第18章 軸

18.1 概述

18.1.1 軸設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

軸的主要作用是支承軸上零件轉(zhuǎn)動(dòng)，傳遞力和力矩。在設(shè)計(jì)傳動(dòng)裝置時(shí)，一般是先設(shè)計(jì)軸上零件（齒輪、帶輪、鏈輪等），然后根據(jù)軸上零件受力和支承的布置情況，設(shè)計(jì)軸的形狀和尺寸，選擇軸的材料、加工方法和熱處理等。

為了保證軸能夠長(zhǎng)期可靠地工作，要對(duì)軸進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算、剛度計(jì)算和振動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算。重負(fù)荷的軸，長(zhǎng)期高速轉(zhuǎn)動(dòng)，疲勞失效是其主要的失效原因。此外，沖擊載荷或短時(shí)的巨大過(guò)載會(huì)使軸產(chǎn)生塑性變形或斷裂。高精度的軸要計(jì)算其最大變形，高速軸要避免振動(dòng)。因此，要針對(duì)軸的具體情況和工作要求對(duì)它的工作能力進(jìn)行計(jì)算。

軸的承載能力的精確計(jì)算，都是校核計(jì)算。計(jì)算公式中的許多參數(shù)和結(jié)構(gòu)，如應(yīng)力集中系數(shù)，尺寸系數(shù)、軸承間距離、滾動(dòng)軸承的形式、載荷變化情況、軸的各部分尺寸、軸轂連接、聯(lián)軸器型號(hào)等，都是進(jìn)行精確計(jì)算時(shí)需要知道的。

為了確定軸的結(jié)構(gòu)，常需要用簡(jiǎn)單方法初步的結(jié)算，畫出初步的結(jié)構(gòu)圖，然后再反復(fù)計(jì)算，不斷修改。所以軸的設(shè)計(jì)是一個(gè)反復(fù)迭代，逐漸逼近的過(guò)程。

18.1.2 軸的類型、特點(diǎn)和用途

根據(jù)軸和軸線的形狀、功用的不同，軸可分為直軸、曲軸和軟軸三種類型。

（1）直軸 按受載情況不同，又分為轉(zhuǎn)軸、心軸和傳動(dòng)軸三類。

1）轉(zhuǎn)軸。同時(shí)受彎矩及轉(zhuǎn)矩，有時(shí)還受較大的軸向力的軸，如蝸桿軸等。在機(jī)械中最常用。

2）心軸。只受彎矩、不受轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)矩很小的軸。心軸又分為固定心軸（軸不轉(zhuǎn)動(dòng)）和轉(zhuǎn)動(dòng)心軸（軸轉(zhuǎn)動(dòng)），如支承滑輪的軸。

3）傳動(dòng)軸。主要受轉(zhuǎn)矩，不受彎矩或彎矩很小的軸，如汽車中的傳動(dòng)軸等。

直軸根據(jù)外形的不同還可分為光軸和階梯軸。光軸形狀簡(jiǎn)單，加工容易，應(yīng)力集中源少，但軸上的零件不易裝配、定位和固定；階梯軸則正好相反。

直軸一般都制成實(shí)心的。在那些由于機(jī)器的要求，需要在軸中裝設(shè)其他零件，或者減小軸的質(zhì)量具有特別重大作用的場(chǎng)合，則將軸制成空心的。空心軸內(nèi)徑與外徑的比值通常為0.5～0.6，以保證軸的剛度及扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。

（2）曲軸 用以做直線運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)的相互轉(zhuǎn)換的曲柄滑塊或典柄搖桿機(jī)構(gòu)中的曲柄。曲軸受彎矩及轉(zhuǎn)矩，其剖面上應(yīng)力較為復(fù)雜。常用于活塞式內(nèi)燃機(jī)、壓縮機(jī)，以及沖、剪、壓榨機(jī)床、往復(fù)式水泵等。

（3）軟軸 其軸線可以自由彎曲，工作時(shí)可隨時(shí)改變軸線形狀和工作機(jī)的位置，并能緩和沖擊和振動(dòng)；但只能傳遞轉(zhuǎn)矩或運(yùn)動(dòng)，且從動(dòng)端轉(zhuǎn)速一般不均勻。常用于某些木工機(jī)械、混凝土振搗器、風(fēng)鎬、鑄件清理及儀器的操縱系統(tǒng)等。

18.1.3 軸的材料、毛坯及處理

18.1.3.1 選用軸材料應(yīng)考慮的因素

軸的材料應(yīng)滿足強(qiáng)度、剛度、耐磨性、耐蝕性等方面的要求。設(shè)計(jì)軸時(shí)應(yīng)按照經(jīng)濟(jì)、合理、適用的原則，根據(jù)具體情況選用軸的材料。

由于碳素鋼比合金鋼價(jià)廉，對(duì)應(yīng)力集中的敏感性較低，同時(shí)也可以用熱處理或化學(xué)熱處理的方法，提高其耐磨性和抗疲勞強(qiáng)度，故采用碳素鋼制造軸尤為廣泛，其中45優(yōu)質(zhì)碳素鋼最常用。不重要或受力較小的軸，可采用Q235A等普通碳素鋼。

對(duì)于要求強(qiáng)度高、尺寸與質(zhì)量小或有其他特殊要求的軸，可采用合金鋼；對(duì)于耐磨性要求較高的軸，可選用20Cr、20CrMnTi等低碳合金鋼，軸頸部分進(jìn)行滲碳淬火處理；對(duì)于在高溫、高速和重載條件下工作的軸，可選用38CrMoAlA、40CrNi等合金鋼；對(duì)于有耐蝕性要求的軸，可選用20Cr13、30Cr13等。

采用合金鋼作為軸的材料時(shí)必須注意：合金鋼對(duì)應(yīng)力集中的敏感性高，因此軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)格外注意減少應(yīng)力集中的根源，軸的表面粗糙度值也應(yīng)適當(dāng)降低；僅從提高軸的剛度考慮，不應(yīng)采用合金鋼。

高強(qiáng)度鑄鐵和球墨鑄鐵容易做成復(fù)雜的形狀，且具有價(jià)廉、良好的吸振性和耐磨性，以及對(duì)應(yīng)力集中的敏感性低等優(yōu)點(diǎn)，可用于制造外形復(fù)雜的軸，但應(yīng)注意鑄造軸品質(zhì)不易控制、可靠性較差。

18.1.3.2 毛坯

毛坯的選擇與軸的結(jié)構(gòu)形式、尺寸和材料有密切關(guān)系。軸的毛坯有以下幾種：

（1）冷拉鋼毛坯 用于制造直徑小于75mm的直軸。

（2）軋制圓鋼毛坯 用于毛坯直徑小于125mm，軸段直徑相差不大，不太重要的直軸。軋制鋼又分為冷軋鋼和熱軋鋼。熱軋?zhí)间摮Ｓ糜谥圃熘睆叫∮?0mm的軸。冷軋鋼軸直徑較小一些。

（3）鍛件 用于材質(zhì)要求高、重要的或直徑變化大的階梯形直軸或形狀復(fù)雜的曲軸。批量大時(shí)可采用模鍛、精鍛。

（4）焊接件 大型軸、毛坯各段尺寸差異大，要求空心，生產(chǎn)件數(shù)少時(shí)可采用焊接件。

（5）鑄件 大型、形狀復(fù)雜時(shí)采用，如曲軸。常用球墨鑄鐵或合金鑄鐵，要求高的軸可采用鑄鋼。

18.1.3.3 軸的處理

為了提高軸的強(qiáng)度與耐磨性，用優(yōu)質(zhì)碳素鋼或合金鋼制造的軸需進(jìn)行各種熱處理、化學(xué)處理及表面強(qiáng)化處理。特別是合金鋼，只有進(jìn)行熱處理后才能充分發(fā)揮其優(yōu)越性。

軸的常用材料、主要力學(xué)性能、許用彎曲應(yīng)力及用途見表18-1。