轴的设计、计算、校核

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：

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

（mm）

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dmin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=0.3。

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

=0.59。

轴的设计、计算、校核

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：

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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：

1.3~1.5用于材料均匀，载荷与应力计算精确时；

1.5~1.8用于材料不够均匀，载荷与应力计算精确度较低时；

1.8~2.5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；

＝1.2~1.4，用于高塑性材料（

≤0.6）制成的钢轴；

＝1.4~1.8，用于中等塑性材料（

＝0.6~0.8）制成的钢轴；

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＝1.8~2，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

＝(0.55~0.62)

；

Mmax、Tmax——轴的危险截面上所受的最大弯矩和最大扭矩，N.mm； 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、WT——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） ≤100 >100~250 ≤10 硬度 抗拉强度极屈服强度(HBS) 限σb 400~420 375~390 590 570 640 735 极限σs 225 170 105 40 215 295 285 355 540 225 245 275 355 140 55 回火 45 调质 ≤200 ≤100 217~255 241~286 155 200 60 70 用于载荷较大，而无很大冲击的重要>100~300 162~217 135 应用最广泛 弯曲疲剪切疲许用弯曲劳极限劳极限应力[σσ-1 τ-1 -1] 用于不重要及受载荷不大的轴 备注 热轧或Q235A 锻后空冷 正火 170~217 调质 轴的设计、计算、校核

40Cr >100~300 685 490 355 185 轴 ≤100 270~300 900 785 735 685 930 835 785 735 570 590 540 785 685 590 430 370 365 345 440 410 375 260 75 >100~300 240~270 40CrNi ≤100 38SiMnMo 调质 >100~300 217~269 ≤60 38CrMoAlA 调质 >60~100 293~321 277~302 195 280 270 75 >100~160 241~277 渗碳 20Cr 淬火 ≤60 回火 3Cr13 调质 ≤100 ≤100 100~200 QT600-3 QT800-2 ≥241 835 530 490 190~270 245~335 600 800 370 480 635 395 190 195 180 215 290 230 115 110 185 250 45 用于高低温及腐蚀条件下的轴 用于制造复杂外形的轴 75 用于腐蚀条件下的轴 220 229~286 210 70 用于重要的轴，性能近于40CrNi 用于要求高耐磨性，高强度且热处理（氮化）变形很小的轴 210 用于很重要的轴 调质 渗碳 56~62HRC 用于要求强度及韧性均较高的轴 640 390 305 160 60 1Cr18Ni9Ti 淬火 ≤192 表2 零件倒角C与圆角半径R的推荐值 直径d C或R >6~10 0.5 0.6 >10~18 0.8 >18~30 1.0 >30~50 1.2 1.6 >50~80 2.0 >80~120> 2.5 120~180 3.0 表3 轴常用几种材料的[轴的材料 [] A0 Q235 12～20 160～135 1Cr18Ni9Ti 12～25 148～125 35 20～30 ]和A0值 40Cr,35SiMn,2Cr13,20CrMnTi 40～52 107～98 45 30～40 135～118 118～107

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