轴的灵活性与多样性——通过结构设计减小应力集中

轴的结构设计包括定出轴的合理形状和全部尺寸两大部分内容。由于影响轴结构的因素很多，所以轴的结构设计具有较大的灵活性和多样性。设计时，必须针对不同情况进行具体的分析。但不论何种具体条件，轴的结构都应满足：轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置；轴上零件应易于装拆和调整；轴上结构要有利于减小应力集中以提高疲劳强度；轴应具有良好的加工工艺性。

轴一般由轴颈、轴头和轴身三部分组成。轴上支承的部分称为轴颈，安装轮毂的部分称为轴头，连接轴颈和轴头的非配合部分称为轴身，如图5－9所示。

图5－9　轴上零件的装配与轴的结构

一、轴上零件装配方案

轴的结构取决于轴上零件的装配方案，如图5－9所示。为了方便轴上零件的装拆，常将轴做成阶梯形。对于一般剖分式箱体中的轴，它的直径从轴端部逐渐向中间增大。可依次将齿轮、套筒、右端滚动轴承、轴承盖及联轴器从轴的右端装拆，另一滚动轴承从左端装拆。为使轴上零件易于安装，轴端及各轴段的端部应有倒角。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。

二、轴上零件的定位和固定

1.轴上零件的轴向定位和固定

为了防止轴上零件的轴向移动，应对轴上零件进行轴向定位和固定。常用轴向定位和固定的方法有轴肩定位、轴环定位、套筒定位、螺母定位及轴端挡圈定位等，见表5－2所示。

表5－2　轴上零件常用的轴向定位及固定的方式

续表

表5－3　轴肩尺寸h及零件孔端圆角半径R和倒角　Cmm

2.轴上零件的周向固定

为了满足机器传递运动和转矩的要求，轴上零件除了需要轴向定位外，还必须有可靠的周向定位。周向定位的目的是限制轴上零件与轴发生相对转动。常用的周向定位方式有键、花键、销、紧定螺钉以及过盈配合等，其中紧定螺钉只用在传力不大之处。

三、轴的结构工艺性

为便于加工和轴上零件的定位及装拆，轴的形状多为阶梯形。

从轴的结构工艺性考虑，设计中应注意以下几点：

（1）轴的形状应力求简单，阶梯数尽可能少。这样可以减少加工次数及应力集中。

（2）为了便于装配，轴端应加工出倒角（一般为45°）；过盈配合零件装入端常加工出导向锥面，以使零件能较顺利地压入。

（3）一根轴上各键槽应开在轴的同一母线上，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。

（4）为了便于切削加工，一根轴上的圆角应尽可能取相同的半径，退刀槽取相同的宽度，倒角尺寸相同，以减少换刀的次数。

（5）需要磨削的轴段，应留有砂轮越程槽，如图5－10所示，以便磨削时砂轮可以磨到轴肩的端部；需切削螺纹的轴段，应留有螺纹退刀槽，如图5－11所示。(www.xing528.com)

图5－10　磨削时砂轮越程槽

图5－11　车螺纹时的退刀槽

四、提高轴的强度和刚度的措施

轴的疲劳破坏是由疲劳裂纹引起的，而裂纹主要出现在轴的表面和应力集中处。因此，提高轴的疲劳强度要从以下几个方面考虑。

（1）减小应力集中，提高轴的强度。在零件截面发生变化处会产生应力集中现象，从而削弱材料的强度。因此，进行结构设计时，应尽量减小应力集中。在阶梯轴的截面尺寸变化处应采用圆角过渡，且圆角半径不宜过小，见图5－12（a）。在圆角半径受到限制时，可采用过渡肩环，如图5－12（b）所示；在零件轮毂上切制卸载槽，如图5－12（c）所示；或凹切圆角，如图5－12（d）所示的结构形式。另外，设计时尽量不要在轴上开横孔、切口或凹槽，必须开横孔时将边倒圆。

图5－12　轴减小应力的结构

（2）改变轴上零件的布置，减小轴上的载荷。当需从两个轮输出动力时，为了减小轴上的载荷，尽量将输入轮置于中间。如图5－13（a）所示的轴，轴上作用的最大转矩为T1＋T2；而在图5－13（b）所示中，轴的最大转矩为T1或T2。

图5－13　轴上零件的布置

（3）改进轴上零件的结构可以减小轴上的载荷。如图5－14（a）所示，卷筒的轮毂很长，如把轴毂配合面分为两段，如图5－14（b）所示，可以减小轴的弯矩，从而提高其强度和刚度。

图5－14　轴上零件的结构不同产生的弯矩

（4）改善轴的表面质量，提高轴的疲劳强度。可采用碾压、喷丸处理、渗碳淬火、氮化处理和高频淬火等表面强化方法，避免产生疲劳裂纹，提高轴的疲劳强度。