Назначение, конструкции и материалы осей и валов. Разница между валом и осью

Часто используют валы. Давайте разберемся, что называется валом, в чем его отличие от оси, из чего состоит деталь вал, его классификация и материалы, используемые при производстве валов.

Определение, конструктивные особенности

Вал — деталь механизма, выполненная из , имеющая сечение определенной формы и передающая крутящий момент на другие элементы, вызывая их вращение.

Ось, отличается от вала тем, что служит только для их опоры. Если оси подразделяются на подвижные и статические, то валы всегда вращающиеся. Геометрическая форма оси, может быть только прямой.

Вал составляют следующие участки:

1. Опорный.
2. Промежуточный.
3. Концевой.

Кольцевое утолщение называется буртиком. Промежуточная часть между разными диаметрами для фиксации одеваемых деталей носит название – заплечик.

Участок где происходит изменение диаметра вала называется галтелью. С Целью увеличения прочности кривизна галтели меняется плавно. Различают 2 вида кривизны: постоянная и переменная. Увеличение значения кривизны галтели и изготовление специальных отверстий повышает надежность вала на одну десятую часть.

В зависимости от распределения величины нагрузок, отражённого в специальных графиках (эпюрах) определяют длину и форму вала. Также этот параметр зависит от условий сборки и метода изготовления.

Размеры посадочных мест для крутящихся элементов расположенных на концах валов жестко стандартизированы по ГОСТам.

Материалы

В зависимости от внешних сил, которым подвергается деталь вал в процессе эксплуатации, осуществляется для его изготовления.

Для этой цели используют с высоким содержанием углерода, так как обладают улучшенными механическими характеристиками и износостойкостью. Получают данные детали методом прокатки.

Основную массу валов производят из легированной стали марки 45Х, со средним содержанием углерода. Для валов, подвергающихся высоким напряжениям используют стали 40ХН, 40ХНГМА, 30ХГТ и другие, которые подвергаются процессу закалки с высоким отпуском.

Кроме того, для коленчатых тяжелых валов в качестве материала используют высокопрочные чугуны, образованные путем вкрапления в металлическую решетку шарообразных включений углерода и содержащие в составе Mg, Ca, Se, Y.

Классификация валов

По назначению:

1. Валы передач, на которых расположены детали механизма передач (шестеренки, муфты, шкифы).
2. Коренные, которые несут другие части.

По форме оси:

1. Прямые.
2. Кривошипные.
3. Гибкие.

Прямые делятся на:

1. Гладкие.
2. Ступенчатые.
3. Червячного типа.
4. Фланцевые.
5. Карданные.

По форме сечения:

1. Гладкие.
2. Пустотелые.
3. Шлицевые.

Производство

Существуют несколько этапов изготовления:

1. Проведение проектных и конструкторских работ и расчетов с привлечением специального программного обеспечения.
2. Выбор и закупка необходимого материала, отвечающего требуемым характеристикам. Оснащение дополнительным производственным оборудованием, при необходимости.
3. Формовка.
4. Сварка и шлифовка.
5. Динамическая балансировка.
6. Нанесение защитного покрытия.

Первый этап обычно выполняются в конструкторском бюро. По окончанию работы оформляется проектная документация, содержащая расчеты и обработанные данные, в строгом соответствии с которыми будет осуществляться производство данного типа детали.

На втором этапе, производится выбор материала заготовки, отвечающего требуемым эксплуатационным характеристикам и перевооружение производства технологическим оборудованием.

Третий этап выполняется с использованием токарного оборудования, где заготовка подвергается механической обработке и обретает свою геометрию и размер. При этом, изменению подвергаются все поверхности заготовки.

На четвертом этапе производится скрепление отдельных элементов заготовки путем их сварки и изготовления необходимых отверстий и канавок. Затем, с помощью современных методов измерения, происходит шлифовка и доведения до их конечных размеров.

На следующем этапе, проверяют балансировку деталей, подвергая их динамическим испытаниям, так как от этого зависит полнота передачи энергии вращения другим элементам механизма. Нарушения балансировки может привести к нарушению эксплуатации оборудования на котором будет установлен вал.

Последний — шестой этап характеризуется нанесением специального слоя на его поверхность. Выбор способы и вида покрытий зависит от условий эксплуатации.

Тонкий слой резины на поверхности валов предохраняет от действия реакционных сред. Стойкость к коррозии обеспечивается электродуговым металлическим напылением этих деталей.

Методом хромирования добиваются увеличения износостойкости и уменьшения трения данного типа деталей.

Деталь — вал получило широкое использование во многих направлениях промышленности: автомобилестроении, станкостроении, железнодорожной, текстильной, деревообрабатывающей промышленности.

Подробно рассмотрев те вопросы, которые были поставлены выше, можно заключить:

1. Вал отличается от оси своей функциональностью и геометрией.
2. Вал состоит из 3-х участков (цапфы, шейки, шипа).
3. Существуют различные типы классификации валов по назначению и формам.
4. Материалом для детали выступают легированные стали различных марок, реже с шарообразными вкраплениями углерода.
5. Изготовление вала включает в себя несколько этапов и требует специальных знаний и значительных затрат энергоресурсов.
6. Для увеличения времени эксплуатации валов на этапе производства их поверхность покрывают специальными материалами.
7. Вал широко применяется во многих механизмах в различных областях деятельности человека.

Валы и оси

П л а н л е к ц и и

Общие сведения.

Материалы и обработка валов и осей.

Критерии работоспособности и расчета валов и осей.

Расчеты валов и осей.

Общие сведения

Валы – это детали, служащие для передачи вращающего момента вдоль своей оси и удержания расположенных на них других деталей (колеса, шкивы, звездочки и другие вращающиеся детали машин) и восприятия действующих сил.

Оси – это детали, которые только удерживают установленные на них детали и воспринимают действующие на эти детали силы (ось не передает полезного крутящего момента).

Классификация валов и осей

К л а с с и ф и к а ц и я в а л о в группирует последние по ряду признаков: по назначению, по форме поперечного сечения, по форме геометрической оси, по внешнему очертанию поперечного сечения, по относительной скорости вращения и по расположению в узле.

По назначению различают:

валы передач , на которых устанавливают колеса, шкивы, звездочки, муфты, подшипники и другие детали передач. На рис. 11, а представлен трансмиссионный вал, на рис. 11, б – вал передачи;

коренные валы (рис. 11.2 – шпиндель станка), на которых устанавли-вают не только детали передач, но и рабочие органы машины (шатуны, диски турбин и др.).

По форме поперечного сечения изготавливают:

сплошные валы ;

полые валы обеспечивают уменьшение веса или размещение внутри другой детали. В крупносерийном производстве применяют полые сварные валы из намотанной ленты.

По форме геометрической оси выпускают:

прямые валы :

а) постоянного диаметра (рис. 11.3). Такие валы менее трудоемки в изготовлении и создают меньшую концентрацию напряжений;

б) ступенчатые (рис. 11.4). Исходя из условия прочности целесооб-разно конструировать валы переменного сечения, приближающиеся по форме к телам равного сопротивления. Ступенчатая форма удобна для изготовления и сборки, уступы могут воспринимать большие осевые силы;

в) с фланцами. Длинные валы являются составными, соединенными фланцами;

г) с нарезанными шестернями (вал-шестерня);

коленчатые валы (рис. 11.5) в кривошипно-шатунных передачах служат для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное или наоборот;

гибкие валы (рис. 11.6), представляющие собой многозаходные витые из проволок пружины кручения, применяют для передачи момента между узлами машин, меняющими свое относительное положение в работе (переносной инструмент, тахометр, зубоврачебные бормашины и т. п.).

По внешнему очертанию поперечного сечения валы бывают:

гладкие ;

шпоночные ;

шлицевые ;

профильные ;

эксцентриковые .

По относительной скорости вращения и по расположению в узле (редукторе) производят валы:

быстроходные и входные (ведущие) (поз. 1 рис. 11.7);

среднескоростные и промежуточные (поз. 2 рис. 11.7);

тихоходные и выходные (ведомые) (поз. 3 рис. 11.7).

Рис. 11.2 Рис. 11.3

Рис. 11.7 Рис. 11.8

К л а с с и ф и к а ц и я о с е й. Оси могут быть неподвижными (рис. 11.8) и вращающимися вместе с насаженными на них деталями. Вращающиеся оси обеспечивают лучшие условия работы подшипников, неподвижные дешевле, но требуют встройки подшипников во вращающиеся на осях детали.

Конструкции валов и осей. наиболее распространена ступенчатая форма вала. Детали закрепляются на валах чаще всего шпонками призма-тическими (ГОСТ 23360–78, ГОСТ 10748–79), шлицами прямобочными (ГОСТ 1139–80) или эвольвентными (ГОСТ 6033–80) или посадками с гаран-тированным натягом. Опорные части валов и осей называются цапфами. Промежуточные цапфы именуются шейками, концевые – шипами. Опорные участки, воспринимающие осевую нагрузку, называют пятами. Опорами для пят служат подпятники.

На рис. 11.9 приведены конструктивные элементы валов, где 1 – шпонка призматическая, 2 – шлицы, 3 – цапфа, 4 – пята, 5 – цилиндрическая поверх-ность, 6 – коническая поверхность, 7 – уступ, 8 – заплечик, 9 – канавка под сто-порное кольцо, 10 – резьбовой участок, 11 – галтель, 12 – канавка, 13 – фаска, 14 – центровое отверстие.

Цапфы валов и осей, работающие в подшипниках качения, почти всегда бывают цилиндрическими, а в подшипниках скольжения – цилиндрическими, коническими или сферическими (рис. 11.10.)

Основное применение имеют цилиндрические цапфы (рис. 11.10, а , б ) как более простые. Конические цапфы с малой конусностью (рис. 11.10, в ) применяют для регулирования зазора в подшипниках и иногда для осевого фиксирования вала. Сферические цапфы (рис. 11.10, г ) ввиду трудности их изготовления применяют при необходимости компенсации значительных угловых смещений оси вала.

а б в г

Посадочные поверхности под ступицы разных деталей (по ГОСТ 6536–69 из нормального ряда), насаживаемых на вал, и концевые участки валов выполняют цилиндрическими (поз. 5 рис. 11.9, ГОСТ 12080–72) или коничес-кими (поз. 6 рис. 1.9, ГОСТ 12081–72). Конические поверхности применяют для обеспечения быстросъемности и заданного натяга, повышения точности центрирования деталей.

Для осевого фиксирования деталей и самого вала используют уступы (поз. 7 рис. 11.9) и заплечики вала (поз. 8 рис. 11.9, ГОСТ 20226–74), кони-ческие участки вала, стопорные кольца (поз. 9 рис. 11.9, ГОСТ 13940–86, ГОСТ 13942–86) и резьбовые участки (поз. 10 рис. 11.9) под гайки (ГОСТ 11871–80).

Переходные участки от одного участка вала к другому и торцы валов выполняют с канавками (поз. 12 рис. 11.9, рис. 11.11, ГОСТ 8820–69), фасками (поз. 13 рис. 11.9, ГОСТ 10948–65) и галтелями . Радиус R галтели постоянного радиуса (рис. 11.11, а ) выбирают меньше радиуса закругления или радиального размера фаски насаживаемых деталей. Желательно, чтобы радиус закругления в сильнонапряженных валах был больше или равен 0,1d . Радиусы галтелей рекомендуется брать возможно большими для уменьшения концентрации нагрузки. Когда радиус галтели сильно ограничивается радиу-сом закругления кромок насаживаемых деталей, ставят дистанционные кольца. Галтели специальной эллиптической формы и с поднутрением или чаще галтели, очерчиваемые двумя радиусами кривизны (рис. 11.11, б ), применяют при переходе галтели в ступень меньшего диаметра (дает возможность увеличения радиуса в зоне перехода).

Применение канавок (рис. 11.11, в ) может быть рекомендовано для неответственных деталей, так как они вызывают значительную концентрацию напряжений и понижают прочность валов при переменных напряжениях. Канавки применяются для выхода шлифовальных кругов (существенно повышают их стойкость при обработке), а также на концах участков с резьбой для выхода резьбонарезного инструмента. Канавки должны иметь максимально возможные радиусы закруглений.

а б в

Торцы валов, во избежание обмятий и повреждения рук рабочих, для облегчения насадки деталей выполняют с фасками.

Механическую обработку валов производят в центрах, поэтому на торцах валов следует предусмотреть центровые отверстия (поз. 14 рис. 11.9, ГОСТ 14034–74).

Длина осей обычно не превышает 3 м, длина цельных валов по усло-виям изготовления, транспортировки и монтажа не должна превышать 6 м.

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.

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.

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

- эффективные коэффициенты концентрации напряжений.

- масштабный фактор (зависит от диаметра вала).

- переменные составляющие напряжений.