轴设计基础知识
2019/04/10 21:45:41
一、轴的分类：
1）按受载情况分类：
转轴：同时承受弯矩和扭矩的轴，较常见，如减速箱的轴。
传动轴：只受或主要受扭矩的轴，如汽车的传动轴。
心轴：只受弯矩、不受转矩的轴。分为：轴转动，如铁路车辆轴，轴受变应力；轴不转动，如支撑滑动轴，轴受静应力。
2）按形状分：
直轴：又分为光轴和阶梯轴。阶梯轴的作用：便于零件安装固定以及使各轴段强度相近，一般机械常用。阶梯轴的几个名词：轴颈：轴上被支承的部分，装轴承处；轴头：安装轮毂部分；轴身：连接轴颈和轴头的部分；轴伸：轴伸出端。
曲轴：往复机械上用，多用于专用机械。
挠性钢丝轴：由几层紧贴在一起的钢丝构成，使用灵活，可将扭矩（扭转及旋转）灵活地传递到任意位置。
一般情况下，轴制成实心的，但为了减轻重量（如大型水轮机轴、航空发动机轴等）或满足工作要求（如需在轴中心穿过其他零件或润滑油），也可用空心轴。
二、轴的设计过程：
1）选材：考虑轴的强度、刚度及耐磨性要求；轴的热处理方法；工艺要求及制造工艺和材料的来源及价格等。常用40、45、50、40Cr调质或正火。
注：碳素钢比合金钢廉价，且对应力集中的敏感性低。合金钢比碳素钢具有更好的力学性能和热处理性能，但价格较贵，多用于承载很大而尺寸、质量受限或有较高耐磨性、防腐性要求的轴。合金钢对应力集中的敏感性较高，设计合金钢轴时，更应从结构上避免或减少应力集中，并减小其表面结构的粗糙度值。
2)初步计算：类比法估算直径d或按扭矩初算d。注意键槽对轴强度的影响。有一个键槽时，轴径增大3%~5%；有两个键槽时，应增大7%~10%。
3）结构设计：形状、尺寸、计算及画图交叉进行。
4）精确计算：一般的轴用当量弯矩法校核2~3个危险截面的强度；重要的轴还需用安全系数法校核强度。刚度要求高的轴要进行刚度计算；高速轴要进行振动稳定性计算。
三、轴的结构设计：
轴的失效形式有断裂、磨损、振动和变形。轴的设计应满足具有足够的强度和刚度、良好的振动稳定性和合理的结构。
1、轴的结构设计的原则是：
（1）受力合理，力求等强度，尽量减小应力集中；
（2）轴上零件定位准确、简便，唯一、固定可靠，装拆方便；
（3）有良好的工艺性。
2、结构设计的内容：定出轴的合理外形和全部结构尺寸。
结构设计应已知：轴的装置简图（轴上零件及位置）；传动件的主要参数及尺寸：轴传递的功率、转速。
3、轴结构设计应满足的条件是：
（1）轴和装在轴上的零件由精确的工作位置；
（2）轴上零件便于拆卸和调整；
（3）轴应有良好的制造工艺性。
4、常用的几种固定方法及注意事项：
1）轴上零件的轴向固定：
(1)轴肩和轴环（台）：由定位面和过渡圆角组成。注意过渡圆角应小于轴上零件的倒角（否则零件无法贴紧），一般取定位轴肩高度（单边）h=（007~0.1）d（注：d为轴径），轴环宽度b≥1.4h。
（2）与滚动轴承相配合处轴肩或轴环高应查手册，一般轴肩高不超过内圈厚的2/3~4/5，以便轴承拆卸。
（3）弹性挡圈、螺母、套筒等。套筒内径和轴一般为动配合，套筒结构、尺寸可视需要灵活设计，但一般套筒壁厚大于3mm(注：不宜用于高转速轴)。
（4）轴端挡圈与圆锥面。
（5）紧定螺钉与锁紧挡圈等。
（6）销。结构工艺性好，同时起轴向和周向固定作用。但轴上要钻孔，较严重地削弱轴的强度，破坏转子的平衡。
（7）夹紧环。夹紧环结构较复杂，定位精度差，并破坏了转子的平衡，但轴的结构简单，适用于光轴上的零件的定位。
（8）过盈配合。结构简单，兼有固定作用，定位精度差。作轴向固定时也作了轴向固定。
（9）螺母。轴表面制出螺纹，削弱了轴的强度。承受载荷的能力强，固定可靠。
（10）轴端压板。轴端钻螺纹孔，不削弱轴的强度。承受载荷的能力强，固定可靠。只能用于轴端。
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宽度短2~3mm。
2）轴上零件的周向固定：
轴上零件的周向固定可采用键、花键、销、过盈配合和胀套连接等。
键、花键、过盈配合、销、成形、弹性环，统称为轴毂连接。
注意事项：
（1）键槽开在轴上同一加工直线上，减少装夹次数。若开有键槽的轴段直径相差不大时，尽可能采用相同宽度的键槽，以减少换刀次数。
（2）月牙键开在同一侧，否则对轴削弱更厉害。
（3）用钩头楔形键时，键上表面与毂槽底面各有1:100的斜度。
3）制造安装要求：
（1）便于零件装拆做成阶梯轴,且轴上所有零件都应能无过盈地到达配合的部位。
（2）为了便于加工和检验，与零件配合的轴的直径应取圆整值,并从标准直径系列中选取。（见GB/T2822-2005）；与滚动轴承相配合部分应符合滚动轴承内孔尺寸。
（3）螺纹轴段应留退刀槽，且有螺纹的轴段直径应符合螺纹标准直径。
（4）磨削轴端应有砂轮越程槽或砂轮修缘。
（5）除结构有特别要求之外，为了便于装配零件并去掉毛刺，轴端应加工出45°倒角。
（6）过盈配合零件装入段常加工出导向锥面（斜面角度一般为10°），以便零件能较顺利地压入。
（7）同一根轴上的圆角应尽可能取相同值，退刀槽取相同的宽度，倒角尺寸相同。
4）减小应力集中，改善受力情况：
（1）避免形状突变，使各级阶梯轴比较均匀。
（2）截面变化处采用圆角，且不宜过小（具体尺寸查相关手册）。
（3）避免轴上开横孔、凹槽，必须开横孔时（应避免盲孔）须将边倒圆（孔口应倒角）。
（4）在重要轴的结构中，可采用卸载槽B、过渡轴环或凹切圆角增大轴肩圆角半径，以减小局部应力。
（5）在轮毂上做出卸载槽B（减小轮毂两侧厚度），也能减小过盈配合处的局部应力。
（6）在过盈配合部位轮毂两端面处，轴上切出卸载槽。
（7）使过盈配合部位的直径大于相邻部位的直径。
（8）退刀槽设圆角。
（9）加大轴环和轴肩的圆角半径，必要时可设中间环。
5）改进轴的表面质量，提高轴的疲劳强度。
（1）轴的表面越粗糙，疲劳强度越低。因此，应尽量减小轴的表面及圆角处的加工粗糙度值。（使用对应力集中敏感的材料时应尤为注意）
（2）键槽端部与阶梯处距离不宜过小，以避免损伤过渡圆角及减少多种应力集中源重合的机会。
（3）键槽根部圆角半径越小，应力集中越严重。因此，在重要轴的零件图上应注明其大小。
（4）避免在轴上打印及留下一些不必要的痕迹，因为它们可能成为初始疲劳裂纹源。
（5）常用表面强化处理方法：表面高频淬火等热处理；表面渗碳、氰化、氮化等化学热处理；碾压、喷丸等强化处理。（碾压、喷丸可使轴的表面产生预压应力，从而提高轴的抗疲劳能力。）
四、轴结构设计注意事项：
（1）轴肩长度应比轮毂长度稍短，否则轮毂无法可靠定位（轴向）。
（2）与轴承配合的轴端，轴肩或定位套筒必应超过轴承内圈的高度，否则将不便于轴承拆卸。
（3）注意键的长度是否影响到轴向定位零件的安装，且注意键开的位置。