轴结构设计及受力状况改善步骤分析

轴的结构设计包括定出轴的合理外形和全部结构尺寸。

我们先来对轴的结构进行分析，如图4－1－3所示。

减速器轴上有哪些结构？各自的作用是什么？

一、拟定轴上零件的装配方案

所谓装配方案，就是预定该轴上主要零件的装配方向、顺序和相互关系。

如图4－1－4所示，依次将齿轮、套筒、右端滚动轴承、轴承盖和联轴器从轴的右端装拆，另一轴承从左端装拆。为使轴上零件易于安装，轴端及各轴段的端部都应有倒角。

图4－1－3　轴类零件的典型结构

图4－1－4　轴的结构

（a）结构图；（b）轴上各段的名称
1—轴端；2，4—轴头；3—轴颈

轴上磨削的轴段应有砂轮越程槽，如图4－1－5（a）所示；车制螺纹的轴段应有退刀槽，如图4－1－5（b）所示。在满足使用要求的情况下，轴的形状和尺寸应力求简单，以便于加工。

图4－1－5　砂轮越程槽和螺纹退刀槽

（一）轴上零件的定位

为了防止轴上零件受力时发生沿轴向或周向的相对运动，轴上零件必须进行轴向和周向的定位与固定。

1.轴上零件的轴向定位

零件的轴向固定与定位的主要目的是：使零件在轴上有准确的定位和可靠的固定，以使其具有确定的安装位置并能承受轴向力而不产生轴向位移。

常用的轴向固定方法有利用轴肩、轴环、圆螺母、套筒及轴端挡圈等来进行轴上定位和固定。轴上定位和固定方法主要取决于轴向力的大小。受轴向力大时，常用轴肩、轴环等方式；受中等轴向力时，可用套筒、圆螺母和轴端挡圈；当受力较小时，可用弹簧挡圈、挡环、紧定螺钉等方式。选择时，还要考虑轴的制造及零件装拆的难易、所占位置的大小、对轴强度的影响等因素。

阶梯轴上截面变化处叫作轴肩，是由定位面和内圆角组成的，如图4－1－6所示。为了保证轴上零件的端面能靠近定位面，轴肩的内圆角半径r应小于零件上的外圆角半径R或倒角C，R和C的具体尺寸可查有关的《机械设计手册》。轴肩的高度一般取h＝R（C）＋（0.5～2）mm，轴环的宽度取b≈1.4h。

图4－1－6　轴肩和轴环定位

用轴肩或轴环固定零件时，常采用其他辅件来防止零件向另一个方向移动，如图4－1－7中采用圆螺母。

采用套筒、圆螺母、轴端挡圈作轴向固定时，应把装零件的轴段长度做得比零件轮毂短2～3mm，以确保套筒、圆螺母或轴端挡圈靠近零件端面。

当轴向力不大而轴上零件间的距离较大时，可采用弹性挡圈固定，如图4－1－8所示。当轴向力很小，转速很低或仅为防止零件偶然沿轴向滑动时，可采用紧定螺钉固定，如图4－1－9所示。(www.xing528.com)

图4－1－7　圆螺母定位

图4－1－8　弹性挡圈固定

轴向固定有方向性，是否需在两个方向上均对零件进行固定，应根据机器的结构、工作条件而定。

如图4－1－10所示的压板是一种轴端固定装置。除压板外还有很多其他的轴端固定形式。

图4－1－9　紧定螺钉固定

图4－1－10　压板轴端固定装置

2.轴上零件的周向固定

零件周向固定的目的是传递运动和转矩，防止轴上零件与轴做相对转动，轴和轴上零件必须可靠地沿周向固定。固定方式的选择，则要根据传递转矩的大小和性质、轮毂与轴的对中精度要求、加工的难易程度等因素来决定。常用的周向固定的方法有键连接、花键连接和过盈配合等连接形式，详细内容见项目五。

采用键连接时，为了加工方便，各轴段的键槽应设计在同一加工直线上，并应尽可能采用同一规格的键槽截面尺寸。

（二）轴上零件的受力分析

合理布置轴上的零件可以改善轴的受力状况。如图4－1－11（a）所示的轴，作用的最大转矩为T2＋T3，如把输入轮1布置在两输出轮中间［见图4－1－11（b）］，则轴所受的最大转矩将由T2＋T3降低到T3。

图4－1－11　轴上零件的合理布置

改进轴上零件的结构也可以减小轴上的载荷。如图4－1－12（b）所示，卷筒的轮毂很长，如把轮毂分成两段［见图4－1－12（a）］，则减小了轴的弯矩，从而提高了轴的强度和刚度，同时还能得到更好的轴孔配合。

图4－1－12　卷筒的轮毂结构

改善轴的受力状况的另一重要方面就是减小应力集中，合金钢对应力集中比较敏感，更要加以注意。

零件截面发生突然变化的地方，都会产生应力集中的现象。因此对阶梯轴来说，在截面尺寸变化处应采用圆角过渡，圆角半径不宜过小，并尽量避免在轴上（特别是应力大的部位）开横孔、切口或凹槽。当必须开横孔时，孔边要倒圆。在重要的结构中，可采用卸载槽［见图4－1－13（a）］、中间环［见图4－1－13（b）］或凹切圆角［见图4－1－13（c）］增大轴肩圆角半径，以减小局部应力。

图4－1－13　减载结构

（a）卸载槽；（b）中间环；（c）凹切圆角

做一做

根据已知轴向尺寸及与之配合零件（轴承、齿轮等）初步设计该输出轴的整体结构。