Чем отличается ось от вала? Какие различают виды осей и валов? Из каких материалов их изготавливают?

Валом называют деталь (как правило, гладкой или ступенчатой цилиндрической формы), предназначенную для поддержания установленных на ней шкивов, зубчатых колес, звездочек, катков и т.д., и для передачи вращающего момента.

лебедка шпонка клиновая врезная

При работе вал испытывает изгиб и кручение, а в отдельных случаях помимо изгиба и кручения валы могут испытывать деформацию растяжения (сжатия).

Некоторые валы не поддерживают вращающиеся детали и работают только на кручение.

Вал 1 имеет опоры 2, называемые подшипниками. Часть вала, охватываемую опорой, называют цапфой. Концевые цапфы именуют шипами 3, а промежуточные - шейками 4.

Прямой вал: 1 - вал; 2 - опоры вала; 3 - цапфы; 4 - шейка

Осью называют деталь, предназначенную только для поддержания установленных на ней деталей.

В отличие от вала ось не передает вращающего момента и работает только на изгиб. В машинах оси могут быть неподвижными или же могут вращаться вместе с сидящими на них деталями (подвижные оси).

Не следует путать понятия "ось колеса", это деталь и "ось вращения", это геометрическая линия центров вращения.

Конструкции осей: а - вращающаяся ось; б - неподвижная ось

Формы валов и осей весьма многообразны от простейших цилиндров до сложных коленчатых конструкций. Известны конструкции гибких валов, которые предложил шведский инженер Карл де Лаваль ещё в 1889 г.

Форма вала определяется распределением изгибающих и крутящих моментов по его длине. Правильно спроектированный вал представляет собой балку равного сопротивления. Валы и оси вращаются, а следовательно, испытывают знакопеременные нагрузки, напряжения и деформации (рис.). Поэтому поломки валов и осей имеют усталостный характер.

Колебания изгибных напряжений оси колёсной пары в движении: а - на малой скорости; б - на эксплуатационной скорости

Классификация валов и осей

По назначению валы делят на валы передач (на них устанавливают детали передач) и коренные валы (на них устанавливают дополнительно еще и рабочие органы машины).

Типы валов: а - кривошипный вал: б - коленчатый вал; в - гибкий вал; г - телескопический вал; д - карданный вал

Форма валов и осей разнообразна и зависит от выполняемых ими функций. Иногда, валы изготавливаются совместно с другими деталями, например, шестернями, кривошипами, эксцентриками.

По геометрической форме валы делят на: прямые; кривошипные; коленчатые; гибкие; телескопические; карданные. Кривошипные и коленчатые валы используют для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное (поршневые двигатели) или наоборот (компрессоры); гибкие - для передачи вращающего момента между узлами машин, меняющими свое положение в работе (строительные механизмы, зубоврачебные машины и т.п.); телескопические - при необходимости осевого перемещения одного вала относительно другого.

Гибкие валы изготавливаются многослойной навивкой стальной пружинной проволоки на тонкий центральный стержень. Они сохраняют достаточную гибкость лишь при небольших диаметрах, так как при увеличения диаметра момент инерции сечения, а, следовательно, и жесткость резко возрастают, Поэтому при всех положительных качествах и удобстве привода, такие валы не могут передавать сколько-нибудь значительной мощности и имеют сравнительно узкое применение.

Оси обычно изготовляют прямыми. Наиболее широко распространены в машиностроении прямые валы и оси. Коленчатые и криволинейные валы относятся к специальным деталям и в настоящем курсе не изучаются.

По конструктивным признакам: гладкие валы и оси; ступенчатые валы и оси; валы-шестерни; валы-червяки.

Для осевого фиксирования деталей на валу или оси используются уступы, буртики, конические участки, стопорные кольца, распорные втулки, которые могут монтироваться в одном комплекте с другими деталями.

Наиболее удобны для сборки узлов ступенчатые валы: уступы предохраняют детали от осевого смещения и фиксируют их положения при сборке, обеспечивают свободное продвижение детали по валу до места ее посадки. Желательно, чтобы высота уступов допускала разборку узла без вынимания шпонок из вала. Диаметры посадочных участков должны быть выполнены по ГОСТ 6636-69, поскольку на эти диаметры существуют калибры массового производства. Для обеспечения необходимого вращения деталей вместе с осью или валом применяют шпонки, шлицы, штифты, профильные участки валов и посадки с натягом. По типу сечения валы и оси бывают; сплошные; полые комбинированные. Применение полых валов приводит к существенному снижению массы и повышению жесткости вала при той же прочности, но изготовление полых валов сложнее сплошных. Полыми валы изготовляют и в тех случаях, когда через вал пропускают другую деталь, подводят масло. Участки 1 осей и валов, которыми они опираются на подшипники при восприятии осевых нагрузок, называют пятами. Опорами для пят служат подпятники 2. Посадочные поверхности валов и осей под ступицы насаживаемых деталей называют цапфами и выполняют цилиндрическими, коническими или шаровыми. При этом принято называть промежуточные цапфы шейками, концевые - шипами. Широкое распространение в машиностроении получили цилиндрические цапфы; конические и шаровые цапфы применяют редко.

Опора вертикального вала: 1 - пята; 2 - подпятник

Цапфы: цилиндрические - а; конические - б; шаровые - в

Переходные участки между двумя диаметрами выполняют:

• 1) с галтелью постоянного радиуса;
• 2) с галтелью переменного радиуса. Такая галтель снижает концентрацию напряжений и увеличивает долговечность. Применяется она на сильно нагруженных участках валов и осей.

Конструктивные разновидности переходных участков между ступенями валов и осей: канавка со скруглением для выхода шлифовального круга; галтель постоянного радиуса; галтель переменного радиуса.

Конструктивные разновидности переходных участков вала: а - канавка; б - галтель; в - галтель переменного радиуса; г - фаска

Торцы валов и осей делают с фасками, т.е. слегка обтачивают их на конце. Посадочные поверхности валов и осей обрабатывают на токарных и шлифовальных станках.

Заплечики валов и осей препятствуют сдвигом лишь в одном направлении. В случае возможного осевого смещения в противоположную сторону для его исключения применяют гайки, штифты, стопорные винты и т.д. Концы валов для установки муфт, шкивов и других деталей, передающих вращающие моменты, выполняют цилиндрическими или коническими, а их размеры стандартизованы. Для установки шпонок вал снабжают пазом.

Материалы валов и осей

Основными критериями работоспособности валов и осей являются жесткость, объемная прочность и износостойкость при относительных микроперемещениях, которые вызывают коррозию.

В качестве материала для осей и валов чаще всего применяют углеродистые и легированные стали (прокат, поковка и реже стальные отливки), так как они обладают высокой прочностью, способностью к поверхностному и объемному упрочнению, легко получаются прокаткой цилиндрические заготовки и хорошо обрабатываются на станках, а также высокопрочный модифицированный чугун и сплавы цветных металлов (в приборостроении). Для неответственных малонагруженных конструкций валов и осей применяют углеродистые стали без термической обработки. Ответственные тяжело нагруженные валы изготовляют из легированной стали 40ХНМА, 25ХГТ и др. Без термической обработки применяют стали 35 и 40, Ст5, Стб, 40Х, 40ХН, ЗОХНЗА, с термической обработкой - стали 45, 50 и др.

Шейки валов, работающие на трение в подшипниках скольжения, должны иметь более твердую поверхность (НRС=50-60), что может быть достигнуто применением закалки TBЧ или цементации и закалки.

При небольших диаметрах зубчатых колес вал и шестерню выполняют как одно целое. В этом случае материал для изготовления вала-шестерни выбирают в соответствии с требованиями, предъявляемыми к материалу шестерни.

Механическую обработку валов обычно производят в центрах, для чего заготовки валов снабжают центровыми отверстиями. Канавки, галтели, шпоночные пазы на одном валу желательно иметь одинаковых размеров, чтобы обработать их одним и тем же инструментом.

В автомобильной и тракторной промышленности коленчатые валы двигателей изготавливают из ковкого или высокопрочного чугуна.

ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА И

ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ

Лекция 8

ВАЛЫ И ОСИ

А.М. СИНОТИН

Кафедра технологии и автоматизации производства

Валы и оси Общие сведения

Зубчатые колеса, шкивы, звездочки и другие вращающиеся детали машин устанавливают на валах или осях.

Вал предназначен для поддержания сидящих на нем деталей и для передачи крутящего момента. При работе вал испытывает изгиб и кручение, а в отдельных случаях дополнительно растяжение и сжатие.

Ось – деталь, предназначенная только для поддержания сидящих на ней деталей. В отличие от вала, ось не передает вращающего момента и, следовательно, не испытывает кручения. Оси могут быть неподвижными или вращаться вместе с насаженными на них деталями.

Разновидность валов и осей

По геометрической форме валы делятся на прямые (рисунок 1), коленчатые и гибкие.

1 – шип; 2 – шейка; 3 – подшипник

Рисунок 1 – Прямой ступенчатый вал

Коленчатые и гибкие валы относятся к специальным деталям и в настоящем курсе не рассматриваются. Оси, как правило, изготавливают прямыми. По конструкции прямые валы и оси мало отличаются друг от друга.

По длине прямые валы и оси могут быть гладкими или ступенчатыми. Образование ступеней связано с различной напряженностью отдельных сечений, а также условиями изготовления и удобства сборки.

По типу сечения валы и оси бывают сплошные и полые. Полое сечение применяется для уменьшения массы или для размещения внутри другой детали.

Элементы конструкции валов и осей

1 Цапфы. Участки вала или оси, лежащие в опорах, называются цапфами. Они подразделяются на шипы, шейки и пяты.

Шипом называется цапфа, расположенная на конце вала или оси и передающая преимущественно радиальную нагрузку (рис. 1).

Рисунок 2 – Пяты

Шейкой называется цапфа, расположенная в средней части вала или оси. Опорами для шеек служат подшипники.

Шипы и шейки по форме могут быть цилиндрическими, коническими и сферическими. В большинстве случаев применяются цилиндрические цапфы (рис. 1).

Пятой называется цапфа, передающая осевую нагрузку (рисунок 2). Опорами для пят служат подпятники. Пяты по форме могут быть сплошными (рисунок 2, а), кольцевыми (рисунок 2, б) и гребенчатыми (рисунок 2, в). Гребенчатые пяты применяют редко.

2 Посадочные поверхности. Посадочные поверхности валов и осей под ступицы насаживаемых деталей выполняют цилиндрическими (рисунок 1) и реже коническими. При прессовых посадках диаметр этих поверхностей принимают примерно на 5% больше диаметра соседних участков для удобства напрессовки (рисунок 1). Диаметры посадочных поверхностей выбирают по ГОСТ 6336-69, а диаметры под подшипники качения – в соответствии с ГОСТами на подшипники.

3 Переходные участки. Переходные участки между двумя ступенями валов или осей выполняют:

С канавкой со скруглением для выхода шлифовального круга по ГОСТ 8820-69 (рисунок 3, а). Эти канавки повышают концентрацию напряжений, поэтому рекомендуются на концевых участках, где изгибающие моменты небольшие;

Рисунок 3 – Переходные участки вала

с галтелью * постоянного радиуса по ГОСТ 10948-64 (рисунок 3, б);

С галтелью переменного радиуса (рисунок 3, в), которая способствует снижению концентрации напряжений, а потому применяется на сильно нагруженных участках валов и осей.

Эффективными средствами для снижения концентрации напряжений в переходных участках является протачивание разгрузочных канавок (рисунок 4, а), увеличение радиусов галтелей, высверливание в ступенях большого диаметра (рисунок 4, б).

Рисунок 4 – Способы повышения усталостной прочности валов

НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ВАЛОВ. ВАЛЫ И ОСИ

Вращающиеся детали машин (зубча-тые колеса, шкивы, звездочки и др.) размещают на валах и осях. Валы пред-назначены для передачи вращающего момента вдоль своей оси. Силы, возни-кающие при передаче вращающего мо-мента, вызывают напряжения кручения и изгиба, а иногда напряжения растя-жения или сжатия.

Оси не передают вращающий момент; действующие в них силы вызывают лишь напряжения изгиба (незначительные вращающие моменты от сил трения не учитывают-ся). Валы вращаются в подшипниках . Ocи могут быть вращающиеся или не-подвижные.

По назначению различают валы пе-редач и коренные валы, несущие нагруз-ку не только от деталей передач, но и от рабочих органов машин (дисков, фрез, барабанов и т. д.).

По конструкции валы можно разде-лить на прямолинейные, коленчатые и гибкие (рис. 4.1). Широко применяют прямолинейные валы ступенчатой кон-струкции. Такая форма вала удобна при монтаже, так как позволяет установить деталь с натягом без повреждения со-седних участков и обеспечить ее осевую фиксацию. Уступы валов могут воспри-нимать значительные осевые нагрузки. Однако в местах сопряжения участков разного диаметра возникает концент-рация напряжений, что снижает проч-ность вала.

Чтобы уменьшить массу вала, и обеспечить подачу масла, охлаждающей жидкости или воздуха, применяют полые валы.

К особой группе относятся гибкие валы, используемые для передачи вра-щающего момента между валами, оси вращения которых смещены в пространстве.

В сельскохозяйственных, подъемно-транспортирующих и других машинах часто используют трансмисси-онные валы, длина которых достигает нескольких метров. Их выполняют со-ставными, соединяя с помощью флан-цев или муфт.

Критерии работоспособности вала.

Конструкция, размеры и материал вала существенно зависят от критериев, оп-ределяющих его работоспособность. Работоспособность валов характеризу-ется в основном их прочностью и жест-костью, а в некоторых случаях виброус-тойчивостью и износостойкостью.

Большинство валов передач разру-шаются вследствие низкой усталостной прочности. Поломки валов в зоне кон-центрации напряжений происходят из-за действий переменных напряжений. Для тихоходных валов, работающих с перегрузками, основным критерием ра-ботоспособности служит статическая прочность. Жесткость валов при изгибе и кручении определяется значениями прогибов, углов поворота упругой ли-нии и углов закрутки. Упругие переме-щения валов отрицательно влияют на работу зубчатых и червячных передач, подшипников, муфт и других элемен-тов привода, понижая точность меха-низмов, увеличивая концентрацию на-грузок и износ деталей.

Для быстроходных валов опасно возникновение резонанса — явления, когда частота собственных колебаний совпадает или кратна частоте возмуща-ющих сил. Для предотвращения резо-нанса выполняют расчет на виброустойчивость. При установке валов на подшипниках скольжения размеры цапф вала определяют из условия изно-состойкости опоры скольжения.

Рис. 4.1 Типы валов и осей:

а — прямая ось; б — ступенчатый сплошной вал; в — ступенчатый полый вал; г — коленчатый вал; д — гибкий вал

Конструирование вала выполняют поэтапно.

На первом этапе определяют расчет-ные нагрузки, разрабатывают расчет-ную схему вала, строят эпюры момен-тов. Этому этапу предшествует эскиз-ная компоновка механизма, в процессе которой предварительно определяют основные размеры вала и взаимное по-ложение деталей, участвующих в пере-даче нагрузок.

К действующим нагрузкам, которые передаются на вал со стороны детали (шкива, звездочки, зубчатого колеса и др.) или с вала на деталь, относятся:

Силы в зацеплении зубчатых и червячных передач;

Нагрузки на валы ременных и цепных передач;

Нагрузки, возникающие при установке муфт в результате неточности монтажа и других ошибок.

Определение сил в зацеплении и нагрузок на валы ременных и цепных передач рассмотрено выше.

При установке на концах входных; выходных валов соединительных муфт учитывают радиальную консольную грузку, вызывающую изгиб вала. Эту нагрузку рекомендуется определять по ГОСТ 16162-85.

Для входных и выходных валов одноступенчатых цилиндрических конических редукторов и для быстроходных валов редукторов любого типа консольную нагрузку можно приближенно рассчитать по формуле

; (4.1)

для тихоходных валов двух- и трех - ступенчатых редукторов, а также червячных передач

; (4.2.)

где Т — вращающий момент на валу, Н. м.

Силы и моменты, передаваемые ступицей на деталь, упрощенно принимают сосредоточенными и приложенны-ми в середине ее длины.

При выполнении расчетной схемы вал рассматривают как шарнирно-закрепленную балку. Положение точки опоры вала зависит от типа подшипника (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Точки опоры вала:

а — на радиальном подшипнике; б — на радиально-упорном подшипнике;

в — на двух подшипниках в одной опоре; г — на подшипнике скольжения.

Действующие в двух взаимно перпендикулярных плоскостях (вертикальной и горизонтальной) силы переносят в точки на оси вала. Строят эпюры из-гибающих и вращающих моментов в двух плоскостях (рис. 4.3).

Момент от окружной силы изобра-жают на эпюре вращающих моментов, от осевой силы в вертикальной плоско-сти — в виде скачка М′ z на эпюре изги-бающих моментов. Эпюры строят по методике, изложенной в курсе сопротивления материалов.

По эпюрам определяют суммарные изгибающие моменты в любом сечении. Так в сечении 1-1 наибольший суммарный момент

где М z 1 — изгибающий момент в опасном сече-нии в плоскости ZY; М х1 — изгибающий момент в опасном сечении в плоскости XY; М к1 — изги-бающий момент в плоскости действия консоль-ной нагрузки. Сравнивая полученные значения, выделяют наиболее опасные сечения вала.

На втором этапе разрабатывают кон-струкцию вала. Предварительно опре-деляют диаметр выходного участка по условному допустимому напряжению кручения [τ], принимая его равным 15-25 МПа.

Диаметр вала, мм,

Если выбрана ступенчатая конструк-ция вала, определяют диаметры и длины его участков, используя расчетную схе-му или эскизную компоновку (см. выше)

Рис. 4.3. Схемы нагружения вала. Эпюры изгиба-ющих и вращающего моментов Принятые размеры рекомендует-ся уточнять по ГОСТ 6636—69*.

Ступенчатая форма вала предпочти-тельна, так, как упрощается сборка со-единений с натягом, предотвращаются повреждения участков с поверхностями повышенной чистоты обработки, форма вала приближается к равнопрочному брусу. Однако в местах сопряжения участков разного диаметра возникает концентрация напряжений, что снижает прочность вала, а при использовании в качестве заготовки прутка или поковки усложняется технология изготовления, увеличивается расход металла. Чтобы снизить концентрацию на-пряжений, а следовательно, повысить усталостную прочность вала, переход-ные участки чаще всего выполняют с галтелями (рис. 4.4). Радиус галтели r и высоту заплечика (уступа) выбирают в зависимости от диаметра вала d, осе-вой силы, размеров R, с 1 и формы уста-навливаемой детали (табл. 4.1).

Рис. 4.4. Переходные участки вала в виде галтелей

Таблица 4.1 Размеры галтелей, мм. (см. рис.4.4.)

Если уступ служит для осевой фик-сации подшипника, то высота h . (табл.4.2) должна быть меньше толщины внутреннего кольца подшипни-ка на величину t, достаточную для раз-мещения лапок съемника при демон-таже.

Канавки для выхода шлифовального круга (рис. 4.5) вызывают более высо-кую концентрацию напряжений, чем галтели. Переходы такими канавками выполняют при значительном запасе прочности вала. Размеры канавок даны в таблице 4.3.

Чтобы исключить осевые зазоры, длину посадочного участка вала следует выполнять несколько меньше длины ступицы насаживаемой детали. Для удобства монтажа участок вала под по-садку с натягом должен иметь скосы и фаски (рис. 4.6, а, б, табл. 4.4).

Рис. 4.5. Канавки для выхода шлифовального круга:

а, б — для шлифования цилиндрической поверхности вала;

в — для шлифования цилиндрической поверхности и торца уступа

Если участок вала не имеет упорных буртиков, то его диаметр рекомендуют принимать на 5 % меньше посадочного диаметра (рис. 4.6, в).

Форма выходного участка вала (рис. 4.7) может быть цилиндрическая (ГОСТ 12080—66*) или коническая (ГОСТ 12081—72*). Конический конец вала выполнить сложнее. Однако кони-ческие соединения обладают большой нагрузочной способностью, их легче собирать и разбирать. Осевое усилие создают, затягивая гайку. Для этого на конце хвостовика предусматривают крепежную резьбу.

Рис. 4.6. Фаски (а), скосы (б) и переходные участки (в)

Рис. 4.7. Выходные участки валов: а - цилиндрический, б - конический

Форма и размеры шпоночных кана-вок на валу зависят от типа шпонки и режущего инструмента. Пазы для приз-матических шпонок, изготовленные дисковой фрезой, вызывают меньшую концентрацию напряжений. Однако фиксация шпонки здесь менее надеж-на, а паз длиннее за счет участков для выхода фрезы (рис. 4.8). При наличии пазов для призматических шпонок следует предусмотреть такие размеры участков ступенчатых валов, чтобы де-монтаж деталей происходил без удале-ния шпонок, так как шпонки устанав-ливают в пазах по прессовой посадке и выемка их нежелательна.

Поэтому ди-аметр d 2 соседнего посадочного участ-ка определяют с учетом высоты h шпонки:

где t 2 — глубина паза в ступице, мм

Рис. 4.8. Шпоночные пазы:

а — изготовленные пальцевой фрезой; б— дисковой фрезой.

Обозначения: l — рабочая длина шпонки; b— ширина шпонки;

lвых — длина участка для выхода фрезы; Dфр — диаметр дисковой фрезы

Если на выходных участках валов это условие невыполнимо, то шпоноч-ный паз фрезеруют «на проход». При установке на валу нескольких шпонок их следует располагать в одной плос-кости и предусматривать для них по возможности одинаковую ширину па-зов при соблюдении условий прочнос-ти шпоночных соединений. Это позво-ляет обрабатывать пазы без изменения положения вала и одним инструмен-том.

Размеры зубьев шлицевых участков выбирают, учитывая диаметры сосед-них посадочных участков вала. Для вы-хода режущего инструмента внутрен-ний диаметр d зубьев шлицевого участ-ка, расположенного между подшипни-ками, должен быть больше посадочного диаметра подшипника. В противном случае для выхода фрезы предусматри-вают участок длиной l вых (рис. 4.9, табл. 4.5).

По такому же принципу конструи-руют резьбовые участки валов под круг-лые шлицевые гайки. На участках пре-дусматривают канавки для выхода резь-бонарезного инструмента (рис.4.10, табл.4.6) и под язычок стопорной многолапчатой шайбы.

Рис. 4.9. Шлицевые участки валов

Таблица 4.5. Диаметр фрезы для прямобочных шлицев (см. рис.4.9)

Таблица 4.6. Размеры канавок разных типов, мм (см. рис. 4.11.)

Примечание. У канавок типа I радиус скоса r 1 = 0,5 мм.

При изготовлении вала за одно це-лое с шестерней (рис. 4.11) материал вала и способ термообработки выбира-ют по условиям прочности зубьев шес-терни.

Для изготовления валов применяют углеродистые конструкционные стали 40, 45, 50 и легированную сталь 40Х твердостью НВ≤ 300. Легированные стали 40ХН, 30ХГСА, 30ХГТ и других марок с последующей закалкой ТВЧ применяют для высоконагруженных валов. Быстроходные валы, вращающи-еся в подшипниках скольжения, для повышения износостойкости цапф из-готовляют из цементуемых сталей 20Х, 12ХНЗА, 18ХГТ или азотируемой стали 38Х2МЮА. Если размеры вала опреде-ляются условиями жесткости, то можно

использовать стали Ст. 5, Ст. 6. Это до-пускается при отсутствии на валу изна-шиваемых поверхностей (цапф, шли-цев и др.), требующих прочных, терми-чески обработанных сталей. Фасонные валы (например, коленчатые) изготов-ляют из высокопрочных и модифици-рованных чугунов.

Механические характеристики валов указаны в таблице 4.7.

На третьем этапе конструирования выполняют проверочный расчет вала, определяя эквивалентное напряжение или запас прочности в наиболее опас-ных сечениях.

Для валов, работающих в режиме кратковременных перегрузок, в целях предупреждения пластических дефор-маций выполняют проверочный рас-чет н а статическую проч-ность. Эквивалентное напряжение в опасном сечении, МПа,

; (4.6)

где d — диаметр вала, мм; М — наибольший из-гибающий момент, Н. м; Т — наибольший вра-щающий момент, Н. м.

Допустимое напряжение, МПа,

где σ т — предел текучести, МПа; S T — запас проч-ности по пределу текучести: S T = 1,2-1,8.

Проверочный расчет осей выполня-ют по формуле (4.6) при T = 0.

При длительно действующих на-грузках выполняют проверочный расчет н а сопротивление усталости. Коэффициент запаса усталостной прочности

; (4.8)

где S σ ; Sτ — коэффициенты запаса прочности со-ответственно по напряжениям изгиба и круче-ния; [S] — допустимый коэффициент запаса прочности: [S] = 2-2,5.

Коэффициент запаса прочности по напряжениям изгиба

; (4.9)

Рис. 4.11. Конструкция вала — шестерни.

Обозначения: da1 — диаметр шестерни; dB — диаметр вала;

dП — посадочный диаметр вала под подшипник по напряжениям кручения

; (4.10)

где σ -1,-1 — пределы выносливости материала вала соответственно при изгибе и кручении с симметричным знакопеременным циклом, МПа (см.табл. 4.7); К σ D , K D — коэффициенты кон-центрации напряжений, учитывающие влияние всех факторов на сопротивление усталости; σ а, D — переменные составляющие цикла измене-ния напряжений (амплитуды), МПа; ψ σ ψ — ко-эффициенты, характеризующие чувствитель-ность материала к асимметрии цикла напряже-ний (см. табл. 4.7); σ m ; m — постоянные состав-ляющие цикла изменения напряжений, МПа.

Составляющие цикла изменения на-пряжений изгиба:

; (4.11)

где M Σ — суммарный изгибающий момент, Н. м; W o — момент сопротивления сечения вала изги-бу) мм 3 ; F а — осевое усилие. Н; А — площадь се-чения вала, мм 2: А = nd 2 /4.

ВАЛЫ И ОСИ

Основные сведения

Детали, на которые насаживают вращающиеся детали машин (например, шкивы, зубчатые колеса), называют валами и осями. Различают валы и оси по условиям нагружения:

· валы передают крутящий момент вдоль своей оси вращения и испытывают напряжения изгиба, сжатия, растяжения и кручения;

· оси не передают крутящий момент и нагружаются только изгибающими напряжениями.

Валы и оси имеют аналогичные формы и одну общую функцию – поддерживать насажанные на них детали (классификация валов пред­ставлена в табл.1.1).

Таблица 1.1

Классификации валов

Следует отметить, что гладкие валы более технологичны, чем ступенчатые, и что иногда валы и оси выполняют полыми как с целью снижения массы, так и с целью установки внутрь вала других деталей вра­щения. Полый вал с соотношением диаметра внутреннего отверстия к наружному диаметру вала, равным 0,75, легче сплошного равнопрочного вала поч­ти в 2 раза.

В массовом производстве иногда используют полые сварные валы из стальной ленты, намотанной по винтовой линии. При этом экономится до 60% металла .

По конструкции оси делят на 2 основные группы:

1) подвижные оси , вращающиеся в опорах вместе с насажанными на них деталями (рис. 1.1, а);

2) неподвижные оси , слу­жащие опорами для вращающихся на них деталей (рис. 1.1, б).

Рис. 1.1. Примеры конструкций осей:

а – подвижная ось; б – неподвижная ось

Оси и валы конструируют обычно в виде брусьев состоящих из ряда цилиндрических участков различных диаметров. Насаживаемые на оси и валы детали крепят посредством шпонок либо шлицев. В осевом направлении детали относительно валов и осей фиксируют при помощи распорных колец (или втулок), а также благодаря нали­чию на валах буртиков и заплечиков.

Ступенчатая форма вала или оси определяется также стремлением приблизить их очертания к форме балки равного соп­ротивления изгибу. Балкой равного сопротивления изгибу называют брус, во всех поперечных сечениях которого наибо­льшие напряжения изгиба одинаковы. Такой брус круглого поперечного сечения имеет форму кубического парабо­лоида вдоль своей оси.

Однако изготовить брус, имеющий форму кубического параболоида, весьма сложно, и эта форма неудоб­на для посадки на вал сопряженных с ним деталей. Поэтому вал (ось) выполняют состоящим из цилиндрических и конических участков разных диаметров (рис.1.2). Это делают для того, чтобы материал вала как можно равно­мернее нагружался по всему своему объему.

Рис. 1.2. Пример конструкции ступенчатого вала

Оси и валы опираются на неподвижные опорные части – подшип­ники и подпятники. Участки осей и валов, непосредственно соприкасающиеся с опорами, называют цапфами . Концевые цапфы называют шипами , а промежуточные цапфы – шейками . Торцы, упирающиеся в неподвижную опору и препятствующие осевому смещению вала (оси), называют пятами. Они могут быть плоскими, шаровыми или коническими.

Перепад двух соседних участков вала называют ступенью , например: одна из ступеней вала – хвостовик диаметром d и соседний участок диаметром D (см. рис.1.2). Минимальная величина ступени составляет 2...3 мм на сторону, т.е. перепад по радиусу. Вместе с тем, величины диаметров D и d должны быть согласованы с нормальными линейными размерами по ГОСТ 6636-69.

Торцевые поверхности ступеней вала (оси) называют заплечи­ками . Различие между диаметрами сосед­них цилиндрических участков вала (оси) должно обеспечивать дос­таточные размеры заплечиков для осевой фиксации насаживаемых на вал (ось) деталей вращения.

Сопряжение двух соседних участков ступени вала (оси), называемое галтелью , желательно выполнять посредством плавного переходаду­гой как можно большего радиуса. Радиус галтели обычно принимают в пределах от 0,05 . d до 0,10 . d (см. рис. 1.2).

Галтель снижает концентрацию напряжений в месте перехода от одного диаметра вала к дру­гому. Особенно это важно при переменных нагрузках на вал.

Рис. 1.3. Виды галтелей на ступени вала:

а – постоянным радиусом; б – двумя радиусами;

в – постоянным радиусом и с проточкой, разгружающей концентрацию напряжений; г – с поднутрением в заплечик вала

Переход от одного диаметра вала к другому, выполненный по рис.1.4, а , нерационален, так как выточка – сильный концентратор напряжений. Влияние выточки можно несколько смягчить, выполнив ее согласно рис. 1.4, б .

Рис. 1.4. Проточки на валу: а – без скруглений; б – со скруглениями

Конструкция валов и осей определяется условиями их эксплуатации. В ряде сельскохозяйственных машин применяют длинные (до 20м) составные валы, используемые для передачи крутящего мо­мента. Такие валы называют трансмиссионными . В поршневых двигателях и компрессорах применяют колен­чатые валы , имеющие ломаную ось вращения.

Для передачи крутящего момента между агрегатами со смещенными в пространстве осями входного и выходного валов применяют гибкие валы, имеющие криволинейную геометрическую ось при работе. Эти валы об­ладают высокой жесткостью на кручение и малой изгибной жесткостью. Примером служит гибкий вал бормашины в стоматологии.

Оси служат для поддержания вращающихся вместе с ними или на них различных деталей машин и механизмов. Вращение оси вместе с установленными на ней деталями осуществляется относительно ее опор, называемых подшипниками. Примером невращающейся оси может служить ось блока грузоподъемной машины (рис. 1, а), а вращающейся оси - вагонная ось (рис. 1, б). Оси воспринимают нагрузку от расположенных на них деталей и работают на изгиб.

Рис. 1

Конструкции осей и валов.

Валы в отличие от осей предназначены для передачи крутящих моментов и в большинстве случаев для поддержания вращающихся вместе с ними относительно подшипников различных деталей машин. Валы, несущие на себе детали, через которые передается крутящий момент, воспринимают от этих деталей нагрузки и, следовательно, работают одновременно на изгиб и кручение. При действии на установленные на валах детали (конические зубчатые колеса, червячные колеса и т. д.) осевых нагрузок.валы дополнительно работают на растяжение или сжатие. Некоторые валы не поддерживают вращающиеся детали (карданные валы автомобилей, соединительные валки прокатных станов и т. п.), поэтому эти валы работают только на кручение. По назначению различают валы передач, на которых устанавливают зубчатые колеса, звездочки, муфты и прочие детали передач, и коренные валы, на которых устанавливают не только детали передач, но и другие детали, например маховики, кривошипы и т. д.

Оси представляют собой прямые стержни (рис 1, а, б), а валы различают прямые (рис. 1, в, г), коленчатые (рис. 1, д) и гибкие (рис. 1, е). Широко распространены прямые валы. Коленчатые валы в кривошипно-шатунных передачах служат для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное или наоборот и применяются в поршневых машинах (двигатели, насосы). Гибкие валы, представляющие собой многозаходные витые из проволок пружины кручения, применяют для передачи момента между узлами машин, меняющими свое относительное положение в работе (механизированный инструмент, приборы дистанционного управления и контроля, зубоврачебные бормашины и т. п.). Коленчатые и гибкие валы относятся к специальным деталям, их изучают в соответствующих специальных курсах. Оси и валы в большинстве случаев бывают круглого сплошного, а иногда кольцевого поперечного сечения. Отдельные участки валов имеют круглое сплошное или кольцевое сечение со шпоночной канавкой (рис. 1, в, г) или со шлицами, а иногда профильное сечение. Стоимость осей и валов кольцевого сечения обычно больше, чем сплошного сечения; их применяют в случаях, когда требуется уменьшить массу конструкции, например в самолетах (см. также оси сателлитов планетарного редуктора на рис. 4), или разместить внутри другую деталь. Полые сварные оси и валы, изготовляемые из ленты, расположенной по винтовой линии, позволяют снижать массу до 60%.

Оси небольшой длины изготовляют одинакового диаметра по всей длине (рис. 1, а), а длинные и сильно нагруженные – фасонными (рис. 1, б). Прямые валы в зависимости от назначения делают либо постоянного диаметра по всей длине (трансмиссионные валы, рис. 1, в), либо ступенчатыми (рис. 1, г), т.е. различного диаметра на отдельных участках. Наиболее распространены ступенчатые валы, так как их форма удобна для установки на них деталей, каждая из которых должна к своему месту проходить свободно (валы редукторов см. в статье "Зубчатые редукторы" рис. 2; 3; и "Червячная передача" рис. 2; 3). Иногда валы изготовляют заодно с шестернями (см. рис. 2) или червяками (см. рис. 2; 3).

Рис. 2

Участки осей и валов, которыми они опираются на подшипники , называют при восприятии радиальных нагрузок цапфами, при восприятии осевых нагрузок - пятами. Концевые цапфы, работающие в подшипниках скольжения , называют шипами (рис. 2, а), а цапфы, расположенные на некотором расстоянии от концов осей и валов, - шейками (рис. 2, б). Цапфы осей и валов, работающие в подшипниках скольжения, бывают цилиндрическими (рис. 2, а), коническими (рис. 2, в) и сферическими (рис. 2, г). Самые распространенные - цилиндрические щшфы, так как они наиболее просты, удобны и дешевы в изготовлении, установке и работе. Конические и сферические цапфы применяют сравнительно редко, например для регулирования зазора в подшипниках точных машин путем перемещения вала или вкладыша подшипника, а иногда для осевого фиксирования оси или вала. Сферические цапфы применяют тогда, когда вал помимо вращательного движения должен совершать угловое перемещение в осевой плоскости. Цилиндрические цапфы, работающие в подшипниках скольжения, обычно делают несколько меньшего диаметра по сравнению с соседним участком оси или вала, чтобы благодаря заплечикам и буртикам (рис. 2, б) оси и валы можно было фиксировать от осевых смещений. Цапфы осей и валов для подшипников качения почти всегда выполняют цилиндрическими (рис. 3, а, б). Сравнительно редко применяют конические цапфы с небольшим углом конусности для регулирования зазоров в подшипниках качения упругим деформированием колец. На некоторых осях и валах для фиксирования подшипников качения рядом с цапфами предусматривают резьбу для гаек (рис. 3, б;) или кольцевые выточки для фиксирующих пружинных колец.

Рис. 3

Пяты, работающие в подшипниках скольжения, называемых подпятниками, делают обычно кольцевыми (рис. 4, а), а в некоторых случаях - гребенчатыми (рис. 4, б). Гребенчатые пяты применяют при действии на валы больших осевых нагрузок; в современном машиностроении они встречаются редко.

Рис. 4

Посадочные поверхности осей и валов, на которых устанавливают вращающиеся детали машин и механизмов, выполняют цилиндрическими и гораздо реже коническими. Последние применяют, например, для облегчения постановки на вал и снятия с него тяжелых деталей при повышенной точности центрирования деталей.

Поверхность плавного перехода от одной ступени оси или вала к другой называется галтелью (см. рис. 2, а, б). Переход от ступеней меньшего диаметра к ступени большего диаметра выполняют со скругленной канавкой для выхода шлифовального круга (см. рис 3). Для снижения концентрации напряжений радиусы закруглений галтелей и канавок принимают возможно большими, а глубину канавок - меньшей (ГОСТ 10948-64 и 8820-69).

Разность между диаметрами соседних ступеней осей и валов для снижения концентрации напряжений должна быть минимальной. Торцы осей и валов для облегчения установки на них вращающихся деталей машин и предубеждения травмирования рук делают с фасками, т. е. слегка обтачивают на конус (см. рис. 1...3). Радиусы закруглений галтелей и размеры фасок нормализованы ГОСТ 10948-64.

Длина осей обычно не превышает 2...3 м, валы могут быть длиннее. По условиям изготовления, транспортировки и монтажа длина цельных валов не должна превышать 6...7 м. Более длинные валы делают составными и отдельные части их соединяют муфтами или с помощью фланцев. Диаметры посадочных участков осей и валов, на которых устанавливаются вращающиеся детали машин и механизмов, должны быть согласованы с ГОСТ 6636-69 (СТ СЭВ 514-77).

Материалы осей и валов.

Оси и валы изготовляют из углеродистых и легированных конструкционных сталей, так как они обладают высокой прочностью, способностью к поверхностному и объемному упрочнению, легкостью получения прокаткой цилиндрических заготовок и хорошей обрабатываемостью на станках. Для осей и валов без термообработки используют углеродистые стали Ст3, Ст4, Ст5, 25, 30, 35, 40 и 45. Оси и валы, к которым предъявляют повышенные требования к несущей способности и долговечности шлицев и цапф, выполняют из среднеуглеродистых или легированных сталей с улучшением 35, 40, 40Х, 40НХ и др. Для повышения износостойкости цапф валов, вращающихся в подшипниках скольжения, валы делают из сталей 20, 20Х, 12ХНЗА и других с последующей цементацией и закалкой цапф. Ответственные тяжелонагруженные валы изготовляют из легированных сталей 40ХН, 40ХНМА, 30ХГТ и др. Тяжелонагруженные валы сложной формы, например, коленчатые валы двигателей, делают также из модифицированного или высокопрочного чугуна.