轴设计
主要内容
1、轴的结构设计：影响轴结构的因素；轴的台阶化设计；轴的设计步骤。 2、轴的强度与刚度计算：轴上载荷及应力分析；轴的强度计算、刚度计算等。 基本要求
1、了解轴的功用、类型、特点及应用。
2、掌握轴的结构设计方法。
3、掌握轴的三种强度计算方法：按扭转强度计算、按弯扭合成强度计算、按疲劳强度 进行安全系数校核计算。
重点难点
1、轴的结构设计，强度计算。
2、转轴设计程序问题。
3、弯扭合成强度计算中的应力校正系数 。
§7-1 轴概述
一、轴的功能和分类
轴是组成机器的重要零件之一，其主要功能是支持作回转运动的传动零件(如齿轮、蜗轮等)，并传递运动和动力。
1、按受载情况分
根据轴的受载情况的不同轴可分为转轴、传动轴和心轴三类。
转轴：既受弯矩又受转矩的轴；
传动轴：主要受转矩，不受弯矩或弯矩很小的轴；
心轴：只受弯矩而不受转矩的轴；
根据轴工作时是否转动，心轴又可分为转动心轴和固定心轴。
转动心轴：工作时轴承受弯矩，且轴转动
固定心轴：工作时轴承受弯矩，且轴固定
2、按轴线形状分
根据轴线形状的不同轴又可分为曲轴、直轴和钢丝软轴。
图7-2 曲轴
曲轴：各轴段轴线不在同一直线上，主要用于有往复式运动的机械中，如内燃机中的曲轴(图7-2)。
图7-3 直轴
直轴：各轴段轴线为同一直线。直轴按外形不同又可分为：
光轴：形状简单，应力集中少，易加工，但轴上零件不易装配和定位。常用于心轴和传动轴(图7-3左)。
阶梯轴：特点与光轴相反，常用于转轴(图7-3右)。
图7-4 钢丝软轴
钢丝软轴：由多组钢丝分层卷绕而成，具有良好挠性，可将回转运动灵活地传到不开敞的空间位置。
二、轴的材料及选择
轴的材料种类很多，选择时应主要考虑如下因素：
1、轴的强度、刚度及耐磨性要求；
2、轴的热处理方法及机加工工艺性的要求；
3、轴的材料来源和经济性等。
轴的常用材料是碳钢和合金钢。
碳钢比合金钢价格低廉，对应力集中的敏感性低，可通过热处理改善其综合性能，加工工艺性好，故应用最广，一般用途的轴，多用含碳量为0.25～0.5%的中碳钢。尤其是45号钢，对于不重要或受力较小的轴也可用Q235A等普通碳素钢。
合金钢具有比碳钢更好的机械性能和淬火性能，但对应力集中比较敏感，且价格较贵，多用于对强度和耐磨性有特殊要求的轴。如20Cr、20CrMnTi等低碳合金钢，经渗碳处理后可提高耐磨性；20CrMoV、38CrMoAl等合金钢，有良好的高温机械性能，常用于在高温、高速和重载条件下工作的轴。
值得注意的是：由于常温下合金钢与碳素钢的弹性模量相差不多，因此当其他条件相同时，如想通过选用合金钢来提高轴的刚度是难以实现的。
低碳钢和低碳合金钢经渗碳淬火，可提高其耐磨性，常用于韧性要求较高或转速较高的轴。
球墨铸铁和高强度铸铁因其具有良好的工艺性，不需要锻压设备，吸振性好，对应力集中的敏感性低，近年来被广泛应用于制造结构形状复杂的曲轴等。只是铸件质量难于控制。
轴的毛坯多用轧制的圆钢或锻钢。锻钢内部组织均匀，强度较好，因此，重要的大尺寸的轴，常用锻造毛坯。轴的常用材料机械性能见表7-1。
表7-1 轴的常用材料机械性能
材料牌号 | 热处理 | 毛坯直径
（mm） | 硬度
(HBS) | 抗拉强度极限σb | 屈服强度极限σs | 弯曲疲劳极限σ-1 | 剪切疲劳极限τ-1 | 许用弯曲应力[σ-1] | 备注 |
Q235A | 热轧或锻后空冷 | ≤100 | | 400~420 | 225 | 170 | 105 | 40 | 用于不重要及受载荷不大的轴 |
>100~250 | | 375~390 | 215 |
45 | 正火 回火 | 音箱的制作≤10 | 170~217 | 590 | 295 | 225 | 140 | 55 | 应用最广泛 |
>100~300 | 162~217 | 570 | 285 | 245 | 135 |
调质 | ≤200 | 217~255 | 640 | 355 | 275 | 155 | 60 |
40Cr | 调质 | ≤100 >100~300 | 241~286 | 735 685 | 540 490 | 355 355 | 200 185 | 70 | 用于载荷较大，而无很大冲击的重要轴 |
40CrNi | 调质 | ≤100 >100~300 | 270~300 240~270 | 900 785 | 735 570 | 430 370 | 260 210 | 75 | 用于很重要的轴 |
38SiMnMo | 调质 | ≤100 >100~300 | 229~286 217~269 | 735 685 | 590 540 | 365 345 | 210 195 | 70 | 用于重要的轴，性能近于40CrNi |
38CrMoAlA | 调质 | ≤60 >60~100 >100~160 | 293~321 277~302 241~277 | 930 835 785 | 785 685 590 | 440 410 375 | 280 270 220 | 75 | 用于要求高耐磨性，高强度且热处理（氮化）变形很小的轴 |
20Cr led球泡灯罩 | 渗碳 淬火 回火 | ≤60 | 渗碳
56~62HRC | 640 | 390 | 305 | 160 | 60 | 用于要求强度及韧性均较高的轴 |
3Cr13 | 调质 | ≤100 | ≥241 | 835 | 635 | 395 | 230 | 75 | 用于腐蚀条件下的轴 |
1Cr18Ni9Ti | 淬火 | ≤100 | ≤192 | 530 | 195 | 190 | 115 | 45 | 用于高低温及腐蚀条件下的轴 |
180 | 110 |
100~200 | 490 |
QT600-3 | | | 190~270 | 600 | 370 | 215 | 185 | | 用于制造复杂外形的轴 |
QT800-2 | | | 245~335 | 800 | 480 | 290 | 250 |
仓库管理流程 | | | | | | | | | |
注：（1）剪切屈服极限τs≈（0.55～0.62）σs，σ0≈1.4σ-1，τ0≈1.5τ-1；
（2）等效系数ψ：碳素钢，ψσ＝0.1～0.2，ψτ＝0.05～0.1；合金钢，ψσ＝0.2～0.3，ψτ＝0.1～0.15。
§7-2 轴的结构设计
轴的结构设计包括定出轴的合理外形和全部结构尺寸。 轴的结构主要取决于以下因素： 1、轴在机器中的安装位置及形式； 2、轴上安装零件的类型、尺寸、数量以及和轴联接的方法； 3、载荷的性质、大小、方向及分布情况； 4、轴的加工工艺等。 由于影响轴的结构的因素较多，且其结构形式又要随着具体情况的不同而异，所以轴没有标准的结构形式。设计时，必须针对不同情况进行具体的分析。 轴的结构应满足：
1、轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置；
2、轴上的零件应便于装拆和调整；
3、轴应具有良好的制造工艺性等。
一、轴上零件的布置
轴上零件的合理布置可改善轴的受力状况，提高轴的强度和刚度。
1、改善轴上的弯矩分布
合理改进轴上零件的结构，可减少轴上载荷和改善其应力特征，提高轴的强度和刚度。图7-5所示的轮轴，如把轴毂配合面分为两段(图7-5b)，则可减少轴的弯矩，使载荷分布更趋合理。
图7-5 改善轴上弯矩分布
2、改善轴上的转矩分配
图7-6中轴上装有三个传动轮，如将输入轮1布置在轴的一端(图7-6a)，当只考虑轴受转矩时，输入扭矩为mntpT1＋T2，此时轴上受的最大转矩为T1＋T2。若将输入轮1布置在输出轮2和3之间时(图7-6b)，则轴上的最大转矩为T1。
图7-6 轴上零件的合理布置
3、改变应力状态
图7-7
中a所示卷筒轴工作时，既受弯矩又受转矩作用，当卷筒的安装结构改为图7-7b时，卷筒轴则只受弯矩作用，且轴向结构更紧凑，因此改变了轴的应力状态。 图7-7 改变轴的应力状态
二、轴上零件的轴向固定
零件安装在轴上，要有准确的定位。各轴段长度的确定，应尽可能使结构紧凑。对于不允许轴向滑动的零件，零件受力后不要改变其准确的位置，即定位要准确，固定要可靠。与
轮毂相配装的轴段长度, 一般应略小于轮毂宽2～3mm。对轴向滑动的零件, 轴上应留出相应的滑移距离。
轴上零件的轴向定位是以轴肩、套筒、圆螺母、轴端挡圈和轴承端盖等来保证的。
1、轴肩与轴环
轴肩分为定位轴肩和非定位轴肩两类，利用轴肩定位是最方便可靠的方法，但采用轴肩就必然会使轴的直径加大，而且轴肩处将因截面突变而引起应力集中。另外，轴肩过多时也不利于加工。因此，轴肩定位多用于轴向力较大的场合。定位轴肩的高度h一般取为h=(0.07～0.1)d，d为与零件相配处的轴径尺寸。为了使零件能靠紧轴肩而得到准确可靠的定位，轴肩处的过渡圆角半径r必须小于与之相配的零件毂孔端部的圆角半径R或倒角尺寸C。非定位轴肩是为了加工和装配方便而设置的，其高度没有严格的规定，一般取为1～2mm。
注：滚动轴承的定位轴肩高度必须低于轴承内圈端面的高度，以便拆卸轴承，其轴肩的高度可查手册中轴承的安装尺寸。
图7-8a 轴肩与轴环
2、套筒
套筒固定结构简单，定位可靠，轴上不需开槽﹑钻孔和切制螺纹，因而不影响轴的疲劳强度，一般用于轴上两个零件之间的固定。如两零件的间距较大时，不宜采用套筒固定，以免增大套筒的质量及材料用量。因套筒与轴的配合较松，如轴的转速较高时，也不宜采用套筒固定。
图7-8b 圆螺母和套筒
膜分离装置
3、圆螺母
圆螺母固定可承受大的轴向力，但轴上螺纹处有较大的应力集中，会降低轴的疲劳强度，故一般用于固定轴端的零件，有双圆螺母和圆螺母与止动垫片(图7-8b)两种型式。当轴上两零件间距离较大不宜使用套筒固定时，也常采用圆螺母固定。
4、轴端挡圈与锥面
锥面定心精度高，拆卸容易，能承受冲击及振动载荷；常用于轴端零件的固定，可以承受较大的轴向力，与轴端压板或螺母联合使用，使零件获得双向轴向固定。
5、弹性档圈
结构紧凑、简单，常用于滚动轴承的轴向固定，但不能承受轴向力。当位于受载轴段时
，轴的强度削弱较大。
6、紧定螺钉和锁紧挡圈
轴结构简单，零件位置可调整并兼作周向固定，多用于光轴上零件的固定。但能承受的载
荷较小，不宜于转速较高的轴。
二、轴上零件的周向固定
轴上零件与轴的周向固定所形成的联接，通常称为轴毂联接，轴毂联接的形式多种多样，本节介绍常用的几种。
1、平键联接
平键工作时，靠其两侧面传递扭矩，键的上表面和轮毂槽底之间留有间隙。这种键定心性较好，装拆方便。但这种键不能实现轴上零件的轴向固定。
2、花键联接
花键联接的齿侧面为工作面，可用于静联接或动联接。它比平键联接有更高的承载能力，较好的定心性和导向性；对轴的削弱也较小，适用于载荷较大或变载及定心要求较高的静联接、动联接。
3、成形联接
成形联接利用非圆剖面的轴和相应的轮毂构成的轴毂联接，是无键联接的一种形式。轴和
毂孔可做成柱形和锥形，前者可传递转矩，并可用于不在载荷作用下的轴向移动的动联接；后者除传递转矩外，还可承受单向轴向力。
成形联接无应力集中源，定心性好，承载能力高。但加工比较复杂，特别是为了保证配合精度，最后一道工序多要在专用机床上进行磨削，故目前应用还不广泛。
4、过盈联接
过盈联接是利用零件间的过盈量来实现联接的。轴和轮毂孔之间因过盈配合而相互压紧，在配合表面上产生正压力，工作时依靠此正压力产生的摩擦力(也称为固持力)来传递载荷。过盈联接既能实现周向固定传递转矩，又能实现轴向固定传递轴向力。其结构简单，定心性能好，承载能力大，受变载和冲击载荷的能力好。常用于某些齿轮、车轮、飞轮等的轴毂联接。其缺点是承载能力取决于过盈量的大小，对配合面加工精度要求较高，装拆也不方便。
图7-10 过盈联接
过盈联接的配合表面常为圆柱面和圆锥面，如图7-10所示，前者的装配有压入法和温差法，当过盈量或尺寸较小时，一般用压入法装配，当过盈量或尺寸较大时，或对联接量要求较高时，常用温差法装配。后者的装配可通过螺纹联接和液压装拆法实现。螺纹压紧联接使配合面间产生相对的轴向位移和压紧，这种结构常用于轴端；液压装拆是用高压油泵将高压油通过油孔和油沟压入联接的配合面，使轮毂孔径胀大而轴径缩小，同时施加一定的轴向力使之相互压紧，当压至预定的位置时，排除高压油即可，这种装配对配合面的接触精度要求较高，需要高压油泵等专用设备。
另一种由弹性联接所构成的过盈联接，它利用一对或多对内、外锥面贴合的弹性环，当螺母(柳编水果篮或螺栓)锁紧时，内环和外环相互压紧，因而形成过盈联接。
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