1、轴的分类

轴是组成机器的主要零件之一。一切作回转运动的传动零件都必须安装在轴上才能进行运动及动力的传递。因此轴的主要功用是支承回转零件及传递运动和动力

按照承受载荷的不同，轴可分为心轴、传动轴和转轴三类

只承受弯矩而不承受扭矩的轴称为心轴。心轴又分为转动心轴和固定心轴两种

只承受扭矩而不承受弯矩（或弯矩很小）的轴称为传动轴

工作中既承受弯矩又承受扭矩的轴称为转轴

根据轴线形状不同可分为直轴和曲轴

直轴根据外形不同，可分为光轴和阶梯轴两种。直轴一般都制成实心的，也可将轴制成空心的

通过曲轴连杆可以将旋转运动改变为往复直线运动，或作相反的运动变换

轴的工作能力验算指的是轴的强度、刚度和振动稳定性等方面的计算。多数情况下，轴的工作能力主要取决于轴的强度。这时只需对轴进行强度计算，以防止断裂或塑性变形。而对刚度要求高的轴和受力大的细长轴，应进行刚度计算，以防止工作时产生较大的弹性变形。对高速运转的轴，还应进行稳定性计算，以防止发生共振

2、轴的材料

轴的材料主要是碳钢和合金钢

碳钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性比较低，适用于一般要求的轴

合金钢比碳钢有更高的力学性能和更好的淬火性能。在传递大动力，并要求减小尺寸和质量，提高轴颈的耐磨性，以及处于高温或低温条件下工作的轴，常采用合金钢

在一般工作温度下(低于200℃)，各种碳钢和合金钢的弹性模量均相差不多，因此相同尺寸的碳钢和合金钢轴的刚度相差不多。所以不能通过改变材料提升刚度

各种热处理以及表面强化处理，对提高轴的抗疲劳强度都有着显著的效果

高强度铸铁和球墨铸铁容易做成复杂的形状，且具有价廉、良好的吸振性和耐磨性，以及对应力集中敏感性较低等优点，可用于制造外形复杂的轴，但是铸铁力学性能差，比较脆，不能传递大载荷

3、轴的结构

轴的结构设计包括确定轴的合理外形和全部结构尺寸

轴的结构设计应该保证：

1）轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置；

2）轴上的零件应便于装拆和调整；

3）轴应具有良好的制造工艺性

3.1、装配方案

装配方案，就是预定出轴上主要零件的装配方向、顺序和相互关系。拟定轴上零件的装配方案是进行轴的结构设计的前提，它决定着轴的基本形式

3.2、轴上零件的定位

为了防止轴上零件受力时发生沿轴向或周向的相对运动，除了有游动或空转的要求外，轴上零件都必须进行轴向和周向定位，以保证其准确的工作位置

轴上零件的轴向定位是以轴肩、套筒、轴端挡圈、轴承端盖和圆螺母等来保证的

轴上零件的周向定位的目的是限制轴上零件与轴发生相对转动。常用的周向定位零件有键、花键、销、紧定螺钉以及过盈配合等，其中紧定螺钉只用在传力不大之处

3.3、各轴段长度和直径的确定

首先按轴所受的扭矩初步估算轴所需的直径。将初步求出的直径作为承受扭矩的轴段的最小直径dmin，然后再按轴上零件的装配方案和定位要求，从dmin处起逐一确定各段轴的直径

配合要求的轴段，应尽量采用标准直径；安装标准件的轴径，应满足装配尺寸要求；有配合要求的零件要便于装拆；应保证轴上零件能可靠的轴向固定

3.4、提高轴的强度

1）合理布置轴上零件以减小轴的载荷

2）改进轴上零件的结构以减小轴的载荷

3）改进轴的结构以减小应力集中的影响

4）改进轴的表面质量以提高轴的疲劳强度

轴的表面粗糙度和表面强化处理方法也会对轴的疲劳强度产生影响。轴的表面愈粗糙，疲劳强度也愈低。因此，应合理减小轴的表面及圆角处的加工粗糙度值。当采用对应力集中甚为敏感的高强度材料制作轴时，表面质量尤应予以注意

轴的表面强化处理的方法有：表面高频淬火等热处理；表面渗碳、氰化、氮化等化学热处理；碾压、喷丸等强化处理。通过碾压、喷丸进行表面强化处理时，可使轴的表层产生预压应力，从而提高轴的抗疲劳能力

3.5、轴的结构工艺性

轴的结构工艺性是指轴的结构形式应便于加工和装配轴上零件，并且生产率高，成本低。一般地说，轴的结构越简单，工艺性越好。因此，在满足使用要求的前提下，轴的结构形式应尽量简化

4、轴的强度校核计算

4.1、按扭转强度条件计算

4.2、按弯扭合成强度条件计算

通过轴的结构设计，轴的主要结构尺寸，轴上零件的位置，以及外载荷和支反力的作用位置均已确定，轴上的载荷(弯矩和扭矩)已可以求得，因而可按弯扭合成强度条件对轴进行强度校核计算

1）做出轴的计算简图(力学模型)

在做计算简图时，应先求出轴上受力零件的载荷，并将其分解为水平分力和垂直分力。然后求出各支承处的水平反力FNH和垂直反力FNV

2）轴的弯矩与扭矩分析

根据上述简图，分别按水平面和垂直面计算各力产生的弯矩，并按计算结果分别作出水平面上的弯矩图MH和垂直面上的弯矩图MV

然后按下式计算总弯矩并作出总弯矩图

最后做出扭矩图T

3）校核轴的强度

4.3、 按疲劳强度条件进行校核

按疲劳强度校核计算的实质在于确定变应力情况下轴的安全程度。在已知轴的外形、尺寸及载荷的基础上，即可通过分析确定出一个或几个危险截面。求出计算安全系数Sca并应使其稍大于或至少等于设计安全系数S

具体计算参照疲劳相关知识

设计安全系数值可按下述情况选取。

S =1.3~1.5，用于材料均匀，载荷与应力计算精确时；

S =1.5~1.8，用于材料不够均匀，计算精确度较低时；

S =1.8~2.5，用于材料均匀性及计算精确性很低，或轴的直径d > 200mm时

4.4、按静强度条件进行校核

静强度校核的目的在于评定轴对塑性变形的抵抗能力。这对那些瞬时过载很大，或应力循环的不对称性较为严重的轴是很必要的

5、轴的刚度校核计算

轴在载荷作用下，将产生弯曲或扭转变形。若变形量超过允许的限度，就会影响轴上零件的正常工作，甚至会丧失机器应有的工作性能

轴的弯曲刚度以挠度或偏转角来度量；扭转刚度以扭转角来度量。轴的刚度校核计算通常是计算出轴在受载时的变形量，并控制其不大于允许值

5.1、轴的弯曲刚度校核

5.2、轴的扭转刚度校核