第13章 轴
13.1 轴的功用和类型
轴是机器中的重要零件之一,用来支持旋转的机械零件.
根据承受载荷的不同,轴可分为转轴,传动轴和心轴三种.转轴既传递转矩又承受弯矩,如齿轮减速器中的轴;传动轴只传递转矩而不承受弯矩或弯矩很小.如汽车的传动轴;心轴只承受弯矩而不传递转矩,如铁路车辆的轴,自行车的前轴.
按轴线的形状轴还可分为:直轴(下面4个图),曲轴和挠性钢丝轴.曲轴常用于往复式机械中.挠性钢丝轴是由几层紧贴在一起的钢丝层构成的,可以把转矩和旋转运动灵活地传到任何位置,常用于振捣器等设备中.本章只研究直轴.


轴的设计,主要是根据工作要求并考虑制造工艺等因素,选用合适的材料,进行结构设计,经过强度和刚度计算,定出轴的结构形状和尺寸,必要时还要考虑振动稳定性.
13.2 轴的常用材料
轴的材料常采用碳素钢和合金钢.
碳素钢承 35,45,50等优质碳素结构钢因具有较高的综合力学性能,应用较多,其中以45号钢用得最为广泛.为了改善其力学性能,应进行正火或调质处理.不重要或受力较小的轴,可采用Q235,Q275等碳素结构钢.
合金钢 合金钢具有较高的力学性能,但价格较贵,多用于有特殊要求的轴.例如:采用滑动轴承的高速轴,常用20Cr,20CrMnTi等低碳合金结构钢,经渗碳淬火后可提高轴颈耐磨性;汽轮发电机转子轴在高温,高速和重载条件下工作,必须具有良好的高温力学性能,常采用40CrNi,38CrMoAlA等合金结构钢.值得注意的是:钢材的种类和热处理对其弹性模量的影响甚小,因此,如欲采用合金钢或通过热处理来提高轴的刚度并无实效.此外,合金钢对应力集中的敏感性较高,因此设计合金钢轴时,更应从结构上避免或减小应力集中,并减小其表面粗糙度.
轴的毛坯一般用圆钢或锻件,有时也可采用铸钢或球墨铸铁.例如,用球墨铸铁制造曲轴,凸轮轴,具有成本低廉,吸振性较好,对应力集中的敏感性较低,强度较好等优点.
下表13-1列出几种轴的常用材料及其主要力学性能.
13.3 轴的结构设计与强度计算
13.3.1 轴的结构设计
轴的结构设计就是使轴的各部分具有合理的形状和尺寸.其主要要求是:1)轴应便于加工.轴上零件要易于装拆(制造安装要求);2)轴和轴上零件要有准确的工作位置(定位);3)各零件要牢固而可靠地相对固定(固定);4)改善受力状况,减小应力集中.
下面逐项讨论这些要求,并结合下图所示的单级齿轮减速器的高速轴加以说明.
一,制造安装要求
为便于轴上零件的装拆,常将轴做成阶梯形.对于一般剖分式箱体中的轴,它的直径从轴端逐渐向中间增大.如上图所示,可依次将齿轮,套筒,左端滚动轴承,轴承盖和带轮从轴的左端装拆,另一滚动轴承从右端装拆.为使轴上零件易于安装,轴端及各轴段的端部应有倒角.
轴上磨削的轴段,应有砂轮越程槽(上图中③与③的交界处);车制螺纹的轴段,应有退刀槽.
在满足使用要求的情况下,轴的形状和尺寸应力求简单,以便于加工.
二,轴上零件的定位
阶梯轴上截面变化处叫做轴肩,起轴向定位作用.在上图中,④,⑤间的轴肩使齿轮在轴上定位;①,②间的轴肩使带轮定位;③,⑤间的轴肩使右端滚动轴承定位.
有些零件依靠套简定位,如上图中的左端滚动轴承.
三,轴上零件的固定
轴上零件的轴向固定,常采用轴肩,套筒,螺母或轴端挡圈(又称压板)等形式.在上图中,齿轮能实现轴向双向固定.齿轮受轴向力时,向右是通过④,⑤间的轴肩,并由③,③间的轴肩顶在滚动轴承内圈上;向左则通过套筒顶在滚动轴承内圈上.无法采用套筒或套筒太长时,可采用圆螺母加以固定(下左图).带轮的轴向固定是靠①,②间的轴肩以及轴端挡圈.下右图所示是轴端档圈的一种型式.

采用套简,螺母,轴端挡圈作轴向固定时,应把装零件的轴段长度做得比零件轮我短2～3mm,以确保套筒,螺母或轴端挡圈能靠紧零件端面.
为了保证轴上零件紧靠定位面(轴肩),轴肩的圆角半径r必须小于相配零件的倒角C1或圆角半径R,轴肩高h必须大于C1或R(下图).
轴向力较小时,零件在轴上的固定可采用弹性挡圈(下左图)或紧定螺钉(下右图).

轴上零件的周向固定,大多采用键,花键或过盈配合等联接形式.采用键联接时,为加工方便,各轴段的键槽应设计在同一加工直线上,并应尽可能采用同一规格的键槽截面尺寸(下图).
四,改善轴的受力状况,减小应力集中

下一页