基本要求：了解轴的类型和材料；掌握轴的结构设计及轴径的估算。 重 点：轴的结构设计及轴径的估算。 难 点：轴的结构设计。 学 时：课堂教学：4学时。 教学方法：多媒体结合板书。
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第一节 轴的分类和材料
轴是机器中的重要零件之一。
11.1.1 轴的功用
支撑回转运动零件；传递转矩与运动。
11.1.2 轴的类型
1、根据轴的承载情况可分为
心轴——只承受弯矩M≠0；不承受扭矩T=0；固定心轴；转动心轴； 传动轴——只承受扭矩T≠0；不承受弯矩M=0； 转轴——既承受弯矩M≠0；又承受扭矩T≠0。
2、根据轴线的形状可分为 直轴——光轴；阶梯轴。
曲轴——主要用于作往复运动的机械中。 挠性轴——可以把回转运动灵活地传到任何位置。
火车轮轴——转动心轴 自行车轮轴——固定心轴
汽车驱动轴——传动轴 齿轮轴——转轴
内燃机轴——曲轴 挠性钢丝软轴
图11-1 轴的类型
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轴的轴的材料
轴的材料主要采用碳素钢和合金钢。有时也可采用合金铸铁或球墨铸铁 1.碳素钢 比合金铜价廉，对应力集中的敏感性较小，所以应用较为广泛。
常用的碳素钢有30～50钢，最常用的是45钢。为保证其力学性能，应进行调质或正火处理。不重要的或受力较小的轴以及一般传动轴可以使用Q235～Q275碳素结构钢。
2.合金钢 具有较高的力学性能，可淬性也较好，但价格较贵，且对应力集中的敏感性较高，多用于有特殊要求的轴。
常用的合金钢有:20Cr、20Cr MnTi等，经渗碳淬火处理可提高轴颈的耐磨性。
轴的材料也可采用合金铸铁或球墨铸铁。这些材料吸振性较高，对应力集中敏感性也较低。轴的毛坯一般用圆钢或锻件。
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第二节 轴 的 结 构 设 计
如图11-2所示,使轴具有合理的外型尺寸，以满足工艺要求、轴与轴上零件的工作要求。
图11-2 轴的结构
11.2.1轴的结构设计内容
1、 几何结构的设计——如果是阶梯轴，需确定各轴段的直径、长度； 2、 固定结构的设计——轴上零件的轴向固定与周向固定；
3、 工艺结构的设计——轴的加工工艺和轴上零件的安装工艺（圆角、倒角、退刀槽、砂轮越程槽、 导向锥面等）。
由于影响轴的结构因素是多方面的，因而轴的结构没有固定的、标准的结构型式，轴的实际结构需要根据具体情况而定，因而轴的结构设计具有很大的灵活性。但不论将轴的结构设计成何种型式，应满足的要求是一定的。
11.2.2 结构设计应满足的基本要求
1、 轴与轴上零件应具有准确的工作位置——定位要求； 2、 轴上零件应易于装拆和调整——安装调整要求； 3、 轴上零件的固定应牢固可靠——紧固要求； 4、 轴应具有良好的制造工艺性——工艺要求； 5、 应尽量减少应力集中——提高疲劳强度的要求。
合理的轴的结构设计应满足以上基本要求，同时还应使轴具有足够的强度、刚度、稳定性。
轴的各部分结构名称
（1） 轴颈——由轴承支撑的轴段； （2） 轴头——支撑传动零件的轴段； （3） 轴身——轴颈与轴头之间的轴段； （4） 轴肩——截面发生变化的位置。
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11.2.3轴的结构设计解决的问题
1、制造安装要求
1）为便于轴上零件的装拆，常将轴做成阶梯轴，只有一些简单的心轴和一些有特殊要求的转轴，才做成具有同一名义直径的等直径轴；
2）为使轴上零件易于安装，轴端和各轴段的端部应有导角； 3）轴的形状和尺寸应力求简单，以便于加工；
4）轴上有磨削的轴段应有砂轮越程槽；有需车制螺纹的轴段，应有推刀槽。 2、轴上零件的（轴向）定位
1）阶梯轴可用轴肩定位，如图示中的齿轮、带轮、右端轴承的轴向定位； 2) 有些零件可以用套筒定位，如图示中的左端轴承的轴向定位。 3、轴上零件的固定
轴上零件的固定可分为轴向固定和周向固定两类。 1）轴上零件的轴向固定 方法：
轴肩：结构简单，可以承受较大的轴向力；
轴肩高度应低于轴承内圈
套筒：与轴之间为间隙配合，套筒不宜过长，不适合于高速； 图11-3 轴向固定 圆螺母：用于轴端零件的固定； 弹性挡圈：不能承受大的轴向力 轴端挡圈：常用于轴端零件的固定。 2）轴上零件的周向固定(图11-4所示) 方法：
键联接——平键、 花键； 销联接； 成形联接；
弹性环联接；过盈联接等。
图11-4 周向固定方法
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4、改善轴的受力状况，减少应力集中
合理布置轴上零件可以改善轴的受力状态(图11-5所示)。
图11-5 轴的受力分布图
应力集中是影响轴的强度的重要因素，尤其是对于合金钢对应力集中比较敏感，轴的结构设计时，应加以注意。
对于阶梯轴来说，在截面尺寸变化处（如轴肩），应采用圆角过渡，并尽量避免在轴上（特别时应力大的部位）开槽或孔，也可采用卸载槽、过渡肩环、或凹切圆角等方式减少应力集中。
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第三节 轴的设计计算
轴的强度计算应根据轴的承载情况采用相应的计算方法。
对于一般工作条件下的轴，常见的强度计算方法有两种：按扭转强度的计算、按弯扭合成强度计算。
11.3.1 按扭转强度的计算
适合于传动轴的精确计算，也可用于转轴的近似计算。 对于圆截面轴，其强度条件为
上式中 WT——轴的抗扭截面系数，mm3
P——轴传递的功率，kw； N——轴的转速，r／min；
[τT]——许用切应力，MPa；表11—2 C——与轴材料有关的系数，表11—2
当轴上有键槽时，应适当增大轴径：单键增大3％，双键增大7％。
11.3.2 按弯扭合成强度计算
主要用于计算一般重要的、弯扭复合作用的轴。 对于一般钢制的轴，其强度条件为：
式中M′——等效弯矩
W——轴的抗弯截面系数。
11.3.3 强度计算一般计算顺序如下：
a）、绘制轴系结构图——结构设计确定 b）、画出轴的空间受力简图
c）、画出将轴上作用力分解为水平面的受力图，并求解水平面上支承点反作用力d）、求解并画出水平面上的弯矩Mxz图
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e）、画出将轴上作用力分解为垂直面的受力图，并求解垂直面上支承点反作用力 f）、求解并画出垂直面上的弯矩Mxy图
g）、应用合成弯矩的计算式—— 作出合成弯矩M图 h）、作出转矩T图
i）、应用公式—— 计算当量弯矩，并绘制出当量弯矩图
式中α——是根据转矩性质而定的应力校正系数。
对于不变的转矩：
对于脉动的转矩：取
对于对称循环的转矩，取 α＝l
——分别为材料在静、脉动循环和对称循环应力状态下的许用弯曲应
力，其值可由表11—3选取。
j）、确定危险截面：当量弯矩最大的截面或当量弯矩较大而轴径较小的截面 k）、进行强度计算
l）、最后根据计算结果确定是否需要调整轴的直径大小。
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本章小结
1．轴是组成机器的重要零件之一，其主要功用是用来支承回转零件（如齿轮、带轮等）以及传递运动和转矩。
2．根据轴在工作中承受载荷的特点，轴可分为转轴、心轴和传动轴。在机器上主要不其受载能力而利用其滚动形式的轴叫辊轴，也叫滚轴，或叫辊。根据轴的结构形状不同，可分为直轴、曲轴和挠性轴；直轴又可分为光轴和阶梯轴。
3．轴的材料中优质碳素钢成本低，性能好，应用最广泛；合金结构钢用于高强度、结构要求紧凑的场合。
4．在轴的结构设计中，重点要满足安装、制造工艺性要求；定位、固定要求；与标准零件的配合尺寸要求及疲劳强度要求等。
5．对于轴的工作能力计算，在结构设计以前，按抗扭强度条件估算直径作为转轴的最小直径；在结构设计之后，按抗弯扭合成强度条件验算轴的强度或验算轴的危险截面的直径。
作 业
11-1 轴按承载情况可分为哪三种轴？试从实际机器中举例说明其特点。 11-2 试述设计轴的一般步骤。
11-3 轴对材料有哪些要求？轴的常用材料有哪些？
11-4 轴上零件为什么要作轴向固定？试说明其定位方法及特点。
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