轴的分类、作用及设计要求，你了解多少？

轴是机械的重要零件之一，一切作旋转运动的传动件，都是通过轴来传递运动和动力的。通常由轴、轴承和机架共同支撑旋转部件，再通过联轴器或离合器来传递运动和动力。在轴的设计中，必须将轴和构成轴系的轴承、联轴器、机架及传动件的设计要求一起考虑。

1. 轴线的分类

轴可根据其承受的不同载荷、形状和用途进行分类。

1）根据轴所受载荷的不同，轴可分为主轴、传动轴和旋转轴。

只承受弯矩而不传递扭矩的轴称为主轴。主轴可分为运转时轴不旋转的固定主轴和运转时轴旋转的旋转主轴两种。主轴主要用于支撑各种机械零件。

只传递扭矩而不承受弯矩的轴称为传动轴。传动轴主要靠承受扭矩来传递动力。

传递扭矩和承受弯矩的轴称为旋转轴，各种传动部件主要通过旋转轴来传递动力。

2）按结构形状不同，轴可分为光轴、阶梯轴、实心轴、空心轴等。由于空心轴的制造工艺比较复杂，因此通常主要设计在轴径较大、有减轻重量要求的场合。

3）按几何轴形状不同，轴可分为直轴、曲轴等。

此外，还有一类结​​构刚度较低的轴——挠性轴。挠性轴主要用于两传动部件轴线不在同一直线上的传动。

2. 轴的常用材质

轴的材料种类很多，设计主要根据轴的强度、刚度、耐磨性等要求，以及为达到这些要求所采用的热处理方法，并考虑制造工艺。由于轴在运行过程中通常要承受交变应力，轴最常见的失效形式就是因交变应力而断裂。因此，轴材料应具有一定的韧性和良好的抗疲劳性能，这是对轴材料的基本要求。

轴的常用材料为含碳量适中的优质碳素结构钢。对载荷较小或不太重要的轴，也可采用普通碳素结构钢。对载荷较大、轴尺寸和重量有限以及有某些特殊要求的轴，可采用中碳合金钢。合金钢对应力集中十分敏感，因此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较低。

由于铸铁韧性较差，应尽量少用铸铁作为轴的材料，但对于结构复杂、重要性不高的轴，也可采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弹性模量稍大，但各类钢材的弹性模量相差不大，因此单纯为了提高轴的刚度而采用强度极限高的材料是不合适的。

轴一般采用轧制圆钢或锻件经切削加工制成，直径较小的轴可用轧制圆钢，直径较大的轴或重要零件多采用锻件。

轴的常用材料及力学性能如下表所示。

3. 轴设计方法概述

轴的设计要考虑很多因素和要求，主要包括材料选择、结构设计、强度和刚度分析等，对于高速轴还应考虑振动稳定性。

轴的设计以满足结构功能要求为前提。即首先根据轴在具体系统中所起的作用，设计出满足功能要求的结构，再根据载荷和工作要求校核相应的承载能力。

实际上，在轴的具体结构确定之前，很难准确确定力在轴上的作用点，也无法计算弯矩的大小和分布。因此，轴的计算通常在结构设计初步完成后进行校核。计算准则主要包括轴的强度准则、刚度准则、振动稳定性准则。轴的设计通常按照“结构设计-承载能力校核-结构改进设计-承载能力再校核-……”的顺序进行。

通常轴设计的具体步骤一般为：

a.根据机械传动方案总体布局，制定轴上各零件的排列及装配计划；

b.选择轴的材质；

c.估算轴的最小直径；

d.进行井道结构设计；

e.进行承载力验证，通常包括强度验证、刚度验证、振动稳定性验证等；

f.根据承载力验证结果确定或改进设计；

g.绘制轴的零件加工图。

除上述设计内容外，还有键或花键连接强度验证、滚动轴承寿命验证、滑动轴承载荷能力验证等任务与轴的设计相关，需要在轴的设计过程中予以考虑。

从设计方法上看，轴的设计可分为常规设计和计算机辅助设计。这两类设计方法的主要区别在于：常规设计中轴的承载力计算方法主要采用相对简化的力学模型，计算结果通常不准确，通常需要利用经验数据对计算结果进行一定的修正。而常规设计方法已为广大工程设计人员所熟悉，并为此积累了大量宝贵的经验数据，在目前的工程设计中仍占主导地位。

在采用计算机辅助轴设计时，主要采用有限元法进行承载能力计算，可以得到较为准确的计算结果，对于结构复杂的轴采用计算机辅助分析方法具有明显的优势。

通常，轴传递的载荷、轴的极限应力等因素都具有一定的随机性，在常规设计中，这些因素都被视为确定性变量，在确定轴的承载力时，要考虑一定的安全系数，以保证结构的安全裕度。如果在设计中考虑载荷和极限应力的随机性，就可以确定轴安全运行的概率——可靠性，从而实现轴的可靠性设计。可靠性设计方法是现代设计方法的重要组成部分。

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