心轴的强及刚计算

轴的结构设计及强度计算（1）轴的概述一．轴的功能及分类１．功能支撑回转零件并传递扭矩。

2．分类轴的用途及分类轴的主要功用是支承回转零件及传递运动和动力按照承受载荷的不同，轴可分为：心轴─只承受弯矩的轴，如火车车轮轴。

传动轴─只承受扭矩的轴，如汽车的传动轴。

转轴─同时承受弯矩和扭矩的轴，如减速器的轴。

按照轴线形状的不同，轴可分为曲轴和直轴两大类。

直轴根据外形的不同，可分为光轴和阶梯轴。

轴一般是实心轴，有特殊要求时也可制成空心轴，如航空发动机的主轴。

除了刚性轴外，还有钢丝软轴，可以把回转运动灵活地传到不开敞地空间位置。

二．轴的材料轴的材料主要是碳钢和合金钢，钢轴的毛坯多数用圆钢或锻件，各种热处理和表面强化处理可以显著提高轴的抗疲劳强度。

碳钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性比较低，适用于一般要求的轴。

合金钢比碳钢有更高的力学性能和更好的淬火性能，在传递大功率并要求减小尺寸和质量、要求高的耐磨性，以及处于高温、低温和腐蚀条件下的轴常采用合金钢。

在一般工作温度下（低于200℃），各种碳钢和合金钢的弹性模量均相差不多，因此相同尺寸的碳钢和合金钢轴的刚度相差不多。

高强度铸铁和球墨铸铁可用于制造外形复杂的轴，且具有价廉、良好的吸振性和耐磨性，以及对应力集中的敏感性较低等优点，但是质较脆。

三．轴设计的主要内容轴的设计包括结构设计和工作能力验算两方面的内容。

（1）根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理地确定轴的结构形式和尺寸。

（2）轴的承载能力验算指的是轴的强度、刚度和振动稳定性等方面的验算。

轴的设计过程是：选择材料—初估轴径—结构设计—校核强度，刚度，稳定性（2）轴的直径初估方法：类比法按扭矩估算一．轴的扭转强度强度条件：校核式：τT =T/WT=9.55 106P/0.2d3n≤[τT]设计式：d ≥[]362.01055.9n P T τ⨯=C 3nP C---系数（表12-2）（3）轴的结构设计轴的结构设计应该确定：轴的合理外形和全部结构尺寸。

轴的强度计算一、按扭转强度条件计算适用：①用于只受扭矩或主要承受扭矩的传动轴的强度计算；②结构设计前按扭矩初估轴的直径d min 强度条件：][2.01055.936TT T d n P W T ττ≤⨯== Mpa (11-1) 设计公式： 3036][1055.95nP A n P d T =⨯⨯≥τ（mm ）⇒轴上有键槽 放大：3~5%一个键槽；7~10%二个键槽。

⇒取标准植][T τ——许用扭转剪应力（N/mm 2），表11-3 T ][τ——考虑了弯矩的影响A 0——轴的材料系数，与轴的材料和载荷情况有关。

注意表11-3下面的说明 对于空心轴：340)1(β-≥n P A d （mm ）⇒ 6.0~5.01≈=d d β， d 1—空心轴的内径（mm ）注意：如轴上有键槽，则d ⇒放大：3~5%1个；7~10%2个⇒取整。

二、按弯扭合成强度条件计算条件：已知支点、距距，M 可求时步骤：如图11-17以斜齿轮轴为例1、作轴的空间受力简图（将分布看成集中力，）轴的支承看成简支梁，支点作用于轴承中点，将力分解为水平分力和垂直分力（图11-17a ）2、求水平面支反力R H1、R H2作水平内弯矩图（图11-17b ）3、求垂直平面内支反力R V1、R V2，作垂直平面内的弯矩图（图11-17c ）4、作合成弯矩图22V H M M M +=（图11-17d ）5、作扭矩图T α（图11-17e ）6、作当量弯矩图22)(T M M ca α+=α——为将扭矩折算为等效弯矩的折算系数∵弯矩引起的弯曲应力为对称循环的变应力，而扭矩所产生的扭转剪应力往往为非对称循环变应力∴α与扭矩变化情况有关1][][11=--b b σσ ——扭矩对称循环变化 α=6.0][][01≈-b b σσ——扭矩脉动循环变化 3.0][][11≈+-b b σσ——不变的扭矩b ][1-σ，b ][0σ，b ][1+σ分别为对称循环、脉动循环及静应力状态下的许用弯曲应力。

心轴的设计与校核心轴是一种广泛应用于各类机械装置中的重要部件。

它通常用于传递转动力和承受轴向负载。

心轴的设计与校核是确保机械装置安全运行的关键环节。

本文将介绍心轴的设计与校核的基本步骤和注意事项。

首先，心轴的设计需要根据装置的使用条件和工作要求进行。

对于重载工况的应用装置，心轴需要采用高强度和高硬度的材料，如合金钢或不锈钢。

而对于一些低速和轻载工况的装置，可以选用普通碳素钢材料。

此外，还要注意心轴的尺寸设计。

尺寸设计需要考虑装置的承载能力、振动和转速等因素。

通常，心轴的直径和长度与所传递的功率和转矩成正比。

其次，校核是确保设计的可靠性和安全性的重要步骤。

校核的目的是检查心轴是否符合所要求的承载能力和寿命要求。

校核一般包括两个方面的内容：强度校核和刚度校核。

强度校核是指检查心轴是否足够强度，能够承受来自外界的载荷。

在进行强度校核时，需要计算心轴的应力和变形。

应力可以通过使用梁的理论计算得到，变形则可以采用静力学公式来计算。

这些计算需要考虑心轴材料的力学特性和所受到的载荷情况。

校核的目标是确保心轴在工作过程中不会发生过大的应力和变形。

刚度校核是指检查心轴的刚度是否足够，能够满足装置的要求。

心轴的刚度主要包括轴向刚度和弯曲刚度两个方面。

在进行刚度校核时，需要计算心轴的刚度系数和自然频率。

这些计算通常采用有限元分析方法进行。

校核的目标是确保心轴在工作过程中具有足够的刚度，能够承受来自外界的振动和变形。

最后，还需要进行可靠性评估和寿命预测。

可靠性评估是指根据心轴的使用条件和工作要求，对其进行可靠性分析和评估。

可以采用可靠性模型来进行评估，如故障模式与影响分析（FMEA）和可靠性块图（RBD）等方法。

寿命预测是指通过对心轴的应力和变形进行疲劳分析，预测其使用寿命。

这需要根据心轴材料的疲劳性能和装置的工况来进行分析。

综上所述，心轴的设计与校核是确保机械装置安全运行的关键环节。

在设计心轴时，需要考虑材料选择和尺寸设计。

一、轴的分类按承受的载荷不同, 轴可分为：转轴——工作时既承受弯矩又承受扭矩的轴。

如减速器中的轴。

虚拟现实。

心轴——工作时仅承受弯矩的轴。

按工作时轴是否转动，心轴又可分为：转动心轴——工作时轴承受弯矩，且轴转动。

如火车轮轴。

固定心轴——工作时轴承受弯矩，且轴固定。

如自行车轴。

虚拟现实。

传动轴——工作时仅承受扭矩的轴。

如汽车变速箱至后桥的传动轴。

固定心轴转动心轴转轴传动轴二、轴的材料轴的材料主要是碳钢和合金钢。

钢轴的毛坯多数用轧制圆钢和锻件，有的则直接用圆钢。

由于碳钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性较低，同时也可以用热处理或化学热处理的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，其中最常用的是45号钢。

合金钢比碳钢具有更高的力学性能和更好的淬火性能。

因此，在传递大动力，并要求减小尺寸与质量，提高轴颈的耐磨性，以及处于高温或低温条件下工作的轴，常采用合金钢。

必须指出：在一般工作温度下（低于200℃），各种碳钢和合金钢的弹性模量均相差不多，因此在选择钢的种类和决定钢的热处理方法时，所根据的是强度与耐磨性，而不是轴的弯曲或扭转刚度。

但也应当注意，在既定条件下，有时也可以选择强度较低的钢材，而用适当增大轴的截面面积的办法来提高轴的刚度。

各种热处理（如高频淬火、渗碳、氮化、氰化等）以及表面强化处理（如喷丸、滚压等），对提高轴的抗疲劳强度都有着显著的效果。

高强度铸铁和球墨铸铁容易作成复杂的形状，且具有价廉，良好的吸振性和耐磨性，以及对应力集中的敏感性较低等优点，可用于制造外形复杂的轴。

轴的常用材料及其主要力学性能见表。

三、轴的结构设计轴的结构设计包括定出轴的合理外形和全部结构尺寸。

轴的结构主要取决于以下因素：轴在机器中的安装位置及形式；轴上安装的零件的类型、尺寸、数量以及和轴联接的方法；载荷的性质、大小、方向及分布情况；轴的加工工艺等。

由于影响轴的结构的因素较多，且其结构形式又要随着具体情况的不同而异，所以轴没有标准的结构形式。

轴的设计计算轴的计算通常都是在初步完成结构设计后进行校核计算，计算准则是满足轴的强度和刚度要求。

一、轴的强度计算进行轴的强度校核计算时，应根据轴的具体受载及应力情况，采取相应的计算方法，并恰当地选取其许用应力。

对于仅仅承受扭矩的轴(传动轴),应按扭转强度条件计算；对于只承受弯矩的轴（心轴），应按弯曲强度条件计算；对于既承受弯矩又承受扭矩的轴（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。

下面介绍几种常用的计算方法：按扭转强度条件计算。

1、按扭转强度估算轴的直径对只受转矩或以承受转矩为主的传动轴，应按扭转强度条件计算轴的直径。

若有弯矩作用，可用降低许用应力的方法来考虑其影响。

扭转强度约束条件为：[]式中：为轴危险截面的最大扭剪应力(MPa)；为轴所传递的转矩(N.mm)；为轴危险截面的抗扭截面模量()；P为轴所传递的功率(kW)；n为轴的转速(r/min)；[]为轴的许用扭剪应力(MPa)；对实心圆轴，,以此代入上式，可得扭转强度条件的设计式：式中：C为由轴的材料和受载情况决定的系数。

当弯矩相对转矩很小时，C值取较小值，[]取较大值；反之，C取较大值，[]取较小值。

应用上式求出的值，一般作为轴受转矩作用段最细处的直径，一般是轴端直径。

若计算的轴段有键槽，则会削弱轴的强度，作为补偿，此时应将计算所得的直径适当增大，若该轴段同一剖面上有一个键槽，则将d增大5%，若有两个键槽，则增大10%。

此外，也可采用经验公式来估算轴的直径。

如在一般减速器中，高速输入轴的直径可按与之相联的电机轴的直径估算：；各级低速轴的轴径可按同级齿轮中心距估算，。

几种轴的材料的[]和C值[]2、按弯扭合成强度条件校核计算对于同时承受弯矩和转矩的轴，可根据转矩和弯矩的合成强度进行计算。

计算时，先根据结构设计所确定的轴的几何结构和轴上零件的位置，画出轴的受力简图，然后，绘制弯矩图、转矩图，按第三强度理论条件建立轴的弯扭合成强度约束条件：考虑到弯矩所产生的弯曲应力和转矩所产生的扭剪应力的性质不同，对上式中的转矩乘以折合系数，则强度约束条件一般公式为：式中：称为当量弯矩；为根据转矩性质而定的折合系数。

2.2常用的轴的强度校核计算方法进行轴的强度校核计算时，应根据轴的具体受载及应力情况，采 取相应的计算方法，并恰当地选取其许用应力。

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。

2.2.1按扭转强度条件计算：这种方法是根据轴所受的扭矩来计算轴的强度， 对于轴上还作用 较小的弯矩时，通常采用降低许用扭转切应力的办法予以考虑。

通常 在做轴的结构设计时，常采用这种方法估算轴径。

实心轴的扭转强度条件为：P TT _WT9550000严w T由上式可得轴的直径为d.nT 为扭转切应力，MPa式中：T 为轴多受的扭矩，N • mmW T 为轴的抗扭截面系数，mm 3n 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［T ］为许用扭转切应力，Mpa ［片］值按轴的不同材料选取，常用轴的材料及［r ］值见下表：表1 轴的材料和许用扭转切应力空心轴扭转强度条件为：-=dl其中1即空心轴的内径*与外径d之比，通常取1 =0.5-0.6 d这样求出的直径只能作为承受扭矩作用的轴段的最小直径。

例如，在设计一级圆柱齿轮减速器时，假设高速轴输入功率P仁2.475kw, 输入转速n仁960r/min，则可根据上式进行最小直径估算，若最小直径轴段开有键槽，还要考虑键槽对轴的强度影响。

根据工作条件，选择45#钢，正火，硬度HB170-217,作为轴的材料，A0值查表取A0=112,则:P 丨2 475d min - A o 112 15.36mm,厲960因为高速轴最小直径处安装联轴器，并通过联轴器与电动机相连接，设有一个键槽，贝心d m/ =d min (1 7%) =15.36 (1 7%) = 16.43mm另外，实际中，由于减速器输入轴通过联轴器与电动机轴相联结，则外伸段轴径与电动机轴径不能相差太大，否则难以选择合适的联轴器，取d min =0.8d电动机轴，查表，取d电动机轴=38mm,贝卩：d m in = 0.8d电动机轴=0.8* 38 = 30.4mm综合考虑，可取d min' =32mm通过上面的例子，可以看出，在实际运用中，需要考虑多方面实际因素选择轴的直径大小。

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。

轴的强度校核⽅法第⼆章轴的强度校核⽅法常⽤的轴的强度校核计算⽅法进⾏轴的强度校核计算时，应根据轴的具体受载及应⼒情况，采取相应的计算⽅法，并恰当地选取其许⽤应⼒。

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。

2.2.1按扭转强度条件计算：这种⽅法是根据轴所受的扭矩来计算轴的强度，对于轴上还作⽤较⼩的弯矩时，通常采⽤降低许⽤扭转切应⼒的办法予以考虑。

通常在做轴的结构设计时，常采⽤这种⽅法估算轴径。

实⼼轴的扭转强度条件为：由上式可得轴的直径为为扭转切应⼒，MPa 式中：T 为轴多受的扭矩，N ·mmT W 为轴的抗扭截⾯系数，3mmn 为轴的转速，r/minP 为轴传递的功率，KWd 为计算截⾯处轴的直径，mm为许⽤扭转切应⼒，Mpa ，][r τ值按轴的不同材料选取，常⽤轴的材料及][r τ值见下表：表1 轴的材料和许⽤扭转切应⼒空⼼轴扭转强度条件为： dd 1=β其中β即空⼼轴的内径1d 与外径d 之⽐，通常取β=这样求出的T τ[]T τ直径只能作为承受扭矩作⽤的轴段的最⼩直径。

例如，在设计⼀级圆柱齿轮减速器时，假设⾼速轴输⼊功率P1=，输⼊转速n1=960r/min ，则可根据上式进⾏最⼩直径估算，若最⼩直径轴段开有键槽，还要考虑键槽对轴的强度影响。

根据⼯作条件，选择45#钢，正⽕，硬度HB170-217，作为轴的材料，A0值查表取A0=112，则因为⾼速轴最⼩直径处安装联轴器，并通过联轴器与电动机相连接，设有⼀个键槽，则：另外，实际中，由于减速器输⼊轴通过联轴器与电动机轴相联结，则外伸段轴径与电动机轴径不能相差太⼤，否则难以选择合适的联轴器，取电动机轴d d 8.0'min =，查表，取mm d 38=电动机轴,则：综合考虑，可取mm d 32'min =通过上⾯的例⼦，可以看出，在实际运⽤中，需要考虑多⽅⾯实际因素选择轴的直径⼤⼩。