轴及其结构的初步设计

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轴的主要设计内容大致包括：选择轴的材料，初步确定轴的直径，进行轴的结构设计，然后校核轴的强度，必要时校核轴的刚度及临界转速。最后，根据计算结果考虑是否需要修改结构。

轴的常用材料及其主要机械性能见表4．6-1，其中常用的是45号钢。对尺寸和重量有严格限制的轴。或要求耐磨、耐腐蚀、耐高温等，可选用合金钢，如尺寸受限制，可选35SiMn、42SiMn、40MnB等；对于结构复杂的轴，为了保持尺寸的稳定性和减小热处理的变形，可选用铬钢，如40Cr；在高温或腐蚀环境下工作的轴，可选用耐热钢和不锈钢。对于受力较小或不重要的轴，可选用Q235、Q275等普通碳钢；外形复杂的轴，如曲轴、凸轮轴等，也可采用球墨铸铁。因为铸造容易得到较复杂的形状，对应力集中的敏感性较低，且具有吸振能力。

设计时，应先进行估算，初步确定轴的直径。按扭转强度估算轴端直径的公式为：

注：直径大于630～1250mm的轴伸直径和长度系列可参见GB1569附录A。

表4．6-5 圆锥形轴伸(摘自GB1570—90) mm

注：1．Φ220mm及以下的圆锥轴伸键槽底面与圆锥轴线平行。键槽深度t可由测量G来代替。

2．L₂可根据需要选取小于表中的数值。

3．圆锥角公差按GB11334中的AT6，1：10圆锥角公差选用；基本直径d的公差按GB1800中的IT8。

轴的损坏，多数是疲劳破坏。因此，在轴的结构设计中，应力求减小应力集中，提高轴的疲劳强度。通常可采取的措施见表4．6-6。此外，减小配合表面及圆角处的加工粗糙度，以及表面强化(表面淬火、氮化、渗碳、喷丸、滚压等)，均可提高疲劳强度。

表4．6-6 降低轴上应力集中的措施举例

注：K_a系有效应力集中系数，其减小值系概略值，仅供参考。

齿轮、带轮、蜗轮等零件安装于轴上时，其轮毂与轴的配合长度见表4．6-7。

表4．6-7 轮毂孔长l与配合轴径d的关系