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
材料力学课程设计之单缸柴油机曲轴的强度设计
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eM，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≤hb≤4, 3l =1.2r,已知数据如下表：1/l m2/l m/E Gpaμ[]/Mpa σ1/Mpa τ-0.11 0.181500.27120180τψτε/P kW/(/min)n r/r m0.05 0.7815.52800.06(一) 画出曲轴的内力图。
柴油机曲轴静强度分析
柴油机曲轴静强度分析李宁;陈克【摘要】发动机工作中曲轴承受着周期性变化的交变载荷,会引起曲轴的疲劳失效.对曲轴三维模型进行基于有限元法的疲劳强度分析.用HyperMesh建立曲轴网格模型,使用Abaqus加载弹簧约束、余弦载荷,使计算模型更接近于实际工况,得到曲轴应力载荷分布图;计算出曲轴强度安全系数,并对其进行校核,最后提出提高曲轴疲劳强度的措施.【期刊名称】《沈阳理工大学学报》【年(卷),期】2018(037)003【总页数】5页(P75-79)【关键词】曲轴;HyperMesh;Abaqus;疲劳强度【作者】李宁;陈克【作者单位】沈阳理工大学汽车与交通学院,沈阳110159;沈阳理工大学汽车与交通学院,沈阳110159【正文语种】中文【中图分类】TK422大量试验表明,柴油机曲轴失效破坏的主要形式是弯曲疲劳断裂,这与曲轴的结构特点和受力工况有关。
大多数研究采用整体曲轴进行分析,而曲轴静强度分析主要用于概念设计阶段对曲轴的评估,或用在优化设计曲轴时对比曲轴强度的变化,可不必采用整体曲轴模型[1]。
确定曲轴强度的方法有两种:一是试验研究、二是分析计算。
由于试验研究费用高,只能在已制成的曲轴进行,不能在设计阶段进行,并且不能代表整批曲轴强度,因此应采用分析计算[2]。
曲轴强度的计算方法主要有三种,即截断简支梁法、连续梁法和有限元法[3]。
简支梁法计算简单,使用方便;连续梁法计算复杂,但与实测结果比较吻合;有限元法计算精确,可准确地计算出曲轴应力[4]。
本文基于有限元法加载余弦载荷,进行求解计算,得到应力分布情况,使用HyperMesh和Abaqus有限元软件联合对A和B两种不同几何结构的柴油机曲轴模型静强度进行分析。
曲轴简化为1/2曲拐模型,采用不同网格类型对其划分,计算在余弦载荷工况下的曲轴强度,对于曲轴设计及优化具有参考意义。
1 曲轴模型的建立根据柴油机曲轴结构参数,用Pro/E软件画出柴油机1/2 曲轴几何模型A、B,如图1所示。
单缸柴油机曲轴的强度设计及刚度计算、疲劳强度校核
单缸柴油机曲轴的强度设计及刚度计算、疲劳强度校核吉林大学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、疲劳强度校核数据号：7.2I16学号：4212XXXX姓名：学长只能帮你到这了指导教师：魏媛2014年9月9日目录：1.设计目的2.设计任务及要求2.1设计计算说明书的要求2.2分析讨论及说明部分的要求2.3程序计算部分的要求3.设计题目及设计内容4.设计的改进意见及措施4.1提高曲轴的弯曲强度 4.2提高曲轴的弯曲刚度 4.3提高曲轴的疲劳强度5.设计体会6.参考文献7.附录7.1 通用程序框图7.2 C语言程序7.3 计算输出结果7.4 标识符1.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，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。
2.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。
柴油机曲轴的静强度及疲劳计算分析
2. 强度计算模型
2.1 模型建立 6L280型柴油机曲轴结构复杂，主体结构包括主轴颈、曲柄销、曲柄臂等。因此，曲轴
计算中不仅要考虑各种复杂的载荷，还要尽量模拟对曲轴强度、疲劳有影响的复杂细部结 构，曲轴计算工作量大、复杂性高。为了较准确、经济地模拟曲轴结构的强度、疲劳性能， 首先在ANSYS Mechanical软件的前处理模块中，建立如图1所示的。图中坐标系规定从输出 端指向自由端为Z轴正方向。随后各图的坐标系规定与此相同。
600
57.8
第六主轴颈与第六曲柄臂间的圆根
625
74.1
第五主轴颈与第八曲柄臂间的圆根
645
44.2
第四曲柄销表面横油孔
685
36.1
输出端圆根
安全 系数 9.31 8.56 11.82 12.66 9.83 15.28 14.48 8.54 7.02 10.96 8.18 7.38 8.46 15.65 9.19 13.24 11.02 8.60 14.41 17.64
位置
0
68.4
第一曲柄销与第一曲柄臂间的圆根
35
74.4
第四曲柄销与第八曲柄臂间的圆根
75
53.9
第三主轴颈与第五曲柄臂间的圆根
120
50.3
第五曲柄销内部横油孔
145
64.8 第六曲柄销与第十一曲柄臂间的圆根
180
41.7 第六曲柄销与第十一曲柄臂间的圆根
205
44.0 第六曲柄销与第十一曲柄臂间的圆根
250
74.6
第四主轴颈与第七曲柄臂间的圆根
曲柄轴的强度设计,疲劳校核及刚度计算课程设计 刘晨
材料力学课程设计班级：机械工程系铁道车辆1班作者：刘晨（2014120892）题目：曲轴的强度设计、疲劳强度校核及刚度计算指导老师：任小平老师2016年6月9日目录一、课程设计的目的-------------------------------------------2二、课程设计的任务和要求---------------------------------3三、设计计算说明书的要求---------------------------------3四、分析讨论及说明部分的要求--------------------------4五、程序计算部分的要求------------------------------------4六、设计题目-----------------------------------------------------4七、设计内容-----------------------------------------------------5（一）画出曲柄轴的内力图-------------------------6（二）设计曲柄颈直径d，主轴颈直径D-------7（三）校核曲柄臂的强度-----------------------------8（四）校核主轴颈的疲劳强度----------------------11（五）用能量法计算A截面的转角---------------12（六）计算机程序--------------------------------------14八、设计的改进措施及方法------------------------------18九、设计体会--------------------------------------------------19十、参考文献--------------------------------------------------20一、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。
曲柄轴的强度设计、疲劳强度校核及刚度计算
材料力学课程设计设计计算说明书设计题目：曲柄轴的强度设计、疲劳强度校核及刚度计算序号: 160题号: 10 - 16教学号:专业: 土木工程（路桥）姓名：指导教师：目录一、材料力学课程设计的目的—————————2二、材料力学课程设计的任务和要求——————3三、设计计算说明书的要求——————————3四、分析讨论及说明部分的要求————————4五、程序计算部分的要求———————————4六、设计题目————————————————5七、设计内容————————————————6 （一）画出曲柄轴的内力图------------------ 7 （二）设计曲柄颈直径d，主轴颈直径D------- 9 （三）校核曲柄臂的强度--------------------10 （四）校核主轴颈的疲劳强度--------------- 14 （五）用能量法计算A截面的转角----------- 15 （六）计算机程序------------------------- 17八、设计体会——————————————----21九、参考文献——————————————----21一、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；既能对以前所学的知识（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）的综合应用，又为后继课程（机械设计、专业课等）得学习打下基础，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。
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问题。
单缸柴油机曲轴的强度设计及刚度计算、疲劳强度校核 杨韬讲诉
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 =2tF 。
曲柄臂简化为矩形截面，1.4≤h D ≤1.6，2.5≤hb≤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：计算外力偶矩：Me=9549·Pn=9549×16.4/300=572.94 计算切向力Ft ，径向力Frt F =e M r =9549N r F =2t F=4774.5N 由平衡条件计算反力：在xOy 平面: Ay F =212r F l l l +=2963.5N Fy F =112r F l l l +=1811N在xOz 平面: Az F =212t Fl l l +=5927N Fz F =112t Fl l l +=3622N (3)内力分析：画出内力图。
曲柄轴的强度设计、疲劳强度校核及刚度计算说明
曲柄轴的强度设计、疲劳强度校核及刚度计算说明材料力学课程设计设计计算说明书设计题目：曲柄轴的强度设计、疲劳强度校核及刚度计算序号: 160题号: 10 - 16教学号:专业: 土木工程（路桥）姓名：指导教师：目录一、材料力学课程设计的目的—————————2二、材料力学课程设计的任务和要求——————3三、设计计算说明书的要求——————————3四、分析讨论及说明部分的要求————————4五、程序计算部分的要求———————————4六、设计题目————————————————5七、设计内容————————————————6 （一）画出曲柄轴的内力图------------------ 7 （二）设计曲柄颈直径d，主轴颈直径D------- 9 （三）校核曲柄臂的强度--------------------10 （四）校核主轴颈的疲劳强度--------------- 14 （五）用能量法计算A截面的转角----------- 15 （六）计算机程序------------------------- 17八、设计体会——————————————----21九、参考文献——————————————----211一、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；既能对以前所学的知识（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）的综合应用，又为后继课程（机械设计、专业课等）得学习打下基础，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。
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问题。
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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 =2tF 。
曲柄臂简化为矩形截面，1.4≤h D ≤1.6，2.5≤hb≤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 m2/l m/E Gpaμ[]/Mpa σ1/Mpa τ-0.11 0.18 150 0.27120180 τψτε/P kW/(/min)n r/r m0.05 0.7816.4300 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·Pn=9549×16.4/300=572.94 计算切向力Ft ，径向力Frt F =e M r =9549N r F =2t F=4774.5N 由平衡条件计算反力：在xOy 平面: Ay F =212r F l l l +=2963.5N Fy F =112r F l l l +=1811N在xOz 平面: Az F =212t F l l l +=5927N Fz F =112t F ll l +=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 ）My图438.6438.6521.6521.6Mx图355.6573573355.6N260.8260.8219.3219.3Mz图18112963.5F 图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1x M =e M =572.94N ·m1y M =Fz F ·（2l -32l ）=521.6N ·m 1z M =Fy F ·（2l -32l ）=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2x M =e M =572.94N ·m2y M =Fz F ·（2l -32l ）=521.6N ·m 2z M =Fy F ·（2l -32l ）=300.8N ·m 2N F =Fy F =1811N③曲轴颈以CD 段中间（3-3）截面K 最危险，受扭转和两向弯曲3x M =Az F ×r=355.62N ·m3y M =Az F ×1l =651.97N ·m3z M =Ay F ×1l =325.99N ·m3.2 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2234r σστ=+⨯2223331x y z M M M W++≤[σ]其中3132W dπ= 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2234r σστ=+⨯2221111x y z M M M W++[σ]其中3132W Dπ= 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=42mm3.3 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Q F 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）应力分布图根据应力分布图，可以判定处可能的危险点有1D ，2D ，3D 三点。
①对1D 点进行力分析。
由于1D 点处于单 向压缩，所以为正压力的代数叠加，即σ=222222N x zx zF M M A W W ++ =22266Fye zF M M hb h b hb⨯⨯++ =86.35Mpa ＜[σ] 所以1D 点安全。
②对2D 点进行应力分析。
2D 点有扭转切应力，τ=22yM hbα=58.53Mpa2D 点的正应力为轴向力和绕z 轴的弯矩共同引起的，即σ σσ σσ=2222N z z F M A W +=226Fy zF M hb hb⨯+=46.56MPa 2234r σστ=+⨯又125.61120100120-⨯％=4.673％＜5％ 所以2D 点安全。
③3D 点处于二向应力状态1max 0.76758.5344.89MPa τντ==⨯=σ=2222N x x F M A W +=26Fy eF M hb h b⨯+=41.05MPa 2234r σστ=+⨯＜[σ] 所以3D 点安全。
综上1D ，2D ，3D 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 b σ=450MPa 端铣加工键槽车削加工表面，查P369可得 K τ=1.29，β=0.9438 已知 1τ-=180MPa r ε=0.78 τψ=0.05 n=2 FH 处只受扭转作用（忽略键槽对抗扭系数的影响p W 的影响min τ=1x pM W -=1216xM D π-⨯=-39.39MPa max τ=0 r=minmaxττ=-∞ 即扭转切应力为脉动循环。
m max min 1()19.702MPa τττ=+=-max min 1()19.702a MPa τττ=-=n=1a mr K ττττψτεβ-+=1801.2919.700.0519.700.780.9438-=5.37＞n=2所以H-H 截面处的疲劳强度足够。
由122τττψτ-∞--∞-=解得FH 的持久极限τ-∞=342.86MPa构件的持久极限曲线：3.5 运用能量法计算A-A 截面处的转角y θ和z θ运用图乘法求解y θ和z θ。
（1）求y θ：在截面A-A 处施加单位力偶y M =1.弯矩图y M 和单位力矩作用下的弯矩图y M 如下10.7450.497521.6521.6438.6438.6M y 0.830.6830.6210.5590.4970.331M=1图图y M w 1w 2w 3w 4w 5w 6w 7w 8a τ/m τ/102.7441294142101501022911.75.6464D EIE Pa m ππ-⨯⨯==⨯⨯= 441294341101*********.38.6464d EI EPa m ππ-⨯⨯==⨯⨯=3931234150100.24960.0123.991012183.482(1)2(10.27)p E hb GI G hb Pa m ββμ-⨯⨯⨯⨯⨯====+⨯+ ''111nni cii ciy i i pM M EI GI ωωθ===+∑∑=118811()M M EI ωω++3345556731()M M M M EI ωωωω+++ +22771()pM M GI ωω+=（1.13+1.21+2.89）/1000=5.23×310-rad（2）求z θ：在截面A-A 处施加单位力偶z M =1.作弯矩图z M 和单位力矩图z M 以及轴力图N F 和N F 如下M z =1M z 图M z 图219.3219.3326260.8260.81F N 图F N 图 3.4483.4481213.448Fy Ay F F N l l =-==+ 331294260.0123.99101501010356.77.1212hb EI E Pa m -⨯⨯==⨯⨯=93641501060.0123.9910215945985.EA Ehb Pa m -==⨯⨯⨯⨯=''111nni cii Nciz i i M F EI EAωωθ===+∑∑=118811()M M EI ωω++227721()M M EI ωω++9910101()M M EAωω-+ +3345556731()M M M M EI ωωωω+++ =(0.565+1.697-0.00032+0.601)×310- =2.86×310-rad四、分析计算和设计4.1 对计算过要说明(1)所有图线都是由AutoCAD2004软件绘制，部分数学公式经Mathtype6.5编辑而成。
(2) 在画内力图时，由于不计弯曲切应力，故未画剪力图。
(3) 在设计D,d 和校核强度时，由于材料是球墨铸铁（QT450-5），其金属性与钢接近，塑性好，强度较高，且处于复杂应力状态，故采用第三强度理论校核。
(4) 在设计h 、b 的实际尺寸时，是通过程序在题设范围1.4≤ hD≤1.6，2.5≤h b≤4之间变化取值进行校核强度，直到得出使截面积最小的最佳结果。
(5) 在校核H-H 处的疲劳强度时，忽略了键槽对扭转切应力 max τ的影响。
因此p W 值不变，p W =216D π。
(6) 发动机曲轴应力属于脉动循环振动应力，柴油机工作良好的情况下，可认为曲轴受到不变的转动力矩，校核强度时，设曲轴工作在脉动循环下。