什么是轴？关于轴的设计和分类与标准尺寸介绍

2021-12-14 15:40:40

轴基本上是任何机器的旋转部件，其横截面为圆形，用于将动力从一个部分传递到另一个部分或从动力产生机到动力吸收机。为传递动力，轴的一端与动力源相连，另一端与机器相连。轴可以根据需要是实心或空心的，空心轴有助于减轻重量并提供优势。

轴的一般描述

轴是机器中使用的非常重要的元件之一。它们用于支撑旋转部件，例如滑轮和齿轮，它们由位于刚性机器外壳中的轴承支撑。位于轴上的齿轮和皮带轮有助于传递运动。许多其他旋转元件通过键安装在轴上。由于轴所支撑的构件的反作用力和动力传递产生的扭矩，它们承受弯矩和扭矩。轴总是具有圆形横截面，可以是空心的或实心的。

轴可分为曲柄轴、直线轴、铰接轴或柔性轴，但直线轴通常用于传递动力。

轴通常设计为陡峭的圆柱杆，因此它们在整个长度上具有不同的直径，尽管具有恒定直径的轴易于生产。阶梯轴中的应力大小随其长度而变化。具有统一直径的轴不适合拆卸、组装、维护，并且这些轴在紧固安装在它们上的零件时会产生复杂性，特别是轴承。

轴的类型

1. 传动轴

这些轴是阶梯轴，用于在一个源之间传递动力到另一个吸收动力的机器。在轴齿轮、轮毂或皮带轮的阶梯部分上安装用于传递运动。示例：高架轴、线轴、副轴和所有工厂的轴。

2. 机械轴

这些轴位于组件的内部，是机器的组成部分。示例：汽车发动机中的曲轴是机器轴。

3. 车桥轴

这些轴支撑旋转元件，例如轮子，可以安装在带有轴承的外壳中，但轴是非旋转元件。这些主要用于车辆。示例：汽车中的车轴。

4. 主轴轴

这些是机器的旋转部分；它容纳工具或工作空间。它们是短轴，在机器中使用，它们是用于机器的短轴。示例：车床中的主轴。

轴用材料

通常低碳钢是用于轴的材料。如果需要高强度，则使用合金钢，如镍铬、镍、铬钒钢。它们通常是通过热轧和冷拔和研磨形成的。

通常用于常规轴的材料是50 C12、50 C4、45 C8、40 C8级的碳钢。

用于轴的材料应具有以下特性：

1. 材料应具有高强度

2. 材料应具有高耐磨性

3. 材料应具有热处理特性

4. 材料应具有良好的机械性能

5. 材料必须具有低缺口敏感系数

轴的标准尺寸

机械轴

可达 25 毫米，步长为 0.5 毫米。

传动轴

轴的标准尺寸 -步长

25 毫米至 60 毫米 – 5 毫米步长

60 毫米至 100 毫米 – 10 毫米步长

110 毫米至 140 毫米 – 15 毫米步长

140 毫米至 500 毫米 – 20 毫米步长

机器轴的标准尺寸可达 25 毫米，步长为 5 毫米。对于轴，标准长度为5m、6m和7m，但一般取1m至2m。

轴中的应力

在轴中引起的应力为：

由于扭矩传递而引起的剪切应力（由于扭转载荷引起的扭矩）

由于作用在机械元件（如皮带轮和齿轮）上的力以及轴的自重而引起的弯曲应力，其性质为压缩或拉伸

由弯曲和扭转载荷引起的组合应力

设计应力

最大允许剪应力为：

1. 轴为 56000 KN/m2，键槽留有余量。

2. 轴为 42000 KN/m2，不带键槽余量。

最大允许弯曲应力为：

1. 轴为 112000 KN/m2，键槽留有余量。

2. 轴为 84000 KN/m2，不带键槽余量。

轴的制造

轴采用热轧工艺制造。与热轧相比，冷轧时轴的强度更高，但冷轧会导致高残余应力，导致轴在加工时变形。锻造工艺用于制造更大直径的轴。轧制完成后，对轴进行端部加工，轴的一端装在检查上，轴的另一端用车床的转塔支撑。为了精加工轴，刀具固定刀架，当电源打开时，卡盘开始旋转轴。

千分表用于在加工前检查轴的同心度，并根据用途进行车削、端面、切槽、锥度车削等多种操作。

大批量、CNC 等应用最适合最终加工过程。也可以用轴夹在刀具旋转和夹具之间的数控双端机床进行加工。为实现同心度和圆度，旋转刀具应在中心线相对。传动轴和电机通常采用这种工艺制造。

轴传动

我们知道轴用于动力传输，因此用于计算动力传输的公式是：

P = 2πNT/ 60 瓦

其中，P 是传输的功率

N 是每分钟转数 (RPM)

T 是以 Nm 为单位的扭矩

用于各种应用的轴的速度

应用 – RPM 速度推荐：

1. 机械 ：100 – 200

2. 木工机械 ：250 – 700

3. 纺织业 ：300 – 800

4. 轻型机械车间 ：150 – 300

5. 副轴 ：200 – 600

轴设计

轴可以根据不同的载荷考虑通过两种不同的过程进行设计：

1、以强度为基础的轴设计

传动轴通常易受弯矩、扭矩、轴向拉力及其组合的影响。通常，轴承受扭转应力和弯曲应力的组合载荷。

轴承受拉应力

拉伸应力 = P/A

其中，A = (π/ 4) x D²

D 是轴的直径，单位为 mm

轴承受弯矩

弯曲应力 = (Mb x Y)/ I

在这里，

Mb = 弯矩

Y = D/ 2 其中 D 是直径

I = 转动惯量 = (π x D⁴)/ 64

轴承受扭矩

扭转应力 = Mt x R/J

在哪里，

Mt = 扭转力矩

R = D/ 2 其中 D 是直径

J = 极惯性矩 = (π x D⁴)/ 32

2、以刚性为基础的轴设计

如果轴不会扭曲太多，则传动轴在扭转刚度的基础上被称为刚性。

{Mt/ J} = {(G x ө)/ L}

在这里，

Mt = 以 N 为单位的扭矩 – mm

J = 极惯性矩 = (π x D⁴)/ 32

D = 轴的直径（mm）

Ө = 扭转角

G = 刚度模量 N/mm²

轴的优点

他们不太可能卡住

与链条系统相比，它们需要更少的维护

它们具有很高的抗扭强度

它们具有很高的极惯性矩值

他们非常坚固，不太可能发生故障

空心轴的内部形状是空心的，因此它们需要的材料较少

对于相同的扭矩传递值，空心轴与实心轴相比重量轻

它们具有很高的回转半径

轴的缺点

由于松耦合，它们有功率损耗

它们在旋转时发生振动

它们会产生持续的噪音

制造和维护成本较高

制造难度大

改变轴的速度并不容易

由于机械问题，停机时间较长

高架轴的油滴

使用弹性联轴器（如板簧联轴器）会导致轴之间的速度损失

如果轴发生故障，则需要花费大量时间进行维修

轴类磨损

磨损原因

轴类磨损是轴使用过程中最为常见的设备问题。轴类出现磨损的原因有很多，但是最主要的原因就是用来制造轴的金属特性决定的，金属虽然硬度高，但是退让性差（变形后无法复原），抗冲击性能较差，抗疲劳性能差，因此容易造成粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损、微动磨损等，大部分的轴类磨损不易察觉，只有出现机器高温、跳动幅度大、异响等情况时，才会引起人们的察觉，但是到人们发觉时，大部分轴都已磨损，从而造成机器停机。

针对技术

大型设备轴头磨损后的修复是一个值得关注的问题。当轴的材质为45号钢（调质处理）时，如果仅采用堆焊处理，则会产生焊接内应力，在重载荷或高速运转的情况下，可能在轴肩处出现裂纹乃至断裂的现象。如果采用去应力退火，则难于操作，且加工周期长，检修费用高。当轴的材质为HT200时，采用铸铁焊也不理想。

国内针对轴类磨损一般采用的是补焊、襄轴套、打麻点等，如果停机时间短又有备件，一般会采用更换新轴，一些维修技术较高的企业会采用电刷镀、激光焊、微弧焊甚至冷焊等，这些维修技术需要采购高昂的设备和高薪聘请技术工人，国内一些中小企业一般通过技术较高外协来帮助修复高价值轴，只不过要支付高昂的维修费用和运输费用。

修复技术

对于以上修复技术，在欧美日韩企业已不太常见，因为传统技术效果差，而激光焊、微弧焊等高级修复技术对设备和人员要求高，费用支出大，现在欧美日韩一般采用的是福世蓝高分子复合材料技术和纳米技术，现场操作，不仅有效提升了维修效率，更是大大降低了维修费用和维修强度。

因金属材质为“常量关系”，虽然强度较高，但抗冲击性以及退让性较差，所以长期的运行必造成配合间隙不断增大造成轴磨损，意识到这种关键原因后，欧美新技术研究机构研制的高分子复合材料即具有金属所要求的强度和硬度，又具有金属所不具备的退让性（变量关系），通过“模具修复”、“部件对应关系”、“机械加工”等工艺，可以最大限度确保修复部位和配合部件的尺寸配合；同时，利用复合材料本身所具有的抗压、抗弯曲、延展率等综合优势，可以有效地吸收外力的冲击，极大化解和抵消轴承对轴的径向冲击力，并避免了间隙出现的可能性，也就避免了设备因间隙增大而造成相对运动的磨损，所以针对轴与轴承的静配合，复合材料不是靠“硬度”来解决设备磨损的，而是靠改变力的关系来满足设备的运行要求。

联轴器

通常轴不能单独运转，要使轴能够正常运转就必须使用联轴器。

基本概念

联轴器属于机械通用零部件范畴，用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。在高速重载的动力传动中，有些联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。联轴器由两半部分组成，分别与主动轴和从动轴联接。一般动力机大都借助于联轴器与工作机相联接，是机械产品轴系传动最常用的联接部件。20世纪后期国内外联轴器产品发展很快，在产品设计时如何从品种甚多、性能各异的各种联轴器中选用能满足机器要求的联轴器，对多数设计人员来讲，始终是一个困扰的问题。常用联轴器有膜片联轴器，鼓形齿式联轴器，万向联轴器，安全联轴器，弹性联轴器及蛇形弹簧联轴器。

主要用途

联轴器的用途很广泛，一般情况下只要有电机或减速机就要用联轴器，大型联轴器在冶金机械上用的比较多。

不同的联轴器有不同的作用，综合各种联轴器的作用如下:

是把原动机和工作机械的轴联接起来并传递扭矩。

是可以适当补偿两根轴因制造、安装等因素造成的径向轴向和角向误差。

安全联轴器当发生过载时，联轴器打滑或销子断开以保护工作机械。

弹性联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用