轴的基础知识

轴是组成机器的重要零件之一，主要用来支承轴上的回转零件（如齿轮、带轮等）以传递运动和动力。

1.轴的分类

轴按受载情况可分为以下几种。

（1）转轴 转轴同时传递转矩和承受弯矩，如减速器轴（见图11－1）。机器中大多数轴都属于这类。

图11－1 转轴

（2）心轴 心轴只承受弯矩而不传递转矩，分为固定心轴（如自行车前轴，见图11－2a）和转动心轴（如滑轮轴，见图11－2b）。

图11－2 心轴

（3）传动轴 传动轴只传递转矩而不承受弯矩或承受很小的弯矩，如汽车的传动轴（见图11－3）。

图11－3 传动轴

轴按轴线形状可分为直轴（见图11－4）、曲轴和挠性轴（见图11－5）。

此外，轴还可分为实心轴和空心轴，也可分为光轴和阶梯轴等。

本项目只研究直轴。

图11－4 曲轴

图11－5 挠性轴

2.轴的设计要求

设计轴的基本要求是保证轴具有足够的强度和合理的结构。有的轴，如机床主轴应有足够的刚度；对汽轮机转子轴还要进行振动稳定性验算等。

3.轴的材料

由于轴在工作时受到的大多是交变载荷，因此疲劳断裂是轴的主要失效形式。

设计轴时，要根据用途和轴的受载情况来选用材料。

轴的材料常采用碳素钢或合金钢，钢轴的坯料大多是轧制圆钢或锻钢。

对于机器中承载的轴，应用最为广泛的是优质中碳钢（例如45钢等）。这类钢价格便宜，强度较高，材料供应充足，切削性能和热处理性能较好。较重要的轴一般要进行调质处理，以改善材料的力学性能。不重要或受力较小的轴可采用低碳钢或中碳钢。

合金钢比碳素钢的综合力学性能好、淬透性好，还可变更合金的种类、含量及热处理方法以得到各种特殊的性能，但价格较高，多用于有特殊要求的轴。传递功率大、要求有较高疲劳强度和耐磨性、在高温或低温以及腐蚀性工况下工作的轴，常采用合金钢。合金钢对应力集中的敏感性高，所以对合金钢轴应特别注意要减少应力集中。合金钢的弹性模量与一般碳素钢相差不多，用合金钢来提高轴的刚度是没有效果的。

形状复杂的轴（如内燃机车的曲轴）可以用球墨铸铁或高强度铸铁铸成毛坯，再经机械加工而成。它具有成本低、吸振性好、耐磨损等优点。

轴的常用材料如表11－1所示。

表11－1 轴的常用材料、主要力学性能及许用弯曲应力

续表

注 ①对于碳钢，σ－1≈0.43σb；对于合金钢，σ－1≈0.2（σ－s＋σb）＋100；对于不锈钢，σ－1≈0.27（σs＋σb）。

②对于各种钢，τ－1≈0.156（σs＋σb）。

③球墨铸铁的屈服极限为σ0.2，σ－1≈0.36σb，τ－1≈0.31σb。

④其他性能，一般可取τs≈（0.55～0.62）σs，σ0≈1.4σ－1，τ0≈1.5τ－1。