Вращающиеся детали машин устанавливают на валах или осях, обеспечивающих постоянное положение оси вращения этих деталей.
Валы - детали, предназначенные для передачи крутящего момента вдоль своей оси и для поддержания вращающихся деталей машин.
Валы по назначению можно разделить на валы передач , несущие детали передач – зубчатые колеса, шкивы, звездочки, муфты (рис. ,а и б), и на коренные валы машин и другие специальные валы, несущие кроме деталей передач рабочие органы машин двигателей или орудий – колеса или диски турбин, кривошипы, зажимные патроны и т. д. (рис. ,в и д )
По форме геометрической оси валы разделяют на прямые и коленчатые.
Оси – детали, предназначенные для поддержания вращающихся деталей и не передающие полезного крутящего момента.
Рис. 12.1 Основные типы валов и осей:
а – гладкий трансмиссионный вал; б – ступенчатый вал;
в – шпиндель станка; г - вал паровой турбины; д – коленчатый вал;
е – ось вращающегося вагонная; ж – ось невращающаяся вагонетки.
Опорные части валов и осей называют цапфами . Промежуточные цапфы называют шейками , концевые – шипами .
Прямые валы по форме разделяют на валы постоянного диаметра (валы трансмиссионные и судовые многопролетные, рис. ,а, а также валы, передающие только крутящий момент); валы ступенчатые (большинство валов, рис. б-г ); валы с фланцами для соединения по длине, а также валы с нарезанными шестернями или червяками. По форме сечения валы разделяются на гладкие, шлицевые, имеющие на некоторой длине профиль зубчатого (шлицевого) соединения, и профильные.
Форма вала по длине определяется распределением нагрузок по длине.
Эпюры моментов по длине валов, как правило, существенно неравномерны. Крутящий момент обычно передается не на всей длине вала. Эпюры изгибающих моментов обычно сходят к нулю к концевым опорам или к концам валов. Поэтому по условию прочности допустимо и целесообразно конструировать валы переменного сечения приближающимися к телам равного сопротивления. Практически валы выполняю ступенчатыми. Эта форма удобна в изготовлении и сборке; уступы валов могут воспринимать большие осевые силы.
Перепад диаметров ступеней определяется: стандартными диаметрами посадочных поверхностей под ступицы и подшипники, достаточной опорной поверхностью для восприятия осевых сил при заданных радиусах закругления кромок и размерах фасок и, наконец, условиями сборок.
Цапфы (шейки) валов, работающие в подшипниках скольжения, выполняют: а) цилиндрическими; б) коническими; в) сферическими (рис.). Основное применение имеют цилиндрические цапфы. Концевые цапфы для облегчения сборки и фиксации вала в осевом направлении обычно делают несколько меньшего диаметра, чем соседний участок вала (рис.).
Цапфы валов для подшипников качения (рис.) характеризуются меньшей длиной, чем цапфы для подшипников скольжения.
Цапфы для подшипников качения нередко выполняют с резьбой или другими средствами для закрепления колец.
Рис. 12.4 Конструктивные средства повышения выносливости
валов в местах посадок: а – утолщение подступичной чвсти вала;
б – закругление кромок ступицы; в – утонение ступицы; г – разгрузочные
канавки; д – втулки или заливки в ступице из материала с низким модулем
упругости.
Выносливость валов определяется относительно малыми объемами металла в зонах значительной концентрации напряжений. Поэтому особо эффективны специальные конструкторские и технологические мероприятия по повышению выносливости валов.
Конструктивные средства повышения выносливости валов в местах посадок путем уменьшения кромочных давлений показаны на рис. .
Упрочнением подступичных частей поверхностным наклепом (обкаткой роликами или шариками) можно повысить предел выносливости валов на 80 – 100%, причем этот эффект распростра- няется на валы диаметром до 500 – 600 мм.
Прочность валов в местах шпоночных, зубчатых (шлицевых) и других разъемных соединений со ступицей может быть повышена: применением эвольвентных шлицевых соединений; шлицевых соединений с внутренним диаметром, равным диаметру вала на соседних участках, или с плавным выходом шлицев на поверхность, обеспечивающим минимум концентрации напряжений; шпоночных канавок, изготовляемых дисковой фрезой и имеющих плавный выход на поверхность; бесшпоночных соединений.
Осевые нагрузки и на валы от насаженных на них деталей передаются следующими способами. (рис.)
1) тяжелые нагрузки – упором деталей в уступы на валу, посадкой деталей или установочных колец с натягом (рис. ,а и б)
2) средние нагрузки – гайками, штифтами непосредственно или через установочные кольца, клеммовыми соединениями (рис. ,в – д);
3) легкие нагрузки и предохранение от перемещений случайными силами – стопорными винтами непосредственно или через установочные кольца, клеммовыми соединениями, пружинными кольцами (рис. ,д – ж).
Валы и оси
План 1. Назначение. 2. Классификация. 3. Конструктивные элементы валов и осей. 4. Материалы и термообработка. 5. Расчеты валов и осей.
Назначение
Валы - детали, предназначенные для передачи крутящего момента вдоль своей оси и для поддержания вращающихся деталей машин. Вал воспринимает силы, действующие на детали, и передает их на опоры. При работе вал испытывает изгиб и кручение.
Оси предназначены для поддержания вращающихся деталей, полезного крутящего момента не передают. Оси не испытывают кручения. Оси могут быть неподвижные и вращающиеся.
Классификация валов
По назначению:
а) валы передач, несущие детали передач - муфты, зубчатые колеса, шкивы, звездочки;
б) коренные валы машин;
в) другие специальные валы, несущие рабочие органы машин или орудий - колеса или диски турбин, кривошипы, инструменты и т.д.
По конструкции и форме:
а) прямые;
б) коленчатые;
в) гибкие.
Прямые валы делятся на:
а) гладкие цилиндрические;
б) ступенчатые;
в) валы – шестерни, валы – червяки;
г) фланцевые;
д) карданные.
По форме поперечного сечения:
а) гладкие сплошного сечения;
б) пустотелые (для размещения соосного вала, деталей управления, подачи масла, охлаждения);
в) шлицевые.
Оси разделяют на вращающиеся, обеспечивающие лучшую работу подшипников, и неподвижные, требующие встройки подшипников во вращающиеся детали,
Конструктивные элементы валов и осей
Опорная часть вала или оси называется цапфой . Концевая цапфа называется шипом , а промежуточная – шейкой .
Кольцевое утолщение вала, составляющее с ним одно целое, называется буртиком . Переходная поверхность от одного сечения к другому, служащая для упора насаживаемых на вал деталей, называется заплечиком.
Для уменьшения концентрации и повышения прочности, переходы в местах изменения диаметра вала или оси делают плавными. Криволинейную поверхность плавного перехода от меньшего сечения к большему называют галтелью. Галтели бывают постоянной и переменной кривизны. Переменность радиуса кривизны галтели повышает несущую способность вала на 10%. Галтели с подвнутрением увеличивают длину базирования ступиц.
Повышение прочности валов в переходных сечениях достигается также удалением малонапряженного материала: выполнением разгрузочных канавок и высверливанием отверстий в ступенях большого диаметра. Эти мероприятия обеспечивают более равномерное распределение напряжений и снижают концентрацию напряжений
Форма вала по длине определяется распределением нагрузок, т.е. эпюрами изгибающих и крутящих моментов, условиями сборки и технологией изготовления. Переходные участки валов между ступенями разных диаметров нередко выполняют с полукруглой канавкой для выхода шлифовального круга.
Посадочные концы валов, предназначенные для установки деталей, передающих вращающий момент в машинах, механизмах приборах стандартизованы. ГОСТ устанавливает номинальные размеры цилиндрических валов двух исполнений (длинные и короткие) диаметров от 0,8 до 630 мм, а также рекомендуемые размеры концов валов с резьбой. ГОСТ устанавливает основные размеры конических концов валов с конусностью 1:10 также двух исполнений (длинные и короткие) и двух типов (с наружной и внутренней резьбой) диаметров от 3 до 630 мм.
"Горцы валов для облегчения насадки деталей, во избежание обмятий и повреждения рук рабочих выполняют с фасками.
Материалы и термообработка
Выбор материала и термической обработки валов и осей определяется критериями их работоспособности.
Основными материалами для валов и осей служат углеродистые и легированные стали благодаря высоким механическим характеристикам, способности к упрочнению и легкости получения цилиндрических заготовок прокаткой.
Для большинства валов применяют среднеуглеродистые и легированные стали 45, 40Х. Для высоконапряженных валов ответственных машин применяют, легированные стали 40ХН, 40ХНГМА, 30ХГТ, 30ХГСА и др. Валы из этих сталей обычно подвергают улучшению, закалке с высоким отпуском или поверхностной закалке с нагревом ТВЧ и низким отпуском.
Для изготовления фасонных валов - коленчатых, с большими фланцами и отверстиями - и тяжелых валов наряду со сталью применяют высокопрочные чугуны (с шаровидным графитом) и модифицированные чугуны.
Расчет валов и осей
Валы испытывают действие напряжений изгиба и кручения, оси - только изгиба.
В процессе работы валы испытывают значительные нагрузки, поэтому для определения оптимальных геометрических размеров необходимо выполнить комплекс расчетов, включающий в себя определение:
Статической прочности;
Усталостной прочности;
Жесткости при изгибе и кручении.
При высоких скоростях вращения необходимо определять частоты собственных колебаний вала для того, чтобы предотвратить попадание в резонансные зоны. Длинные валы проверяют на устойчивость.
Расчет валов производится в несколько этапов.
Для выполнения расчета вала необходимо знать его конструкцию (места приложения нагрузки, расположение опор и т.п.) В то же время разработка конструкции вала невозможна без хотя бы приближенной оценки его диаметра. На практике обычно используют следующий порядок расчета вала:
1. Предварительно оценивают средний диаметр из расчета только на кручение при пониженных допускаемых напряжениях (изгибающий момент пока не известен, т.к. неизвестны расположение опор и места приложения нагрузок).
Напряжение кручения
Где Wp- момент сопротивления сечения, мм.
Предварительно оценить диаметр вала можно также ориентируясь на диаметр того вала, с которым он соединяется,(валы передают одинаковый момент Т). Например, если вал соединяется с валом электродвигателя (или другой машины) то диаметр его входного конца можно принять равным или близким к диаметру выходного конца вала электродвигателя.
2.Основной расчет вала.
После оценки диаметра вала разрабатывают его конструкцию. Длину участков вала, а, следовательно, плечо приложения силы возьмем из компоновки. Предположим, что нам нужно рассчитать диаметр вала, на котором сидит косозубая шестерня. Вычертим схему нагружений вала. Для этого вала, учитывая наклон зубьев шестерни и направление момента Т, левую опору заменяем шарнирно-неподвижной, а правую - шарнирно-под-вижной. Расчетные нагрузки рассматривают обычно как сосредоточенные, хотя действительные нагрузки не являются сосредоточенными, они распределены по длине ступицы, ширине подшипника. В нашем примере вал нагружен силами Ft, Fa. Fr, действующими в полюсе зацепления и крутящим моментом Т. Осевая сила Fa дает в вертикальной плоскости момент
Основной расчет валов и осей заключается в построении эпюр изгибающих моментов в горизонтальной и вертикальной плоскостях, построении эпюры результирующих моментов, эпюры крутящих моментов, эпюры эквивалентных моментов, определении опасных сечений.
3 этап расчета - проверочный расчет заключается в определении коэффициента запаса прочности в опасных сечениях
- коэффициенты запаса прочности по нормальным и касательным напряжениям
пределы выносливости материалов.
- эффективные коэффициенты концентрации напряжений.
- масштабный фактор (зависит от диаметра вала).
- коэффициент упрочнения. - коэффициенты чувствительности материала, зависят от механических характеристик.- переменные составляющие напряжений.
Валы и оси служат для поддержания вращающихся деталей (зубчатых колес, муфт, шкивов, звездочек, роторов и т. п.) и передачи нагрузок от этих деталей через опоры на корпус. Оси бывают как вращающимися, так и неподвижными, они воспринимают действия изгибающих моментов и продольных сил. Валы, в отличие от осей, могут быть только вращающимися. Они подвергаются действию продольных сил, изгибающих и крутящих моментов.
Конструктивная форма валов и осей зависит от многих факторов - назначения механизма, назначения и формы деталей, сопрягающихся с валом или осью, характера нагрузок, технологии изготовления и сборки.
Валы бывают прямые , коленчатые и гибкие. В настоящем учебнике рассматриваются только наиболее распространенные прямые валы. Оси бывают только с прямой геометрической осью.
Валы и оси могут быть сплошными и полыми. При использовании полых валов и осей можно существенно уменьшить массу конструкции. Например, полый вал с отношением диаметра отверстия к наружному диаметру вала 0,75 при практически равной прочности со сплошным валом имеет массу на 50% меньше. В связи с этим в механизмах ЛА валы и оси большого диаметра (больше 10...12 мм) выполняются, как правило, полыми. Входные и выходные валы проектируются с несквозными отверстиями для герметизации внутренней полости механизма или с отверстиями, закрываемыми заглушками.
Валы и оси различаются по форме: гладкие и ступенчатые . Выбирая более сложную в изготовлении ступенчатую форму, можно обеспечить равномерное распределение напряжений по длине вала и необходимые прочность и жесткость при действии внутренних силовых факторов. Кроме того, при ступенчатой форме создаются лучшие условия для сборки деталей с валом и для их фиксирования относительно вала в осевом и радиальном направлениях. Оси, ввиду их большей простоты, часто выполняют гладкими, а валы, как правило, ступенчатыми, причем каждой детали соответствует своя ступень на валу, обработанная с требуемой точностью и шероховатостью.
Валы выполняются в виде отдельной детали (рис. 13.1, а) или за одно целое с цилиндрическими зубчатыми колесами (рис. 13.1, б, г) у коническим зубчатым колесом (рис. 13.1, в).
В механизмах ЛА валы часто изготавливаются за одно целое с деталями передач, что ввиду отсутствия соединяющих элементов уменьшает общую массу конструкции и увеличивает ее надежность. Однако монолитная конструкция вала не всегда целесообразна, поскольку не всегда требуется выполнять вал и деталь из одного материала. Кроме того, при таком варианте исключается возможность замены вала или детали при эксплуатации. При изготовлении монолитной конструкции из заготовки большого диаметра следует учитывать тот факт, что прочностные свойства материала снижаются с увеличением диаметра заготовки. Монолитная конструкция экономически выгодна в том случае, если диаметр детали ненамного превышает диаметр собственного вала, а также в условиях единичного производства или получении заготовки ковкой (например, формировании элементов детали, расположенных на конце вала, операцией высадки).
Валы могут быть выполнены с зубьями (рис. 13.1,6), со шпоночными пазами (рис. 13.1, а), с кольцевыми канавками под опорные кольца (рис. 13.1, а), с резьбовыми участками (рис. 13.1, 6, в) и пазами для стопорения резьбовых деталей (рис. 13.1, в). Валы могут иметь осевые (рис. 13.1, б) и радиальные (рис. 13.1, в) отверстия, а также канавки для выхода
шлифовального круга (рис. 13.1, а, в), участки выхода фрезы при нарезании зубьев (рис. 13.1, б ), а также проточки для выхода инструмента при нарезании резьбы (рис. 13.1, в).
Оси бывают неподвижные (рис. 13.2, а) и вращающиеся (рис. 13.2, б) у гладкие (рис. 13.2, а) и ступенчатые (рис. 13.2, б). Оси, как и валы, могут иметь зубья (шлицы), пазы, проточки, канавки, резьбу и отверстия. Гладкие оси стандартизированы. Фиксирование этих осей в осевом направлении чаще всего
осуществляется шплинтом (рис. 13.3, а). Для осей (главным образом неподвижных) применяется фиксирование цилиндрическим или коническим штифтом (рис. 13.3, б ), установочным винтом (рис. 13.3, в) или оседержателем с болтом (рис. 13.3, г). Неподвижные оси устанавливаются по переходной посадке (например, К7/И6) или по посадке с натягом (например, R7/h6).
Подвижные оси и валы как в радиальном, так и в осевом направлениях фиксируются в подшипниках, которые в свою очередь устанавливаются в корпусе. Точное фиксирование валов и осей в радиальном направлении осуществляется с помощью посадок их в подшипники и посадок подшипников в корпус. В осевом направлении валы и оси с насаженными на них деталями соединяются с подшипниками одним из способов, показанных на рис. 13.4. Наибольшее применение находит простое и дешевое фиксирование пружинными кольцами (рис. 13.4, а): эксцентрическими 1 или концентрическими 2 . Наличие зазора 5 между кольцом и подшипником приводит к неточности установки деталей и к скольжению поверхностей деталей и вала, т. е. к их изнашиванию. Использование промежуточного кольца 3 (рис. 13.4, б) с подгонкой его по толщине прошлифовкой торца или комплекта регулировочных прокладок 4 из фольги (рис. 13.4, в) позволяет свести величину зазора 5 к минимуму. Регулировочные прокладки рядом с пружинным кольцом не ставят во избежание попадания прокладок в канавку для кольца. При фиксировании на конце вала удобным является применение стандартной торцовой шайбы 5 (рис. 13.4, г)> закрепляемой винтом 6 и фиксируемой от проворачивания штифтом 7. Винт стопорится от отвинчивания шайбой 8. При значительной осевой нагрузке применяется шайба, закрепляемая двумя винтами (рис. 13.4, д).
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.
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.
