轴

基本说明

轴的分类

1. 根据轴所受的载荷分类
   1. 心轴 工作时只受弯矩而不受转矩作用
   2. 传动轴 工作时主要受转矩作用, 几乎不受弯矩作用
   3. 转轴 工作时既受转矩又受弯矩作用
2. 根据轴线形状不同分类
   1. 直轴
   2. 曲轴

轴的基本结构

1. 轴颈 与轴承相配合的部分
2. 轴头 与轮毂相配合的部分
3. 轴身 连接轴颈与轴头的部分

轴结构的基本要求

1. 受力合理, 材料省, 重量轻
2. 轴上零件要有准确的定位与可靠的固定
3. 便于轴上零件装拆
4. 尽量减小应力集中

轴的结构设计

轴向固定与定位

轴肩或轴环

简单可靠的定位方式, 通常为大部分零件的一侧提供轴向固定

套筒

用于相隔距离不大的零件的固定, 套筒与轴为过渡配合, 不需要圆周固定

弹性挡圈

需要加工环槽容纳挡圈, 对轴的强度削弱大, 承受不了大的轴向力

紧定螺钉

结构简单, 需要在轴上设置定位锥孔, 能够承受的载荷小

圆螺母

可用于固定轴端上的零件, 需切制螺纹, 削弱了轴的强度

轴端挡圈

用于固定轴端零件, 能承受较大的轴向力, 常用于固定轴端零件与轴 (不与箱体接触且不是端盖)

周向固定

普通平键

1. 普通平键分为 A, B, C 型三种, 用于不同的场合
2. 端铣刀加工键槽, 两端存在半圆, 因此适用 A 或 B 型键
3. 盘铣刀加工键槽, 两端存在弧形底面, 因此适用 B 型键
4. 轴端键槽适用 C 型键
5. 两侧面为工作面, 顶面不配合

半圆键

1. 两侧面工作, 键槽深, 对轴强度削弱大
2. 可用于锥面, 将自动调整角度
3. 两侧面为工作面

楔键

顶面具有斜度的键, 靠摩擦力传动, 底面与顶面为工作面

切向键

1. 由两个楔键组合
2. 工作面的受力沿切向作用，承载能力强
3. 一组切向键只传递单向转矩, 两组切向键可传递双向转矩
4. 两组切向键夹角为 $120^\circ\sim 130^\circ$

过盈配合

1. 承载能力取决于过盈量
2. 轴承内圈采用此方法连接

花键

1. 工作面为齿面, 承载能力强, 对中性好
2. 对轴的削弱小
3. 既可用于静连接, 又可用于动连接

导向平键

1. 属于动连接, 传动零件可在轴向移动
2. 平键通过螺纹固定在轴上, 轮毂移动距离小

滑键

1. 属于动连接, 传动零件可在轴向移动
2. 键固定在轮毂上, 与轮毂一起移动, 轮毂移动距离大

轴系工艺性要求

1. 轴结构要求
   1. 轴头长度应小于轮毂长度, 否则无法保证轮毂另一侧与套筒等的固定
   2. 应考虑轴上零件轴向, 周向固定, 检查轴上所有零件是否均固定
   3. 轴外伸处应考虑密封
   4. 轴呈阶梯状, 利于安装零件, 从中间最高处到两轴端, 轴的直径逐渐减小
2. 轴承结构要求
   1. 套筒或轴肩高度小于轴承内圈高度, 否则轴承无法拆卸
   2. 轴承旁应有非定位轴肩, 减少轴的过盈配合安装深度
   3. 轴承为过盈配合, 不需要键等圆周定位
3. 键加工工艺要求
   1. 所有键槽应处于同一加工方向, 保证一次铣削就可以全部加工
   2. 键的长度应小于轴头长度, 保证整个键都用于传动并减小长键槽对轴强度的削弱
   3. 键槽需要靠近安装段, 方便对准安装 (一般轮毂与轴为过盈配合, 对不准后不易调整)
   4. 允许在导向锥面 (轴端过盈配合处需要有导向锥面) 上加工延伸键槽, 在导向锥面上对准, 方便安装
4. 加工工艺要求
   1. 螺纹退刀槽 (圆螺母位置) 与砂轮越程槽 (高精度的轴颈等位置)
   2. 轴承端盖与轴应有间隙
   3. 轴的配合处采用标准值 (如轴承内径为 5 的倍数)
   4. 轴端设置倒角, 方便安装
   5. 轴上的退刀槽, 花键, 键槽, 倒角等结构采用统一的尺寸, 方便一次加工得到

提高强度设计

减小应力集中

1. 轴肩高度不可过大, 否则将导致应力集中 (根据标准设计)
2. 在轴肩处采用大半径圆角, 凹切圆角, 椭圆圆角等措施避免应力集中

改善受力情况

将转矩最大的轮毂布置在中间, 转矩相反且较低的轮毂布置在两侧, 避免转矩过大

轴系设计过程

设计轴系时, 保持从一个轴肩到另一轴肩为方向分析

1. 通过强度计算等, 确定轴上各个零件的内径与布局, 连接内径, 得到轴的雏形
2. 首先考虑是否能添加轴肩定位与设计非定位轴肩 (轴承等需要过盈配合处) 等, 调整轴的截面直径
3. 设计除轴肩外的其他轴向固定, 保证轴上所有零件均得到固定
   1. 优先采用套筒与轴端圈
   2. 套筒需要考虑套筒两侧的高度是否满足要求 (接触面积足够 / 低于轴承内圈) , 并修改
4. 根据设计的轴向固定微调轴的轴向尺寸, 添加工艺结构
   1. 轴头宽度小于轮毂宽度
   2. 轴端与轴端挡圈存在缝隙, 且与轴之间存在螺钉固定
   3. 圆螺母需要添加螺纹
   4. 弹性挡圈需要有环槽
5. 设计圆周固定, 确定键长, 花键长等结构
6. 添加退刀槽, 倒角等工艺结构

轴毂连接强度设计

键连接失效形式

1. 静连接中, 键通过接触力传递动力, 键的侧面受挤压, 失效形式为较弱的零件 (通常为轮毂) 压溃
2. 动连接中, 由于存在零件的相对运动, 因此失效形式为磨损

平键强度校核

1. 键的 $h,b,l$ 均为标准值, 其中 $b,h$ 根据轮毂 / 轴的尺寸确定, $l$ 长度可以小于键长
2. 当强度不足时, 可增加键的长度或采用双键布置

轴的强度设计

1. 轴的失效主要形式为疲劳断裂
2. 对一般的轴采用弯扭合成强度计算, 重要轴采用安全系数法计算

扭转强度条件

1. 用于一般传动轴的设计与校核, 或转轴截面直径的处算
2. 使用前先分析扭矩, 画出扭矩图
3. 计算得到各个受扭段上危险截面的最小轴径, 按标准轴径圆整 (一般是 5 的倍数)
4. 当轴上存在一个键槽时, 由公式计算得到的直径 $d$ 还需要增大 $5\%$, 两个则增大 $10\%$

弯扭合成强度

1. 根据第三强度理论建立, 同时考虑扭转与弯曲, 并合并为一个当量弯矩 $M_{ca}$, 用于传动轴校核 / 再次选择轴径
2. 由于弯曲应力必定是对称循环应力, 因此使用 $r=-1$ 的许用疲劳极限 $[\sigma_{-1}]_b$ 作为条件
3. 转矩的应力状态不确定, 通过折合系数 $\alpha$ 将其等效为对称循环应力, 默认以脉动循环应力处理
   1. 频繁启动为脉动循环应力
   2. 双向运行为对称循环应力
4. 截面系数 $W$ 需要考虑键槽, 花键等影响 (查表)

轴的设计过程

1. 方案设计, 确定轴上有那些传动件以及各自传递的功率, 并进行简单布置 (使转矩尽量小)
2. 使用扭转强度处算轴上各段的最小轴径, 从而确定传动件尺寸
3. 初步进行结构设计, 得到轴的完整结构
4. 对轴进行受力分析, 得到受力图, 弯矩图与扭矩图, 并合成为 $M_{ca}$ 图, 校核各个危险截面的强度 (弯扭合成强度或安全系数法)
5. 如果校核强度不足, 则需要增大有关轴的直径
6. 校核键强度等其他部分