机械阶梯轴的特征与构造

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本文作者：曹昆 单位：黑龙江齐齐哈尔

轴有多种分类法，按轴的受载情况可分为芯轴、传动轴和转轴三种。芯轴工作时只承受弯曲载荷而不传递转矩，传动轴工作时只传递转矩而不承受或承受很小弯曲载荷，转轴工作时既承受弯曲载荷又传递转矩。按轴的结构形状不同又可分为直轴与曲轴、光轴与阶梯轴、实心轴与空心轴、刚性轴与挠性轴等。其中阶梯轴在机械中应用广泛。

1轴的基本特点

轴是旋转零件，其长度大于直径，通常由外圆柱面、圆锥面、内孔、螺纹及相应端面所组成。轴的结构一般有以下基本要求：安装在轴上的零件应有正确的定位和固定得牢固可靠；轴的加工工艺应便于轴的装拆和调整；轴上零件的受力位置要能减少应力集中，有利于提高轴的强度和刚度；轴的结构设计时应考虑节省材料和减轻重量。轴上往往还有花键、键槽、横向孔、台阶、退刀槽、倒角等。

2轴的应用实例

轴是组成机器的重要零件之一，其主要功用是支撑其他传动零件（如带轮、齿轮、蜗杆蜗轮等），回转并传递运动和转矩，同时又通过轴承与机器的机架相连接。减速箱转轴、自行车前轮的芯轴和汽车传动轴，柴油机中的曲轴，车床上的空心轴，以及用于各种机械和水管安装中的挠性轴等。

3阶梯轴的特点和基本结构

3．1阶梯轴的结构基本要求

阶梯轴的断面形状为中间粗两端细，不仅便于轴上零件的定位、固定和装拆，也有利于各个轴段达到或接近等强度，还能满足不同轴段的不同配合特性、精度和表面粗糙度的要求。轴套类零件其上面的退刀槽、倒角和圆角等细部结构基本上已标准化，测绘时可参照标准尺寸。倒角、圆角和退刀槽的尺寸可参照有关国家标准或|行业标准。

3．2阶梯轴的特点和各部分名称

阶梯轴各部分的名称有：轴头、轴颈、轴身、轴肩和轴环。轴上安装传动零件的轴段称为轴头；支承轴转动或安装轴承的轴段称为轴颈；连接轴头和轴颈部分的轴段称为轴身；轴上由于直径变化所形成的起固定零件位置作用的台|阶称为轴肩（轴段和轴段的单向变化）或轴环（轴段和轴段的双向变化）。

3．3轴的结构工艺性

3．3．1轴的形状应尽量简单，阶梯数尽可能少，这样可以减少加工次数及应力集中的情况。

3．3．2为了便于装配，轴端应有倒角（一般45°）过盈配合零件装入端常加工出导向锥面，使零件能较顺利地压入。

3．3．3一根轴上有多处键槽时应将其开在同一母线上，若开有键槽的轴段直径相差不大时，则尽可能采用相同宽度的键槽。

3．3．4在需磨制的轴段，应设砂轮越程槽；在车制螺纹的轴段，应设退刀槽；为便于轴上零件的安装和去除加工毛刺，轴段台阶处要有倒角。

3．3．5为了便于切削加工，同一根轴上，直径相近处的圆角、倒角、退刀槽、键槽、砂轮越程槽等，应尽量使尺寸一致，以减少换刀的次数，提高加工效率。轴上相邻轴段的直径不应相差过大，在直径变化处，尽量用圆角过渡，圆角半径尽可能大。当圆角半径增大受到结构限制时，可将圆弧延伸到轴肩中，称为内切圆角。也可加装过渡肩环使零件轴向定位。轴上与零件毂孔配合的轴段，会产生应力集中。配合越紧，零件材料越硬，应力集中越大。其原因是，零件轮毂的刚度比轴大，在横向力作用下，两者变形不协调，相互挤压，导致应力集中。尤其在配合边缘，应力集中更为严重。改善措施有：在轴、轮毂上开卸载槽。选用应力集中小的定位方法。采用紧定螺钉、圆锥销钉、弹性挡圈、圆螺母等定位时，需在轴上加工出凹坑、横孔、环槽、螺纹，引起较大的应力集中，应尽量不用；用套筒定位无应力集中。在条件允许时，用渐开线花键代替矩形花键，用盘铣刀加工的键槽代替端铣刀加工的键槽，均可减小应力集中。

3．4轴的常用材料

轴的主要失效形式为疲劳破坏，因此轴的材料应具有足够的疲劳强度，同时满足刚度、耐磨性及韧性要求，并应具有良好的加工工艺性和热处理性能。轴的材料常采用碳素钢和合金钢。由于碳素钢比合金钢的成本低，对应力集中的敏感性小，因此应用较多。在要求传递大功率、减轻轴的重量或提高轴的耐磨性等有特殊要求的场合，可选择合金钢，其具有较高的力学性能，可淬火性也较好。轴的毛坯一般用圆钢或锻件，有时也可用铸钢和球墨铸铁。特别是球墨铸铁具有成本低廉、吸振性好、对应力集中的敏感性较低和强度较好等优点，适合制造结构形状复杂的轴，如曲轴、凸轮轴等。

4轴上零件的轴向固定和周向固定

4．1轴上零件的轴向固定方法

轴上零件的轴向固定是为了防止在轴向力作用下零件沿轴线移动。零件的轴向固定可采用轴肩、轴环、套筒、圆螺母与带翅垫圈、圆锥面与轴端挡圈、弹性挡圈、紧定螺钉等。各类固定方式各有特点，轴肩、轴环和套筒简单可靠，承受的轴向力大，且固定可靠，套筒还能减少轴的阶梯数；圆螺母与带翅垫圈常用于轴承的轴向固定；双圆螺母固定可靠，能承受较大的轴向力，但严重削弱轴的强度；圆锥面和轴端挡圈对中性好，可以承受较大的轴向力，并便于拆卸等。

4．2轴上零件的周向固定方法

轴上零件的周向固定是为了传递转矩时防止零件与轴产生相对转动。常用的周向固定方法有键联结、花键联结、销联接、轴与零件的过盈配合等。一般齿轮与轴可采用平键联结；需承受较大冲击、振动或常有过载时，则可采用过盈配合加键联结；对于轻载或不重要的场合，常采用销联接或紧定螺钉联结作为周向固定。