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。因此，选用合金钢、采取热处理都只能提高轴的强度或耐磨性，对刚度几乎没有影响。
三、轴的结构设计
轴的结构设计应满足以下三方面要求：
（1）有利于提高轴的强度和刚度
轴的受力状况与轴上传力零件的布局和结构有关。在进行轴的结构设计时，应合理布置轴上零件，采用合理结构，尽可能减轻轴所受的力和转矩。
为了缓解轴的直径突变处的应力集中，轴上一般都应加工有过渡圆角，有时还可采用其他结构措施：如卸载槽、凹切圆角、过渡肩环等（图13-11）。这些结构能有效地减小应力集中，提高轴的疲劳强度。
（2）轴上零件定位和固定可靠
零件的定位和固定是轴结构设计中的核心问题。定位是使零件在不需要采取任何测量手段的条件下一次安装到位；固定的作用则是使轴上零件与轴合成一体，作为一个构件运转。定位和固定含义上有差别，但在结构措施上却可以相同。
零件的固定要考虑轴向和周向两个方向。
常用的轴向定位和固定装置有轴肩轴环、圆螺母、弹性挡圈、套筒、紧定螺钉等，在轴端也常使用圆锥面和轴端挡圈。这些方法各有特点。例如：圆螺母工作可靠，能传递较大轴向力，但需要采取防松措施，结构较复杂；弹性挡圈结构简单、紧凑，但只能承受较小的轴向力，可靠性差；紧定螺钉能实现轴向和周向两个方向的定位和固定，但仅适于轴向力小、转速低的场合。
零件的周向固定即轴毂联接，联接方式有很多，常用的有键、销联接、过盈配合联接等。
（3）轴的结构工艺性
在轴的结构设计时，要考虑使轴上零件便于安装和拆卸。为此，多数轴都采用阶梯轴结构，从而使轴上零件很容易达到预定位置；同时，为便于拆卸轴上零件，轴肩不宜过高，满足定位的要求即可。这里，应特别注意滚动轴承的定位轴肩高度，过高则无法正常拆卸轴承。
轴的结构设计还要考虑轴的加工工艺性。在满足使用要求的前提下，轴的结构形状应尽可能简单。
四、轴的强度计算
轴的类型不同或具有不同的工作条件，相应有不同的强度计算方法。
心轴只受弯矩，按其弯曲应力的性质，取相应的许用弯曲应力进行强度校核。
传动轴只受扭矩，应按扭转剪应力进行强度校核。
转轴主要受弯矩又受扭矩，对于一般条件下的转轴，可用弯扭合成当量弯矩法进行强度校核。
轴的强度计算应当与轴的结构设计结合进行。一般转轴的设计步骤为；（1）按扭转强度初步估算轴的直径；（2）轴的初步结构设计；（3）按弯扭强度核验计算；（4）修改有关结构，完成设计。
1．轴颈的初步估算
按轴的扭转强度条件
此式可用于校核传动轴的强度，也可导出转轴直径的估算公式
说明：（1）考虑轴上键槽对强度的影响，有一个键槽需将估算值增大3%，若同截面上有两个键槽则需增大7%；
（2）轴的直径应按标准尺寸圆整；
（3）估算值为轴受扭部分的最小直径尺寸，可在此基础上进行轴的结构设计。
2．弯扭合成当量弯矩法
根据轴的初步结构尺寸，可分析轴和支点的受