什么是轴？轴的种类、材料、制造与设计全解析
什么是轴？轴的种类、材料、制造与设计全解析
轴是机械设备中至关重要的旋转部件，主要用于传递动力。从基本概念到具体应用，本文将全面解析轴的种类、材料选择、制造工艺、设计原理以及优缺点，帮助读者深入了解这一机械工程中的核心组件。
轴的基本概念
轴基本上是任何机器的旋转部件，具有圆形横截面，用於將動力從一個部件傳輸到另一個部件或從發電機器傳輸到功率吸收機器。為了傳輸動力，軸的一端連接到動力源，另一端連接到機器。根據需要，軸可以是實心的或空心的，空心軸有助於減輕重量並提供優勢。
軸是機器中使用的非常重要的部件之一。它們用於支撐皮帶輪和齒輪等旋轉部件，這些部件由位於剛性機器外殼中的軸承支撐，而位於軸上的齒輪和皮帶輪有助於傳遞運動。
許多其他旋轉元件透過鍵安裝在軸上。由於軸支撐的構件的反作用力和動力傳輸產生的扭矩，它們承受彎矩和扭矩。
軸始終具有圓形橫截面，可以是空心的或實心的。軸可以是曲柄軸、線性軸、鉸接軸或柔性軸，但線性軸通常用於動力傳輸。
軸通常設計為陡峭的階梯式圓柱桿，因此它們在整個長度上具有不同的直徑，儘管具有恆定直徑的軸很容易生產。
階梯軸中的應力大小會隨其長度的變化而變化。直徑均勻的軸不適合拆卸、組裝和維護，而這些軸使安裝在其上的零件（尤其是軸承）的緊固變得複雜。
轴的种类
1. 传动轴
传动轴是一種階梯軸，用於在吸收動力的機器中將動力從一個來源傳遞到另一個來源。它們安裝在軸齒輪、輪轂或滑輪的階梯部分上，用於傳遞運動。如高架井、主井、副井及所有工廠井道。
2. 机械轴
机械轴位于零件内部，是机器的组成部分，例如汽车引擎中的曲轴就是机械轴。
3. 车轴
车轴轴支撑旋转元件，例如车轮，并且可以安装在带有轴承的壳体中，但轴是非旋转元件并且主要用於車輛中，例如汽車中的車軸。
4. 主轴
主轴是机器的旋转部件，用於固定刀具或工作空间，並用作机器的短轴，例如车床中的主轴。
轴所用材料
轴通常由低碳钢制成。如果需要高強度，則使用合金鋼，例如鎳鉻鋼、鎳鋼和鉻釩鋼。它們由熱軋、冷拔和磨削而成。常規軸通常使用的材料是 50C12、50C4、45C8、40C8 牌号的碳钢。
用于轴的材料应具有以下特性：
- 材料应具有高強度。
- 材料应具有高耐磨性。
- 材料应具有热处理性能。
- 材料应具有良好的机械性能。
- 该材料必须具有低缺口敏感度系数。
轴的标准尺寸
机械轴最大可達 25 毫米，步长为 0.5 毫米。
传动轴的标准尺寸 - 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。
对于机械轴，标准尺寸最大为 25 毫米，步长为 5 毫米。对于竖井，标准长度为5m、6m和7m，但一般取1m至2m。
轴中的应力
轴中产生的应力为：
- 由于扭矩传递而产生的剪切应力（由于扭转变载荷而产生的扭矩）。
- 由于作用在机械元件（例如滑轮和齿轮）上的力以及轴的自重而产生的弯曲应力，本质上是压缩或拉伸。
- 弯曲载重和扭转变载产生的组合应力。
设计应力的最大容许剪应力为：
- 轴为56000KN/m2，留有键槽余量。
- 轴42000KN/m2无键槽余量。
最大允许弯曲应力为：
- 带键槽余量的轴为 112000 KN/m2。
- 无键槽余裕的轴为 84000 KN/m2。
轴的制造
轴采用热轧制造。与热轧相比，冷轧的轴强度较高，但冷轧会导致较高的残余应力，导致轴在加工过程中变形。锻造工艺用于制造较大直径的轴。
滚压完成后，对轴进行端加工，轴的一端安装在止回装置上，轴的另一端由车床转塔支撑。为了精加工轴，将刀具固定在刀架上，打开电源后，卡盘开始旋转轴。
千分尺用于在加工前检查轴的同心度，客製化CNC車削依用途进行端面、切槽、锥度车削等多钟加工。高产量和 CNC 等应用最適合最终加工製程。也可以使用 CNC 双头机床进行加工，其中轴被夹紧在刀具旋转和夹具之间。
为了实现同心度和圆度，旋转刀具应在中心线处彼此相对。传动轴和电机通常采用这种工艺制造。
轴传动
我们知道轴是用来传递动力的，所以计算动力传递的公式是：P = 2πnT/ 60 。其中P是传输的功率（W）； n 是每分钟转数 (RPM)； T 是扭矩，单位为 Nm。
用于各种应用的轴的速度：
- 机械：100~200
- 木工机械：250~700
- 纺织：300~800
- 轻机车间：150~300
- 副井：200至600
轴设计
根据要考虑的负载，轴可以通过两种不同的过程进行设计：
- 基于强度的轴设计 传动轴通常容易受到弯矩、扭转变矩、轴向拉力及其组合的影响。通常，轴承承受扭转变应力和弯曲应力的组合负荷。
轴承承受拉应力：拉应力 = P/A。其中 A = (π/4) x D2，D 是轴的直径，单位为毫米。
轴承承受弯矩：弯曲应力=(MbxY)/I。 Y = D/2，其中D是直径； I = 转动惯量 = (πxD4)/ 64
承受扭转变矩的轴承：扭转变应力 = Mt x R/J。其中，Mt = 扭转变矩； R=D/2，其中D为直径； J = 极惯性矩 = (πxD4)/ 32
- 基于刚性的轴设计
如果驱动轴不会扭转变太多，则根据扭转变刚度，驱动轴被认为具有刚性。
{Mt/J} = {(G x ש)/ L}。其中，Mt = 扭矩（N，mm）； J = 极惯性矩 = (πxD4)/32； D = 轴直径，单位为毫米； ש = 扭转变角； G = 刚度模数 N/mm2
轴的优缺点
轴的优点：
- 它们不太可能堵塞。
- 它们比链条系统需要更少的维护。
- 它们具有高扭转变强度。
- 它们具有很高的惯性极矩值。
- 它们非常稳健，不太可能失败。
- 空心轴具有中空的内部形状，因此所需材料较少。
- 对于相同的扭矩传递值，空心轴比实心轴轻。
- 它们具有很大的旋转半径。
轴的缺点：
- 由于松散耦合，它們會產生功率損耗。
- 它们在旋转过程中振动。
- 它们会产生持续的噪音。
- 制造和维护成本较高。
- 制造是困难的。
- 改变轴的速度并不容易。
- 由于机械问题，停机时间很长。
- 油从高架轴上滴下来。
- 使用挠性联轴器（例如板簧联轴器）会导致轴之间速度损失。
- 如果轴出现故障，則需要花費大量時間來修復。
在今天的文章中，我們深入研究了不同類型的軸、材料、應力、製造和設計，以及它們在機械和工業中的重要性。軸作為機器的旋轉部件，在連接和傳遞動力方面發揮關鍵作用，因此必須經過仔細的考慮和工程實踐來設計和製造。