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第十六章 轴 §16-1轴的类型与材料 一、轴的功用和类型 轴是机器中的重要零件之一，用来支持旋转零件，如齿轮、带轮等。根据承受载荷的不同，轴可分为转轴、传动轴和心轴三种。转轴既承受转矩又承受弯矩，如图16-1所示的减速箱转轴。传动轴主要承受转矩，不承受或承受很小的弯矩， 如汽车的传动轴（图16-2）通过两个万向联轴器与发动机转轴和汽车后桥相连，传递转矩。心轴只承受弯矩而不传递转矩。心轴又可分为固定心轴（图16-3）和转动心轴（图16-4）。 图16-1 减速箱转轴 图16-2汽车传动轴 图16-3固定心轴  图16-4 转动心轴 按轴线的形状轴可分为：直轴（图16-1到图16-4）、曲轴（图16-5）和挠性轴（图16-6）。曲轴常用于往复式机械中，如发动机等。挠性钢丝轴通常是由几层紧贴在一起的钢丝层构成的，可以把转矩和运动灵活地传到任何位置。挠性轴常用于振捣器和医疗设备中。另外，为减轻轴的重量，还可以将轴制成空心的形式，如图16-7所示。 图16-5曲轴 图16-6挠性轴 1—动力装置，2—接头，3—加有外层保护套的挠性轴，4—其他设备，5—被驱动装置。 图16-7 空心轴 轴的设计，主要是根据工作要求并考虑制造工艺等因素，选用合适的材料，进行结构设计，经过强度和刚度计算，定出轴的结构形状和尺寸。高速时还要考虑振动稳定性。 二、轴的材料 在轴的设计中，首先要选择合适的材料。轴的材料常采用碳素钢和合金钢。 碳素钢有35、45、50等优质中碳钢。它们具有较高的综合机械性能，因此应用较多，特别是45号钢应用最为广泛。为了改善碳素钢的机械性能，应进行正火或调质处理。不重要或受力较小的轴，可采用Q237，Q275等普通碳素钢。 合金钢具有较高的机械性能，但价格较贵，多用于有特殊要求的轴。例如采用滑动轴承的高速轴，常用20Cr、20CrMnTi等低碳合金钢，经渗碳淬火后可提高轴颈耐磨性；汽轮发电机转子轴在高温、高速和重载条件下工作，必须具有良好的高温机械性能，常采用27Cr2Mo1V、 38CrMoA1A等合金结构钢。值得注意的是：钢材的种类和热处理对其弹性模量的影响甚小，因此如欲采用合金钢或通过热处理来提高轴的刚度，并无实效。此外，合金钢对应力集中的敏感性较高，因此设计合金钢轴时，更应从结构上避免或减小应力集中，并减小其表面粗糙度。 轴的毛坯一般用圆钢或锻件。有时也可采用铸钢或球墨铸铁。例如，用球墨铸铁制造曲轴、凸轮轴，具有成本低廉、吸振性较好，对应力集中的敏感性较低，强度较好等优点。适合制造结构形状复杂的轴。 表16-1列出轴的常用材料及其主要机械性能。 表16-1 轴的常用材料及其主要机械性能 材料及 热处理 毛坯直径 mm 硬 度 HB 强度极限(B 屈服极限(s 弯曲疲劳极限(－1 应用说明 MPa Q235 440 240 200 用于不重要或载荷不大的轴 35正火 (100 149~187 520 270 250 塑性好和强度适中可做一般曲轴、转轴等 45正火 (100 170~217 600 300 275 用于较重要的轴，应用最为广泛 45调质 (200 217~255 650 360 300 40Cr调质 25 1000 800 500 用于载荷较大，而无很大冲击的重要的轴 (100 241~286 750 550 350 100~300 241~266 700 550 340 40MnB调质 25 1000 800 485 性能接近于40Cr，用于重要的轴 (200 241~286 750 500 335 35CrMo调质 (100 207~269 750 550 390 用于受重载荷的轴 20Cr渗碳淬火回火 15 表面HRC56~62 850 550 375 用于要求强度、韧性及耐磨性均较高的轴 － 650 400 280 QT400-100 － 156~197 400 300 145 结构复杂的轴 QT600-2 － 197~269 600 200 215 结构复杂的轴 §16-2 轴的结构设计 轴的结构设计就是使轴的各部分具有合理的形状和尺寸。其主要要求；①满足制造安装要求，轴应便于加工，轴上零件要方便装拆；②满足零件定位要求，轴和轴上零件有准确的工作位置，各零件要牢固而可靠地相对固定；③满足结构工艺性要求，使加工方便和节省材料；④满足强度要求，尽量减少应力集中等。下面结合图16-8所示的单级齿轮减速器的高速轴，逐项讨论这些要求。 一、制造安装要求 为了方便轴上零件的装拆，常将轴做成阶梯形。对于一般剖分式箱体中的轴，它的直径从轴端逐渐向中间增大。如图16-8所示，可依次将齿轮、套筒、左端滚动轴承、轴承盖和带轮从轴的左端装