轴的结构与强度辅导

1、轴的结构与强度辅导轴是重要的支承零件，它支持传动零件以传递力和转矩。轴的设计主要涉及轴的类型、材料、 结构与强度等内容。在学习之前， 请先复习教材第七章第九节交变应力与疲劳失效的有关内容。一、轴按载荷分类轴有多种分类方法， 通常可按轴所受的载荷分类，以便分析应力和制定相应的计算方法。根据承载情况， 轴可分为转轴、 心轴和传动轴三类。工作中既受弯矩又受转矩的轴称为转轴；只承受弯矩而不传递转矩的轴称为心轴，心轴又可分为转动心轴和固定心轴两种；只传递转矩而不承受弯矩（或弯矩很小，可略去不计）的轴称为传动轴。根据轴所受载荷，转轴同时受到正应力和剪应力的作用；而心轴和传动轴则分别只承受正应力和剪应力。轴

2、的应力性质不仅取决于轴的载荷，而且也与轴的工作情况有关。例如： 对于双向转动的转轴，扭转剪应力为对称循环变应力；而单向转动的转轴，考虑到起动停机等因素，一般情况其扭转剪应力可认为是脉动循环应力，但如果轴在起动后长期连续工作，也可按静应力考虑。 同样，对于固定心轴，所受载荷变化较大或频繁加载卸载时，其弯曲力也可认为是脉动循环变应力，若机器长期稳定工作，则可考虑为静应力。对于转轴和心轴，区分它们的应力性质是很有必要的，关系到强度计算中当量弯矩的计算或许用弯曲应力的选取。至于传动轴， 它的载荷和应力情况较简单，在强度计算中也不考虑其扭转剪应力的变化性质。二、轴的材料轴的材料应具有必要的强度和韧性，当

3、采用滑动轴承支承时，轴颈还需要具有耐磨性。一般工作条件下的轴常用碳素钢制造，在非常温或重载条件下的轴宜采用合金钢，对形状复杂的轴，可用球墨铸铁或高强度铸铁制造。为了充分发挥钢的机械性能，用钢制造的轴通常都要经过热处理。调质处理可提高轴的强度和韧性； 而为了提高轴颈的耐磨性，可根据材料及性能要求采用高频淬火、渗碳淬火或氮化等处理方法。教材表13-1 列出了轴的常用材料及机械性能，供设计时使用。在一般工作条件下，钢的种类和热处理对弹性模量e的影响很小。因此，选用合金钢、采取热处理都只能提高轴的强度或耐磨性，对刚度几乎没有影响。三、轴的结构设计轴的结构设计应满足以下三方面要求：（1）有利于提高轴的强

4、度和刚度轴的受力状况与轴上传力零件的布局和结构有关。在进行轴的结构设计时，应合理布置轴上零件，采用合理结构，尽可能减轻轴所受的力和转矩。为了缓解轴的直径突变处的应力集中，轴上一般都应加工有过渡圆角，有时还可采用其他结构措施：如卸载槽、凹切圆角、过渡肩环等（图13-11 ） 。这些结构能有效地减小应力集中，提高轴的疲劳强度。（2）轴上零件定位和固定可靠零件的定位和固定是轴结构设计中的核心问题。定位是使零件在不需要采取任何测量手段的条件下一次安装到位；固定的作用则是使轴上零件与轴合成一体，作为一个构件运转。定位和固定含义上有差别，但在结构措施上却可以相同。零件的固定要考虑轴向和周向两个方向。常用的

5、轴向定位和固定装置有轴肩轴环、圆螺母、弹性挡圈、套筒、紧定螺钉等，在轴端也常使用圆锥面和轴端挡圈。这些方法各有特点。例如：圆螺母工作可靠，能传递较大轴向力，但需要采取防松措施，结构较复杂；弹性挡圈结构简单、紧凑，但只能承受较小的轴向力，可靠性差；紧定螺钉能实现轴向和周向两个方向的定位和固定，但仅适于轴向力小、转速低的场合。零件的周向固定即轴毂联接，联接方式有很多，常用的有键、 销联接、 过盈配合联接等。（3）轴的结构工艺性在轴的结构设计时，要考虑使轴上零件便于安装和拆卸。为此， 多数轴都采用阶梯轴结构，从而使轴上零件很容易达到预定位置；同时，为便于拆卸轴上零件，轴肩不宜过高，满足定位的要求即可

6、。 这里，应特别注意滚动轴承的定位轴肩高度，过高则无法正常拆卸轴承。轴的结构设计还要考虑轴的加工工艺性。在满足使用要求的前提下，轴的结构形状应尽可能简单。四、轴的强度计算轴的类型不同或具有不同的工作条件，相应有不同的强度计算方法。心轴只受弯矩，按其弯曲应力的性质，取相应的许用弯曲应力进行强度校核。传动轴只受扭矩，应按扭转剪应力进行强度校核。转轴主要受弯矩又受扭矩，对于一般条件下的转轴，可用弯扭合成当量弯矩法进行强度校核。轴的强度计算应当与轴的结构设计结合进行。一般转轴的设计步骤为； （1）按扭转强度初步估算轴的直径； （2）轴的初步结构设计； （3）按弯扭强度核验计算； （ 4）修改有关结构，

7、完成设计。1轴颈的初步估算按轴的扭转强度条件2 .01055.936tptndpwt此式可用于校核传动轴的强度，也可导出转轴直径的估算公式3362 .01055.9npcnpdt说明： （1）考虑轴上键槽对强度的影响，有一个键槽需将估算值增大3% ，若同截面上有两个键槽则需增大7% ；（2）轴的直径应按标准尺寸圆整；（3）估算值为轴受扭部分的最小直径尺寸，可在此基础上进行轴的结构设计。2弯扭合成当量弯矩法根据轴的初步结构尺寸，可分析轴和支点的受力，这是弯扭合成计算的依据。依次画出弯矩图和转矩图，求得合成弯矩m和转矩t，根据工程力学的第三强度理论可把两者合成当量弯矩me。一般转轴受对称循环弯曲应

8、力，而扭转剪应力随转矩性质而不同，计算当量弯矩时应将转矩乘以折算系数。轴的当量弯矩为22)( tmme由此可得弯扭合成当量弯矩法的强度条件为)(122beewtmwm说明： （1）折合系数取值由扭转剪应力性质决定；静应力，0.3 ；脉动循环应力， 0.6 ；对称循环应力，=1。（2）为简化抗弯截面系数的计算，当轴截面上有单键槽时，应将轴颈减小3% 、双键槽则应将轴颈减小7% 后再代入计算。综上所述，轴的设计步骤常把强度计算与结构设计结合进行。根据载荷估算受扭矩处的最小轴直径，布置轴上零件， 以轴上零件的定位和固定、装配程序设计阶梯轴，初定轴的各段直径和长度以及轴承跨距等。这里， 可参考轴的直径尺