提高轴的强度和刚度的措施介绍

提高轴的强度和刚度，其目的主要是提高轴抵抗塑性变形、弹性变形及破坏断裂的能力。工程上可用的办法是：①改用高强度钢，提高轴的强度；②增大轴的直径，提高轴的强度和刚度。但增大轴的直径使零件尺寸增大及质量增加，导致整个设备质量增加。而轴和轴上零件的结构设计、工艺措施及轴上零件的安装布置等对轴的强度有很大的影响，因此应在这些方面综合加以考虑，采取相应的技术措施，以提高轴的整体承载能力，减小轴的尺寸和质量，降低制造成本。为此，一般的做法有如下几种。

1）合理设计和布置轴上零件，减小最大载荷

合理设计和布置轴上零件，能减小轴上最大载荷。例如，图12-9a中卷筒的轮毂很长，轴上最大弯矩较大。若将卷筒的轮毂设计成两段（图12-9b），不仅可以减小轴的最大弯矩，而且还能得到良好的轴孔配合。又如图12-10中的输入轮1设置在轴的一端，轴上最大扭矩为T1。

图12-9　改进卷筒结构以减小轴的载荷

图12-10　改变输入轮位置以减小轴的扭矩

2）改进轴的结构，减小应力集中

轴上截面尺寸、形状的突变处会产生应力集中。当轴受变应力作用时，该截面处易发生疲劳破坏。为了提高轴的疲劳强度，应尽量减少应力集中源和减小应力集中的程度。为此，可采取如下措施：

（1）采用较大的过渡圆角，尽量避免截面尺寸和形状的突变。对于定位轴肩，必须保证轴上零件定位的可靠性，这使得过渡圆角半径受到限制。为了增大过渡圆角半径，可采用内凹圆角（图12-11a）或加装隔离环（图12-11b）。

图12-11　过渡圆角半径r 受限制时的结构处理

（2）过盈配合的轴段在两侧会产生较大的应力集中（图12-12a），采用以下措施可减小应力集中的程度。在配合零件的轮毂上开减载槽（图12-12b），可使应力集中系数减小15%～25%；在轴上开减载槽（图12-12c），可使kσ大约减小40%；增大配合处轴段直径（图12-12d），可使kσ减小30%～40%。应该注意的是，配合的过盈量越大，引起的应力集中就越严重，因此设计中应合理选择轮毂与轴的配合。

图12-12　过盈配合轴端降低应力集中的措施

（3）轴上尽量少开小孔、切口或凹槽，应尽可能避免在轴上受力较大的区段切制螺纹。

3）采用力平衡或局部相互抵消的办法，减小轴的载荷

例如，同一根轴上的两个斜齿轮或蜗杆、蜗轮，只要正确设计轮齿的螺旋方向，就能使轴向力相互抵消一部分（参见斜齿轮传动和蜗杆蜗轮传动的受力分析部分）。

对于单独一对斜齿轮传动，必要时可采用人字齿轮传动代替，使轴向力内部抵消。又如行星齿轮减速器，可对称布置行星轮，使太阳轮轴只受转矩不受弯矩。

4）改变支点位置，提高轴的强度和刚度

锥齿轮传动中，通常采用小齿轮悬臂布置（图12-13a）。若改为简支结构（图12-13b），则不仅可提高轴的强度和刚度，还可以改善锥齿轮的啮合状况。此外，对于一对角接触向心轴承支承的轴，当零件简支布置时采用轴承“正装”结构（图12-13b），可缩短支承跨度；当零件悬臂布置时采用轴承“反装”结构，可减小悬臂长度（图12-13a）。这些都有利于提高轴的强度和刚度。(www.xing528.com)

图12-13　圆锥齿轮传动布置

5）改善表面质量，提高轴的疲劳强度

轴的表面越粗糙，其疲劳强度越低，因此应合理减小轴的表面及圆角处的加工粗糙度值。当轴为高强度材料时，更应引起重视。

对配合轴段进行表面强化处理，可有效提高轴的抗疲劳能力。表面强化处理的方法有表面高频淬火、表面渗碳、氮化、氰化及碾压、喷丸处理等。如通过碾压、喷丸处理，可使轴的表层产生预压应力，从而提高轴的抗疲劳能力。

6）采用空心轴，提高轴的刚度

采用空心轴对提高轴的刚度、减小轴的质量具有显著作用。由计算可知，内外径之比为0.6的空心轴与质量相同的实心轴相比，抗弯截面系数可增大70%，截面抗弯刚度可增大112%。

以上讨论说明，轴上零件的装配方法对轴的结构形式起着决定性的作用。因此，在一般情况下，在轴的结构设计上应当初步拟订多种结构方案后再进行相应的对比，以确定合理的装配方案，这是轴的设计中必须进行的一步。现以图12-14圆锥-圆柱齿轮减速器中输出轴的两种装配方案（图12-15）为例进行比较。图12-15b中的轴向定位套筒长度较长，因而质量较大，这在轴的结构上是明显不足的；而相比之下，图12-15a所示的装配方案则较为合理可行。

图12-14　圆锥-圆柱齿轮减速器简图

图12-15　输出轴的两种结构方案比较

例12-1　某化工设备中的输送装置运转平稳，工作转矩变化很小，以圆锥-圆柱齿轮减速器作为减速装置，其简图如图12-14所示。试对该减速器的输出轴进行结构设计。已知输入轴与电动机、输出轴与工作机均通过弹性柱销联轴器连接；输出轴旋转方向从左向右看为顺时针，单向旋转；电动机型号为Y160M-6；两级齿轮传动均为8级精度，其参数见表12-7。

表12-7　两级齿轮的参数

解：综合该轴的工作负荷、运转状况和工作环境条件，其材料选用45钢，进行调质处理。为了便于清晰地表示出整个轴的设计步骤和计算引用的数据、资料，在此将整个设计过程用列表方式来表示（表12-8）。

表12-8　圆锥-圆柱齿轮减速器输出轴的结构设计

（续表）

图12-16　轴的结构与装配图