轴结构设计和强度校核样本文档格式.docx

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轴材料重要是碳钢和合金钢。

钢轴毛坯多数用轧制圆钢和锻件，有则直接用圆钢。

　　由于碳钢比合金钢价廉，相应力集中敏感性较低，同步也可以用热解决或化学热解决办法提高其耐磨性和抗疲劳强度，故采用碳钢制造尤为广泛，其中最惯用是45号钢。

　　合金钢比碳钢具备更高力学性能和更好淬火性能。

因而，在传递大动力，并规定减小尺寸与质量，提高轴颈耐磨性，以及处在高温或低温条件下工作轴，常采用合金钢。

　　必要指出：

在普通工作温度下（低于200℃），各种碳钢和合金钢弹性模量均相差不多，因而在选取钢种类和决定钢热解决办法时，所依照是强度与耐磨性，而不是轴弯曲或扭转刚度。

但也应当注意，在既定条件下，有时也可以选取强度较低钢材，而用恰当增大轴截面面积办法来提高轴刚度。

　　各种热解决（如高频淬火、渗碳、氮化、氰化等）以及表面强化解决（如喷丸、滚压等），对提高轴抗疲劳强度均有着明显效果。

　　高强度铸铁和球墨铸铁容易作成复杂形状，且具备价廉，良好吸振性和耐磨性，以及相应力集中敏感性较低等长处，可用于制造外形复杂轴。

　　轴惯用材料及其重要力学性能见表。

三、轴构造设计

轴构造设计涉及定出轴合理外形和所有构造尺寸。

轴构造重要取决于如下因素：

轴在机器中安装位置及形式；

轴上安装零件类型、尺寸、数量以及和轴联接办法；

载荷性质、大小、方向及分布状况；

轴加工工艺等。

由于影响轴构造因素较多，且其构造形式又要随着详细状况不同而异，因此轴没有原则构造形式。

设计时，必要针对不同状况进行详细分析。

但是，无论何种详细条件，轴构造都应满足：

轴和装在轴上零件要有精确工作位置；

轴上零件应便于装拆和调节；

轴应具备良好制造工艺性等。

下面讨论轴构造设计中几种重要问题。

拟定轴上零件装配方案

各轴段直径和长度拟定

轴上零件定位

提高轴强度惯用办法

轴构造工艺性

轴上零件定位

为了防止轴上零件受力时发生沿轴向或周向相对运动，轴上零件除了有游动或空转规定者外，都必要进行必要轴向和周向定位，以保证其对的工作位置。

零件轴向定位

轴上零件轴向定位是以轴肩、套筒、圆螺母、轴端挡圈和轴承端盖等来保证。

轴肩　分为定位轴肩和非定位轴肩两类，运用轴肩定位是最以便可靠办法，但采用轴肩就必然会使轴直径加大，并且轴肩处将因截面突变而引起应力集中。

此外，轴肩过多时也不利于加工。

因而，轴肩定位多用于轴向力较大场合。

定位轴肩高度h普通取为h=（0.07～0.1）d，d为与零件相配处轴径尺寸。

滚动轴承定位轴肩必要低于轴承内圈端面高度，以便拆卸轴承，轴肩高度可查手册中轴承安装尺寸。

为了使零件能靠紧轴肩而得到精确可靠定位，轴肩处过渡圆角半径r必要不大于与之相配零件毂孔端部圆角半径R或倒角尺寸C。

轴和零件上倒角和圆角尺寸惯用范畴见下表。

非定位轴肩是为了加工和装配以便而设立，其高度没有严格规定，普通取为1～2mm。

零件倒角C与圆角半径R推荐值（mm）

直径d

6～10

10～18

18～30

30～50

50～80

80～120

120～180

C或R

0.5

0.6

0.8

1.0

1.2

1.6

2.0

2.5

3.0

套筒定位　构造简朴，定位可靠，轴上不需开槽﹑钻孔和切制螺纹，因而不影响轴疲劳强度，普通用于轴上两个零件之间定位。

如两零件间距较大时，不适当采用套筒定位，以免增大套筒质量及材料用量。

因套筒与轴配合较松，如轴转速较高时，也不适当采用套筒定位。

圆螺母　定位可承受大轴向力，但轴上螺纹处有较大应力集中，会减少轴疲劳强度，故普通用于固定轴端零件，有双圆螺母和圆螺母与止动垫片两种型式。

当轴上两零件间距离较大不适当使用套筒定位时，也常采用圆螺母定位。

轴端挡圈　合用于固定轴端零件，可以承受较大轴向力。

轴承端盖　用螺钉或榫槽与箱体联接而使滚动轴承外圈得到轴向定位。

在普通状况下，整个轴轴向定位也常运用轴承端盖来实现。

运用弹性挡圈﹑紧定螺钉及锁紧挡圈等进行轴向定位，只合用于零件上轴向力不大之处。

紧定螺钉和锁紧挡圈惯用于光轴上零件定位。

此外，对于承受冲击载荷和同心度规定较高轴端零件，也可采用圆锥面定位。

各轴段直径和长度拟定

零件在轴上定位和装拆方案拟定后，轴形状便大体拟定。

各轴段所需直径与轴上载荷大小关于。

初步拟定轴直径时，普通还不懂得支反力作用点，不能决定弯矩大小与分布状况，因而还不能按轴所受详细载荷及其引起应力来拟定轴直径。

但在进行轴构造前，普通已能求得轴所受扭矩。

因而，可按轴所受扭矩初步估算轴所需直径。

将初步求出直径作为承受扭矩轴段最小直径dmin，然后再按轴上零件装配方案和定位规定，从dmin处起逐个拟定各段轴直径。

在实际设计中，轴直径亦可凭设计者经验取定，或参照同类机械用类比办法拟定。

　　有配合规定轴段，应尽量采用原则直径。

安装原则件（如滚动轴承、联轴器、密封圈等）部位轴径，应取为相应原则值及所选配合公差。

　　为了使齿轮、轴承等有配合规定零件装拆以便，并减少配合表面擦伤，在配合轴段前应采用较小直径。

为了使与轴作过盈配合零件易于装配，相配轴段压入端应制出锥度；

或在同一轴段两个部位上采用不同尺寸公差。

拟定各轴段长度时，应尽量使构造紧凑，同步还要保证零件所需装配或调节空间。

轴各段长度重要是依照各零件与轴配合某些轴向尺寸和相邻零件间必要空隙来拟定。

为了保证轴向定位可靠，与齿轮和联轴器等零件相配合某些轴段长度普通应比轮毂长度短2～3mm。

提高轴强度惯用办法

合理布置轴上零件以减小轴载荷

为了减小轴所承受弯矩，传动件应尽量接近轴承，并尽量不采用悬臂支承形式，力求缩短支承跨距及悬臂长度等。

下图中a）方案较b）方案优。

当转矩由一种传动件输入,再由几种传动件输出时,为了减小轴上扭矩,应将输入件放在中间,而不要置于一端。

下图中，输入扭矩为T1=T2+T3+T4,按图a布置时，轴所受最大扭矩为T2+T3+T4，若改为图b布置时，轴所受最大扭矩减小为T3+T4。

改进轴构造以减小应力集中影响

轴普通是在变应力条件下工作,轴截面尺寸发生突变处要产生应力集中,轴疲劳破坏往往在此发生。

为了提高轴疲劳强度，应尽量减少应力集中源和减少应力集中限度。

为此轴肩处应采用较大过渡圆角半径r来减少应力集中。

但对定位轴肩，还必要保证零件得到可靠定位。

当靠轴肩定位零件圆角半径很小时，为了增大轴肩处圆角半径，可采用内凹圆角或加装隔离环。

用盘状铣刀加工键槽比用键槽铣刀加工键槽在过渡处对轴截面削弱较为平缓，因而应力集中较小；

渐开线花键比矩形花键在齿根处应力集中小，在作轴构造设计时应予以考虑；

由于切制螺纹处应力集中较大，故应尽量避免在轴上受载较大区段切制螺纹。

当轴与轮毂为过盈配合时,配合边沿处会产生较大应力集中。

为了减小应力集中，可在轮毂上或轴上开卸载槽；

或者加大配合某些直径。

由于配合过盈量愈大，引起应力集中也愈严重，因而在设计中应合理选取零件与轴配合。

改进轴上零件构造以减小轴载荷

通过改进轴上零件构造也可减小轴上载荷。

下图两种构造中b）方案（双联）均优于a）方案（分装），由于a）方案中轴Ⅰ既受弯矩又受扭矩，而b）方案中轴Ⅰ只受扭矩。

改进轴表面质量以提高轴疲劳强度

轴表面粗糙度和表面强化解决办法也会对轴疲劳强度产生影响。

轴表面愈粗糙，疲劳强度也愈低。

因而，应合理减小轴表面及圆角处加工粗糙度值。

当采用相应力集中甚为敏感高强度材料制作轴时，表面质量尤应予以注意。

　　表面强化解决办法有：

表面高频淬火等热解决；

表面渗碳、氰化、氮化等化学热解决；

碾压、喷丸等强化解决。

通过碾压、喷丸进行表面强化解决时可使轴表层产生预压应力，从而提高轴抗疲劳能力。

轴构造工艺性

　　轴构造工艺性是指轴构造形式应便于加工和装配轴上零件，并且生产率高，成本低。

普通地说,轴构造越简朴,工艺性越好。

因而,在满足使用规定前提下,轴构造形式应尽量简化。

　　为了便于装配零件并去掉毛刺，轴端应制出45°

倒角；

需要磨削加工轴段，应留有砂轮越程槽；

需要切制螺纹轴段，应留有退刀槽。

它们尺寸可参看原则或手册。

　　为了减少装夹工件时间，在同一轴上，不同轴段键槽应布置（或投影）在轴同一母线上。

为了减少加工刀具种类和提高劳动生产率，轴上直径相近圆角、倒角、键槽宽度、砂轮越程槽宽度和退刀槽宽度等应尽量采用相似尺寸。

通过上面讨论可以进一步明确，轴上零件装配方案对轴构造形式起着决定性作用。

现以圆锥－圆柱齿轮减速器输出轴两种装配方案为例进行对比，显然，第二种方案较第一种方案多了一种用于轴向定位长套筒，使机器零件增多，质量增大，故不如第一种方案好。

图一

轴计算

轴计算普通都是在初步完毕构造设计后进行校核计算，计算准则是满足轴强度和刚度规定。

（一）轴强度校核计算

　进行轴强度校核计算时，应依照轴详细受载及应力状况，采用相应计算办法，并恰本地选用其许用应力。

对于仅仅承受扭矩轴（传动轴）,应按扭转强度条件计算；

对于只承受弯矩轴（心轴），应按弯曲强度条件计算；

对于既承受弯矩又承受扭矩轴（转轴），应按弯扭合成强度条件进行计算，需要时还应按疲劳强度条件进行精准校核。

此外，对于瞬时过载很大或应力循环不对称性较为严重轴，还应按峰尖载荷校核其静强度，以免产生过量塑性变形。

　　下面简介几种惯用计算办法：

按扭转强度条件计算。

按弯扭合成强度条件计算。

按疲劳强度条件进行精准校核。

按静强度条件进行校核。

1.按扭转强度条件计算

　　该办法只按轴所受扭矩来计算轴强度，如果轴还受有不大弯矩，则用减少许用扭转切应力办法予以考虑。

在作轴构造设计时，通惯用这种办法初步估算轴径。

对于不大重要轴，也可作为最后计算成果。

轴扭转强度条件为：

　　式中：

——扭转切应力，MPa；

　　　　　　T——轴所受扭矩，N·

mm；

　　　　　WT——轴扭转截面系数，m

；

　　　　　　n——轴转速，r/min；

　　　　　　P——轴传递功率,kW；

　　　　　　d——计算截面处轴直径，mm；

——许用扭转切应力，MPa，见下表；

轴惯用几种材料[τ]T及A0值

轴材料

Q235-A、20

Q275、35

（1Cr18Ni9Ti）

45

40Cr、35SiMn

38SiMnMo、3Cr13

（MPa）

15~25

20~35

25~45

35~55

A0

149~126

135~112

126~103

112~97

注：

1）表中

是考虑了弯矩影响而减少了许用扭转切应力。

　2）在下述状况时，

取较大值，A0取较小值：

弯矩较小或只受扭矩作用、载荷较平稳、无轴向载荷或只有

　　　　　　　　较小轴向载荷、减速器低速轴、轴只作单向旋转；

反之，

取较小值，A0取较大值。

　　由上式可轴直径：

　　式中

，查上表。

对于空心轴，则：

　　式中β＝d1/d，即空心轴内径d1与外径d之比，普通取β＝0.5~0.6。

应当指出，当轴截面上开有键槽时，应增大轴径以考虑键槽对轴强度削弱。

对于直径d＞100mm