機械設計中軸的強度設計與校核

摘 要：在機械工廠中，進行小改小革是非常重要的。而要從事這樣的工作，我們就要學會簡單地設計其中的某些部件，如我們見得最為常見的軸，可以說在機械的很多零件中都必須要使用。而且，根據軸的受載及應力情況，我們可以發現有三種不同的情況的軸：1、僅受扭矩的軸2、僅受彎矩的軸3、既承受彎矩又承受扭矩的軸，其實軸處于每一種情況，我們要采用不同的校核方法，以便準確地計算出軸的受力情況，防止由于正常使用而超過必要的承受力而引起變形。

關鍵詞：機械設計；軸；強度設計；校核

1.引言

軸是在機械設備中的主要組成零件之一。所有在機械設備上，用于作回轉運動的傳動零件，都要先把其裝入于軸上才可以把運動和動力傳遞出去，與此同時，還要通過軸承和機架聯接，所以就構成了一個以軸為基準的組合體—軸系部件。由于在不同的機器里，軸發揮的作用往往不同。而軸的結構主要是由以下的因素決定的：軸在整個設備中的安裝位置和發揮的作用，軸上安裝的所有零件的類型和大小，載荷的性質、大小、方向和具體分布狀況，以及軸的加工流程等。進行合理的軸的結構設計就要保證：軸上所有零件可以合理地布置，在合理的受力的情況下，軸可以進一步提高強度和剛度；軸和軸上零件要有比較固定的工作位置；軸上零件可以方便地進行裝拆調整。

一般來說，在設計時，我們首當其沖的就是考慮軸的作用。根據作用，為軸選擇相應的材料，一般軸的毛坯主要是由圓鋼、鍛造或焊接獲得，由于鑄造品質難以保證軸有足夠的強度和剛度，所以軸很少會采用鑄件作毛坯。軸的組成部分有三大塊。軸上被支承，安裝軸承的部分叫軸頸；支承軸上零件，安裝輪轂的部分稱為軸頭；聯結軸頭和軸頸的部分稱為軸身。軸頸上安裝滾動軸承時，直徑尺寸一定要根據滾動軸承的國標尺寸來選擇，尺寸公差和表面粗糙度一定要根據國家規定的標準來選取；軸頭的尺寸一定要結合輪轂的尺寸來做出選擇，軸身尺寸確定時要盡可能地保證軸頸與軸頭的過渡合理，特別是要杜絕截面尺寸變化過大，與此同時，還要有較好的工藝性。

如果在設計時，我們從裝配是否容易這一角度來考慮：則合理的設計非定位軸肩，使軸上不同零件在安裝時盡可能減少不必要的配合面；為了保證容易裝配，軸端要設計成45°的倒角；在裝鍵的軸段，要保證鍵槽靠近軸與輪轂先接觸的直徑變化處，以保證在安裝時，零件上的鍵槽與軸上的鍵容易對準；采用過盈配合時，考慮到裝配的方便性，直徑變化可以用于錐面過渡等。

2.軸的強度校核方法

2.1強度校核的定義：

強度校核實質上就是對軸的材料或設備的力學性能做好檢測工作，并改進軸的設計的一種方式，并且這種方式是不會破壞材料和設計性能的。

2.2軸的強度校核計算：

在進行軸的強度校核計算時，必須要按照軸的具體受載及應力情況，采用相應的方法，并恰當地對許用應力做出選擇。

對于傳動軸應按扭轉強度條件計算。

對于心軸應按彎曲強度條件計算。

對于轉軸應按彎扭合成強度條件計算。

2.3幾種常用的計算方法：

2.3.1按扭轉強度條件計算：

這是一種根據軸所受的扭矩來計算軸的強度的方法，若是在軸上還作用較小的彎矩時，我們往往會利用減少扭轉切應力的途徑來達到這一目的。一般而言，在設計軸的結構時，我們常這樣來估算軸徑。

實心軸的扭轉強度條件為：

根據上式，我們可以得到軸的直徑：

為扭轉切應力，MPa

在上式中，各物理量的含義如下：

T為軸多受的扭矩，N·mm

為軸的抗扭截面系數，

n為軸的轉速，r/min

P為軸傳遞的功率，KW

d為計算截面處軸的直徑，mm

為許用扭轉切應力，MPa，

軸的材料 Q235

20 35 45 1Cr18Ni9Ti 40Cr，35SiMn，2Cr13，42SiMn

空心軸扭轉強度條件為：

其中 ，即空心軸的內徑 與外徑d之比，我們往往取 =0.5-0.6

而按照這樣的方法，求出來的直徑只能作為承受扭矩作用的軸段的最小直徑。

2.3.2按彎曲強度條件計算：

考慮到啟動、停車等諸多因素的影響，彎矩在軸截面上鎖引起的應力可視為脈動循環變應力。

則

其中：

M-軸所受的彎矩，N·mm

W-危險截面抗扭截面系數（ ）

-脈動循環應力時許用彎曲應力（MPa）

2.3.3按彎扭合成強度條件計算

考慮到軸的設計的前期階段，軸的主要結構尺寸軸上零件位置及外載荷和支反力的作用位置都基本上已經確定了，則軸上載荷完全可以通過我們計算得出，所以，我們可以根據彎扭合成強度條件對軸進行強度校核計算。

2.4 提高軸的疲勞強度和剛度的措施

在設計時，除合理選材以外，我們還可以通過結構和工藝二方面的措施來提高軸的承載能力。

（1） 對軸上零件特點進行分析，減小軸受載荷

按照軸上安裝的零件的具體狀況，合理布置和合理設計，從而減少軸所受的載荷。而對于受彎矩和轉矩聯合作用的轉軸，我們可以采用調整軸和軸上零件結構，從而減少軸的承載。

（2）調整軸的結構，避免出現應力集中

避免軸的剖面尺寸會有大量的變化，我們可以使用大一些的過渡圓角半徑，當裝配零件的倒角不是很大時，可以利用內凹圓角或加裝隔離環；盡少地在軸的受載區段切制螺紋；同時考慮在允許的情況下，合理放松零件與軸的配合。

（3）提高軸的表面質量和疲勞強度

減小表面及圓角處的表面粗糙度；對軸進行表面淬火、滲氮、滲碳、碳氮共滲等處理，都可以增加軸的承載力和提高軸的使用壽命。

3.結束語

綜上所述，本文按照軸的受載及應力情況，闡述了相應的計算方法，對于軸的三種受載情況的軸的強度校核都做了簡單的描述和分析，并就如何使用這些方法做了初步的介紹。在具體的設計時，我們不僅僅可以考慮如何通過選材來達到這一結果，同時還可以通過從結構安排和工藝等方面來采取必要的措施，從而提高軸的承載能力，為此在本文中，筆者甚至還就如何強化軸的疲勞強度和剛度的措施也做了少量的闡述。

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作者簡介：唐建，（1982.1-）性別：男，籍貫：四川省內江市，單位：四川宏華石油設備有限公司。