机械设计基础-12.2轴的结构设计

第二节 轴的结构设计 轴的结构设计包括定出轴的合理外形和全部结构尺寸。 轴的结构主要取决于以下因素： 1、轴在机器中的安装位置及形式； 2、轴上安装零件的类型、尺寸、数量以及和轴联接的方法； 3、载荷的性质、大小、方向及分布情况； 4、轴的加工工艺等。 由于影响轴的结构的因素较多，且其结构形式又要随着具体情况的不同而异，所以轴没有标准的结构形式。设计时，必须针对不同情况进行具体的分析。 轴的结构应满足： 1、轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置； 2、轴上的零件应便于装拆和调整； 3、轴应具有良好的制造工艺性等。

一、拟定轴上零件的装配方案 所谓装配方案，就是预定出轴上主要零件的装配方向、顺序和相互关系。 轴上零件的装配方案不同，则轴的结构形状也不相同。设计时可拟定几种装配方案，进行分析与选择。 轴主要由轴颈、轴头和轴身三部分组成，轴 上被支承的部分叫轴颈，安装轮毂部分叫轴头，连接轴颈和轴头的部分叫轴身。

二、轴上零件的定位轴向固定 为了防止轴上零件受力时发生沿轴向或周向的相对运动，轴上零件除了有游动或空转的要求者外，都必须进行必要的轴向和周向定位，以保证其正确的工作位置。 1、轴上零件的轴向固定 零件安装在轴上，要有准确的定位。各轴段长度的确定，应尽可能使结构紧凑。对于不允许轴向滑动的零件，零件受力后不要改变其准确的位置，即定位要准确，固定要可靠。与轮毂相配装的轴段长度, 一般应略小于轮毂宽2～3mm。对轴向滑动的零件, 轴上应留出相应的滑移距离。 轴上零件的轴向定位是以轴肩、套筒、圆螺母、轴端挡圈和轴承端盖等来保证的。 （1）轴肩与轴环 轴肩分为定位轴肩和非定位轴肩两类，利用轴肩定位是最方便可靠的方法，但采用轴肩就必然会使轴的直径加大，而且轴肩处将因截面突变而引起应力集中。另外，轴肩过多时也不利于加工。因此，轴肩定位多用于轴向力较大的场合。定位轴肩的高度h一般取为h=(0.07～0.1)d，d为与零件相配处的轴径尺寸。为了使零件能靠紧轴肩而得到准确可靠的定位，轴肩处的过渡圆角半径r必须小于与之相配的零件毂孔端部的圆角半径R或倒角尺寸C。非定位轴肩是为了加工和装配方便而设置的，其高度没有严格的规定，一般取为1～2mm。 注：滚动轴承的定位轴肩高度必须低于轴承内圈端面的高度，以便拆卸轴承，其轴肩的高度可查手册中轴承的安装尺寸。

轴肩与轴环 圆螺母和套筒 （2）（套筒） 套筒固定结构简单，定位可靠，轴上不需开槽﹑钻孔和切制螺纹，因而不影响轴的疲劳强度，一般用于轴上两个零件之间的固定。如两零件的间距较大时，不宜采用套筒固定，以免增大套筒的质量及材料用量。因套筒与轴的配合较松，如轴的转速较高时，也不宜采用套筒固定。 （3）圆螺母 圆螺母固定可承受大的轴向力，但轴上螺纹处有较大的应力集中，会降低轴的疲劳强度，故一般用于固定轴端的零件，有双圆螺母和圆螺母与止动垫片两种型式。当轴上两零件间距离较大不宜使用套筒固定时，也常采用圆螺母固定。 （4）轴端挡圈与锥面 锥面定心精度高，拆卸容易，能承受冲击及振动载荷；常用于轴端零件的固定，可以承受较大的轴向力，与轴端压板或螺母联合使用，使零件获得双向轴向固定。

轴端挡圈与锥面 弹性挡圈 （5）弹性档圈 结构紧凑、简单，常用于滚动轴承的轴向固定，但不能承受轴向力。当位于受载轴段时，轴的强度削弱较大。 （6）紧定螺钉和锁紧挡圈 轴结构简单，零件位置可调整并兼作周向固定，多用于光轴上零件的固定。但能承受的载荷较小，不宜于转速较高的轴。

紧定螺钉和锁紧档圈 普通平键联接 花键联接 2、轴上零件的周向固定 轴上零件与轴的周向固定所形成的联接，通常称为轴毂联接，轴毂联接的形式多种多样，本节介绍常用的几种。 （1）平键联接 平键工作时，靠其两侧面传递转矩，键的上表面和轮毂槽底之间留有间隙。这种键定心性较好，装拆方便。但这种键不能实现轴上零件的轴向固定。 （2）花键联接 花键联接的齿侧面为工作面，可用于静联接或动联接。它比平键联接有更高的承载能力，较好的定心性和导向性；对轴的削弱也较小，适用于载荷较大或变载及定心要求较高的静联接、动联接。 （3）成形联接 成形联接利用非圆剖面的轴和相应的轮毂构成的轴毂联接，是无键联接的一种形式。轴和毂孔可做成柱形和锥形前者可传递转矩，并可用于不在载荷作用下的轴向移动的动联接；后者除传递转矩外，还可承受单向轴向力。

成形联接（轴和毂孔是柱形） 成形联接（轴和毂孔是锥形）

成形联接无应力集中源，定心性好，承载能力高。但加工比较复杂，特别是为了保证配合精度，最后一道工序多要在专用机床上进行磨削，故目前应用还不广泛。 （4）过盈联接 过盈联接是利用零件间的过盈量来实现联接的。轴和轮毂孔之间因过盈配合而相互压紧，在配合表面上产生正压力，工作时依靠此正压力产生的摩擦力(也称为固持力)来传递载荷。过盈联接既能实现周向固定传递转矩，又能实现轴向固定传递轴向力。其结构简单，定心性能好，承载能力大，受变载和冲击载荷的能力好。常用于某些齿轮、车轮、飞轮等的轴毂联接。其缺点是承载能力取决于过盈量的大小，对配合面加工精度要求较高，装拆也不方便。

过盈联接 弹性环联接 过盈联接的配合表面常为圆柱面和圆锥面，前者的装配有压入法和温差法，当过盈量或尺寸较小时，一般用压入法装配，当过盈量或尺寸较大时，或对联接量要求较高时，常用温差法装配。后者的装配可通过螺纹联接和液压装拆法实现。螺纹压紧联接使配合面间产生相对的轴向位移和压紧，这种结构常用于轴端；液压装拆是用高压油泵将高压油通过油孔和油沟压入联接的配合面，使轮毂孔径胀大而轴径缩小，同时施加一定的轴向力使之相互压紧，当压至预定的位置时，排除高压油即可，这种装配对配合面的接触精度要求较高，需要高压油泵等专用设备。 另一种由弹性联接所构成的过盈联接，它利用一对或多对内、外锥面贴合的弹性环，当螺母(或螺栓)锁紧时，内环和外环相互压紧，因而形成过盈联接。

三、各轴段直径和长度的确定 各轴段所需的直径与轴上载荷的大小有关。初步确定轴的直径时，通常还不知道支反力的作用点，不能决定弯矩的大小与分布情况，因而还不能按轴所受的具体载荷及其引起的应力来确定轴的直径。但在进行轴的结构设计前，通常已能求得轴所受的转矩。因此，可按轴所受的转矩初步估算轴所需的最小直径dmin，然后再按轴上零件的装配方案和定位要求，从dmin处起逐一确定各段轴的直径。在实际设计中，轴的直径亦可凭设计者的经验取定，或参考同类机械用类比的方法确定。 有配合要求的轴段，应尽量采用标准直径。安装标准件(如滚动轴承、联轴器、密封圈等)部位的轴径，应取为相应的标准值及所选配合的公差。 为了使齿轮、轴承等有配合要求的零件装拆方便，并减少配合表面的擦伤，在配合轴段前应采用较小的直径。为了使与轴作过盈配合的零件易于装配，相配轴段的压入端应制出锥度；或在同一轴段的两个部位上采用不同的尺寸公差。 确定各轴段长度时，应尽可能使结构紧凑，同时还要保证零件所需的装配或调整空间。轴的各段长度主要是根据各零件与轴配合部分的轴向尺寸和相邻零件间必要的空隙来确定的。为了保证轴向定位可靠，与齿轮和联轴器等零件相配合部分的轴段长度一般应比轮毂长度短2～3mm。

四、提高轴的强度常用的措施 轴上零件的合理布置可改善轴的受力状况，提高轴的强度和刚度。 1、 合理布置轴上零件以减小轴的载荷 为了减小轴所承受的弯矩，传动件应尽量靠近轴承，并尽可能不采用悬臂的支承形式，力求缩短支承跨距及悬臂长度等。下图中a)方案较b)方案优。

当转矩由一个传动件输入,再由几个传动件输出时,为了减小轴上扭矩,应将输入件放在中间,而不要置于一端。下图中，输入扭矩为T1=T2+T3+T4,按图a布置时，轴所受的最大扭矩为T2+T3+T4，若改为图b布置时，轴所受的最大扭矩减小为T3+T4。 2、改进轴上零件的结构以减小轴的载荷 通过改进轴上零件的结构也可减小轴上的载荷和改善其应力特征，提高轴的强度和刚度。下图的两种结构中b)方案(双联)均优于a)方案(分装)，因为a)方案中轴Ⅰ既受弯矩又受扭矩，而b)方案中轴Ⅰ只受扭矩。

所示的轮轴，如把轴毂配合面分为两段(图b)，则可减少轴的弯矩，使载荷分布更趋合理。

a所示卷筒轴工作时，既受弯矩又受转矩作用，当卷筒的安装结构改为图7b时，卷筒轴则只受弯矩作用，且轴向结构更紧凑，因此改变了轴的应力状态。 3、改进轴的结构以减小应力集中的影响 轴通常是在变应力条件下工作的,轴的截面尺寸发生突变处要产生应力集中,轴的疲劳破坏往往在此发生，轴的结构应尽量避免形状的突然变化。为了提高轴的疲劳强度，应尽量减少应力集中源和降低应力集中程度。为此轴肩处应采用较大的过渡圆角半径r来降低应力集中。但对定位轴肩，还必须保证零件得到可靠的定位。当靠轴肩定位的零件的圆角半径很小时，为了增大轴肩处的圆角半径，可采用内凹圆角或加装隔离环。 图所示为几种减轻圆角应力集中例子。

当轴与轮毂为过盈配合时,配合边缘处会产生较大的应力集中。 为了减小应力集中，可在轮毂上或轴上开卸载槽；或者加大配合部分的直径。由于配合的过盈量愈大，引起的应力集中也愈严重，因而在设计中应合理选择零件与轴的配合。 用盘状铣刀加工的键槽比用键槽铣刀加工的键槽在过渡处对轴的截面削弱较为平缓，因而应力集中较小；渐开线花键比矩形花键在齿根处的应力集中小，在作轴的结构设计时应予以考虑；由于切制螺纹处的应力集中较大，故应尽量避免在轴上受载较大的区段切制螺纹。 4、改进轴的表面质量以提高轴的疲劳强度 轴的表面粗糙度和表面强化处理方法也会对轴的疲劳强度产生影响。轴的表面愈粗糙，疲劳强度也愈低。因此，应合理减小轴的表面及圆角处的加工粗糙度值。当采用对应力集中甚为敏感的高强度材料制作轴时，表面质量尤应予以注意。 表面强化处理的方法有：表面高频淬火等热处理；表面渗碳、氰化、氮化等化学热处理；碾压、喷丸等强化处理。通过碾压、喷丸进行表面强化处理时可使轴的表层产生预压应力，从而提高轴的抗疲劳能力。

五、保证轴的结构工艺性 设计轴时，要使轴的结构便于加工、测量、装拆和维修，力求减少劳动量，提高劳动生产率。为了便于加工，减小加工工具的种类，应使一轴上的圆角半径、键槽、越程槽、退刀槽的尺寸各自应相同。一根轴上的各个键槽应开在轴的同一母线上。当有几个花键轴段时，花键尺寸最好也应统一。为了便于装配，轴的配合直径应圆整为标准值，轴端应加工出倒角(一般为45°)；过盈配合零件轴端应加工出导向锥面。