于 辉

（吉林电子信息职业技术学院，吉林 吉林 132021）

0 引言

轴是机械中不可或缺的重要零件，其结构合理与否关系到与之配合的零件的工作性能及其结构设计，影响着机器的预期性能。轴不但支承轴上的回转零件，而且传递运动和动力，一旦失效将产生严重后果，因此轴的设计非常重要。轴的设计包含两部分：结构设计和强度校核。轴安全可靠工作的前提是必须保证有足够的强度和刚度，为使轴上零件准确定位、具备良好的加工和装配性能，必须科学合理地设计轴。

1 轴的功能元特性属性

机械中轴既支承其上安装的回转零件，实现回转运动，又传递转矩和运动。轴与箱体间用轴承支承，保证其工作的可靠。由于所受载荷的不同，可将轴分为心轴、传动轴和转轴。心轴在工作中只承受弯矩，不受转矩，产生的变形是弯曲变形；传动轴在工作中只承受转矩（或有少许弯矩），产生的变形为扭转变形或以扭转为主；转轴在工作中既受弯矩又受扭矩，产生组合变形。由于心轴和传动轴所受载荷简单，故直径变化小；转轴上需要安装回转零件，考虑各零件的定位、载荷变化、支承及密封要求，其直径变化较多。

轴的功能元特性属性包括：①轴上多数零件有确定的位置，即需要轴向定位；②传递转矩，即零件应周向固定；③实现预期滑动，即相对滑动表面有耐磨性；④轴要进行机械加工，即良好的加工工艺性；⑤轴相对机架位置确定，一般由两端支承；⑥能承受载荷，故应具有足够的强度、刚度等。

2 轴的结构设计

轴的结构设计实质是确定结构形状和尺寸，即确定各段的长度和直径，并兼顾轴的加工性要求。

2.1 轴的结构设计原则

轴的结构受下列因素影响：①载荷；②轴上零件数量和位置；③零件在轴上定位；④轴承的类型及尺寸；⑤轴的加工工艺及装配方法等。此外，轴的结构与设备整体结构有关，设计轴时应全面综合地考虑各种因素。无论影响因素多少，为了很好地保证轴的功能元属性的实现，轴的结构设计都应满足以下原则：①轴及装在轴上的零件有准确定位；②轴上零件应便于拆卸和调整；③良好的加工工艺性；④尽量减小应力集中；⑤受力合理，有利于节约材料减轻轴的重量。

2.2 轴的结构设计方法

轴的结构设计方法很多，最简便且科学的方法是根据轴的载荷情况和轴上回转体的类型、尺寸、固定方法及装配工艺综合考虑。下面以单级减速器输出轴为例进行说明，其结构如图1所示。

由力学分析可知，在齿轮作用处轴的载荷最大，从等强度理论和经济性考虑，轴的形状最好是抛物线回转体，但从机械加工工艺性看，这种形状不便于机械加工，也不便于轴上零件的固定，考虑轴的拆装工艺，常用阶梯轴，即中间粗，两端细。

2.2.1 估算轴的最小直径

由图1分析可知，轴段①只受扭矩作用，且直径最小，故可以应用强度计算公式确定其直径：

其中：T为工作转矩，N·mm；P为轴传递的功率，k W；n为 轴的转速，r／min；C1为与材料有关的系数；［τ］为考虑弯曲影响后的材料许用扭转剪应力，MPa，其值见《机械设计手册》。

根据公式（1）计算出最小直径，考虑键槽对轴强度的削弱程度，在计算出的最小直径基础上增加3%～5%，并圆整至标准直径，同时兼顾联轴器的内孔直径。

图1 单级减速器输出轴

2.2.2 轴的外形设计

轴的外形设计是轴结构设计中的核心部分，以轴所受载荷和轴上零件的类型、布置、固定方式、装配工艺、加工工艺等综合因素为依据，力求轴的形状简单，阶梯数尽可能少。

就图1的减速器输出轴而言，在确定最小直径的基础上，考虑联轴器的可靠定位，使其在承受轴向力时不发生窜动。一般来说常用轴肩实现轴向定位，如1图中联轴器、轴承、齿轮等都有一侧采用轴肩定位。轴肩与轴段的过渡圆角半径R必须小于相配零件的倒角C；定位高度h一般取（0.07d＋2）mm～（0.1d＋5）mm；轴环直径D＝d＋2h。内外角的装配关系如图2所示。

图2 内外角的装配关系

对于轴肩⑥的直径，应根据轴承型号而定，非定位轴肩不受此限制，可根据需要灵活设计。

轴段①的长度l1必须小于半联轴器长度，以保证联轴器紧密结合；轴段②长度l2考虑轴承盖宽度及联轴器与轴承盖间空隙；轴段③长度l3由轴承宽度B、轴承端面凹进减速器内壁尺寸Δ1、齿轮端面与减速器内壁的空隙尺寸Δ2及轴段④凹进齿轮端面尺寸（通常取1 mm）四部分组成；轴段④长度l4必须小于齿轮轮毂长度1 mm；为保证齿轮定位可靠，轴段⑤长度一般取l5＝1.4h4（h4为轴段④上零件的定位高度），必要时可调整；轴段⑥长度l6＝Δ1＋Δ2－l5；轴段⑦长度l7应不大于轴承宽度B。整轴长度L可圆整，其误差由l2消化。

2.2.3 确定轴的草图

根据上述确定的直径及各段轴的长度绘制草图，为减小应力集中应设计过渡圆角，同一轴上尽量使圆角半径相同。为装配方便应在轴端设计倒角，并使倒角尺寸相同，便于切削加工。另外，同一轴上的键槽应设置在同一母线上，以提高加工精度、减少工序成本。

2.2.4 轴的强度、刚度校核

根据轴的受载情况，结合草图建立力学模型，应用第三或第四强度理论校核轴，若强度不足，应进行综合考虑，适当修正。对于重要的轴在满足强度的基础上，还必须同时满足刚度要求。

2.3 轴结构设计的注意事项

影响轴性能的因素很多，除上述显性因素外，还有下列隐形因素：

（1）毛坯原料。锻材的中心强度较弱，当阶梯轴直径变化较大时，不宜选择锻材棒料，而应选择接近精加工尺寸的锻造毛坯。

（2）采用过渡段。在轴径变化大的地方，要尽量采用平缓过渡或过渡段，如图3所示。

图3 过渡段应用

（3）一端限位。支承轴的两个轴承，应设计成一个固定限位、另一个可微量伸缩的支承系统，否则，在受热时将发生拱起，使轴发生过大变形而不能正常工作。

（4）合理使用挡圈。在轴上零件定位时，要合理采用挡圈，不要用挡圈承受推力。必须用挡圈时，要严格控制挡圈槽的精度，绝不允许倾斜安装。

（5）注意轴上螺旋的方向。为了防止轴上零件的松动或脱出，在没有制动器且用螺母紧固的场合，螺纹的旋向必须有助于（在轴旋转时）旋紧。

（6）键槽角部应有圆角。为了传递转矩，一般采用键在轴上连接回转件，转矩集中由键传递，键槽受力一侧成为最薄弱部分，所以，国标规定了键槽角部的圆角半径，设计时必须考虑其应力集中的问题。不仅如此，还要求不能在键槽角部留有刀纹。

3 结束语

轴的结构设计是轴系设计的核心，也是机械设计的关键，能够科学合理设计出安全可靠、经济性能好的轴始终是人们研究的方向。设计时应综合考虑、多学科融合，正确处理基础知识与创新设计的关系，在满足轴的强度、刚度的同时，兼顾考虑其加工工艺性、安装工艺性及加工成本。

［1］ 于辉.机械设计基础教程［M］.北京：北京交通大学出版社，2009.

［2］ 陈立德.机械设计基础［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［3］ 黄书晔.轴的结构设计中应注意的几个问题［J］.机械设计与制造，2004（5）：78.