影响到曲轴的受力状况，其次，由于曲轴弯曲与扭转振动而产生的附加应力，再加上曲轴形状复杂，结构变化急剧，产生了严重的应力集中。最后曲轴主轴颈与曲柄销是在比压下进行高速转动，因而产生强烈的磨损。因此柴油机在运转中发生曲轴裂纹和断裂事故不为鲜见，尤其是发电柴油机曲轴疲劳破坏较多。依曲轴产
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 )
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：
材料力学课程设计 班级：441006班 作者：刘百川44100608 题目：单缸柴油机曲轴的强度设计 及刚度计算、疲劳强度校核题号：4 数据号：24 指导老师：李锋
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课程之后，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的计算方法，又提高了分析问题、解决问题的能力；既是对以前所学的知识的综合应用，又为后续课程的学习打下基础，并初步掌握工程设计思想和设计方法，对实际工作能力有所提高。具体有以下六项： 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，因而课程设计可以把材料力学知识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.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。 6.为后续课程的学习打下基础。 课程设计的任务和要求 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。
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2t r F F = 。曲柄臂简化为矩形截面，1.4 1.6h D ≤≤，2.54h b ≤≤, 3 1.2l r =。
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·