軸設計 | 材料 , 類型 , 如何設計軸

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什么是軸

軸基本上是任何機器的旋轉部件，其橫截面為圓形，用于將動力從一個部分傳遞到另一個部分或從動力產生機到動力吸收機。為傳遞動力，軸的一端與動力源相連，另一端與機器相連。軸可以根據需要是實心或空心的，空心軸有助于減輕重量并提供優勢。

軸的一般描述

軸是機器中使用的非常重要的元件之一。它們用于支撐旋轉部件，例如滑輪和齒輪，它們由位于剛性機器外殼中的軸承支撐。位于軸上的齒輪和皮帶輪有助于傳遞運動。許多其他旋轉元件通過鍵安裝在軸上。由于軸所支撐的構件的反作用力和動力傳遞產生的扭矩，它們承受彎矩和扭矩。軸總是具有圓形橫截面，可以是空心的或實心的。

軸可分為曲柄軸、直線軸、鉸接軸或柔性軸，但直線軸通常用于傳遞動力。

軸通常設計為陡峭的圓柱桿，因此它們在整個長度上具有不同的直徑，盡管具有恒定直徑的軸易于生產。階梯軸中的應力大小隨其長度而變化。具有統一直徑的軸不適合拆卸、組裝、維護，并且這些軸在緊固安裝在它們上的零件時會產生復雜性，特別是軸承。

軸的類型：

1. 傳動軸：

這些軸是階梯軸，用于在一個源之間傳遞動力到另一個吸收動力的機器。在軸齒輪、輪轂或皮帶輪的階梯部分上安裝用于傳遞運動。示例：高架軸、線軸、副軸和所有工廠的軸。

2. 機械軸：

這些軸位于組件的內部，是機器的組成部分。示例：汽車發動機中的曲軸是機器軸。

3. 車橋軸

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這些軸支撐旋轉元件，例如輪子，可以安裝在帶有軸承的外殼中，但軸是非旋轉元件。這些主要用于車輛。示例：汽車中的車軸。

4. 主軸軸

這些是機器的旋轉部分；它容納工具或工作空間。它們是短軸，在機器中使用，它們是用于機器的短軸。示例：車床中的主軸。

軸用材料

通常低碳鋼是用于軸的材料。如果需要高強度，則使用合金鋼，如鎳鉻、鎳、鉻釩鋼。它們通常是通過熱軋和冷拔和研磨形成的。

通常用于常規軸的材料是50 C12、50 C4、45 C8、40 C8級的碳鋼。

用于軸的材料應具有以下特性：

1. 材料應具有高強度

2. 材料應具有高耐磨性

3. 材料應具有熱處理特性

4. 材料應具有良好的機械性能

5. 材料必須具有低缺口敏感系數

軸的標準尺寸

l  機械軸

可達 25 毫米，步長為 0.5 毫米。

l  傳動軸

軸的標準尺寸 -步長

25 毫米至 60 毫米 – 5 毫米步長

60 毫米至 100 毫米 – 10 毫米步長

110 毫米至 140 毫米 – 15 毫米步長

140 毫米至 500 毫米 – 20 毫米步長

機器軸的標準尺寸可達 25 毫米，步長為 5 毫米。對于軸，標準長度為5m、6m和7m，但一般取1m至2m。

軸中的應力

在軸中引起的應力為：

l  由于扭矩傳遞而引起的剪切應力（由于扭轉載荷引起的扭矩）

l  由于作用在機械元件（如皮帶輪和齒輪）上的力以及軸的自重而引起的彎曲應力，其性質為壓縮或拉伸

l  由彎曲和扭轉載荷引起的組合應力

設計應力

最大允許剪應力為：

1. 軸為 56000 KN/m2，鍵槽留有余量。

2. 軸為 42000 KN/m2，不帶鍵槽余量。

最大允許彎曲應力為：

1. 軸為 112000 KN/m2，鍵槽留有余量。

2. 軸為 84000 KN/m2，不帶鍵槽余量。

軸的制造

軸采用熱軋工藝制造。與熱軋相比，冷軋時軸的強度更高，但冷軋會導致高殘余應力，導致軸在加工時變形。鍛造工藝用于制造更大直徑的軸。軋制完成后，對軸進行端部加工，軸的一端裝在檢查上，軸的另一端用車床的轉塔支撐。為了精加工軸，刀具固定刀架，當電源打開時，卡盤開始旋轉軸。

千分表用于在加工前檢查軸的同心度，并根據用途進行車削、端面、切槽、錐度車削等多種操作。

大批量、CNC 等應用最適合最終加工過程。也可以用軸夾在刀具旋轉和夾具之間的數控雙端機床進行加工。為實現同心度和圓度，旋轉刀具應在中心線相對。傳動軸和電機通常采用這種工藝制造。

軸傳動

我們知道軸用于動力傳輸，因此用于計算動力傳輸的公式是：

P = 2πNT/ 60 瓦

其中，P 是傳輸的功率

N 是每分鐘轉數 (RPM)

T 是以 Nm 為單位的扭矩

用于各種應用的軸的速度

應用 – RPM 速度推薦：

1.機械 ：100 – 200

2.木工機械 ：250 – 700

3.紡織業 ：300 – 800

4.輕型機械車間 ：150 – 300

5.副軸 ：200 – 600

軸設計

軸可以根據不同的載荷考慮通過兩種不同的過程進行設計：

1、以強度為基礎的軸設計

傳動軸通常易受彎矩、扭矩、軸向拉力及其組合的影響。通常，軸承受扭轉應力和彎曲應力的組合載荷。

l  軸承受拉應力

拉伸應力 = P/A

其中，A = (π/ 4) x D²

D 是軸的直徑，單位為 mm

l  軸承受彎矩

彎曲應力 = (Mb x Y)/ I

在這里，

Mb = 彎矩

Y = D/ 2 其中 D 是直徑

I = 轉動慣量= (π x D⁴)/ 64

l  軸承受扭矩

扭轉應力 = Mt x R/J

在哪里，

Mt = 扭轉力矩

R = D/ 2 其中 D 是直徑

J = 極慣性矩= (π x D⁴)/ 32

2、以剛性為基礎的軸設計

如果軸不會扭曲太多，則傳動軸在扭轉剛度的基礎上被稱為剛性。

{Mt/ J} = {(G x ө)/ L}

在這里，

Mt = 以 N為單位的扭矩 – mm

J = 極慣性矩= (π x D⁴)/ 32

D = 軸的直徑（mm）

Ө = 扭轉角

G = 剛度模量N/mm²

軸的優點

l 他們不太可能卡住

l 與鏈條系統相比，它們需要更少的維護

l 它們具有很高的抗扭強度

l 它們具有很高的極慣性矩值

l 他們非常堅固，不太可能發生故障

l 空心軸的內部形狀是空心的，因此它們需要的材料較少

l 對于相同的扭矩傳遞值，空心軸與實心軸相比重量輕

l 它們具有很高的回轉半徑

軸的缺點

l 由于松耦合，它們有功率損耗

l 它們在旋轉時發生振動

l 它們會產生持續的噪音

l 制造和維護成本較高

l 制造難度大

l 改變軸的速度并不容易

l 由于機械問題，停機時間較長

l 高架軸的油滴

l 使用彈性聯軸器（如板簧聯軸器）會導致軸之間的速度損失

l 如果軸發生故障，則需要花費大量時間進行維修