第18章 轴

18.1 概述

18.1.1 轴设计的特点

轴的主要作用是支承轴上零件转动，传递力和力矩。在设计传动装置时，一般是先设计轴上零件（齿轮、带轮、链轮等），然后根据轴上零件受力和支承的布置情况，设计轴的形状和尺寸，选择轴的材料、加工方法和热处理等。

为了保证轴能够长期可靠地工作，要对轴进行强度计算、刚度计算和振动稳定性计算。重负荷的轴，长期高速转动，疲劳失效是其主要的失效原因。此外，冲击载荷或短时的巨大过载会使轴产生塑性变形或断裂。高精度的轴要计算其最大变形，高速轴要避免振动。因此，要针对轴的具体情况和工作要求对它的工作能力进行计算。

轴的承载能力的精确计算，都是校核计算。计算公式中的许多参数和结构，如应力集中系数，尺寸系数、轴承间距离、滚动轴承的形式、载荷变化情况、轴的各部分尺寸、轴毂连接、联轴器型号等，都是进行精确计算时需要知道的。

为了确定轴的结构，常需要用简单方法初步的结算，画出初步的结构图，然后再反复计算，不断修改。所以轴的设计是一个反复迭代，逐渐逼近的过程。

18.1.2 轴的类型、特点和用途

根据轴和轴线的形状、功用的不同，轴可分为直轴、曲轴和软轴三种类型。

（1）直轴 按受载情况不同，又分为转轴、心轴和传动轴三类。

1）转轴。同时受弯矩及转矩，有时还受较大的轴向力的轴，如蜗杆轴等。在机械中最常用。

2）心轴。只受弯矩、不受转矩或转矩很小的轴。心轴又分为固定心轴（轴不转动）和转动心轴（轴转动），如支承滑轮的轴。

3）传动轴。主要受转矩，不受弯矩或弯矩很小的轴，如汽车中的传动轴等。

直轴根据外形的不同还可分为光轴和阶梯轴。光轴形状简单，加工容易，应力集中源少，但轴上的零件不易装配、定位和固定；阶梯轴则正好相反。

直轴一般都制成实心的。在那些由于机器的要求，需要在轴中装设其他零件，或者减小轴的质量具有特别重大作用的场合，则将轴制成空心的。空心轴内径与外径的比值通常为0.5～0.6，以保证轴的刚度及扭转稳定性。

（2）曲轴 用以做直线运动与转动的相互转换的曲柄滑块或典柄摇杆机构中的曲柄。曲轴受弯矩及转矩，其剖面上应力较为复杂。常用于活塞式内燃机、压缩机，以及冲、剪、压榨机床、往复式水泵等。

（3）软轴 其轴线可以自由弯曲，工作时可随时改变轴线形状和工作机的位置，并能缓和冲击和振动；但只能传递转矩或运动，且从动端转速一般不均匀。常用于某些木工机械、混凝土振捣器、风镐、铸件清理及仪器的操纵系统等。

18.1.3 轴的材料、毛坯及处理

18.1.3.1 选用轴材料应考虑的因素

轴的材料应满足强度、刚度、耐磨性、耐蚀性等方面的要求。设计轴时应按照经济、合理、适用的原则，根据具体情况选用轴的材料。

由于碳素钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性较低，同时也可以用热处理或化学热处理的方法，提高其耐磨性和抗疲劳强度，故采用碳素钢制造轴尤为广泛，其中45优质碳素钢最常用。不重要或受力较小的轴，可采用Q235A等普通碳素钢。

对于要求强度高、尺寸与质量小或有其他特殊要求的轴，可采用合金钢；对于耐磨性要求较高的轴，可选用20Cr、20CrMnTi等低碳合金钢，轴颈部分进行渗碳淬火处理；对于在高温、高速和重载条件下工作的轴，可选用38CrMoAlA、40CrNi等合金钢；对于有耐蚀性要求的轴，可选用20Cr13、30Cr13等。

采用合金钢作为轴的材料时必须注意：合金钢对应力集中的敏感性高，因此轴的结构设计应格外注意减少应力集中的根源，轴的表面粗糙度值也应适当降低；仅从提高轴的刚度考虑，不应采用合金钢。

高强度铸铁和球墨铸铁容易做成复杂的形状，且具有价廉、良好的吸振性和耐磨性，以及对应力集中的敏感性低等优点，可用于制造外形复杂的轴，但应注意铸造轴品质不易控制、可靠性较差。

18.1.3.2 毛坯

毛坯的选择与轴的结构形式、尺寸和材料有密切关系。轴的毛坯有以下几种：

（1）冷拉钢毛坯 用于制造直径小于75mm的直轴。

（2）轧制圆钢毛坯 用于毛坯直径小于125mm，轴段直径相差不大，不太重要的直轴。轧制钢又分为冷轧钢和热轧钢。热轧碳钢常用于制造直径小于90mm的轴。冷轧钢轴直径较小一些。

（3）锻件 用于材质要求高、重要的或直径变化大的阶梯形直轴或形状复杂的曲轴。批量大时可采用模锻、精锻。

（4）焊接件 大型轴、毛坯各段尺寸差异大，要求空心，生产件数少时可采用焊接件。

（5）铸件 大型、形状复杂时采用，如曲轴。常用球墨铸铁或合金铸铁，要求高的轴可采用铸钢。

18.1.3.3 轴的处理

为了提高轴的强度与耐磨性，用优质碳素钢或合金钢制造的轴需进行各种热处理、化学处理及表面强化处理。特别是合金钢，只有进行热处理后才能充分发挥其优越性。

轴的常用材料、主要力学性能、许用弯曲应力及用途见表18-1。