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 ≤≤，2.54hb≤≤, 3 1.2l r =。
已知数据如下表：注：带*标记的为独立的一组设计计算数据，与他人不相同。
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.设计曲柄臂尺寸h和b。
n=。
键槽为端铣加工，4.校核主轴颈H-H截面处的疲劳强度，取疲劳安全系数2主轴颈表面为车削加工。
θθ。
5.用能量法计算A-A截面的转角,y z作答如下：1.画出曲轴的内力图（1） 外力分析画出曲轴的计算简图。
外力偶矩e M =9549P n =9549×14.0450=297N m ⋅ t F =eM r =5940N r F =2tF =2970N下面计算反力 在面xOy 内：Ay F =212r F l l l +=1843N Fy F =112r F l l l +=1127N 在面xOy 内：Az F =212t F l l l +=3687N Fz F =112t F l l l +=2253N （2）内力分析A ．主轴颈的EF 左端（1-1）截面受扭转和两向弯曲，为最危险：1x M =e M =297N m ⋅ 1y M =Fz F （2l –32l ）=338N m ⋅1z M =Fy F （2l –32l ）=169N m ⋅ B ．曲柄臂DE 段下端（2-2）截面受扭转、两向弯曲和压缩，为最危险。
2x M =e M =297N m ⋅ 2y M =Fz F （322l l -）=338N m ⋅ 2z M =Fy F （322l l -）=169N m ⋅ 2N F =Fy F =1127NC ．曲柄颈CD 段中间截面（3-3）受扭转和两向弯曲，为最危险。
3x M =Az F r =184N m ⋅ 3y M =Az F 1l =406N m ⋅3z M =Ay F 1l =203N m ⋅做图如下页所示（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 ）yxM 295295406338338M447447297297NF 18431127zM 1471474061691692.设计曲轴颈直径d 和主轴颈直径D(1)主轴颈的危险截面为EF 的最左端，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3r σσ=≤[] 其中31132W Dπ= 得34.4D mm ≥取36D mm =(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：3r σσ=[] 其中33132W dπ= 得34.6d mm ≥取36d mm =3.校核曲柄臂的强度（具体求解通过C 程序可得，见附录） 由程序得,h b 的最佳值为52h mm =，21b mm =。
查表得0.258α=，0.767γ=4.校核主轴颈H-H 截面处的疲劳强度由题意450b MPa σ=查表得1.3K τ=0.9438β=已知1180MPa τ-=0.78τε=0.05τϕ=2n =FH 处只受扭转作用。
133329732.42(3610)1616x M MPa D τππ---===-⨯⨯⨯ τmaxr =所以，扭转切应力为脉动循环。
min 16.212a m MPa τττ=-=-=m 16.21MPa τ=-安全系数11806.4711.316.210.0516.210.780.9438a mn n K ττττττϕτεβ-===>⨯+-⨯⨯所以，H-H 截面的疲劳强度足够。
5. 用能量法计算A-A 截面的转角y θ,z θa.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 如下页图5-1所示（画在受压一侧）：10.7240.5170.517338338406295295M y图5-1由平衡方程得12113.4480.110.18Az Fz F F N l l =-===++ B 点的弯矩为310.0611 3.4480.110.72422B Az l M F l N m ⎛⎫⎛⎫=--=-⨯-=⋅ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭E 点的弯矩为320.063.4480.180.51722E Fz l MF l N m ⎛⎫⎛⎫=-=⨯-=⋅ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭由图乘法：52h mm =，21b mm =查表得0.249β=441294136101501012367.196464D EI EPa m ππ-⨯⨯==⨯⨯=⋅441294336101501012367.196464d EI EPa m ππ-⨯⨯==⨯⨯=⋅()()393124150100.2495221106996.0621210.27p E hb GI Pa m βμ-⨯⨯⨯⨯⨯===⋅+⨯+11''nncici i i y i i ipM M EI GI ωωθ===+∑∑()()11110.724120.110.032950.7240.180.033380.5172323EI ⎡-⎤⎛⎫=⨯-⨯⨯++⨯-⨯⨯⨯ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦()3110.7240.6210.7240.6210.034062950.6210.03295232EI ⎡-+⎛⎫+⨯⨯-⨯++⨯⨯ ⎪⎢⎝⎭⎣()10.6210.5170.6210.5174063380.030.6213380.03232-+⎤⎛⎫+⨯-⨯⨯-+⨯⨯ ⎪⎥⎝⎭⎦()12950.050.7244060.050.517pGI +⨯⨯+⨯⨯ 35.17210rad -=⨯b.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 如下图5-2,5-3所示（画在受压一侧）：0.5170.5170.7241169169147147M z 图5-23.4483.4481127NF 1843图5-3使用同样方法可得到： 3.448Fy Ay F F N =-=0.745B M N m =⋅0.517E M N m =⋅由图乘法：968215010522110 1.6410EA Ehb Pa m -==⨯⨯⨯⨯=⨯⋅3312942522110150106019.651212hb EI E Pa m -⨯⨯==⨯⨯=⋅11n n ci i i Nci z i i i i M F EI EA ωωθ===+∑∑()()11110.724120.110.031470.7240.180.031690.5172323EI ⎡-⎤⎛⎫=⨯-⨯⨯++⨯-⨯⨯⨯ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦()211470.050.7241690.050.517EI +⨯⨯+⨯⨯()3110.7240.6210.7240.6210.034061470.6213840.03232EI ⎡-+⎛⎫+⨯⨯-⨯++⨯⨯ ⎪⎢⎝⎭⎣()()20.6210.51710.6210.7244061690.030.5171470.036232⎤⨯-⎛⎫++⨯-⨯⨯++⨯⨯⎥ ⎪⎝⎭⎦()118490.05 3.44811270.05 3.448EA+⨯⨯-⨯⨯ 33.64010rad -=⨯分析讨论及必要说明在本次设计中，以下几点需要说明。
1.在外力分析中，设定未知力的时候由于已知无X 方向的外力，故未设Ax Ay F F 和；2.在画内力图时，不计弯曲切应力故未画剪力图；3.在强度计算方面，由于材料是球墨铸铁，物理性质与钢相近。
所以采用了第三强度理论而不是第一或第二强度理论；4.在校核主轴颈H-H 截面处的疲劳强度时，忽略了键槽对max τ的影响。
设计的改进措施及方法提高曲轴的弯曲强度合理安排曲轴的受力情况及合理设计截面。
但对于该曲轴，则只能采用合理安排曲轴的受力情况。
在机械结构允许的情况下可以采取将集中载荷适当分散或集中力尽量靠近支座的方法。
提高曲轴的弯曲刚度提高弯曲刚度的主要措施有：改善结构形式，减少弯矩的数值，选择合理的截面，合理选材等。
但对于该曲轴，则只能改善结构形式，减少弯矩的数值以及合理选材的方法。
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，可以采用精细加工降低表面粗糙度，如果将材料改为高强度钢就尤其要注意；二是增加表面强度，对曲轴中应力集中的部分，如键槽处应采取某些工艺措施，即表面热处理或化学处理，如表面高频淬火、渗碳、滚压、喷丸等。
设计体会通过这次课程设计，我对于材料力学有了更深的认识。
材料力学是一门被各个领域广泛应用的学科，是通过理论与实践来进行强度，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，初步了解和掌握工程实践中的设计思想和方法。