軸的分類、材料和設計方法

01-25

軸是組成機械的重要零件之一，各類做迴轉運動的傳動零件都是通過軸來傳遞運動和動力。通常軸與軸承和機架一同支承著迴轉零件，再通過聯軸器或離合器實現運動和動力的傳遞。在軸的設計中，必須將軸與構成軸系部件的軸承、聯軸器、機架以及傳動零件等的設計要求一併考慮。

1.軸的分類

可以從軸所受載荷的不同、軸的形狀以及軸的應用場合等方面對軸進行分類。

1)按軸所受載荷的不同，可將軸分為心軸、傳動軸和轉軸。

只承受彎矩，不傳遞轉矩的軸稱為心軸。心軸又可分為工作時軸不轉動的固定心軸和工作時軸轉動的轉動心軸兩種。心軸主要用於支承各類機械零件。

只傳遞轉矩，不承受彎矩的軸稱為傳動軸。傳動軸主要通過承受轉矩作用來傳遞動力。

既傳遞轉矩又承受彎矩的軸稱為轉軸。各類傳動零件主要是通過轉軸進行動力傳遞。

2)按結構形狀的不同，可將軸分為光軸、階梯軸、實心軸、空心軸等。由於空心軸的製造工藝較複雜，所以通常主要在軸的直徑較大並有減重要求的場合，設計空心軸。

3)按幾何軸線形狀的不同，可將軸分為直軸和曲軸等。

此外，還有一類結構剛度較低的軸——軟軸。軟軸主要用於兩個傳動機件的軸線不在同一直線上時的傳動。

2.軸的常用材料

軸的材料種類很多，設計時主要根據對軸的強度、剛度、耐磨性等要求，以及為實現這些要求而採用的熱處理方式，同時考慮製造工藝問題加以選用。由於軸在工作時通常受到交變應力的作用，軸最常見的失效形式是因交變應力的作用而產生斷裂，因此軸的材料應具有一定的韌性和較好的抗疲勞性能，這是對軸的材料的基本要求。

軸的常用材料是含碳量適中的優質碳素結構鋼。對於受載較小或不太重要的軸，也可用普通碳素結構鋼。對於受力較大，軸的尺寸和重童受到限制，以及有某些特殊要求的軸，可採用中碳合金鋼。合金鋼對應力集中的敏感性高，所以採用合金鋼的軸的結構形狀應盡量減少應力集中源，並要求表面粗糙度值低。

由於鑄鐵的韌性較差，所以應盡量少用鑄鐵作為軸的材料。但對於結構複雜且不太重要的軸，也可選用球墨鑄鐵或高強度鑄鐵作為軸的材料。

雖然強度極限高的材料，其彈性模量也稍大，但由於各類鋼材彈性模童的差異不大，所以只為了提高軸的剛度而選用強度極限高的材料是不合適的。

軸一般由軋制圓鋼或鍛件經切削加工製造。直徑較小的軸，可用軋制圓鋼製造。對於直徑大或重要的軸，常採用鍛件製造。

軸的常用材料及力學性能見下表

3.軸的設計方法概述

軸的設計必須考慮多方面因素和要求，主要包括材料選擇、結構設計、強度和剛度分析。對於高速軸還應考慮振動穩定性問題。

軸的設計是以滿足結構功能要求為出發點的。就是首先根據軸在具體系統中的作用，設計出滿足功能要求的結構，然後再根據載荷與工作要求進行相應的承載能力驗算。

事實上，在軸的具體結構未確定之前，軸上力的作用點是難以精確確定的，彎矩的大小和分布情況不能求出。所以，軸的計算通常都是在初步完成結構設計後進行校核計算，計算準則主要包括軸的強度準則、剛度準則，以及軸的振動穩定性準則等。軸的設計通常是按照「結構設計一承載能力驗算一結構改進設計一承載能力再驗算一…」的順序進行的。

通常軸設計的具體程序一般是：

a. 根據機械傳動方案的整體布局，擬定軸上零件的布置和裝配方案；

b. 選擇軸的材料；

c. 估算軸的最小直徑；

d. 進行軸的結構設計；

e. 進行承載能力驗算，通常包括強度驗算、剛度驗算和振動穩定性驗算等；

f. 根據承載能力驗算結果，或者確定設計，或者改進設計；

g. 繪製軸的零件工作圖。

除了上述設計內容以外，還有鍵或花鍵的連接強度校核、滾動軸承的壽命驗算、滑動軸承的承載能力驗算等項工作，與軸的設計有一定的關係，需在軸的設計過程中一併考慮。

就設計方法而論，軸的設計可分為常規設計與計算機輔助設計。這兩類設計方法的主要差異在於，常規設計中針對軸的承載能力的計算方法主要採用了較為簡化的力學模型，計算結果通常欠準確，通常需要用經驗數據對計算結果進行一定的校正。但常規設計方法已為廣大工程設計熟悉，並為此積累了大量有價值的經驗數據，在目前的工程設計中仍佔主導地位。

在採用計算機輔助設計軸時，其承載能力計算主要採用有限元法，可以獲得較為準確的計算結果。對結構複雜的軸運用計算機輔助分析的手段具有明顯的優勢。

通常，軸所傳遞的載荷、軸的極限應力等因素具有一定的隨機性。在常規的設計中，視這些因素為確定性變數，在判定軸的承栽能力時，通過計入一定的安全係數來確保結構的安全余度。若在設計中考慮載荷與極限應力的隨機性，就可確定軸安全工作的概率一可靠度，這就有了軸的可靠性設計，可靠性設計方法是現代設計方法的重要內容。