锥形轴和阶梯轴的结构设计优化

1.锥形过渡轴

如图11⁃36a所示，直径相差较大的相邻两轴段，如不采用锥形轴过渡，会导致倒角处应力过于集中，容易使轴折断，因此直径相差较大的相邻两轴段应设计成锥形轴或阶梯轴过渡。若将其改为图11⁃36b所示结构，采用锥形轴过渡，则可减小应力集中，增加轴的强度。

图11⁃36 采用锥形轴过渡的结构

如图11⁃37a所示，相邻两段轴直径相差较大时会导致应力比较集中，应尽量用阶梯轴或锥形轴过渡。可将其改为图11⁃37b所示结构，即改为用阶梯轴过渡，可有效地减少应力集中。

图11⁃37 采用阶梯轴过渡的结构

天轮常安装在井架顶端，作为提升机钢丝绳的支撑和导向机构。天轮强度计算是根据承受钢丝绳破断力（钢丝破断力总和）的条件进行的，即钢丝绳断裂后，天轮构件中的应力不许超过材料的屈服极限。天轮轴是天轮的关键零件，在天轮的整个运转期间内，其必须承受千万次以上反复、对称循环的弯曲应力作用而不致疲劳断裂。

图11⁃38 天轮轴圆锥过渡的结构

图11⁃38a所示为天轮轴简图。断面A—A处，设计强度不够，理论计算的弯曲应力已略超过材料（45钢）的屈服极限，容易产生断裂；轴的外形设计中出现了多个直角的台阶；台阶的过渡圆弧半径R3太小；加工的表面比较粗糙。这些原因导致轴的应力集中很大，最终会使轴断裂。

若改为图11⁃38b所示结构，即阶梯轴改为用锥形轴过渡，因其断面是逐渐变化的，并与轴所受的弯矩相适应，因此保证了轴在任何断面处均有按规定所要求的安全系数。此外，加大各断面处过渡圆弧的半径，降低轴的表面粗糙度值，可以尽量减少应力集中，提高轴的使用寿命。

2.锥形轴应留有一定的圆柱段以便于夹持

如图11⁃39a所示，锥形轴没有留有一定的圆柱段，不便于加工时的夹持。若改为图11⁃39b所示结构，轴上留有一段圆柱，则便于加工时的夹持。

图11⁃39 便于夹持的结构

3.同一轴上的锥度应一致以便于减少对刀次数(www.xing528.com)

如图11⁃40a所示，同一轴上两段轴的锥度不同。同一轴上的圆角半径和锥度应尽量相同，以便于统一刀具，避免多次调整机床。改为图11⁃40b所示结构，各段轴的锥度相同，可减少对刀次数，便于加工。

4.锥度轴的磨削应便于保证精度

如图11⁃41a所示，锥度轴与圆柱部分的过渡处设计不合理，在磨削时不便于保证精度。可改为图11⁃41b所示结构，即使锥度轴左端直径与圆柱段直径相同，这样便于此处的磨削，保证磨削精度。

图11⁃40 采用锥度一致的结构

图11⁃41 便于磨削的锥度轴结构

5.尽量减少锥形轴段

如图11⁃42a所示，此锥形轴段远离动力输入端，又因锥形轴段比阶梯轴段加工困难，加工量大，因此没有必要把这段轴设计成锥形轴段。改为图11⁃42b所示结构，阶梯轴在此段中仍能保证良好的力学性能，满足轴的使用要求，而且加工方便，加工量小，结构简单。

图11⁃42 尽量减少锥形轴段的结构

6.阶梯轴直径应从中间向两端逐渐递减以便于装配

在不是止推轴的情况下，阶梯轴的轴径应从中向两端递减。在如图11⁃43a所示的结构中，轴中部圆圈处直径最小，结构设计不合理。可将其改为图11⁃43b所示结构，使阶梯轴的直径从中间向两端逐渐递减。

图11⁃43 便于装配的阶梯轴结构