机械设计中轴的强度设计与校核

摘 要：在机械工厂中，进行小改小革是非常重要的。而要从事这样的工作，我们就要学会简单地设计其中的某些部件，如我们见得最为常见的轴，可以说在机械的很多零件中都必须要使用。而且，根据轴的受载及应力情况，我们可以发现有三種不同的情况的轴：1、仅受扭矩的轴2、仅受弯矩的轴3、既承受弯矩又承受扭矩的轴，其实轴处于每一种情况，我们要采用不同的校核方法，以便准确地计算出轴的受力情况，防止由于正常使用而超过必要的承受力而引起变形。

关键词：机械设计；轴；强度设计；校核

1.引言

轴是在机械设备中的主要组成零件之一。所有在机械设备上，用于作回转运动的传动零件，都要先把其装入于轴上才可以把运动和动力传递出去，与此同时，还要通过轴承和机架联接，所以就构成了一个以轴为基准的组合体—轴系部件。由于在不同的机器里，轴发挥的作用往往不同。而轴的结构主要是由以下的因素决定的：轴在整个设备中的安装位置和发挥的作用，轴上安装的所有零件的类型和大小，载荷的性质、大小、方向和具体分布状况，以及轴的加工流程等。进行合理的轴的结构设计就要保证：轴上所有零件可以合理地布置，在合理的受力的情况下，轴可以进一步提高强度和刚度；轴和轴上零件要有比较固定的工作位置；轴上零件可以方便地进行装拆调整。

一般来说，在设计时，我们首当其冲的就是考虑轴的作用。根据作用，为轴选择相应的材料，一般轴的毛坯主要是由圆钢、锻造或焊接获得，由于铸造品质难以保证轴有足够的强度和刚度，所以轴很少会采用铸件作毛坯。轴的组成部分有三大块。轴上被支承，安装轴承的部分叫轴颈；支承轴上零件，安装轮毂的部分称为轴头；联结轴头和轴颈的部分称为轴身。轴颈上安装滚动轴承时，直径尺寸一定要根据滚动轴承的国标尺寸来选择，尺寸公差和表面粗糙度一定要根据国家规定的标准来选取；轴头的尺寸一定要结合轮毂的尺寸来做出选择，轴身尺寸确定时要尽可能地保证轴颈与轴头的过渡合理，特别是要杜绝截面尺寸变化过大，与此同时，还要有较好的工艺性。

如果在设计时，我们从装配是否容易这一角度来考虑：则合理的设计非定位轴肩，使轴上不同零件在安装时尽可能减少不必要的配合面；为了保证容易装配，轴端要设计成45°的倒角；在装键的轴段，要保证键槽靠近轴与轮毂先接触的直径变化处，以保证在安装时，零件上的键槽与轴上的键容易对准；采用过盈配合时，考虑到装配的方便性，直径变化可以用于锥面过渡等。

2.轴的强度校核方法

2.1强度校核的定义：

强度校核实质上就是对轴的材料或设备的力学性能做好检测工作，并改进轴的设计的一种方式，并且这种方式是不会破坏材料和设计性能的。

2.2轴的强度校核计算：

在进行轴的强度校核计算时，必须要按照轴的具体受载及应力情况，采用相应的方法，并恰当地对许用应力做出选择。

对于传动轴应按扭转强度条件计算。

对于心轴应按弯曲强度条件计算。

对于转轴应按弯扭合成强度条件计算。

2.3几种常用的计算方法：

2.3.1按扭转强度条件计算：

这是一种根据轴所受的扭矩来计算轴的强度的方法，若是在轴上还作用较小的弯矩时，我们往往会利用减少扭转切应力的途径来达到这一目的。一般而言，在设计轴的结构时，我们常这样来估算轴径。

实心轴的扭转强度条件为：

根据上式，我们可以得到轴的直径：

为扭转切应力，MPa

在上式中，各物理量的含义如下：

T为轴多受的扭矩，N·mm

为轴的抗扭截面系数，

n为轴的转速，r/min

P为轴传递的功率，KW

d为计算截面处轴的直径，mm

为许用扭转切应力，MPa，

轴的材料 Q235

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

空心轴扭转强度条件为：

其中 ，即空心轴的内径 与外径d之比，我们往往取 =0.5-0.6

而按照这样的方法，求出来的直径只能作为承受扭矩作用的轴段的最小直径。

2.3.2按弯曲强度条件计算：

考虑到启动、停车等诸多因素的影响，弯矩在轴截面上锁引起的应力可视为脉动循环变应力。

则

其中：

M-轴所受的弯矩，N·mm

W-危险截面抗扭截面系数（ ）

-脉动循环应力时许用弯曲应力（MPa）

2.3.3按弯扭合成强度条件计算

考虑到轴的设计的前期阶段，轴的主要结构尺寸轴上零件位置及外载荷和支反力的作用位置都基本上已经确定了，则轴上载荷完全可以通过我们计算得出，所以，我们可以根据弯扭合成强度条件对轴进行强度校核计算。

2.4 提高轴的疲劳强度和刚度的措施

在设计时，除合理选材以外，我们还可以通过结构和工艺二方面的措施来提高轴的承载能力。

（1） 对轴上零件特点进行分析，减小轴受载荷

按照轴上安装的零件的具体状况，合理布置和合理设计，从而减少轴所受的载荷。而对于受弯矩和转矩联合作用的转轴，我们可以采用调整轴和轴上零件结构，从而减少轴的承载。

（2）调整轴的结构，避免出现应力集中

避免轴的剖面尺寸会有大量的变化，我们可以使用大一些的过渡圆角半径，当装配零件的倒角不是很大时，可以利用内凹圆角或加装隔离环；尽少地在轴的受载区段切制螺纹；同时考虑在允许的情况下，合理放松零件与轴的配合。

（3）提高轴的表面质量和疲劳强度

减小表面及圆角处的表面粗糙度；对轴进行表面淬火、渗氮、渗碳、碳氮共渗等处理，都可以增加轴的承载力和提高轴的使用寿命。

3.结束语

综上所述，本文按照轴的受载及应力情况，阐述了相应的计算方法，对于轴的三种受载情况的轴的强度校核都做了简单的描述和分析，并就如何使用这些方法做了初步的介绍。在具体的设计时，我们不仅仅可以考虑如何通过选材来达到这一结果，同时还可以通过从结构安排和工艺等方面来采取必要的措施，从而提高轴的承载能力，为此在本文中，笔者甚至还就如何强化轴的疲劳强度和刚度的措施也做了少量的阐述。

参考文献：

[1]季玉茹，王德忠.应用Excel进行转轴的强度校核及轴径设计[J].化工机械， 2011（01）

[2]高万军，邱志平，张玲，毕立彩.二级直齿圆柱齿轮减速器中间轴的强度校核[J].科技信息，2009（13）

[3]李鹏举，王永新.机械销轴强度计算[J].机械工程师，2013（02）

作者简介：唐建，（1982.1-）性别：男，籍贯：四川省内江市，单位：四川宏华石油设备有限公司。