機械階梯軸的特征與構(gòu)造

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本文作者：曹昆 單位：黑龍江齊齊哈爾

軸有多種分類法，按軸的受載情況可分為芯軸、傳動軸和轉(zhuǎn)軸三種。芯軸工作時只承受彎曲載荷而不傳遞轉(zhuǎn)矩，傳動軸工作時只傳遞轉(zhuǎn)矩而不承受或承受很小彎曲載荷，轉(zhuǎn)軸工作時既承受彎曲載荷又傳遞轉(zhuǎn)矩。按軸的結(jié)構(gòu)形狀不同又可分為直軸與曲軸、光軸與階梯軸、實心軸與空心軸、剛性軸與撓性軸等。其中階梯軸在機械中應(yīng)用廣泛。

1軸的基本特點

軸是旋轉(zhuǎn)零件，其長度大于直徑，通常由外圓柱面、圓錐面、內(nèi)孔、螺紋及相應(yīng)端面所組成。軸的結(jié)構(gòu)一般有以下基本要求：安裝在軸上的零件應(yīng)有正確的定位和固定得牢固可靠；軸的加工工藝應(yīng)便于軸的裝拆和調(diào)整；軸上零件的受力位置要能減少應(yīng)力集中，有利于提高軸的強度和剛度；軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)考慮節(jié)省材料和減輕重量。軸上往往還有花鍵、鍵槽、橫向孔、臺階、退刀槽、倒角等。

2軸的應(yīng)用實例

軸是組成機器的重要零件之一，其主要功用是支撐其他傳動零件（如帶輪、齒輪、蝸桿蝸輪等），回轉(zhuǎn)并傳遞運動和轉(zhuǎn)矩，同時又通過軸承與機器的機架相連接。減速箱轉(zhuǎn)軸、自行車前輪的芯軸和汽車傳動軸，柴油機中的曲軸，車床上的空心軸，以及用于各種機械和水管安裝中的撓性軸等。

3階梯軸的特點和基本結(jié)構(gòu)

3．1階梯軸的結(jié)構(gòu)基本要求

階梯軸的斷面形狀為中間粗兩端細(xì)，不僅便于軸上零件的定位、固定和裝拆，也有利于各個軸段達到或接近等強度，還能滿足不同軸段的不同配合特性、精度和表面粗糙度的要求。軸套類零件其上面的退刀槽、倒角和圓角等細(xì)部結(jié)構(gòu)基本上已標(biāo)準(zhǔn)化，測繪時可參照標(biāo)準(zhǔn)尺寸。倒角、圓角和退刀槽的尺寸可參照有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)或|行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

3．2階梯軸的特點和各部分名稱

階梯軸各部分的名稱有：軸頭、軸頸、軸身、軸肩和軸環(huán)。軸上安裝傳動零件的軸段稱為軸頭；支承軸轉(zhuǎn)動或安裝軸承的軸段稱為軸頸；連接軸頭和軸頸部分的軸段稱為軸身；軸上由于直徑變化所形成的起固定零件位置作用的臺|階稱為軸肩（軸段和軸段的單向變化）或軸環(huán)（軸段和軸段的雙向變化）。

3．3軸的結(jié)構(gòu)工藝性

3．3．1軸的形狀應(yīng)盡量簡單，階梯數(shù)盡可能少，這樣可以減少加工次數(shù)及應(yīng)力集中的情況。

3．3．2為了便于裝配，軸端應(yīng)有倒角（一般45°）過盈配合零件裝入端常加工出導(dǎo)向錐面，使零件能較順利地壓入。

3．3．3一根軸上有多處鍵槽時應(yīng)將其開在同一母線上，若開有鍵槽的軸段直徑相差不大時，則盡可能采用相同寬度的鍵槽。

3．3．4在需磨制的軸段，應(yīng)設(shè)砂輪越程槽；在車制螺紋的軸段，應(yīng)設(shè)退刀槽；為便于軸上零件的安裝和去除加工毛刺，軸段臺階處要有倒角。

3．3．5為了便于切削加工，同一根軸上，直徑相近處的圓角、倒角、退刀槽、鍵槽、砂輪越程槽等，應(yīng)盡量使尺寸一致，以減少換刀的次數(shù)，提高加工效率。軸上相鄰軸段的直徑不應(yīng)相差過大，在直徑變化處，盡量用圓角過渡，圓角半徑盡可能大。當(dāng)圓角半徑增大受到結(jié)構(gòu)限制時，可將圓弧延伸到軸肩中，稱為內(nèi)切圓角。也可加裝過渡肩環(huán)使零件軸向定位。軸上與零件轂孔配合的軸段，會產(chǎn)生應(yīng)力集中。配合越緊，零件材料越硬，應(yīng)力集中越大。其原因是，零件輪轂的剛度比軸大，在橫向力作用下，兩者變形不協(xié)調(diào)，相互擠壓，導(dǎo)致應(yīng)力集中。尤其在配合邊緣，應(yīng)力集中更為嚴(yán)重。改善措施有：在軸、輪轂上開卸載槽。選用應(yīng)力集中小的定位方法。采用緊定螺釘、圓錐銷釘、彈性擋圈、圓螺母等定位時，需在軸上加工出凹坑、橫孔、環(huán)槽、螺紋，引起較大的應(yīng)力集中，應(yīng)盡量不用；用套筒定位無應(yīng)力集中。在條件允許時，用漸開線花鍵代替矩形花鍵，用盤銑刀加工的鍵槽代替端銑刀加工的鍵槽，均可減小應(yīng)力集中。

3．4軸的常用材料

軸的主要失效形式為疲勞破壞，因此軸的材料應(yīng)具有足夠的疲勞強度，同時滿足剛度、耐磨性及韌性要求，并應(yīng)具有良好的加工工藝性和熱處理性能。軸的材料常采用碳素鋼和合金鋼。由于碳素鋼比合金鋼的成本低，對應(yīng)力集中的敏感性小，因此應(yīng)用較多。在要求傳遞大功率、減輕軸的重量或提高軸的耐磨性等有特殊要求的場合，可選擇合金鋼，其具有較高的力學(xué)性能，可淬火性也較好。軸的毛坯一般用圓鋼或鍛件，有時也可用鑄鋼和球墨鑄鐵。特別是球墨鑄鐵具有成本低廉、吸振性好、對應(yīng)力集中的敏感性較低和強度較好等優(yōu)點，適合制造結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的軸，如曲軸、凸輪軸等。

4軸上零件的軸向固定和周向固定

4．1軸上零件的軸向固定方法

軸上零件的軸向固定是為了防止在軸向力作用下零件沿軸線移動。零件的軸向固定可采用軸肩、軸環(huán)、套筒、圓螺母與帶翅墊圈、圓錐面與軸端擋圈、彈性擋圈、緊定螺釘?shù)?。各類固定方式各有特點，軸肩、軸環(huán)和套筒簡單可靠，承受的軸向力大，且固定可靠，套筒還能減少軸的階梯數(shù)；圓螺母與帶翅墊圈常用于軸承的軸向固定；雙圓螺母固定可靠，能承受較大的軸向力，但嚴(yán)重削弱軸的強度；圓錐面和軸端擋圈對中性好，可以承受較大的軸向力，并便于拆卸等。

4．2軸上零件的周向固定方法

軸上零件的周向固定是為了傳遞轉(zhuǎn)矩時防止零件與軸產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動。常用的周向固定方法有鍵聯(lián)結(jié)、花鍵聯(lián)結(jié)、銷聯(lián)接、軸與零件的過盈配合等。一般齒輪與軸可采用平鍵聯(lián)結(jié)；需承受較大沖擊、振動或常有過載時，則可采用過盈配合加鍵聯(lián)結(jié)；對于輕載或不重要的場合，常采用銷聯(lián)接或緊定螺釘聯(lián)結(jié)作為周向固定。