一文了解机械设计中轴的结构设计与安装，干货满满！

轴是穿在轴承中间或车轮中间或齿轮中间的圆柱形物件，但也有少部分是方型的。 轴是支承转动零件并与之一起回转以传递运动、扭矩或弯矩的机械零件。一般为金属圆杆状，各段可以有不同的直径，机器中作回转运动的零件就装在轴上。


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轴的分类


轴的类型很多，按轴线形状不同可分为 直轴、 曲轴和 挠性轴。曲轴常用于往复式机械(如内燃机、空气压缩机等)中，挠性轴可将旋转运动灵活地传到所需要的位置，常用于医疗设备中。


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直轴按它们的承载情况不同可以分为 转轴、 心轴和 传动轴三类。


转轴：工作时既承受弯矩又承受扭矩，是机械中最常见的轴，如各种减速器中的轴等；


心轴：用来支承转动零件只承受弯矩而不传递扭矩，有些心轴转动，如铁路车辆的轴等，有些心轴则不转动，如支承滑轮的轴等；

传动轴：主要用来传递扭矩而不承受弯矩，如起重机移动机构中的长光轴、汽车的驱动轴等。轴的材料主要采用碳素钢或合金钢，也可采用球墨铸铁或合金铸铁等。轴的工作能力一般取决于强度和刚度，转速高时还取决于振动稳定性。


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轴系的结构设计


机械轴是机械传动过程中必不可少的部件，而轴的质量和性能的好坏也直接影响整个机械的运行效果。因此，在设计机械轴的结构时，需要考虑哪些问题呢？


1. 轴材料的选择


轴的材料决定了其强度、硬度和耐磨性等重要性能。不同的工况需要选用不同材质的轴，如一些高精密的加工设备需要使用高强度、高精密、高耐磨的轴材料，而一些普通的传动轴选择耐腐蚀性好的不锈钢即可。


2. 轴的几何体形设计


轴的几何体形也是轴的重要设计要素。在设计轴的几何结构时，需要考虑轴的使用环境、载荷大小、转速等因素，从而设计出符合实际要求的轴形状和轴的连接方式。例如，当轴用于承受弯曲载荷时，需要增加轴的半径或是在轴的转动部位处增加加强套件。


3. 轴的加工和热处理工艺


轴的加工和热处理工艺对轴的强度和耐久性影响很大。正确的加工和热处理过程可以消除轴的内部缺陷，提高轴的强度和硬度，同时提高轴的耐腐蚀性能。


4. 轴的匹配度和配合公差


轴的匹配度和配合公差对轴的运转和传动过程中的重要性能指标，如轴的转速、噪音、寿命等产生影响。因此，在轴设计过程中，需要考虑轴的匹配度和配合公差，避免可能出现的负面影响。


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轴上零件的装配方案


轴向零件的轴向定位和固定


轴上零件的轴向定位方法取决于零件所承受的轴向载荷大小。常用的轴向定位方法有以下几种。


1、轴肩与轴环定位


优点：方便可靠、不需要附加零件，能承受的轴向力大；


缺点：会使轴径增大，阶梯处形成应力集中，阶梯过多将不利于加工。


用途：这种方法广泛用于各种轴上零件的定位。


注意要点：为了保证零件与定位面靠紧，轴上过渡圆角半径应小于零件圆角半径或倒角，一般定位高度取为（0.07～0.1）d ，轴环宽度b = 1.4h 。


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2、套筒定位


简化轴的结构，减小应力集中，结构简单、定位可靠。多用于轴上零件间距离较小的场合。


3、圆螺母定位


固定可靠，可以承受较大的轴向力，能实现轴上零件的间隙调整。


4、弹性挡圈定位


紧定螺钉多用于光轴上零件的固定，并兼有周向固定的作用。适用于轴向力小，转速低的场合

二、轴上零件的周向定位


运转时，为了传递转矩或避免与轴发生相对转动，零件在轴上必须周向固定。


轴上零件的周向定位方法主要有键联接（平键、半圆键、楔键等）、花键联接、弹性环联接、过盈配合联接、销联接、成型联接等等。


1、平键


制造简单、装拆方便。用于传递转矩较大，对中性要求一般的场合


2、花键


承载能力高，定心好、导向性好。


适用于传递转矩较大，要求导向性良好的场合。


3、过盈配合


结构简单、定心好、承载能力高。常与平键联合使用，以承受大的交变、振动和冲击载荷。


4、销联接


用于固定不太重要、受力不大，但同时需要周向或轴向固定的零件。


机器中的轴的位置是靠轴承来定位的


当轴工作时，既要防止轴向窜动，又要保证轴承工作受热膨胀时的影响（不致受热膨胀而卡死），轴承必须有适当的轴向固定措施。


三、轴系的轴向固定


常用的轴向固定措施有两种:


双支撑固定式


这种方法是利用轴肩和端盖的挡肩单向固定内、外圈，每一个支撑只能限制单方向移动，两个支撑共同防止轴的双向移动。


这种安装主要用在两个对成布置的角接触球轴承或圆锥滚子轴承的情况，同时考虑温度升高后轴的伸长，为使轴的伸长不致引起附加应力，在轴承盖与外圈端面之间留出热补偿间隙c＝0.2～0.4mm。


游隙的大小是靠端盖和外壳之间的调整垫片增减来实现的。


这种支撑方式结构简单，便于安装，适用于工作温度不高变化的短轴。


单支撑双向固定式（一端固定、一端游动）


对于工作温度较高的长轴，受热后伸长量比较大，应该采用一端固定，而另一端游动的支撑结构


作为固定支撑的轴承，应能承受双向载荷，故此内、外圈都要固定。作为游动支撑的轴承，则其内圈应固定。若使用的是可分离型的圆柱滚子轴承等，则其内、外圈都应固定


四、轴系的调整


1、轴承游隙的调整和轴承的预紧


恰当的轴承游隙是维持良好润滑的必要条件。一些轴承在制造时已确定了游隙；一些轴承装配时通过移动轴承套圈位置来调整游隙。


移动轴承套圈，调整轴承游隙的方法有以下四种：


1）用增减轴承盖与机座间垫片厚度进行调整；


2）用调整螺钉压紧或放松压盖使轴承外圈移动进行调整；


3）用带螺纹的端盖调整；


4）用圆螺母调整轴承


预紧的定义：


对某些可调游隙的轴承，为提高旋转精度和刚度，常在安装时施加一定的轴向作用力（预紧力）消除轴承游隙，并使内、外圈和滚动体接触处产生微小弹性变形。

预紧的方法有：


一般采用移动轴承套圈的方法；对一些支承的轴承组合，还可用金属垫片或磨窄外圈等方法获得预紧。


2、轴系位置的调整


在初始安装或工作一段时间后，轴系的位置和预定位置可能会出现一些偏差，为使轴上零件具有准确的工作位置，必须对轴系位置进行调整。


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图示锥齿轮轴系的两轴承均安装在套杯3中，增减1处垫片可使套杯相对箱体移动，从而调整轴向位置；


增减2处垫片则可用来调整轴承游隙。