第1章　轴

1.1　轴的分类、材料和设计方法

轴是组成机械的重要零件之一，各类做回转运动的传动零件都是通过轴来传递运动和动力。通常轴与轴承和机架一同支承着回转零件，再通过联轴器或离合器实现运动和动力的传递。在轴的设计中，必须将轴与构成轴系部件的轴承、联轴器、机架以及传动零件等的设计要求一并考虑。

1.1.1　轴的分类

可以从轴所受载荷的不同、轴的形状以及轴的应用场合等方面对轴进行分类。

1）按轴所受载荷的不同，可将轴分为心轴、传动轴和转轴。

只承受弯矩不传递转矩的轴称为心轴。心轴又可分为工作时轴不转动的固定心轴和工作时轴转动的转动心轴两种。心轴主要用于支承各类机械零件。

只传递转矩不承受弯矩的轴称为传动轴。传动轴主要通过承受转矩作用来传递动力。

既传递转矩又承受弯矩的轴称为转轴。各类传动零件主要是通过转轴进行动力传递。

2）按结构形状的不同，可将轴分为光轴、阶梯轴、实心轴、空心轴等。由于空心轴的制造工艺较复杂，所以通常用于轴的直径较大并有减重要求的场合。

3）按几何轴线形状的不同，可将轴分为直轴和曲轴等。

此外，还有一类结构刚度较低的轴——软轴。软轴主要用于两个传动机件的轴线不在同一直线上时的传动。关于软轴的设计与使用，详见本篇第2章。

1.1.2　轴的常用材料

轴的材料种类很多，设计时主要根据对轴的强度、刚度、耐磨性等要求，以及为实现这些要求而采用的热处理方式，同时考虑制造工艺问题加以选用。由于轴在工作时通常受到交变应力的作用，轴最常见的失效形式是因交变应力的作用而产生断裂，因此轴的材料应具有一定的韧性和较好的抗疲劳性能，这是对轴的材料的基本要求。

轴的常用材料是含碳量适中的优质碳素结构钢。对于受载较小或不太重要的轴，也可用普通碳素结构钢。对于受力较大，轴的尺寸和重量受到限制，以及有某些特殊要求的轴，可采用中碳合金钢。合金钢对应力集中的敏感性高，所以采用合金钢的轴的结构形状应尽量减少应力集中源，并要求表面粗糙度值低。

由于铸铁的韧性较差，所以应尽量少用铸铁作为轴的材料。但对于结构复杂且不太重要的轴，也可选用球墨铸铁或高强度铸铁作为轴的材料。

虽然强度极限高的材料，其弹性模量也稍大，但由于各类钢材弹性模量的差异不大，所以只为了提高轴的刚度而选用强度极限高的材料是不合适的。

轴一般由轧制圆钢或锻件经切削加工制造。直径较小的轴，可用轧制圆钢制造。对于直径大或重要的轴，常采用锻件制造。

轴的常用材料及力学性能见表6-1-1。

1.1.3　轴的设计方法概述

轴的设计必须考虑多方面因素和要求，主要包括材料选择、结构设计、强度和刚度分析。对于高速轴还应考虑振动稳定性问题。

轴的设计是以满足结构功能要求为出发点的，首先根据轴在具体系统中的作用，设计出满足功能要求的结构，然后再根据载荷与工作要求进行相应的承载能力验算。

事实上，在轴的具体结构未确定之前，轴上力的作用点是难以精确确定的，弯矩的大小和分布情况不能求出。所以，轴的计算通常都是在初步完成结构设计后进行校核计算，计算准则主要包括轴的强度准则、刚度准则以及轴的振动稳定性准则等。轴的设计通常是按照 “结构设计—承载能力验算—结构改进设计—承载能力再验算—…”的顺序进行的。

通常轴设计的具体程序是：a.根据机械传动方案的整体布局，拟定轴上零件的布置和装配方案；b.选择轴的材料；c.估算轴的最小直径；d.进行轴的结构设计；e.进行承载能力验算，通常包括强度验算、刚度验算和振动稳定性验算等；f.根据承载能力验算结果，或者确定设计，或者改进设计；g.绘制轴的零件工作图。

除了上述设计内容以外，还有键或花键的连接强度校核、滚动轴承的寿命验算、滑动轴承的承载能力验算等项工作，与轴的设计有一定的关系，需在轴的设计过程中一并考虑。

就设计方法而论，轴的设计可分为常规设计与计算机辅助设计。这两类设计方法的主要差异在于，常规设计中针对轴的承载能力的计算方法主要采用了较为简化的力学模型，计算结果通常欠准确，通常需要用经验数据对计算结果进行一定的校正。但常规设计方法已为广大工程设计人员熟悉，并为此积累了大量有价值的经验数据，在目前的工程设计中仍占主导地位。因此，本章仍以介绍轴的常规设计方法为主。

在采用计算机辅助设计轴时，其承载能力计算主要采用有限元法，可以获得较为准确的计算结果。对结构复杂的轴运用计算机辅助分析的手段具有明显的优势。关于轴的计算机辅助设计与辅助分析方法，详见本章1.8节的叙述。

通常，轴所传递的载荷、轴的极限应力等因素具有一定的随机性。在常规设计中，视这些因素为确定性变量，在判定轴的承载能力时，通过计入一定的安全系数来确保结构的安全裕度。若在设计中考虑载荷与极限应力的随机性，就可确定轴安全工作的概率——可靠度，这就有了轴的可靠性设计。可靠性设计方法是现代设计方法的重要内容，关于轴的可靠性设计方法的基本概念，详见本章1.7节的叙述。