轴的设计

机械设计第19章 轴的设计思维导图，曲轴：用于实现往复运动和旋转运动的变换；软轴：主要用于两传动轴线不在同一直线或工作时彼此有相对运动的空间传动。

轴的设计

• 概述
  • 轴的分类
    • 按照轴线形状分类
      • 直轴
        • 光轴
          • 形状简单、加工方便、轴上应力集中源少、成本低
          • 轴上零件定位不便
        • 阶梯轴：零件安装、定位比较方便
        • 特殊用途的轴：凸轮轴、齿轮轴、蜗杆轴
      • 曲轴：用于实现往复运动和旋转运动的变换
      • 软轴：主要用于两传动轴线不在同一直线或工作时彼此有相对运动的空间传动
    • 按照轴所受载荷性质分类
      • 心轴：只承受弯矩而不承受转矩的轴
        • 转动心轴
        • 固定心轴
      • 转轴：既受弯矩又受转矩的轴
      • 传动轴：只受转矩不受弯矩或受很小弯矩的轴
  • 材料与毛胚
    • 轴的材料
      • 有足够的强度，并对应力集中敏感性低
      • 满足刚度、耐磨性、耐腐蚀性及良好的加工性
    • 轴的毛胚
      • 对要求不高的轴或较长的轴，毛胚直径小于150mm时，可用轧制圆钢材
      • 受力大，生产批量大的重要轴的毛胚，可由锻造提供
      • 对直径特大而件数很少的轴，可用焊件毛胚
      • 生产批量大、外形复杂、尺寸较大的轴，可用铸造毛胚
  • 失效形式与设计要求
    • 轴的失效形式
      • 因疲劳强度不足而产生的疲劳断裂
      • 因静强度不足而产生的塑性变形
      • 脆性断裂、磨损、超过允许范围的变形和振动
    • 轴的设计要求
      • 根据轴的工作条件、生产批量和经济性原则，选取适合的材料、毛胚形式及热处理方法
      • 根据轴的受力情况、轴上零件的安装位置、配合尺寸及定位方式、轴的加工方法等具体要求，确定轴的合理结构形状及尺寸，即进行轴的结构设计
      • 对轴的强度进行计算或校核；对受力大的细长轴（如蜗杆轴）和对刚度要求高的轴，还要进行刚度计算；在对高速工作下的轴，因有共振危险，故应进行振动稳定性计算
• 轴的结构设计
  • 轴上零件的布置方案：预定出轴上零件的装配方向、顺序和相互关系，决定轴的形状
    • 齿轮、轴套、左端轴承、轴承盖、半联轴器依次从轴的左端向右安装，右端只装轴承和轴承盖
  • 零件在轴上的定位和固定
    • 零件在轴上的轴向定位和固定：主要取决于它所受轴向力的大小
      • 轴肩和轴环
      • 轴套（套筒）
      • 圆螺母
      • 圆锥面
      • 轴端挡板
      • 弹性挡圈
      • 锁紧挡圈、紧定螺钉
    • 零件在轴上的周向定位：根据其传递转矩的大小和性质、零件对中精度的高低、加工难易等因素来选择
  • 轴结构的工艺性
    • 为减少加工时换刀时间及装夹工件时间，同一根轴上所有圆角半径、倒角尺寸、退刀槽宽度应尽可能统一；当轴上有两个以上键槽时，应置于轴的同一条母线上，以便一次装夹后就能加工
    • 轴上的某轴段需磨削时，应留有砂轮的越程槽；需切制螺纹时，应留有退刀槽
    • 为了去掉毛刺，便于装配，轴端应制出45°倒角
    • 当采用过盈配合连接时，配合轴段的零件装入端，常加工成导向锥面；若还附加键连接，则键槽的长度应延长到锥面处，便于轮毂上键槽与键对中
    • 如果需从轴的一端装入两个过盈配合的零件，则轴上两配合轴段的直径不应相等，否则第一个零件压入后，会把第二个零件配合的表面拉毛、划伤，影响配合
  • 提高轴的强度的措施
    • 改进轴的结构以减少应力集中
      • 轴上相邻轴段的直径不应相差过大，在直径变化处，尽量用圆角过渡，圆角半径尽可能大。当圆角半径增大受到结构限制时，可采用内凹圆角结构或加装过渡肩环使零件轴向定位
      • 轴上与零件毂孔配合的轴段，在配合边缘会产生较大的应力集中。配合越紧，零件材料越硬，应力集中越大。可以在轴或轮毂上开卸载槽以及加大配合部分的直径等措施进行改善
      • 尽量避免在轴上开横孔、切口或凹槽（如紧定螺钉、圆锥销钉、弹性挡圈、圆螺母等定位需要）
      • 采用盘铣刀加工的键槽结构要比用端铣刀铣出的键槽槽低过渡平缓；采用渐开线花键结构代替矩形花键，均可减小应力集中。此外，避免在轴上受载较大的部分设计螺纹结构
    • 改进轴上零件的结构或布置以减小轴的载荷
    • 改善轴的表面品质以提高其疲劳强度：碾压、喷丸、渗氮、渗碳、淬火等方法，可显著提高轴的承载能力
• 轴的设计计算
  • 轴的强度计算
    • 按扭转强度计算：
    • 按弯扭合成强度计算：根据第三强度理论，转轴计算截面弯扭合成强度条件
    • 安全系数校核计算
      • 疲劳强度安全系数校核
      • 静强度安全系数校核
  • 轴的刚度计算
    • 弯曲刚度校核计算
    • 扭转刚度校核计算
  • 轴的临界转速