1．1概述

1．1．1軸的分類

1．1．2軸的毛坯與材料

1．1．3軸的失效形式和計(jì)算準(zhǔn)則

1．2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1．2．1軸的結(jié)構(gòu)組成

1．2．2零件在軸上的定位

1．2．3軸結(jié)構(gòu)的工藝性

1．2．4軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)步驟

1．3軸的設(shè)計(jì)計(jì)算

1．3．1軸的強(qiáng)度計(jì)算

1．3．2軸的剛度計(jì)算

1．3．3提高軸的強(qiáng)度、剛度措施

1．1概述

軸是組成機(jī)器的重要零件之一。用于支承作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或擺動(dòng)的零件來實(shí)現(xiàn)其回轉(zhuǎn)或擺動(dòng)，使其有確定的工作位置。

1.1.1分類

1.按照軸線形狀分類：軸可分為直軸、曲軸和軟軸

(1)直軸：直軸按外形不同可分為光軸、階梯軸及一些特別用途的軸，如凸輪軸、花鍵軸齒輪軸及蝸桿軸等。

(2)曲軸：曲軸是內(nèi)燃機(jī)、曲柄壓力機(jī)等機(jī)器上的一對(duì)一零件，用以將往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，或作相反轉(zhuǎn)變。

(3)軟軸：軟軸主要用于兩傳動(dòng)軸線不在同一直線或工作時(shí)彼此有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的空間傳動(dòng)，也可用于受連續(xù)振動(dòng)的場(chǎng)合，以緩和沖擊。

2.按照所受載荷性質(zhì)分類：軸可分為心軸、轉(zhuǎn)軸和傳動(dòng)軸。

(1)心軸：通常指只承受彎矩而不承受轉(zhuǎn)矩的軸。如自行車前、后輪軸，汽車輪軸。

(2)轉(zhuǎn)軸：既受彎矩又受轉(zhuǎn)矩的軸。轉(zhuǎn)軸在各種機(jī)器中比較常見。

(3)傳動(dòng)軸：只受轉(zhuǎn)矩不受彎矩或受很小彎矩的軸。車床上的光軸、連接汽車發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸和后橋的軸，均是傳動(dòng)軸。

1.1.2軸的毛坯與材料

1.軸的材料：首先應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，對(duì)應(yīng)力集中敏感性低；還應(yīng)滿足剛度、性能、(以實(shí)際報(bào)告為主)(以實(shí)際報(bào)告為主)性及良好的加工性。常用的材料主要有碳鋼、合金鋼、球墨鑄鐵和較較鑄鐵。

選擇軸的材料時(shí)，應(yīng)考慮軸所受載荷的大小和性質(zhì)、轉(zhuǎn)速高低、周圍環(huán)境、軸的形狀和尺寸、生產(chǎn)批量、重要程度、材料機(jī)械性能及經(jīng)濟(jì)性等因素，選用時(shí)注意如下幾點(diǎn)：

（1）碳鋼有足夠高的強(qiáng)度，對(duì)應(yīng)力集中敏感性較低，便于進(jìn)行各種熱處理及機(jī)械加工，價(jià)格適宜、供應(yīng)充足，故應(yīng)用最廣。一般機(jī)器中的軸，可用30、40、45、50等牌號(hào)的優(yōu)良中碳鋼制造，尤以45號(hào)鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理常用。

（2）合金鋼機(jī)械性能較高，常用于制造高速、重載的軸，或受力大而要求尺寸小、重量輕的軸。至于那些處于高溫、低溫或腐蝕介質(zhì)中工作的軸，多數(shù)用合金鋼制造。常用的合金鋼有：12CrNi2、12CrNi3、20Cr、40Cr、38SiMnMo等。

（3）通過進(jìn)行各種熱處理、化學(xué)處理及表面創(chuàng)新服務(wù)處理，可以提高用碳鋼或合金鋼制造的軸的強(qiáng)度及性能。特別是合金鋼，只有進(jìn)行熱處理后才能充分顯示其優(yōu)良的機(jī)械性能。

（4）合金鋼對(duì)應(yīng)力集中的敏感性高，所以合金鋼軸的結(jié)構(gòu)形狀需要合理，否則就失去用合金鋼的意義。另外，在一般工作溫度下，合金鋼和碳鋼的彈性模量好接近，因此依靠選用合金鋼來提高軸的剛度是不行的，此時(shí)應(yīng)通過增大軸徑等方式來解決。

（5）球墨鑄鐵和較較鑄鐵的機(jī)械強(qiáng)度比碳鋼低，但因鑄造工藝性好，易于深受較復(fù)雜的外形，吸振性、性能好，對(duì)應(yīng)力集中敏感性低，價(jià)格適宜，故應(yīng)用日趨增多。

1.1.3軸的失效形式和計(jì)算準(zhǔn)則

1．軸的失效形式：主要有因疲勞強(qiáng)度不足而產(chǎn)生的疲勞籪裂、因靜強(qiáng)度不足而產(chǎn)生的塑性變形或脆性籪裂、磨損、超過允許范圍的變形和振動(dòng)等。

2.軸的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足如下準(zhǔn)則：

（1）根據(jù)軸的工作條件、生產(chǎn)批量和經(jīng)濟(jì)性原則，選取適合的材料、毛坯形式及熱處理方法。

（2）根據(jù)軸的受力情況、軸上零件的安裝位置、配合尺寸及定位方式、軸的加工方法等具體要求，確定軸的合理結(jié)構(gòu)形狀及尺寸，即進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（3）軸的強(qiáng)度計(jì)算或校核。對(duì)受力大的細(xì)長軸（如蝸桿軸）和對(duì)剛度要求高的軸，還要進(jìn)行剛度計(jì)算。在對(duì)高速工作下的軸，因有共振危險(xiǎn)，故應(yīng)進(jìn)行振動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算。

1．2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1．2．1軸的結(jié)構(gòu)組成

1.2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)，就是在滿足強(qiáng)度、剛度和振動(dòng)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，根據(jù)軸上零件的定位要求及軸的加工、裝配工藝性要求，合理地定出軸的結(jié)構(gòu)形狀和全部尺寸。

1.2.1軸結(jié)構(gòu)的組成

軸主要由軸頸、軸頭、軸身三部分組成。軸上被支承部分叫做軸頸；安裝輪轂部分叫做軸頭；連接軸頸和軸頭的部分叫軸身。

1．2．2零件在軸上的定位

1.2.2零件在軸上的定位

1．零件在軸上的軸向定位：零件在軸上的軸向定位方法，主要取決于它所受軸向力的大小。此外，還應(yīng)考慮軸的制造及軸上零件裝拆的難易程度、對(duì)軸強(qiáng)度的影響及工作優(yōu)良性等因素。

常用軸向定位方法有：軸肩（或軸環(huán)）、套筒、圓螺母、擋圈、圓錐形軸頭等。

（1）軸肩：軸肩由定位面和過度圓角組成。為保護(hù)零件端面能靠緊定位面，軸肩圓角半徑需要小于零件轂孔的圓角半徑或倒角高度；為保護(hù)有足夠的強(qiáng)度來承受軸向力，軸肩高度值為h=(2-3)R。

（2）軸環(huán)：軸環(huán)的功用及尺寸參數(shù)與軸肩相同，寬度b≥1.4h。若軸環(huán)毛坯是鍛造而成，則用料少、重量輕。若由圓鋼毛坯車制而成，則浪費(fèi)材料及加工工時(shí)。

1.2.3軸結(jié)構(gòu)的工藝性

所謂軸的結(jié)構(gòu)的工藝性，是指軸的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡單，有良好的加工和裝配工藝性，以利減少勞動(dòng)量，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率及減少應(yīng)力集中，提高軸的疲勞強(qiáng)度。

1．按需定制的結(jié)構(gòu)，利于加工和裝配

（1）為減少加工時(shí)換刀時(shí)間及裝夾工件時(shí)間，同根軸上所有圓角半徑、倒角尺寸、退刀槽寬度應(yīng)盡可能統(tǒng)一；當(dāng)軸上有兩個(gè)以上鍵槽時(shí)，應(yīng)置于軸的同一條母線上，以便一次裝夾后就能加工。

（2）軸上的某軸段需磨削時(shí)，應(yīng)留有砂輪的越程槽；需切制螺紋時(shí)，應(yīng)留有退刀槽。

（3）為去掉毛刺，利于裝配，軸端應(yīng)倒角。

(4)當(dāng)采用過盈配合聯(lián)結(jié)時(shí)，配合軸段的零件裝入端，常加工成導(dǎo)向錐面。若還附加鍵聯(lián)結(jié)，則鍵槽的長度應(yīng)延長到錐面處，便于輪轂上鍵槽與鍵對(duì)中。

5）如果需從軸的一端裝入兩個(gè)過盈配合的零件，則軸上兩配合軸段的直徑不應(yīng)相等，否則銷量好個(gè)零件壓入后，會(huì)把優(yōu)良個(gè)零件配合的表面拉毛，影響配合。

1.2.4軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)步驟

軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)須在經(jīng)過初步強(qiáng)度計(jì)算，已知軸的小直徑以及軸上零件尺寸（主要是轂孔直徑及寬度）后才進(jìn)行。其主要步驟為：

1．確定軸上零件裝多個(gè)地區(qū)案：軸的結(jié)構(gòu)與軸上零件的位置及從軸的哪一端裝配有關(guān)。如圖所示，

2．確定軸上零件定位方式：根據(jù)具體工作情況，對(duì)軸上零件的軸向和周向的定位方式進(jìn)行選擇。軸向定位通常是軸肩或軸環(huán)與套筒、螺母、擋圈等組合使用，周向定位多采用平鍵、花鍵或過盈配合聯(lián)結(jié)。

3．確定各軸段直徑：軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在初步估算軸徑的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，為了零件在軸上定位的需要，通常軸設(shè)計(jì)為階梯軸。根據(jù)作用的不同，軸的軸肩可分為定位軸肩和工藝軸肩（為裝多個(gè)地區(qū)便而設(shè)），定位軸肩的高度值有確定的要求；工藝軸肩的高度值則較小，無特別要求。所以直徑的確定是在強(qiáng)度計(jì)算基礎(chǔ)上，根據(jù)軸向定位的要求，定出各軸段的最終直徑。

4．確定各軸段長度：主要根據(jù)軸上配合零件轂孔長度、位置、軸承寬度、軸承端蓋的厚度等因素確定。

1.3軸的設(shè)計(jì)計(jì)算

軸在實(shí)際工作中，承受各種載荷。設(shè)計(jì)計(jì)算是確認(rèn)軸可以承受載荷、優(yōu)良工作的重要保護(hù)。根據(jù)軸的失效形式，對(duì)軸的計(jì)算內(nèi)容通常為強(qiáng)度計(jì)算、剛度計(jì)算和臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算。

1.3.1軸的強(qiáng)度計(jì)算

軸的強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)根據(jù)軸的承載情況，采用相應(yīng)的計(jì)算方法。軸的計(jì)算方法主要有三種方法：許用切應(yīng)力計(jì)算；許用彎曲應(yīng)力計(jì)算；安然系數(shù)校核計(jì)算。

1．許用切應(yīng)力計(jì)算

許用切應(yīng)力計(jì)算只需知道轉(zhuǎn)矩大小，方法簡便，但計(jì)算精度低。它主要用于下列情況：（1）傳遞以轉(zhuǎn)矩為主的傳動(dòng)軸；（2）初步估算軸徑以便進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；（3）不重要的軸。

受轉(zhuǎn)矩T（N.mm）的實(shí)心軸，其切應(yīng)力為：

MPa(1.1)

寫成設(shè)計(jì)公式，軸的小直徑