機械設(shè)計中軸的強度設(shè)計與校核

機械設(shè)計中軸的強度設(shè)計與校核軸是在機械設(shè)備中的主要組成零件之一。所有在機械設(shè)備上，用于作回轉(zhuǎn)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(lián)接，所以就構(gòu)成了一個以軸為基準(zhǔn)的組合體—軸系部件。由于在不同的機器里，軸發(fā)揮的作用往往不同。而軸的結(jié)構(gòu)主要是由以下的因素決定的：軸在整個設(shè)備中的安裝位置和發(fā)揮的作用，軸上安裝的所有零件的類型和大小，載荷的性質(zhì)、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(jié)構(gòu)設(shè)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(diào)整。

一般來說，在設(shè)計時，我們首當(dāng)其沖的就是考慮軸的作用。根據(jù)作用，為軸選擇相應(yīng)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(zhì)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(lián)結(jié)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(jù)滾動軸承的國標(biāo)尺寸來選擇，尺寸公差和表面粗糙度一定要根據(jù)國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)來選??；軸頭的尺寸一定要結(jié)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(shè)計時，我們從裝配是否容易這一角度來考慮：則合理的設(shè)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(shè)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(zhǔn)；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(zhì)上就是對軸的材料或設(shè)備的力學(xué)性能做好檢測工作，并改進軸的設(shè)計的一種方式，并且這種方式是不會破壞材料和設(shè)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(yīng)力情況，采用相應(yīng)的方法，并恰當(dāng)?shù)貙υS用應(yīng)力做出選擇。

對于傳動軸應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強度條件計算。

對于心軸應(yīng)按彎曲強度條件計算。

對于轉(zhuǎn)軸應(yīng)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(zhuǎn)強度條件計算：

這是一種根據(jù)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(zhuǎn)切應(yīng)力的途徑來達到這一目的。一般而言，在設(shè)計軸的結(jié)構(gòu)時，我們常這樣來估算軸徑。

實心軸的扭轉(zhuǎn)強度條件為：

根據(jù)上式，我們可以得到軸的直徑：

為扭轉(zhuǎn)切應(yīng)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(shù)，

n為軸的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa，

軸的材料Q235

***-*****Cr18Ni9Ti40Cr，35SiMn，2Cr13，42SiMn

空心軸扭轉(zhuǎn)強度條件為：

其中，即空心軸的內(nèi)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(yīng)力可視為脈動循環(huán)變應(yīng)力。

則

其中：

M-軸所受的彎矩，N·mm

W-危險截面抗扭截面系數(shù)（）

-脈動循環(huán)應(yīng)力時許用彎曲應(yīng)力（MPa）

2.3.3按彎扭合成強度條件計算

考慮到軸的設(shè)計的前期階段，軸的主要結(jié)構(gòu)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(jīng)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(jù)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(shè)計時，除合理選材以外，我們還可以通過結(jié)構(gòu)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(shè)計，從而減少軸所受的載荷。而對于受彎矩和轉(zhuǎn)矩聯(lián)合作用的轉(zhuǎn)軸，我們可以采用調(diào)整軸和軸上零件結(jié)構(gòu)，從而減少軸的承載。

（2）調(diào)整軸的結(jié)構(gòu)，避免出現(xiàn)應(yīng)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(dāng)裝配零件的倒角不是很大時，可以利用內(nèi)凹圓角或加裝隔離環(huán)；盡少地在軸的受載區(qū)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(zhì)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(jié)束語

綜上所述，本文按照軸的受載及應(yīng)力情況，闡述了相應(yīng)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