轴及其结构的初步设计

出处：按学科分类—工业技术 北京出版社《现代综合机械设计手册中》第1073页（1941字）

轴的主要设计内容大致包括：选择轴的材料，初步确定轴的直径，进行轴的结构设计，然后校核轴的强度，必要时校核轴的刚度及临界转速。最后，根据计算结果考虑是否需要修改结构。

轴的常用材料及其主要机械性能见表4．6-1，其中常用的是45号钢。对尺寸和重量有严格限制的轴。或要求耐磨、耐腐蚀、耐高温等，可选用合金钢，如尺寸受限制，可选35SiMn、42SiMn、40MnB等；对于结构复杂的轴，为了保持尺寸的稳定性和减小热处理的变形，可选用铬钢，如40Cr；在高温或腐蚀环境下工作的轴，可选用耐热钢和不锈钢。对于受力较小或不重要的轴，可选用Q235、Q275等普通碳钢；外形复杂的轴，如曲轴、凸轮轴等，也可采用球墨铸铁。因为铸造容易得到较复杂的形状，对应力集中的敏感性较低，且具有吸振能力。

设计时，应先进行估算，初步确定轴的直径。按扭转强度估算轴端直径的公式为：

式中d为轴端直径(mm)；P为轴传递的功率(kW)；n为轴的转速(r／min)；C为系数，由表4．6-2查取；y为空心轴的内径d₁与外径d的比值，通常取0．5～0．6。

表4．6-1 轴的常用材料及其主要机械性能

表4．6-2 轴常用材料的C值

按类比法估算轴的直径的计算式为：

式中 d、P、n、C分别为所设计轴的直径、功率、转速和系数(C由表4．6-2查出)；d′、P′、n′、C′分别为相比较的现有机器的轴直径、功率、转速和系数(C′由表4．6-2查出)。

进行轴的结构设计，必须考虑如下内容：1．轴和装在轴上的零件有准确而可靠的工作位置：2．具有良好的加工工艺性；3．便于装拆、调整轴上的零件；4．轴的受力合理，并有利于提高轴的强度及刚度：5．节省材料、减轻重量；6．轴与轴承、联轴器、花键等配合处的直径应符合有关标准，非配合处直径允许采用非标准值，但最好取为标准数列。

轴上零件的周向固定常用键联接、花键联接、过盈联接及夹紧联接等，传力小时也可采用销联接或紧定螺钉。轴向的定位及固定的常用方式见表4．6-3。

表4．6-3 轴上零件轴向固定的几种常用方式

表4．6-4 圆柱形轴伸(摘自CB1569—90) mm

注：直径大于630～1250mm的轴伸直径和长度系列可参见GB1569附录A。

表4．6-5 圆锥形轴伸(摘自GB1570—90) mm

注：1．Φ220mm及以下的圆锥轴伸键槽底面与圆锥轴线平行。键槽深度t可由测量G来代替。

2．L₂可根据需要选取小于表中的数值。

3．圆锥角公差按GB11334中的AT6，1：10圆锥角公差选用；基本直径d的公差按GB1800中的IT8。

轴的损坏，多数是疲劳破坏。因此，在轴的结构设计中，应力求减小应力集中，提高轴的疲劳强度。通常可采取的措施见表4．6-6。此外，减小配合表面及圆角处的加工粗糙度，以及表面强化(表面淬火、氮化、渗碳、喷丸、滚压等)，均可提高疲劳强度。

表4．6-6 降低轴上应力集中的措施举例

注：K_a系有效应力集中系数，其减小值系概略值，仅供参考。

齿轮、带轮、蜗轮等零件安装于轴上时，其轮毂与轴的配合长度见表4．6-7。

表4．6-7 轮毂孔长l与配合轴径d的关系