第18章 軸

18.1 概述

18.1.1 軸設計的特點

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

為了保證軸能夠長期可靠地工作，要對軸進行強度計算、剛度計算和振動穩定性計算。重負荷的軸，長期高速轉動，疲勞失效是其主要的失效原因。此外，沖擊載荷或短時的巨大過載會使軸產生塑性變形或斷裂。高精度的軸要計算其最大變形，高速軸要避免振動。因此，要針對軸的具體情況和工作要求對它的工作能力進行計算。

軸的承載能力的精確計算，都是校核計算。計算公式中的許多參數和結構，如應力集中系數，尺寸系數、軸承間距離、滾動軸承的形式、載荷變化情況、軸的各部分尺寸、軸轂連接、聯軸器型號等，都是進行精確計算時需要知道的。

為了確定軸的結構，常需要用簡單方法初步的結算，畫出初步的結構圖，然后再反復計算，不斷修改。所以軸的設計是一個反復迭代，逐漸逼近的過程。

18.1.2 軸的類型、特點和用途

根據軸和軸線的形狀、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，又分為轉軸、心軸和傳動軸三類。

1）轉軸。同時受彎矩及轉矩，有時還受較大的軸向力的軸，如蝸桿軸等。在機械中最常用。

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

3）傳動軸。主要受轉矩，不受彎矩或彎矩很小的軸，如汽車中的傳動軸等。

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

直軸一般都制成實心的。在那些由于機器的要求，需要在軸中裝設其他零件，或者減小軸的質量具有特別重大作用的場合，則將軸制成空心的。空心軸內徑與外徑的比值通常為0.5～0.6，以保證軸的剛度及扭轉穩定性。

（2）曲軸 用以做直線運動與轉動的相互轉換的曲柄滑塊或典柄搖桿機構中的曲柄。曲軸受彎矩及轉矩，其剖面上應力較為復雜。常用于活塞式內燃機、壓縮機，以及沖、剪、壓榨機床、往復式水泵等。

（3）軟軸 其軸線可以自由彎曲，工作時可隨時改變軸線形狀和工作機的位置，并能緩和沖擊和振動；但只能傳遞轉矩或運動，且從動端轉速一般不均勻。常用于某些木工機械、混凝土振搗器、風鎬、鑄件清理及儀器的操縱系統等。

18.1.3 軸的材料、毛坯及處理

18.1.3.1 選用軸材料應考慮的因素

軸的材料應滿足強度、剛度、耐磨性、耐蝕性等方面的要求。設計軸時應按照經濟、合理、適用的原則，根據具體情況選用軸的材料。

由于碳素鋼比合金鋼價廉，對應力集中的敏感性較低，同時也可以用熱處理或化學熱處理的方法，提高其耐磨性和抗疲勞強度，故采用碳素鋼制造軸尤為廣泛，其中45優質碳素鋼最常用。不重要或受力較小的軸，可采用Q235A等普通碳素鋼。

對于要求強度高、尺寸與質量小或有其他特殊要求的軸，可采用合金鋼；對于耐磨性要求較高的軸，可選用20Cr、20CrMnTi等低碳合金鋼，軸頸部分進行滲碳淬火處理；對于在高溫、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必須注意：合金鋼對應力集中的敏感性高，因此軸的結構設計應格外注意減少應力集中的根源，軸的表面粗糙度值也應適當降低；僅從提高軸的剛度考慮，不應采用合金鋼。

高強度鑄鐵和球墨鑄鐵容易做成復雜的形狀，且具有價廉、良好的吸振性和耐磨性，以及對應力集中的敏感性低等優點，可用于制造外形復雜的軸，但應注意鑄造軸品質不易控制、可靠性較差。

18.1.3.2 毛坯

毛坯的選擇與軸的結構形式、尺寸和材料有密切關系。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。熱軋碳鋼常用于制造直徑小于90mm的軸。冷軋鋼軸直徑較小一些。

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

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

（5）鑄件 大型、形狀復雜時采用，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

為了提高軸的強度與耐磨性，用優質碳素鋼或合金鋼制造的軸需進行各種熱處理、化學處理及表面強化處理。特別是合金鋼，只有進行熱處理后才能充分發揮其優越性。

軸的常用材料、主要力學性能、許用彎曲應力及用途見表18-1。