轴的设计、计算、校核

轴的设计、计算、校核

以转轴为例，轴的强度计算的步骤为：

一、轴的强度计算

1、按扭转强度条件初步估算轴的直径

机器的运动简图确定后，各轴传递的P和n为已知，在轴的结构具体化之前，只能计算出轴所传递的扭矩，而所受的弯矩是未知的。这时只能按扭矩初步估算轴的直径，作为轴受转矩作用段最细处的直径dmin，一般是轴端直径。

根据扭转强度条件确定的最小直径为：

（mm）

式中：P为轴所传递的功率（KW）

n为轴的转速（r/min）

Ao为计算系数，查表3

若计算的轴段有键槽，则会削弱轴的强度，此时应将计算所得的直径适当增大，若有一个键槽，将d min增大5％，若同一剖面有两个键槽，则增大10％。

以dmin为基础，考虑轴上零件的装拆、定位、轴的加工、整体布局、作出轴的结构设计。在轴的结构具体化之后进行以下计算。

2、按弯扭合成强度计算轴的直径

l）绘出轴的结构图

2）绘出轴的空间受力图

3）绘出轴的水平面的弯矩图

4）绘出轴的垂直面的弯矩图

5）绘出轴的合成弯矩图

6）绘出轴的扭矩图

7）绘出轴的计算弯矩图

8）按第三强度理论计算当量弯矩：

式中：α为将扭矩折合为当量弯矩的折合系数，按扭切应力的循环特性取值:

a）扭切应力理论上为静应力时，取α=。

b）考虑到运转不均匀、振动、启动、停车等影响因素，假定为脉动循环应力，取α=。

c）对于经常正、反转的轴，把扭剪应力视为对称循环应力，取α=1（因为在弯矩作用下，转轴产生的弯曲应力属于对称循环应力）。

9）校核危险断面的当量弯曲应力（计算应力）：

式中：W为抗扭截面摸量（mm3），查表4。

为对称循环变应力时轴的许用弯曲应力，查表1。

如计算应力超出许用值，应增大轴危险断面的直径。如计算应力比许用值小很多，一般不改小轴的直径。因为轴的直径还受结构因素的影响。

一般的转轴，强度计算到此为止。对于重要的转轴还应按疲劳强度进行精确校核。此外，对于瞬时过载很大或应力循环不对称性较为严重的轴，还应按峰尖载荷校核其静强度，以免产生过量的塑性变形。

二、按疲劳强度精确校核

按当量弯矩计算轴的强度中没有考虑轴的应力集中、轴径尺寸和表面品质等因素对轴的疲劳强度的影响，因此，对于重要的轴，还需要进行轴危险截面处的疲劳安全系数的精确计算，评定轴的安全裕度。即建立轴在危险截面的安全系数的校核条件。

安全系数条件为：

式中：为计算安全系数；

、分别为受弯矩和扭矩作用时的安全系数；

、为对称循环应力时材料试件的弯曲和扭转疲劳极限；

、为弯曲和扭转时的有效应力集中系数，

为弯曲和扭转时的表面质量系数；

、为弯曲和扭转时的绝对尺寸系数；

、为弯曲和扭转时平均应力折合应力幅的等效系数；

、为弯曲和扭转的应力幅；

、为弯曲和扭转平均应力。

S为最小许用安全系数：

~用于材料均匀，载荷与应力计算精确时；

~用于材料不够均匀，载荷与应力计算精确度较低时；

~用于材料均匀性及载荷与应力计算精确度很低时或轴径＞200mm时。

三、按静强度条件进行校核

静强度校核的目的在于评定轴对塑性变形的抵抗能力。这对那些瞬时过载很大，或应力循环的不对称性较为严重的的轴是很有必要的。轴的静强度是根据轴上作用的最大瞬时载荷来校核的。

静强度校核时的强度条件是：

式中：——危险截面静强度的计算安全系数；

——按屈服强度的设计安全系数；

＝~，用于高塑性材料（≤）制成的钢轴；

＝~，用于中等塑性材料（＝~）制成的钢轴；

＝~2，用于低塑性材料制成的钢轴；

＝2~3，用于铸造轴；

——只考虑安全弯曲时的安全系数；

——只考虑安全扭转时的安全系数；

式中：、——材料的抗弯和抗扭屈服极限，MPa ；其中＝~；

Mmax、Tmax——轴的危险截面上所受的最大弯矩和最大扭矩，；

Famax——轴的危险截面上所受的最大轴向力，N；

A——轴的危险截面的面积，m；

W、W T——分别为危险截面的抗弯和抗扭截面系数，m。四、轴的设计用表

表1 轴的常用材料及其主要力学性能

材料牌号热处理毛坯直径

（mm）

硬度

(HBS)

抗拉强度极

限σb

屈服强度

极限σs

弯曲疲

劳极限

σ-1

剪切疲

劳极限

τ-1

许用弯曲

应力[σ

-1]

备注

Q235A 热轧或

锻后空

冷

≤100400~420225

17010540

用于不重要及受载

荷不大的轴>100~250375~390215

45正火

回火

≤10170~217590295225140

55

应用最广泛>100~300162~217570285245135

调质≤200217~25564035527515560

40Cr 调质

≤100

>100~300

241~286

735

685

540

490

355

355

200

185

70

用于载荷较大，而

无很大冲击的重要

轴

40CrNi 调质

≤100

>100~300

270~300

240~270

900

785

735

570

430

370

260

210

75用于很重要的轴

38SiMnMo调质≤100

>100~300

229~286

217~269

735

685

590

540

365

345

210

195

70

用于重要的轴，性

能近于40CrNi

38CrMoAlA调质≤60

>60~100

>100~160

293~321

277~302

241~277

930

835

785

785

685

590

440

410

375

280

270

220

75

用于要求高耐磨

性，高强度且热处

理（氮化）变形很

小的轴

20Cr 渗碳

淬火

回火

≤60

渗碳

56~62HRC64039030516060

用于要求强度及韧

性均较高的轴

3Cr13调质≤100≥24183563539523075用于腐蚀条件下的轴

1Cr18Ni9Ti淬火≤100

≤192

530

195

190115

45

用于高低温及腐蚀

条件下的轴

180110

100~200490

QT600-3190~270600370215185用于制造复杂外形

的轴

QT800-2245~335800480290250

表2 零件倒角C与圆角半径R的推荐值

直径d>6~10>10~18>18~30>30~50>50~80>80~120>120~180

C或R

表3 轴常用几种材料的[]和A0值

轴的材料Q2351Cr18Ni9Ti354540Cr,35SiMn,2Cr13,20CrMnTi

[]12～2012～2520～3030～4040～52

A0160～135148～125135～118118～107107～98