第十一章　轴

第十一章　轴 第一节概述第二节轴的结构设计第三节轴的强度计算第四节轴的使用与维护

第一节概述 如图所示减速器示意图中的齿轮、联轴器等，都是安装在轴上，并通过轴实现传动。轴的主要功用就是支承零件并传递运动和动力。一、轴的分类 1.按受载情况分同时承受弯矩和转矩作用的轴称为转轴。如图所示的输入轴Ⅰ和输出轴Ⅱ; 只承受转矩作用的轴称为传动轴。如图所示的电动机轴; 只承受弯矩作用的轴称为心轴。如图所示的火车轮轴。

2.按结构形状分 轴有直轴、曲轴和挠性钢丝轴。直轴又可分为光轴和阶梯轴。另外，直轴又分为实心轴、空心轴（车床的主轴）

二、轴设计的要求和步骤 1.轴设计的主要问题（1）选择适宜的材料（2）确定轴的结构（3）计算轴的工作能力 2.轴的设计要求（1）结构设计要求轴应具有合理的结构形状和尺寸。（2）工作能力要求轴应具有足够的疲劳强度，对于某些特殊用途的轴，还应有刚度、振动稳定性等方面的要求。 3.轴的设计步骤轴的设计步骤可归纳为如图所示的转轴设计程序框图,其他类型轴的设计步骤与此类似，其中结构设计与验算工作能力往往需交叉进行。

三、轴的材料 （1）碳素钢工程中常用35、45、50等优质碳素钢，其中以45钢用得最为广泛。其价格低廉，对应力集中敏感性较小，可以通过调质或正火处理以保证其机械性能，通过表面淬火或低温回火以保证其耐磨性。对于轻载和不重要的轴也可采用Q235、Q275等普通碳素钢. （2）合金钢常用于高温、高速、重载以及结构要求紧凑的轴，有较高的力学性能，但价格较贵，对应力集中敏感，所以在结构设计时必须尽量减少应力集中。（3）球墨铸铁耐磨、价格低、吸振性好，对应力集中的敏感性较低，但可靠性较差，一般用于形状复杂的轴，如曲轴、凸轮轴等。书表列出了轴的常用材料及其主要机械性能。

第二节轴的结构设计 • 对轴的结构进行设计主要是确定轴的结构形状和尺寸。 • 轴的结构设计主要取决于: 轴在机器中的安装位置及形式,轴上零件的定位、固定以及联接方法，轴所承受的载荷，轴的加工工艺以及装配工艺要求等。 • 影响轴的结构与尺寸的因素很多，设计轴时要全面综合的考虑各种因素。 • 无论何种具体因素，轴的结构都应满足以下条件： • （1）轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置，而且固定可靠； • （2）有利于提高轴的刚度和强度，力求轴受力合理，尽量避免或减小应力集中； • （3）轴应具有良好的加工和装配工艺性能等。

一、轴的结构及各部分名称 如图所示为阶梯轴的常见结构，轴上与轴承配合的部分称为轴颈，与轮毂配合的部分称为轴头，联接轴颈和轴头的非配合部分统称为轴身，直径大且呈环状的短轴段称为轴环，截面尺寸变化的台阶处称为轴肩。此外，还有轴肩的过渡圆角、轴端的倒角、与键联接处的键槽等结构。

轴颈轴头轴身

二、轴上零件的固定方法 1.轴上零件的轴向定位轴上零件的轴向固定就是不允许轴上零件沿轴向窜动。（1）轴肩轴环定位为了保证轴上零件靠紧定位面，轴肩处的圆角半径R必须小于零件内孔的圆角R1 或倒角C1; 轴肩高度一般取h=（0.07～0.1）d，轴环宽度b≈1.4h，如图所示。结构简单，定位可靠，可承受较大的轴向力

（2）套筒固定。如前面图所示。 （3）常用的轴向固定措施还有: 轴的一端可采用轴端挡圈，如图（a）所示; 套筒过长可采用圆螺母，如图（b）所示; 受载较小时可采用弹性挡圈，如图（c）所示；紧定螺钉（如图（d）所示）和销钉等固定。

2.轴上零件的周向固定 轴上零件的周向固定是保证轴上的传动零件与轴一起转动. 常用的固定方式有: 键联接、过盈配合、无键联接等。转矩较大时可采用花键联接，也可同时采用平键联接和过盈配合联接来实现周向固定。转矩较小时，可采用紧定螺钉、销钉联接等。

三、各段轴径与长度的确定 1.轴径的确定零件在轴上的定位和装拆方案确定后，轴的形状便大体确定。各轴段所需的直径与轴上的载荷大小有关。初步确定轴的直径时，通常还不知道支反力的作用点，不能决定弯矩的大小与分布情况，因而还不能按轴所受的具体载荷及其引起的应力来确定轴的直径。但在进行轴的结构前，通常已能求得轴所受的扭矩。因此，可按轴所受的扭矩初步估算轴所需的直径。将初步求出的直径作为承受扭矩的轴段的最小直径dmin，然后再按轴上零件的装配方案和定位要求，从dmin处起逐一确定各段轴的直径。在实际设计中，轴的直径亦可凭设计者的经验取定，或参考同类机械用类比的方法确定。

有配合要求的轴段，应尽量采用标准直径。 安装标准件（如滚动轴承、联轴器、密封圈等）部位的轴径，应取为相应的标准值及所选配合的公差。为了使齿轮、轴承等有配合要求的零件装拆方便，并减少配合表面的擦伤，在配合轴段前应采用较小的直径。为了使与轴作过盈配合的零件易于装配，相配轴段的压入端应制出锥度；或在同一轴段的两个部位上采用不同的尺寸公差。

2.各段长度的确定 确定各轴段长度时，应尽可能使结构紧凑，同时还要保证零件所需的装配或调整空间。轴的各段长度主要是根据各零件与轴配合部分的轴向尺寸和相邻零件间必要的空隙来确定的。为了保证轴向定位可靠，与齿轮和联轴器等零件相配合部分的轴段长度一般应比轮毂长度短2～3mm。

四、轴的结构的工艺性 所谓轴的结构的工艺性，是指轴的结构应尽量简单，有良好的加工和装配工艺性，以利减少劳动量，提高劳动生产率及减少应力集中，提高轴的疲劳强度。 1．设计合理的结构，利于加工和装配（1）为减少加工时换刀时间及装夹工件时间，同根轴上所有圆角半径、倒角尺寸、退刀槽宽度应尽可能统一；当轴上有两个以上键槽时，应置于轴的同一条母线上，以便一次装夹后就能加工。（2）轴上的某轴段需磨削时，应留有砂轮的越程槽；需切制螺纹时，应留有退刀槽。（3）为去掉毛刺，利于装配，轴端应倒角。（4）当采用过盈配合联结时，配合轴段的零件装入端，常加工成导向锥面。若还附加键联结，则键槽的长度应延长到锥面处，便于轮毂上键槽与键对中。（5）如果需从轴的一端装入两个过盈配合的零件，则轴上两配合轴段的直径不应相等，否则第一个零件压入后，会把第二个零件配合的表面拉毛，影响配合。

2.制造工艺和装配工艺要求 制造工艺要求是指轴的结构应尽可能便于加工，节约加工成本。为此，轴端倒角的尺寸应尽量一样，轴肩的圆角半径也要尽可能相同。若轴上采用多个单键联接时，键宽应尽可能统一，并在同一加工直线上。在磨削和车螺纹的轴段应有砂轮越程槽和螺纹退刀槽。 3.标准尺寸要求轴上的零件多数都是标准零件，如滚动轴承、联轴器、圆螺母等，因此与标准零件配合处的轴段尺寸必须符合标准零件的标准尺寸系列。

4.提高轴的疲劳强度 加大轴肩处的过渡圆角半径和减小轴肩高度，就可以减少应力集中，从而提高轴的疲劳强度。提高轴的表面质量、合理分布载荷等也可以提高轴的疲劳强度。结构改错：

第三节轴的强度计算 一、按抗扭强度计算对于圆截面传动轴，其抗扭强度条件为计算轴的直径时，可以写成式中 τ为危险截面的切应力，MPa; ［τ］T为材料的许用扭转切应力，MPa; T为轴所承受的转矩，N·mm; WT 为轴危险截面的抗扭截面系数，mm3; P为轴的传递功率，kW; n为轴的转速，r/min; d为轴危险截面的直径，mm； C为由轴的材料和承载情况确定的常数。若在计算截面处有键槽，则应将直径加大3%（单键）或7%（双键），以补偿键槽对轴强度削弱的影响。

二、按弯扭合成强度计算 对于圆截面转轴，其弯扭合成强度条件为一般的转轴，弯曲应力为对称循环变应力，而扭应力的循环特性则随转矩的性质而定。考虑两种应力循环特性的差异，将上式的转矩乘以校正系数，即有计算轴的直径时，可以写成式中σew为危险截面的当量应力，MPa; M e 为危险截面的当量弯矩，N·mm; M为合成弯矩，N·mm。M=√MH2 +MV2 ，MH 指水平平面弯矩，N·mm; MV 指竖直平面弯矩，N·mm; W为抗弯截面系数，mm3 ; α为根据转矩性质而定的折合系数。稳定的转矩取α=0.3，脉动循环变化的转矩取 α=0.6，对称循环变化的转矩取α=1。［σ-1 ］W为对称循环应力状态下材料的许用弯曲应力，MPa，。计算轴的直径时，对于有键槽的危险截面，轴径应加大4%-7%。

第四节轴的使用与维护 一、轴的使用（1）安装时，要严格按照轴上零件的先后顺序进行，注意保证安装精度。对于过盈配合的轴段要采用专门工具进行装配,以免破坏其表面质量。（2）安装结束后，要严格检查轴在机器中的位置以及轴上零件的位置，并将其调整到最佳工作位置，同时轴承的游隙也要按工作要求进行调整。（3）在工作中，必须严格按照操作规程进行，尽量使轴避免承受过量载荷和冲击载荷，并保证润滑，从而保证轴的疲劳强度。二、轴的维护（1）认真检查轴和轴上零件的完好程度，若发现问题应及时维修或更换。轴的维修部位主要是轴颈及轴端。对精度要求较高的轴，在磨损量较小时，可采用电镀法或热喷涂（或喷焊）法进行修复。轴上花键、键槽损伤，可以用气焊或堆焊修复，然后再铣出花键或键槽。也可将原键槽焊补后再铣制新键槽。（2）认真检查轴以及轴上主要传动零件工作位置的准确性、轴承的游隙变化并及时调整。（3）轴上的传动零件（如齿轮、链轮等）和轴承必须保证良好的润滑。应当根据季节和工作地点，按规定选用润滑剂并定期加注。要对润滑油及时检查和补充，必要时更换。

第十一章 轴