轴设计基础知识(一)

一、轴的分类:

1)按受载情况分类:

转轴:同时承受弯矩和扭矩的轴,较常见,如减速箱的轴。

传动轴:只受或主要受扭矩的轴,如汽车的传动轴。

心轴:只受弯矩、不受转矩的轴。分为:轴转动,如铁路车辆轴,轴受变应力;轴不转动,如支撑滑动轴,轴受静应力。

2)按形状分:

直轴:又分为光轴和阶梯轴。阶梯轴的作用:便于零件安装固定以及使各轴段强度相近,一般机械常用。阶梯轴的几个名词:轴颈:轴上被支承的部分,装轴承处;轴头:安装轮毂部分;轴身:连接轴颈和轴头的部分;轴伸:轴伸出端。

曲轴:往复机械上用,多用于专用机械。

挠性钢丝轴:由几层紧贴在一起的钢丝构成,使用灵活,可将扭矩(扭转及旋转)灵活地传递到任意位置。

一般情况下,轴制成实心的,但为了减轻重量(如大型水轮机轴、航空发动机轴等)或满足工作要求(如需在轴中心穿过其他零件或润滑油),也可用空心轴。

二、轴的设计过程:

1)选材:考虑轴的强度、刚度及耐磨性要求;轴的热处理方法;工艺要求及制造工艺和材料的来源及价格等。常用40、45、50、40Cr调质或正火。

注:碳素钢比合金钢廉价,且对应力集中的敏感性低。合金钢比碳素钢具有更好的力学性能和热处理性能,但价格较贵,多用于承载很大而尺寸、质量受限或有较高耐磨性、防腐性要求的轴。合金钢对应力集中的敏感性较高,设计合金钢轴时,更应从结构上避免或减少应力集中,并减小其表面结构的粗糙度值。

2)初步计算:类比法估算直径d或按扭矩初算d。注意键槽对轴强度的影响。有一个键槽时,轴径增大3%~5%;有两个键槽时,应增大7%~10%。

3)结构设计:形状、尺寸、计算及画图交叉进行。

4)精确计算:一般的轴用当量弯矩法校核2~3个危险截面的强度;重要的轴还需用安全系数法校核强度。刚度要求高的轴要进行刚度计算;高速轴要进行振动稳定性计算。

三、轴的结构设计:

轴的失效形式有断裂、磨损、振动和变形。轴的设计应满足具有足够的强度和刚度、良好的振动稳定性和合理的结构。

1、轴的结构设计的原则是:

(1)受力合理,力求等强度,尽量减小应力集中;

(2)轴上零件定位准确、简便,唯一、固定可靠,装拆方便;

(3)有良好的工艺性。

2、结构设计的内容:定出轴的合理外形和全部结构尺寸。

结构设计应已知:轴的装置简图(轴上零件及位置);传动件的主要参数及尺寸:轴传递的功率、转速。

3、轴结构设计应满足的条件是:

(1)轴和装在轴上的零件由精确的工作位置;

(2)轴上零件便于拆卸和调整;

(3)轴应有良好的制造工艺性。

4、常用的几种固定方法及注意事项:

1)轴上零件的轴向固定:

(1)轴肩和轴环(台):由定位面和过渡圆角组成。注意过渡圆角应小于轴上零件的倒角(否则零件无法贴紧),一般取定位轴肩高度(单边)h=(007~0.1)d(注:d为轴径),轴环宽度b≥1.4h。

(2)与滚动轴承相配合处轴肩或轴环高应查手册,一般轴肩高不超过内圈厚的2/3~4/5,以便轴承拆卸。

(3)弹性挡圈、螺母、套筒等。套筒内径和轴一般为动配合,套筒结构、尺寸可视需要灵活设计,但一般套筒壁厚大于3mm(注:不宜用于高转速轴)。

(4)轴端挡圈与圆锥面。

(5)紧定螺钉与锁紧挡圈等。

(6)销。结构工艺性好,同时起轴向和周向固定作用。但轴上要钻孔,较严重地削弱轴的强度,破坏转子的平衡。

(7)夹紧环。夹紧环结构较复杂,定位精度差,并破坏了转子的平衡,但轴的结构简单,适用于光轴上的零件的定位。

(8)过盈配合。结构简单,兼有固定作用,定位精度差。作轴向固定时也作了轴向固定。

(9)螺母。轴表面制出螺纹,削弱了轴的强度。承受载荷的能力强,固定可靠。

(10)轴端压板。轴端钻螺纹孔,不削弱轴的强度。承受载荷的能力强,固定可靠。只能用于轴端。

   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宽度短2~3mm。

2)轴上零件的周向固定:

轴上零件的周向固定可采用键、花键、销、过盈配合和胀套连接等。

键、花键、过盈配合、销、成形、弹性环,统称为轴毂连接。

注意事项:

(1)键槽开在轴上同一加工直线上,减少装夹次数。若开有键槽的轴段直径相差不大时,尽可能采用相同宽度的键槽,以减少换刀次数。

(2)月牙键开在同一侧,否则对轴削弱更厉害。

(3)用钩头楔形键时,键上表面与毂槽底面各有1:100的斜度。

3)制造安装要求:

(1)便于零件装拆做成阶梯轴,且轴上所有零件都应能无过盈地到达配合的部位。

(2)为了便于加工和检验,与零件配合的轴的直径应取圆整值,并从标准直径系列中选取。(见GB/T2822-2005);与滚动轴承相配合部分应符合滚动轴承内孔尺寸。

(3)螺纹轴段应留退刀槽,且有螺纹的轴段直径应符合螺纹标准直径。

(4)磨削轴端应有砂轮越程槽或砂轮修缘。

(5)除结构有特别要求之外,为了便于装配零件并去掉毛刺,轴端应加工出45°倒角。

(6)过盈配合零件装入段常加工出导向锥面(斜面角度一般为10°),以便零件能较顺利地压入。

(7)同一根轴上的圆角应尽可能取相同值,退刀槽取相同的宽度,倒角尺寸相同。

4)减小应力集中,改善受力情况:

(1)避免形状突变,使各级阶梯轴比较均匀。

(2)截面变化处采用圆角,且不宜过小(具体尺寸查相关手册)。

(3)避免轴上开横孔、凹槽,必须开横孔时(应避免盲孔)须将边倒圆(孔口应倒角)。

(4)在重要轴的结构中,可采用卸载槽B、过渡轴环或凹切圆角增大轴肩圆角半径,以减小局部应力。

(5)在轮毂上做出卸载槽B(减小轮毂两侧厚度),也能减小过盈配合处的局部应力。

(6)在过盈配合部位轮毂两端面处,轴上切出卸载槽。

(7)使过盈配合部位的直径大于相邻部位的直径。

(8)退刀槽设圆角。

(9)加大轴环和轴肩的圆角半径,必要时可设中间环。

5)改进轴的表面质量,提高轴的疲劳强度。

(1)轴的表面越粗糙,疲劳强度越低。因此,应尽量减小轴的表面及圆角处的加工粗糙度值。(使用对应力集中敏感的材料时应尤为注意)

(2)键槽端部与阶梯处距离不宜过小,以避免损伤过渡圆角及减少多种应力集中源重合的机会。

(3)键槽根部圆角半径越小,应力集中越严重。因此,在重要轴的零件图上应注明其大小。

(4)避免在轴上打印及留下一些不必要的痕迹,因为它们可能成为初始疲劳裂纹源。

(5)常用表面强化处理方法: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。(碾压、喷丸可使轴的表面产生预压应力,从而提高轴的抗疲劳能力。)

四、轴结构设计注意事项:

(1)轴肩长度应比轮毂长度稍短,否则轮毂无法可靠定位(轴向)。

(2)与轴承配合的轴端,轴肩或定位套筒必应超过轴承内圈的高度,否则将不便于轴承拆卸。

(3)注意键的长度是否影响到轴向定位零件的安装,且注意键开的位置。

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