轴的分类和常用材料

轴是机械的重要组成零件。它通过轴承与机架相联，装在轴上的零件（如齿轮、带轮、联轴器等）都围绕轴心线做回转运动，形成了一个以轴为基础的轴系部件。所以轴的设计不能只考虑轴本身，必须和装在轴上的零部件一起考虑。轴的设计应考虑多方面的因素和要求，其中主要问题是轴的材料、结构、强度和刚度，对于高速运转的轴还应考患振动稳定性问题。

PART.1 轴的分类

（1）按轴承承受载荷情况分

1）转轴 支承传动零件又传递动力，即同时承受转矩和弯矩的轴。

2）心轴 只支承传动零件而不传递动力，即只承受弯矩的轴。心轴又分为固定心轴 （工作时轴不转动）和转动心轴（工作时轴转动）。

3）传动轴，主要起传递动力作用，即主要承受转矩的轴。

（2）按轴的结构形状分

1）光轴；

2）阶梯轴；

3）实心轴；

4）空心轴。

（3）按轴心线形状分

1）直轴；

2）曲轴；

3）钢丝软轴。

PART.2 设计特点和步骤

由于在轴的具体结构确定之前，轴上力的作用点和支点跨距未知，不能精确计算弯矩，所以轴的设计程序是先结构设计，后强度校核，对不满足强度要求的部位，修改结构设计再校核强度，即结构设计和强度计算交替进行。

轴设计的基本准则是：

1）保证轴具有足够的强度和刚度，使用中不发生断裂和过大的弹性变形；
2）轴的结构具有良好的加工工艺性，轴上零件定位可靠、装拆方便。

轴设计的步骤如下：

1）根据机械传动方案的整体布局，确定轴上零件的布置和装配方案；

2）选择轴的材料；

3）按纯转作用，估轴的最小直径；

4）根据轴上零件的定位和装拆要求，确定各轴段的轴向尺寸和径向尺寸；

5）进行轴的强度和刚度计算；

6）作轴承的寿命计算、键联接的强计算；

7）对于转速较高、跨距较大、外伸端较长的轴进行临界转速计算；

8）根据计算结果修改设计；

9）绘制轴的零件工作图。

PART.3 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，力求经济合理。

轴的常用材料是 35、45、50 优质碳素结构钢，最常用的是 45 钢。对于受载较小或不太重要的轴，也可用Q235、Q275 等普通碳素结构钢。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，可采用合金钢。

球墨铸铁和一些商强度铸铁，由于铸造性能好，容易铸成复杂形状，且减振性能好，应力集中敏感性低，支点位移的影响小，故常用于制造外形复杂的轴。

特别是我国研制成功的稀土一镁球墨铸铁，冲击韧度好，同时具有减摩、吸振和对应力集中敏感性小等优点，已用于制造汽车、拖拉机、机床上的重要轴类零件。

根据工作条件要求，轴可在加工前或加工后经过整体或表面处理，以及表面强化处理（如喷丸、辊压等）和化学处理（如渗碳、渗氮、氮化等），以提高其强度（尤其是疲劳强度）和耐磨、耐等性能。

在一般工作温度下，合金钢的弹性模量与碳钢相近，所以只为了提高轴的刚度而选用合金钢是不合适的。

轴一般由轧制圆钢或锻件经切削加工制造。轴的直径较小，可用圆钢棒制造；对于重要的，大直径或阶梯直径变化较大的轴，采用锻坯。为节约金属和提高工艺性，直径大的轴还可以制成空心的，并且带有焊接的或者锻造的凸缘。

对于形状复杂的轴（如凸轮轴、曲轴）可采用铸造。

表1 轴的常用材料及其主要力学性能