9.2.1 轴的结构设计
轴的结构设计就是定出轴的形状和尺寸。 轴的结构由多方面因素决定,主要有:
①轴的受载状况。
②轴上零件的数目和布置情况。
③零件在轴上的定位和固定方法。
④轴承的类型及尺寸。
⑤轴的加工及装配工艺等。
此外,也不能脱离整个机器而单纯讨论某轴的结构,故不存在标准结构轴,必须根据具体情况具体分析与比较,才能确定最佳方案。 现以减速器中的阶梯轴为例,来分析典型轴的结构应满足的基本要求和设计中的注意事项。
1)轴颈、轴头、轴身
如图9.6 所示,轴上与轴承配合的部分,称为轴颈;与其他零件(如带轮、齿轮、联轴器等)配合的部分,称为轴头;联接轴头与轴颈的部分,称为轴身。
图9.6 轴的结构
轴颈与滚动轴承配合时,其直径必须符合轴承的内径系列:轴头的直径应与配合零件的轮毂内径相等,并应符合标准直径系列(见表9.1);轴身部分的直径可采用自由尺寸。 另外,轴上的螺纹或花键部分的直径均应符合螺纹或花键的标准。 为了便于加工和尽量减少应力集中,轴的各段直径的变化应尽可能减少。
表9.1 标准直径系列(摘自GB/T 2822—2005)
2)轴上零件的定位和固定
要使轴和轴上零件具有准确的工作位置,必须对轴上零件进行定位和固定。
(1)轴上零件的定位
阶梯轴上截面变化的部位,称为轴环或轴肩(见图9.6 中Ⅰ,Ⅱ等处),它对轴上的零件起轴向定位作用。 联轴器和左端的轴承依靠轴肩作轴向定位,齿轮依靠轴环作轴向定位。 右端轴承依靠套筒定位。 两端轴承端盖由螺钉与箱体固定,并通过轴承对轴进行轴向定位。
(2)轴上零件的固定
①轴上零件的轴向固定
轴上零件的轴向固定的目的是防止零件沿轴线方向移动,并承受轴向力。 其常用的方法有:
A.轴环和轴肩
轴环(见图9.7(a))或轴肩(见图9.7(b))对轴上的零件起轴向定位的作用,也是常用的轴向固定方法。 其结构简单,能承受较大的轴向力。 为了保证轴上零件紧靠定位面,应使轴上圆角半径r 小于相配零件的圆角半径R 或倒角C(见图9.7)。 r,R,C 值可查阅手册。 轴肩的高度a 应大于R 或C,通常取(0.07 ～0.1)d。 轴环宽度b≈1.4a 与滚动轴承相配合处的a 与r 值应根据轴承的类型与尺寸确定。
图9.7 轴环和轴肩
B.套筒
它常用于轴相邻零件间距较小时两零件之间的固定(见图9.6 中利用套筒实现齿轮与轴承的相对固定)。 这种固定方法简单可靠,避免因在轴上开槽、钻孔或车螺纹等而削弱轴的强度,不宜用于高速轴。
C.圆螺母
当轴上相邻零件间距较大,而又允许车螺纹时,常用双圆螺母作轴向固定,如图9.8(a)所示。 其固定可靠,装拆方便,可承受较大的轴向载荷。 圆螺母与止动垫圈也可用于轴端零件的固定,如图9.8(b)所示。
图9.8 圆螺母轴向固定
图9.9 弹性挡圈轴向固定
D.弹性挡圈、紧定螺钉和紧锁挡圈
它们适用于轴向力很小或仅为了防止轴向移动时轴向固定。 弹性挡圈常用于固定滚动轴承(见图9.9);紧定螺钉可作轴向和周向固定(见图9.10);锁紧挡圈常用于光轴上零件的固定(见图9.11)。
E.轴端挡圈和圆锥面。
它们适用于固定轴端零件,可承受剧烈冲击和振动。 图9.6 中,用轴端挡圈和轴肩实现双向固定。 图9.12 中,用轴端挡圈和圆锥面实现双向固定。 为了使套筒、圆螺母、轴端挡圈等压紧轴上零件的端面,轴头长度应略小于零件的轮毂长度,一般短1 ～3 mm。
图9.10 紧定螺钉固定
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图9.11 锁紧挡圈轴向固定
②轴上零件的周向固定
轴上零件的周向固定的目的是传递转矩,防止零件与轴产生相对转动。 常用的固定方法有键联接、花键联接和过盈配合等。 图9.6 中用普通平键分别实现了对齿轮和联轴器的周向固定。
当传递转矩很小时,可采用紧定螺钉(见图9.10)或销钉(见图9.13),以实现轴向和周向固定。
3)轴的结构工艺性
轴的结构应便于轴的加工和轴上零件的装拆。
(1)加工工艺性
①轴直径变化尽可能小,并尽量限制轴的最小直径与各段直径差,这样既可节约材料,又可减少切削加工量。
图9.12 轴端挡圈和圆锥面轴向固定
图9.13 销钉固定
图9.14 砂轮越程槽与螺纹退刀槽
②轴上有磨削或需切螺纹处应留砂轮越程槽(见图9.14(a))或螺纹退刀槽(见图9.14(b))。 它们的尺寸可查阅设计手册。
③应尽量使轴上同类结构要素(如过渡圆角、倒角、键槽、越程槽、退刀槽及中心孔等)的尺寸相同,并符合标准和规定;如不同轴段上有几个键槽时,将各键槽布置在同一母线上,以便于加工。
(2)装配工艺性
①为了便于零件的装拆和固定,常将轴设计成阶梯形。 如图9.15 所示为阶梯轴上的零件装拆图。 表明,可依次把齿轮、套筒、左端轴承、轴承盖、带轮及轴端挡圈从轴的左端装入,这样零件依次往轴上装配时,既不擦伤配合表面,又使装配方便;右端轴承从轴的右端装入。
图9.15 轴的装配
②轴端应倒角、去毛刺,以便于装配。
③固定滚动轴承的轴肩高度应小于轴承内圈厚度(具体数据可查滚动轴承有关标准),以便拆卸。
4)提高轴的疲劳强度
轴一般是在交变应力下工作。 因此,轴的失效大多是由疲劳破坏引起的。 减小应力集中和提高轴的表面质量是提高轴的疲劳强度的主要措施。
(1)改进轴的结构,降低应力集中
图9.16 减小圆角应力集中的结构
①尽量使轴颈变化过渡平稳,宜采用较大的过渡圆角以减小应力集中。 如相配合零件内孔倒角或倒圆很小时,可采用凹切圆角(见图9.16(a))或采用间隔环(见图9.16(b))。
②过盈配合处的应力集中会随过盈量增大而增大,如图9.17(a)所示。 当过盈量较大时,为了减小应力集中,可采用增大配合处直径(见图9.17(b))、 轴上开卸荷槽(见图9.17(c))以及在轮毂上开卸荷槽(见图9.17(d))等方法。
③键槽端部与轴肩距离不宜过小,以避免损伤过渡圆角,减少多种应力集中源重合的机会,如图9.18 所示。
图9.17 过盈配合处的合理结构
图9.18 键槽的不合理位置
(2)提高轴的表面质量
轴工作时,其表面工作应力最大,故降低轴的表面粗糙度值,并对表面进行热处理和化学处理等强化措施,如表面淬火、渗碳、渗氮或碾压、喷丸等,都可显著提高轴的疲劳寿命。
此外,合理布置轴上零件,可减小轴所受的载荷,相应提高轴的疲劳强度。 例如,将图9.19(a)中的输入轮1 置于输出轮2,3 之间(见图9.19(b))时,则可降低最大转矩。
图9.19 轴上零件的合理布置