⑴ 2018-08-24 軸
14.1 軸概述
14.1.1 軸的分類及用途
軸是機械設備中重要的零件之一。軸的主要功用是支承回轉運動的傳動零件，並傳遞運動和動力。
一般常見的軸按其軸線形狀分為直軸和曲軸兩類，這里只討論直軸。直軸一直都做成實心的，若因機器需要或為減輕機器質量，也可製成空心軸。軸的截面多為圓形，為了軸上零件定位及裝拆方便，軸多做成階梯軸。等直徑軸（光軸）形狀簡單，加工容易，應力集中少，但軸上零件不易裝配及定位。
根據承載情況，軸可分為轉軸、心軸和傳動軸三類。轉軸是工作中既受彎矩又受轉矩的軸，如減速器中的各軸，這類軸在各種機器中最常見；心軸是工作中只承受彎矩而不承受轉矩的軸，心軸有轉動心軸和固定心軸兩種；傳動軸是工作中只傳遞轉矩而不承受彎矩或彎矩很小的軸。
此外，還有一種鋼絲軟軸，又稱鋼絲撓性軟軸。由多組鋼絲分層卷繞而成，具有良好的撓性，能夠把回轉運動靈活地傳到任意位置。
14.1.2 軸的材料
軸毛坯的選擇。對於光軸或軸端直徑變化不大的軸、不太重要的軸，可選用軋鋼圓棒做軸的毛坯，有條件的可直接用冷拔圓鋼；直徑大的軸可採用空心軸；對於重要的軸、受載較大的軸、直徑變化較大的階梯軸，一般採用鍛坯；對於形狀復雜的軸可用鑄造毛坯。
軸的材料選擇。軸的材料是決定其承載能力的重要因素，多數軸既承受轉矩又承受彎矩，多處於變應力條件下工作，因此軸的材料應具有較好的強度和韌性，用於滑動軸承時，還要具有較好的耐磨性。優質碳素結構鋼使用廣泛，45鋼最為常用，調質後具有優良的綜合力學性能。不重要的軸也可用普通碳結構鋼。高溫、重載的軸，受力較大而尺寸較小的軸以及有特殊要求的軸應選用合金結構鋼。合金鋼對應力集中敏感性高，所以採用合金鋼的軸的結構形狀應盡量減少應力集中源，並要求表面粗糙值低。對於形狀復雜的軸，也可以採用合金鑄鐵和球墨鑄鐵鑄造成形，易於得到更合理的形狀，而且鑄鐵還有價廉、良好的吸振性、耐磨性及應力集中的敏感性較低的優點，但是鑄造軸的機械性能不易控制，因此可靠性較差。
軸的熱處理和表面處理工藝。冷作硬化是一種機械表面處理工藝，也可以用來改善軸的表面質量，提高疲勞強度，其方法有噴丸和滾壓等。噴丸表面產生薄層塑性變形和殘余壓縮應力，能消除微觀裂紋和其他加工方法造成的殘余應力，多用於熱處理或鍛壓後不需要精加工的表面。滾壓使表面產生薄層塑性變形，並大大降低表面粗糙度，硬化表層，也能消除微裂紋，使表面產生殘余壓縮應力。
14.1.3 軸設計的主要問題
軸的設計包括軸的結構設計和軸的計算。
對於一般機器的軸，要進行強度校核，以防止因軸的強度不夠而斷裂；對於剛度要求較高的軸和受力大的細長軸，還需進行剛度校核，以防止軸工作中產生過大的變形；對於高速運轉的軸，還要進行振動穩定性計算，防止軸發生共振。
設計軸時，首先根據機械傳動方案的整體布局，確定軸上零部件的布置和裝備方案；選用合適的材料；在力的作用點及支點跨距尚不能精確確定的情況下，按純扭工況初步估算軸的直徑；通過考慮軸與軸上零件的安裝、固定及製造工藝性等要求進行結構設計；根據軸的受載情況及使用情況，進行軸的強度和剛度校核計算；必要時還要進行軸強度的精確校核計算；對於轉速高、跨度較大、外伸端較長的軸要進行考慮振動穩定性的臨界轉速計算。
14.2 軸的結構設計
14.2.1 軸的各部分名稱及功能
安裝輪轂的軸段稱軸頭，安裝軸承的軸端稱軸頸，為軸向固定零件所製作出的階梯稱為軸肩或軸環，連接軸頸和軸頭的部分稱為軸身。
軸頭。軸頭與回轉件的配合性質、公差等級和表面粗糙度，應由傳動系統對回轉件的技術要求確定。軸頭長度應稍小於輪轂寬度，否則不能達到回轉件的軸向固定目的。
軸頸。用滑動軸承支承的軸，軸頸與軸瓦為間隙配合。軸頸的公差級別和表面粗糙度應符合滑動軸承的技術要求。用滾動軸承支承的軸，軸頸與軸承內圈多為過渡配合或過盈配合。軸頸的公差級別和表面粗糙度，應按滾動軸承的技術要求設計。
軸肩（或軸環）。軸肩分為定位軸肩和非定位軸肩。軸肩可用作軸向定位面，它是齒輪及滾動軸承等零部件的安裝基準。
14.2.2 零件在軸上的固定
零件在軸上的固定，一般是指回轉件如何安裝在軸的確定位置並與軸連接成一體，軸上零件有游動或空轉要求的除外，因而零件在軸上，既要軸向固定，又要周向固定。
零件的軸向定位。軸上零件的軸向定位形式很多，其特點各異，常用結構有軸肩、軸環、套筒、圓螺母、彈性擋圈等。軸肩（軸環）結構簡單，可以承受較大的軸向力，應用最為普遍；軸肩的圓內半徑r應小於轂孔的圓角半徑R或倒角高度C₁，以保證零件安裝准確到位。定位軸肩其尺寸可按經驗設計。軸端擋圈常用於軸端上的零件固定，工作可靠，能夠承受較大的軸向力，圓錐形軸頭多用於同軸度要求較高的場合。當軸上零件一邊採用軸肩（軸環）定位時，另一邊可採用套筒固定，以便拆裝，套筒定位結構簡單，定位可靠，軸上不需開槽、鑽孔和切制螺紋，因而不影響軸的疲勞強度，但套筒也不宜過長，以免增大套筒的質量及材料用量，又因套筒與軸的配合較松，當軸的轉速很高時，也不宜採用套筒定位。如要求套筒較長時，可不採用套筒而採用圓螺母固定。一般用於固定軸端零件有雙圓螺母和圓螺母與止動墊片兩種形式。利用彈簧擋圈、緊定螺釘及鎖緊擋圈等進行軸向定位時，只適用於零件上的軸向力不大之處。緊定螺釘和鎖緊擋圈常用於光軸上零件的定位，裝拆方便。
零件的周向定位。周向定位的目的是限制軸上零件與軸發生相對轉動。通常是以輪轂與軸連接的形式出現的，軸轂連接是為了可靠地傳遞運動和轉矩的。常用的周向定位方法有鍵、花鍵、緊定螺釘、銷以及過盈配合等，其中緊定螺釘只用在傳力不大之處。
14.2.3 軸上零件的裝拆
為了便於軸上零件的裝拆，常將軸做成階梯型。定位滾動軸承的軸肩高度，必須小於軸承的內圈厚度並應符合國際規定，以便軸承的拆卸。為使軸上零件易於安裝並去掉毛刺，軸端及各軸段的端部應有倒角。為了使齒輪、軸承等有配合要求的零件裝拆方便，並減少配合表面的擦傷，在配合段前採用較小的直徑。為了使與軸做過盈配合的零件易於裝配，相配軸端的壓入端應制出錐度。為使軸上易於裝拆，零件之間留有必要的軸向間隙。
14.2.4 軸的結構工藝性
軸的結構工藝性是指軸的結構形式應便於加工和裝配軸上的零件，並且生產率高，成本低。一般來說，軸的結構越簡單，工藝性越好。
為了便於裝配零件，軸端應製成45°的倒角；各軸段的圓角盡量統一，所有鍵槽在一條直線上；需要磨削加工的軸端，應留有砂輪越程槽；需要切制螺紋的軸端，應留有退刀槽。
14.2.5 改善軸的受力狀況，減小應力集中
可從結構和工藝兩方面來採取措施提高軸的承載能力。
合理布置軸上零件，減小軸所承受轉矩。當轉矩由一個傳動件輸入，而由幾個傳動件輸出時，為了減小軸上的轉矩，應將輸入鍵放在中間，而不是置於一端。
改進軸上零件結構，減小軸所承受彎矩。為了減小軸所承受的彎矩，傳動件應盡量靠近軸承，並盡可能不採用懸臂的支承形式，力求縮短支承跨距及懸臂長度。
改進軸的結構，減少應力集中。軸截面突變，在軸上打孔、緊定螺釘端坑、鍵槽圓角過小等，都可能引起應力集中而降低軸的疲勞強度。主要措施由：盡量避免形狀的突然變化，宜採用較大的過度圓角，若圓角半徑受限，可採用內圓角、凹切圓角或肩環以保證圓角尺寸；過盈配合的軸，可在軸上或輪轂上開減載槽加大配合部分的直徑。
改善表面品質，提高軸的疲勞強度。表面越粗糙，軸的疲勞強度越低。採用表面強化處理方法，如碾壓、噴丸等強化處理；氰化、氮化、滲碳等化學熱處理；高頻或火焰表面淬火等熱處理，可以顯著提高軸的承載能力。
14.2.6 各軸段直徑和長度的確定
零件在軸上的定位和裝拆方案確定後，軸的形狀便大體確定。各軸段所需的直徑與軸上的載荷大小有關。在軸的結構設計前，通常已能求得軸所受的轉矩。因此，可按軸所受的轉矩初步估算軸所需的直徑。將初步求出的直徑作為軸端的最小直徑，然後在按軸上零件的裝配方案和定位要求，從最小直徑處由外向內逐一確定各段軸的直徑。
有配合要求的軸端，應盡量採用標準直徑。安裝標准件部位的軸徑，應取為相應的標准值及所選配合的公差。
考慮軸上零件的定位和拆裝要求，由內向外確定各段軸的軸向尺寸。盡可能使結構緊湊，同時保證零件所需的裝配或調整空間。
所確定各軸段長度要與其上相配合零件的寬度相對應，與齒輪和聯軸器等零件相配合部分採用套筒、螺母、軸端擋圈做軸向固定時，應把裝零件的軸端做的比零件輪轂短2~3mm，以確保套筒、螺母或軸端擋圈能靠近零件端面；其餘軸端的長度要通過軸上相鄰零件間必要的空隙來確定。
14.3 軸的計算
14.3.1 軸的強度計算
進行軸的強度校核計算時，應根據軸的具體受載及應力情況，採取相應的計算方法，並恰當的選取其許用應力。
按扭轉強度條件計算。這種方法是按扭轉強度條件確定軸的最小直徑，亦可用於傳動軸的計算。對於轉軸，由於跨距未知，無法計算彎矩，在計算中只考慮轉矩，用降低許用應力的方法來考慮彎矩的影響。軸受轉矩作用時，其強度條件為 τ=T/Wt=9.55x10ⁿP/0.2d³n ≤ [τ] ， d ≥ {(9.55x10ⁿ)/0.2[τ]}⅓·(P/n)⅓=C(P/n)⅓ 。其中，n次方為6次方；τ是軸截面中最大扭轉剪應力；P是軸傳遞的功率；n是軸的轉速；[τ]是許用扭轉剪應力；C是由許用扭轉剪應力確定的系數；Wt是抗扭截面模量；d是軸的直徑。截面有鍵槽時，可將軸徑適當加大。d>100mm，有一個鍵槽時增大3%，兩個增大7%；30≤d≤100mm，有一個鍵槽時，增大5%，兩個增大10%；d<30，有一個鍵槽時，增大7%，兩個增大15%。
抗彎扭合成強度條件計算。計算步驟如下：軸的計算簡圖：將階梯軸簡化為簡支梁；齒輪、帶輪等傳動件作用於軸上的分布力，在一般計算中，簡化為集中力；作用在軸上的轉矩，簡化為從傳動件輪緣寬度的中點算起的轉矩；取軸承寬度中點為作用點，簡化軸的支承反力。做出彎矩圖。做出轉矩圖。校核軸的強度。強度條件為 σe=(σb²+4τ²)½≤[σb] ，引入摺合系數α，則 σe=Me/W≤[σ-1b] 。其中，W是抗彎截面模量；Wt是抗扭截面模量，對於圓軸Wt=2W；α是根據轉矩性質而定的摺合系數；Me是當量彎矩， Me=Me=[M²+(αT)²]½ 。對於不變的轉矩， α=[σ-1b]/[σ+1b]≈0.3 ；當轉矩脈動變化時, α=[σ-1b]/[σ0b]≈0.6 ；對於頻繁正反轉的軸，τ可看成對稱循環應力，α=1.若轉矩的變化規律不清楚，一般按脈動循環處理。
14.3.2 軸的剛度校核計算
設計時必須根據工作要求限制軸的變形量，即撓度γ≤[γ]，偏轉角θ≤[θ]，扭轉角φ≤[φ]。
軸的彎曲剛度校核計算。等直徑軸的撓曲線近似微分方程為 d²y/dx²=M/EI ，其中，M是彎矩；E是材料的彈性模量；I是軸的慣性矩。當量直徑 de=(L/∑li/diⁿ)¼ ，其中，n次方為4次方；li是階段軸第i段的長度；di是階段軸第i段的直徑；L是階段軸的計算長度；z是階段軸計算長度內的軸段數；自動加和都是從1到z，下邊的也一樣。彎曲剛度校核條件為y≤[y]，θ≤[θ]。
軸的扭轉剛度校核計算。圓軸的計算公式：光軸 φ=Tl/GIp ，階梯軸 φ=(1/lG)·∑Tili/Ipi ，其中，T是光軸所受的轉矩；l是光軸受扭矩作用的長度；Ip是光軸的極慣性矩；G是軸的材料的剪切彈性模量；Ti，li，Ipi是階段軸第i段的轉矩、長度、極慣性矩。扭轉剛度校核條件為 φ≤[φ] 。
14.3.3 軸的臨界轉速校核
產生共振現象時軸的轉速稱為軸的臨界轉速，臨界轉速的校核就是計算出軸的臨界轉速，以便避開。
軸的臨界轉速在數值上與軸橫向振動的固有頻率相同。一個軸在理論上可以有無窮多個臨界轉速，最低的一個稱為一階臨界轉速，其餘為二階、三階...臨界轉速。
轉速低於一階臨界轉速的軸稱為剛性軸，超過的稱為撓性軸。
對於剛性軸，應使 n<0.75nc₁ ，對於撓性軸，應使 1.4nc₁<n<0.7nc₂ 。nc₁，nc₂分別為一階、二階臨界轉速。
⑵ 微型滾動軸承怎麼選擇
為了更好使用微型軸承工作性能，在選擇微型軸承的時候都需要考慮很多因素一定要注意以下因素：
1、微型軸承徑向載荷：
主要承受徑向載荷的軸承為向心軸承,這類軸承的公稱接觸角a0<=45 0。尺寸相同的滾子軸承比球軸承能承受的徑向載荷更大,N型和NU型圓柱滾子軸承只能承受徑向載荷.其它類型的向心軸承既可承受徑向載荷，也可以承受軸向載荷。
2、微型軸承的軸向載荷：
主要承受軸向載荷的軸承一般為推力軸承、它的公稱接觸角落a0>450。推力軸承和推力角接觸球軸承根據結構不同可以同時承受一個或兩個方向的軸向力。當承受向力特別高時優選用推力圓柱滾子軸承和推力調心滾子軸承。推力調心滾子軸承和單向推力角接觸球軸承可以同時承受軸向載荷和徑向載荷，其它推力軸承只能承受軸向載荷。
3、微型進口軸承自身的長度補償：
支承一根軸和軸承通常採用固定軸承和游動軸承組合的結構。游動軸承補償軸的長度誤差和熱膨脹。NU型和N型圓柱滾子軸承是理想的游動軸承，這些軸承自身可以對長度進行補償。軸承內外圈可以用緊配合。
4、微型軸承滑動配合的長度補償：
不可分離微型軸承（如深溝球軸承和調心滾子軸承）也可作游動軸承。這類軸承兩個套圈中的一個採用配合，沒有軸向固定面。因此，軸承的一個套圈可以在其支承面上活動。
5、可分離微型軸承（精度）：
這是一種套圈可以分開安裝的軸承，當兩個套圈都採用緊配合時其優點十分突出。可分離軸承包括四點接觸球軸承、雙半內圈的雙列角接觸球軸承、圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承、推力球軸承、推力圓柱滾子軸承和推力調心滾子軸承。微型軸承精度：大多數情況下應用一般尺寸和旋轉精度的滾動軸承就足夠了。當要求更高時，軸承需要更高的精度等級。
6、微型軸承不對中性的補償：
不對中性出現在加工軸頸配合表面或軸承座配合表面時，尤其是配合表面的加工不是在一次裝卡中完成的。使用軸承座時也會產生不對中，（例如：凸緣軸承座或立式軸承座）。由於工作載荷使軸發生彎曲變形，從而導致軸承內外圈傾斜時，也同樣會出現不對中。調心軸承可以對不對中和傾斜度進行補償，例如：調心球軸承、彭形滾子軸承、向心和推力調心滾子軸承。這類軸承都具有一個凹型球面外圈滾道，滾動體和內圈可以在裡面旋轉。這些軸承補償軸中心偏轉角的能力取決於它們自身的類型、尺寸大小和載荷狀況。外球面軸承和帶座圈的推力球軸承都有一個球形支承面：安裝在凹型球面座圈裡時可以調整補償偏轉角。
7、微型軸承轉速：
單列軸承的摩擦特別低，因此可以達到最高轉速。這類軸承有隻能承受徑向載荷的深溝球軸承和能承受聯合載荷的角接觸球軸承。提高軸承的尺寸精度、旋轉精度以及配合部位的精度，採用的潤滑冷卻方式，使用特殊形式的保持架都可以提高軸承的允許轉速。低雜訊運轉：在小型電機、辦公設備和家用電器等一般要求運轉雜訊要氏。
8、微型軸承圓錐形孔：
帶圓錐形孔的軸承可以直接安裝到錐形軸頸上（例如：高精度結構中的單列和雙列圓柱滾子軸承）安裝這類軸承時可以調整出給定的徑向游隙，大部分帶圓錐形孔的調心球軸承、鼓形滾子軸承和調心滾子軸承都可通過一個緊定套安裝到圓柱形軸頸上，這類軸承特別易於安裝和拆卸。
9、微型軸承剛度：
進口軸承的剛度通常是指使軸承產生一定的彈性變形所需要的力，機床主軸和小齒輪軸上的軸承都要求有很高的剛度。由於滾動體和滾道的接觸條件不同，滾子軸承的剛度要比球軸承的剛度高！
10、微型軸承摩擦：
除被加熱和散熱外，內部摩擦對軸承的工作溫度也起很大的決定作用！低摩擦軸承有：承受徑向載荷的深溝球軸承、微型單列角接觸球軸承和帶保持架的圓柱滾子軸承！接觸式密封的軸承、滿裝圓柱滾子軸承和推力滾子軸承都會產生較大的摩擦力。
11、微型軸承不對中性的補償
不對中性出現在加工軸頸配合表面或軸承座配合表面時，尤其是配合表面的加工不是在一次裝卡中完成的。使用軸承座時也會產生不對中，（例如：凸緣軸承座或立式軸承座）。由於工作載荷使軸發生彎曲變形，從而導致軸承內外圈傾斜時，也同樣會出現不對中。
調心軸承可以對不對中和傾斜度進行補償，例如：調心球軸承、彭形滾子軸承、向心和推力調心滾子軸承。這類軸承都具有一個凹型球面外圈滾道，滾動體和內圈可以在裡面旋轉。這些軸承補償軸中心偏轉角的能力取決於它們自身的類型、尺寸大小和載荷狀況。
外球面軸承和帶座圈的推力球軸承都有一個球形支承面：安裝在凹型球面座圈裡時可以調整補償偏轉角。
⑶ 如何選擇SKF軸承類型精度等級
以上的精度等級雖然是以ISO標准為基準制定的，但其稱呼在各國標准中有所不同。列出了各種SKF軸承型式所適用的精度等級以及各國標准之間的比較。尺寸精度（與軸及外殼安裝有關的項目）１、內徑、外徑、寬度及裝配寬度的允許偏差２、滾子組內復圓直徑及外復圓直徑的允許偏差３、倒角尺寸的允許界限值４、寬度的允許變動量旋轉精度（與旋轉體跳動有關的項目）１、內圈及外圈的允許徑向跳動和軸向跳動２、內圈的允許橫向跳動３、外徑面傾斜度的允許變動量４、推力軸承滾道厚度的允許變動量 標准SKF軸承的尺寸形式繁多，在機械裝置設計時最好採用標准軸承（這設計到軸承是否容易采購，在這里就說句題外話，有些SKF軸承型錄上的型號確實有，但一些非標軸承在中國大陸地區沒有現貨，有些時候期貨會很長時間，所以在軸承選型時要考慮時間成本和後期更換的成本）SKF軸承的負荷，施加在軸承上的負荷，其性質、大小、方向是多變的。通常，額定基本負荷在尺寸表上均有顯示。但軸向負荷及徑向負荷等等，亦是選擇適合的SKF軸承重要因素。當球及滾針軸承的尺寸相當時，滾針SKF軸承通常有較高的負載能力及承受較大的振動及沖擊負荷。 允許轉速是根據SKF軸承的類型，尺寸，精度，保持架類型，負荷，潤滑方式，及冷卻方式等因素確定。SKF軸承表上列出了標准精度軸承在油潤滑及油脂潤滑下的允許轉速。通常，深溝球軸承、自動調心球軸承及圓柱滾子軸承都適用於高速運轉的場合。 SKF軸承尺寸精度及旋轉精度是根據ISO及JIS標准。對於要求高精度及高速運轉的機械，建議使用5級或以上精度的SKF軸承，深溝球軸承、向心推力球軸承或圓柱滾子軸承則適用於高運轉精度的機械。剛性，當SKF軸承的滾動體及滾道接觸面受壓，會產生彈性形變。有些機械需要將彈性形變減至最小。滾子軸承比球軸承產生的彈性形變數小。 另外，在某些情況下SKF軸承要施加預壓以增加剛性。此程序通常用於深溝球軸承、向心推力球軸承及圓錐滾子軸承內外圈偏置，軸彎曲，軸或軸承箱公差變化，配合錯誤都會導致內外圈的偏心。為防止偏心角度過大，自動調心球軸承，自動調心滾子軸承，或調心軸承座是較佳的選擇。嗓音頻率及扭距，滾動軸承都是根據高精度標准生產製造的，所以嗓音及扭力小。深溝球軸承、及圓柱滾子軸承適用對於對低嗓音，低扭力有特別要求的場合。