2高速轴断裂概述
在生产实践中，硬齿面减速机的高速轴很容易发生断裂，例如：
某减速机的高速轴就经常在A、B两处发生断裂（图1）：一处在联
轴器同高速轴的配合端面部位（断轴见图2），另一处在轴承同轴
的配合端面部位（断轴见图3）。国内外类似的案例还很多。
为什么减速机的高速轴很容易断裂？这是很值得研究、讨论的问
题。
是高速轴断裂的A断口形貌，从图中可以看到疲劳源位于键槽底部
的尖角处。断口具有疲劳源区、疲劳扩展区和静断区，高速轴是
典型的疲劳断裂。
是高速轴断裂的B断口形貌,这也是一个疲劳断裂断口，静断区很
小，说明轴中的名义应力并不大。
断裂轴宏观断口的特征：
1）断口是疲劳断口，轴是疲劳断裂。
2）轴的断裂部位大部分正好位于联轴器与轴过盈配合的边缘处。
3）最早的疲劳裂纹大都发生在平键键槽尖角处，或过渡圆角处。
4）轴的断口垂直于轴的轴线，基本上是一种高强度钢弯曲扭转型
断口。
在正常的情况下，减速机高速轴通常仅承受转矩作用。对以往多
次断轴案例进行疲劳强度计算结果表明，疲劳强度安全系数通常
可达2以上，高速轴应该是安全的，轴不可能断裂。经检查轴的材
料、热处理质量也都符合技术要求。但是，高速轴还是经常断
裂，可以说是减速机的多发病了！
3高速轴容易断裂的主要原因
减速机高速轴为什么容易断裂？经过全面排查后得知其主要原因
如下：
原因之一：键槽的应力集 .
观察很多带键槽的断轴断口（图6为一例），可以看到最早的疲劳
裂纹往往发生在平键键槽尖角处，很明显键槽的应力集中和轴的
截面面积减小影响了轴的强度
特别是键槽底部的圆角r(图6)对应力集中的影响很大。图中所示
是某矿用减速机高速轴的键槽,键槽底部的圆角r就很小，加大了
键槽的应力集中。
轴受纯扭转时，键槽和配合边缘处的有效应力集中系数Kτ见图
7[1]所示。当轴的抗拉强度Rm=900MPa时，键槽的有效应力集中系
数Kτ=2。因此键槽对轴的削弱是很大的。
原因之二：联轴器同轴的过盈配合
在图1中可以看到，轴断裂部位正好是联轴器同轴过盈配合的边缘
处，过盈配合对轴的强度影响很大。从图7可见：过盈配合H7/r6
的应力集中系数可达2.2以上；过盈配合H7/k6的应力集中系数约
为1.77；高速轴常用的过盈配合H7/m6的应力集中系数不会小于
1.8。因此，高速轴就容易在联轴器与轴过盈配合边缘处断裂了。
过盈连接的应力集中和接触应力分布实例如图8所示。图8a为过盈
连接应力集中示意图；图8b为当实心轮盘（齿轮）与轴的配合过
盈量为50μm时，接触应力在长度方向上的分布图；图8c为当阶梯
轮盘（齿轮）与轴的配合过盈量为50μm时，接触应力在长度方向
上的分布图。由此可见过盈配合对轴强度的影响。
值得注意的是，以上原因之一（键槽应力集中）和原因之二（过
盈连接应力集中）虽然对高速轴的强度有影响，但是两者在轴的
强度设计和安全系数计算中都已经计及的因素，因此可以肯定，
两者都不是造成轴容易断裂的决定性原因。真正造成高速轴断裂
多发病的是以下几个人们不注意的原因。
原因之三：减速机的安装、使用方面的问题
硬齿面减速机设计中的一个老大难问题是电动机和减速机轴直径
严重不匹配，减速机轴比电动机轴要细很多。通常，减速机轴直
径d2是电动机轴d1的3/4～1/2左右，如图9所示。如果电动机轴和
减速机轴同轴度很差，就会在联轴器上产生附加径向力F。
由于电动机与减速机的轴径不同（d1、d2），造成两者抗弯截面
模数不同（抗弯截面模数同直径d3成正比），联轴器产生的附加
径向力F对两轴的危险断面的附加弯矩（应力）也不同[1]。举例
说明如下（尺寸见图9）：
轴危险截面的弯曲应力：
电动机轴　 σ1=Fl1/0.1d13 ; 减速机轴　 σ2=Fl2/0.1d23　
当l1≈ l2时（见图9），两应力比值为　σ2/σ1= d13/ d23 。
如果取d2=1 ,　d1=2,　则 σ2/σ1 =8，应力差别巨大。
减速机断轴计算实例:
已知：某减速机高速轴断裂，其直径d2=60mm ,　电机轴直径
d1=90mm,
则　　　　σ2/σ1=d13/d23 =903/603=3.375。　
因此，断裂的始终是减速机轴。
附加径向力F的大小，取决于电动机和减速机两轴的同轴度。此同
轴度对硬齿面齿轮减速机轴的损伤非常敏感。在《机械设计手
册》中，对于弹性联轴器通常规定减速机的安装不同轴的径向位
移Δy不得大于0.2～0.3mm。这对于软齿面减速机可能是合适的，
而对硬齿面减速机可能就偏大了。而大多数现场安装、使用人员
并不重视此不同轴度，认为使用弹性联轴器可以自动补偿误差，
这是严重的误判。上述计算表明：由于减速机轴比电动机轴要小
得多，因此减速机轴上的弯曲应力要比电动机轴大很多，减速机
轴发生断裂就是必然了。
原因之四：轴上联轴器的径向刚度
所谓联轴器的径向刚度是指弹性联轴器的两半联轴器的两轴，产
生每单位径向位移Δy需要的径向力。径向刚度越大，产生径向位
移的径向力越大，对连接轴强度不良影响就越大。非金属弹性元
件挠性联轴器，如弹性套圈柱销联轴器、梅花形弹性块联轴器、
轮胎式联轴器等，其径向刚度就较小，但是其径向刚度还是有差
别。
某些制造质量很差的联轴器，其径向刚度很大，当两轴不对中有
径向位移时，轴上的附加径向力就很大，严重影响轴的强度。图
10所示的蛇形弹簧联轴器就是一例。半联轴器上的矩形直线齿廓
就很不利于径向位移的调整。
原因之五：轴上旋转零件的不平衡
旋转零件的静平衡或动平衡不好，将会使旋转零件产生离心力，
增加了轴的附加应力，从而影响轴的强度。图11为半联轴器——
轴——减速机的配置关系，图中半联轴器质量有点偏心.
旋转零件质量偏心引发的离心力为

式中　　　Q——由偏心产生的离心力(N)；

　　　　　　　r——偏心距 (mm);

　　　　　　　n——轴的转速 (r/min);

　　　　　　　m——联轴器的质量(kg)。
由于离心力与旋转零件的质量平方成正比，因此质量对离心力的
影响特别大。
用实际计算例子来说明。
已知:减速机高速轴的转速为n=1500r/min。
假设:偏心距r =0.1mm; 高速轴上旋转零件（如蛇形弹簧联轴器、
制动轮等）的质量m=50kg。则产生的离心力
如果此离心力的一半由减速机轴来承受，轴上受到的径向载荷也
可达2056.5N。
由于离心力与旋转零件的质量平方成正比，因此质量对离心力的
影响特别大。例如，其他条件不变，取旋转零件的质量m=70kg,
则Q=8062N,也就是离心力几乎增加了一倍。离心力Q使轴产生附加
弯曲应力，会影响轴的疲劳强度。
原因之六：轴上联轴器、制动器的质量重力
减速机高速轴上一般都有联轴器，或者制动器的制动轮，其自重
对于软齿面减速机的高速轴的强度来说，影响并不大，因为这种
减速机轴的尺寸都可以做得比较大。但是，对硬齿面减速机来
说，由于受高速轴上齿轮结构尺寸的限制，高速轴的尺寸和安全
系数都比较小，再由于联轴器或制动轮的质量重力可以同上述的
离心力叠加，在这种情况下，联轴器或制动轮的质量对高速轴强
度的影响就不可以忽视了。
例如前例:偏心距r =0.1mm; 高速轴上旋转零件的质量m=50kg，产
生的离心力4113N。如果考虑旋转零件质量产生的重力500N,两者
叠加可达4613N，相当于离心力增加了12%。 可见高速轴上旋转零
件质量产生的重力也会影响高速轴的强度。
4防止高速轴断裂的主要措施
针对以上出现的问题，可提出防止高速轴断裂的主要措施：
1）严格控制键槽的加工质量，特别是槽底的圆角半径 r，尽可能
按标准取大值；
没有圆角的键槽不能使用。
2）安装在高速轴上的联轴器、制动轮等，应经过静平衡或动平衡
试验，避免过大的附加离心力。
3）尽量减轻联轴器、制动轮重量。
4）不能使用制造质量不符合技术要求的联轴器、制动器。
5）减速机和电动机的底座底面，最好采用经过加工的平面；调整
垫片要平整，最好有定位措施.
6）定期检查地脚螺栓是否有松动、断裂等，目的是为了防止设备
运转一段时间后，电动机或减速机发生移动，破坏已经调整好的
同轴度。

7）最重要的是控制减速机安装的同轴度，安装减速机时，应派遣
掌握技术的专业人员，负责调整、检测电动机和减速机的同轴
度。采用快速、简单、经济的激光对中装置（图13），检测两轴
的对中可能有好的效果。