Прямые валы. Классификация валов и осей машины, их применение

Валы и оси .

Назначение, конструкция и материалы валов и осей

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.

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

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

Осью называют деталь, предназначенную только для поддержания ус тановленных 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.

Рис.2. 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.3). Поэтому поломки валов и осей имеют усталостный характер.

Рис. 3. 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).

Рис.4. 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 (см. рис. 1); кривошипные (рис.4, а); коленчатые (рис.4, б ); гибкие (рис.4, в ); телескопические (рис.4, г ); карданные (рис.4, д). 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.

Поконструктивным признакам: гладкие валы и оси (см. рис.2); ступенчатые валы и оси (см. рис.1); 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.

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 (см. рис.2, а); полые (см. рис.2, б ); комбинированные (рис.4, г ). 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 (рис.5), 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 (рис.6). При этом принято называть промежуточные цапфы шейками, концевые - шипами. Широкое распространение в машиностроении получили цилиндрические цапфы; конические и шаровые цапфы применяют редко.

Рис. 5. Опора вертикального вала: 1 - пята; 2 - подпятник

Рис. 6. 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 (рис. 7, а); галтель постоянного радиуса (рис. 7, б); галтель переменного радиуса (рис. 7, в).

Рис.7. 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 (см. рис. 7, а, г). 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.

Критерии работоспособности и расчет валов и осей

В процессе работы валы и оси испытывают постоянные или переменные по величине и направлению нагрузки. Прочность валов и осей определяется величиной и характером напряжений, возникающих в них под действием нагрузок. Постоянные по величине и направлению нагрузки вызывают в неподвижных осях постоянные напряжения, а во вращающихся осях (и валах) - переменные.

Характерной особенностью валов является то, что они работают при циклическом изгибе наиболее опасного симметричного цикла, который возникает вследствие того, что вал, вращаясь, поворачивается к действующим изгибающим нагрузкам то одной, то другой стороной. При разработке конструкции вала должно быть обращено самое пристальное внимание на выбор правильной его формы, чтобы избежать концентрации напряжений в местах переходов, причиной которых могут быть усталостные разрушения. С этой целью следует избегать:

а) резких переходов сечений;

б) канавок и малых радиусов скруглений;

в) некруглых отверстий;

г) грубой обработки поверхности.

Для оценки правильного выбора геометрической формы вала пользуются гидравлической аналогией, которая гласит: "Если контур детали представить как трубу, в которой движется жидкость, то там, где поток турбулентный, возникнет концентрация напряжений".

Причины поломок валов и осей прослеживаются на всех этапах их "жизни".

На стадии проектирования – неверный выбор формы, неверная оценка концентраторов напряжений.

На стадии изготовления – надрезы, забоины, вмятины от небрежного обращения.

На стадии эксплуатации – неверная регулировка подшипниковых узлов.

Для работоспособности вала или оси необходимо обеспечить:

Объёмную прочность (способность сопротивляться M изг и М крут );

Поверхностную прочность (особенно в местах соединения с другими деталями);

Жёсткость на изгиб;

Крутильную жёсткость (особенно для длинных валов).

Все валы в обязательном порядке рассчитывают на объёмную прочность.

Из изложенного выше следует, что в зависимости от характера напряжений, возникающих в валах и осях, возможны два случая расчета их на прочность: на статическую прочность и на усталостную прочность.

Валы и оси в основном испытывают циклически меняющиеся напряжения. Отсюда следует, что основным критерием работоспособности валов и осей является усталостная прочность. Статическое разрушение встречается очень редко. Оно происходит под действием случайных кратковременных перегрузок. Для валов расчет на сопротивление усталости (уточненный расчет) считается основным. Расчет на статическую прочность выполняют как проверочный.

Усталостная прочность (выносливость) валов и осей оценивается коэффициентом запаса прочности.

Неподвижные оси при действии постоянных нагрузок рассчитывают только на статическую прочность.

Подвижные быстроходные оси и валы рассчитывают на выносливость.

Тихоходные валы и оси, нагруженные переменной нагрузкой, рассчитывают на статическую прочность и выносливость.

Основными расчетными силовыми факторами для осей и валов являются изгибающие М н и крутящие М к (только для валов) моменты.

Влияние растягивающих и сжимающих сил незначительно, поэтому, как правило, в расчетах не учитывается.

Методом оценки прочности осей и валов является сравнение расчетных напряжений с допускаемыми по следующим условиям прочности:

где , - возникающие (расчетные) напряжения изгиба и кручения в опасном сечении вала, оси; и - допускаемые напряжения на изгиб и на кручение.

Спроектированные валы и оси с учетом обеспечения статической или усталостной прочности иногда выходят из строя вследствие недостаточной их жесткости или из-за вибрации. Кроме того, малая жесткость нарушает нормальную работу зубчатых передач и подшипников. Валы и оси дополнительно рассчитывают на жесткость и колебания.

Жесткость валов и осей оценивается величиной прогиба в местах установки деталей или углом закручивания сечений; колебания - критической угловой скоростью.

Для расчета валов и осей на прочность и жесткость составляют расчетную схему. При расчете на изгиб вращающиеся валы и оси рассматривают как балки на шарнирных опорах. На расчетных схемах силы и вращающие моменты условно принимают как сосредоточенные.

Схемы нагружения валов и осей зависят от количества и места установки на них вращающихся деталей и направления действия сил. При сложном нагружении выбирают две ортогональные плоскости (например, фронтальную и горизонтальную) и рассматривают схему в каждой плоскости. Рассчитываются, конечно, не реальные конструкции, а упрощённые расчётные модели, представляющие собой балки на шарнирных опорах, балки с заделкой и даже статически неопределимые задачи.

При составлении расчётной схемы валы рассматривают как прямые брусья, лежащие на шарнирных опорах. При выборе типа опоры полагают, что деформации валов малы и, если подшипник допускает хотя бы небольшой наклон или перемещение цапфы, его считают шарнирно-неподвижной или шарнирно-подвижной опорой. Подшипники скольжения или качения, воспринимающие одновременно радиальные и осевые усилия, рассматривают как шарнирно-неподвижные опоры, а подшипники, воспринимающие только радиальные усилия, – как шарнирно-подвижные.

Влияние силы тяжести валов (и деталей), силы трения в опорах не учитывают.

В случае напрессовки на вал зубчатых колес, колец подшипников, втулок и других сопрягаемых деталей возникает резкое снижение пределов выносливости в 3…6 раз. Зарождение усталостной трещины возникает у края напрессованной детали. При разборке соединяемых деталей можно обнаружить следы коррозии в виде затемненных пятен, а также красный порошок, состоящий из оксидов железа. Данное явление называют фреттинг – коррозией в научной литературе или проще коррозией трения.

Причинами резкого снижения предела выносливости при фреттинг – коррозии являются концентрация напряжении у края контакта и сложные физико – химические процессы, протекающие в стыке двух сопрягаемых деталей при их малом взаимном циклическом проскальзывании вследствие упругих деформаций.

Необходимо отметить, что фреттинг повреждения бывают не только в соединениях с натягом, но и резьбовых, шпоночных и заклепочных соединениях, а также в точках контакта проволочных канатов и гибких валах, фрикционных зажимах и листовых рессорах и других местах, где возникают условия для взаимного перемещения сопрягаемых деталей.

Установлено, что ту или иную роль в процессе фретинга играют более 50 факторов. Таким образом, процесс очень сложный, до конца не изучен.

Для гладких валов с напрессованной деталью (рис.8,а) отношение , характеризующее снижение предела выносливости вследствие концентрации напряжений и масштабного фактора, может быть рассчитано по следующим формулам при действии изгибающего момента и поперечной силы

Рис. 8. Конструктивные методы повышения сопротивления усталости валов.

(2)

где - эффективный коэффициент концентрации напряжений образца с пределом выносливости и d 0 = 7,5 мм;

Масштабный фактор, учитывающий размер поперечного сечения гладкого образца с пределом выносливости , диаметром до 300 мм.

при d

при мм;

0,305 + 0,00139 – коэффициент, учитывающий предел выносливости материала ;

Коэффициент, учитывающий давление посадки – р в сопряженных деталях;

0,65+0,014р при МПа;

1 при МПа.

Следует отметить, если насажанная деталь не передает момент и силу, то следует выражение (2) умножить на поправочный коэффициент К П =0,85.

Для уменьшения вредного влияния фреттинг – коррозии на сопротивление усталости применяют конструктивные и технологические меры. Так, разгружающие выточки на торце напрессованной детали (рис.8, б) или поясок (рис.8,в) повышают предел выносливости в 1,2 …1,5 раза, утолщение под ступичной части вала (рис. 8,г) – в 1,3…1,5 раза.

Разгружающие выточки вала (рис.8,д), нанесенные путем накатки повышают предел выносливости в 1,4 раза.

Технологическими мерами для повышения предела выносливости являются уменьшение микронеровности сопрягаемых поверхности путем полирования и шлифования, сохранения от коррозии и поверхностные химико – термические, механические и прочие методы, как плазменные напыления, ионная имплантация, что повышает в итоге 1,5…2 раза и более.

При предъявлении требования жесткости и объемной прочности валам могут применятся стали Ст4, Ст5 или 40 или 45.

Для валов сложной формы, например, коленчатых валов и водил планетарных передач может оказаться целесообразным применение высокопрочного чугуна марки ВЧ 70 – 3, ВЧ 80 – 3 и других.

Расчет осей на статическую прочность

Как указывалось выше, оси не испытывают кручения, поэтому их рассчитывают только на изгиб.

Последовательность проектировочного расчета.

По конструкции узла (рис.9, а) составляют расчетную схему (рис.9, б), определяют силы, действующие на ось, строят эпюры изгибающих моментов; диаметр оси определяют по формуле

(3)

где М и - максимальный изгибающий момент; - допускаемое напряжение изгиба.

Документ

Подшипники. Назначение подшипников - поддерживать вращающиеся валы и оси в пространстве... меньшие требования к материалу и к термической обработке валов . К недостаткам... 6 цифры справа обозначают отношение конструкции подшипника от основного типа. ...

Рабочая программа дисциплины «Детали машин и основы конструирования» на основе модульной технологии обучения

Рабочая программа

Расчетных нагрузок. Проектный и проверочный расчеты валов . Назначение конструкции и материалы осей и валов . 5. Подшипники Подшипники качения (круглый... на смятие и износ. Пружины: назначение , конструкция , материалы , область применения. Расчет винтовых...

Практикум по дисциплине «Материаловедение и технологии конструкционных материалов» для специальностей 2701202. 65 «Промышленное и гражданское строительство»

Документ

Коленчатый вал , кулачковый вал , шатуны двигателей, валы и шестерни коробки перемены передач и задних мостов, оси ... при изготовлении конструкций ответственного назначения из коррозионностойкой стали и некоторых других материалов . В особых случаях...

Учебно-методический комплекс по дисциплине прикладная механика (название)

Учебно-методический комплекс

Достоинства, недостатки и область применения. Конструкции и материалы . Сиди, действующие в ременной передаче, и... качения. Условие чистого качения. Валы и оси . Назначение , конструкции , ориентировочный расчет валов . ЗАДАЧА. Построить эпюру поперечных...

Рабочая программа дисциплины «прикладная механика»

Рабочая программа

Машин и машиностроительных конструкций . В процессе освоения... Валы и оси . Вал . Ось. Их назначение . Разновидности валов и осей (по геометрическим характеристикам оси вала или оси и по назначению ). Материалы валов и осей . Критерии работоспособности валов ...

19.11.2015

Валы и оси используются в машиностроении для фиксации различных тел вращения (это могут быть шестерни, шкивы, роторы и другие элементы, устанавливаемые в механизмах).

Есть принципиальное отличие валов от осей: первые осуществляют передачу момента силы, создаваемого вращением деталей, а вторые испытывают напряжение изгиба под действием внешних сил. При этом валы всегда являются крутящимся элементом механизма, а оси могут быть как крутящимися, так и неподвижными.

С точки зрения металлообработки валы и оси – это металлические детали, чаще всего имеющие круглое поперечное сечение.

Виды валов

Валы различаются между собой по конструкции оси. Выделяют следующие виды валов:

прямые. Конструктивно не отличаются от осей. В свою очередь, различают гладкие, ступенчатые и фасонные прямые валы и оси. Наиболее часто в машиностроении используются ступенчатые валы, которые отличает простота установки на механизмы
коленчатые, состоящие из нескольких колен и коренных шеек, которые опираются на подшипники. Составляют элемент кривошипно-шатунного механизма. Принцип действия заключается в преобразовании возвратно-поступательного движения во вращательное, либо наоборот.
гибкие (эксцентриковые). Применяются для передачи момента вращения между валами со смещенными осями вращения.

Производство валов и осей – одно из наиболее динамичных направлений в металлургической промышленности. На основе этих элементов получают следующие изделия:

элементы передачи вращательного момента (детали шпоночного соединения, шлицы, соединений с натягом и т.д.);
опорные подшипники (качения или скольжения);
уплотнения концов валов;
элементы, регулирующие узлы передачи и опоры;
элементы осевой фиксации лопаток роторов;
галтели перехода между элементами разного диаметра в конструкции.

Выходные концы валов имеют форму цилиндра или конуса, соединяемыми при помощи муфт, шкивов, звездочек.

Валы и оси также могут быть полыми и сплошными. Внутри полых валов могут быть вмонтированы другие детали, кроме того, они могут применяться для облегчения общего веса конструкции.

Функцию осевых фиксаторов, устанавливаемых на вал деталей, выполняют ступени (бурты), распорные втулки со съемной осью, кольца, пружинные упорные кольца подшипников.

Предприятие "Электромаш" осуществляет изготовление данной продукции на производственной площадке, оснащенной самым современным оборудованием. У нас вы можете купить валы и оси любого типа под заказ . Рейтинг: 3.02

Зубчатые колеса, шкивы, звездочки и другие вращающиеся детали машин устанавливаются на валах и осях. Между этими двумя элементами механизмов имеется существенное различие, заключающееся в функциональном назначении и некоторым другим признакам.

Вал предназначен для передачи вращающего момента вдоль своей оси, а также для поддержания расположенных на нем деталей и восприятия всех действующих на эти детали внешних нагрузок.
В отличие от вала, ось только поддерживает установленные на ней детали и воспринимает действующие на них нагрузки, кроме вращающего момента, т. е. не испытывает деформацию кручения. Оси могут быть неподвижными (например, неподвижная ось в виде цапфы автомобильного колеса на управляемом мосту) или подвижными, т. е. вращаться вместе с размещенными на них деталями (ось колесной пары железнодорожного вагона).
Классификация валов более обширная – они могут различаться по нескольким признакам.

Классификация валов

По назначению валы делят на коренные , передаточные , трансмиссионные , гибкие и торсионные .

Коренные валы несут основные рабочие узлы машины (коленчатый вал двигателя, ротор турбины и т. п.).

Передаточные валы несут детали передач (зубчатые колеса, шкивы, звездочки и т. п.). В отличие от коренного вала передаточные служат для выполнения промежуточной функции в агрегатах машины при передаче крутящего момента. Так, передаточными валами являются первичный и вторичный валы КПП, валы главной передачи, раздаточной коробки и т. п.

Трансмиссионные валы служат для передачи вращающего момента между отдельными агрегатами и рабочими узлами машины. Примеры трансмиссионных валов: карданная передача, полуоси, ведущие валы с шарнирами равных угловых скоростей в легковых автомобилях с передними ведущими колесами и т. п.

Гибкие (гибкие проволочные) валы допускают передачу вращающего момента при значительных перегибах оси. Такие валы встречаются, например, в контрольно-измерительных приборах (трос спидометра), механизированном инструменте (вал бормашины стоматолога).

Торсионные валы (торсионы) – валы малых диаметров, служащие для передачи вращающих моментов. Такие валы допускают закручивание относительно оси на значительные углы.

По форме геометрической оси валы подразделяют на прямые и непрямые – коленчатые и эксцентриковые. Примером эксцентрикового вала может служить вал газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания.
Оси, как правило, изготавливают прямыми. По конструкции прямые валы и оси мало отличаются друг от друга.
Прямые валы и оси могут быть гладкими или ступенчатыми. Ступенчатая форма способствует равномерной напряженности вала по длине, а также упрощает монтаж деталей, расположенных на нем.

По форме поперечного сечения валы и оси бывают сплошные и полые (с осевыми отверстиями). Полые валы применяют для уменьшения массы или для размещения внутри них других деталей или элементов конструкции, а также для подвода масла смазочной системы.

По внешнему очертанию поперечного сечения валы разделяют на шлицевые и шпоночные, имеющие на некоторой длине шлицевой профиль или профиль со шпоночным пазом.

Конструктивные элементы осей и валов

Отдельные элементы валов и осей имеют специфические названия. В частности, опорные части валов и осей, т. е. участки, которыми вал или ось опирается на подшипник, принято называть цапфами . При этом различают следующие виды цапф – шипы, шейки и пяты .

Шипом называют цапфу, расположенную на конце вала или оси и передающую преимущественно радиальную силу.

Шейкой называют промежуточную цапфу вала или оси. Как и шип, шейка передает, преимущественно, радиальную силу. Опорами для шипов и шеек служат подшипники скольжения или качения. Шипы и шейки по форме могут быть цилиндрическими, коническими или сферическими. В большинстве случаев применяют цилиндрические цапфы.

Пятой называют цапфу, передающую осевую силу. Опорами для пят служат подпятники. Пяты по форме бывают кольцевыми, сплошными и гребенчатыми. Гребенчатые пяты применяются редко.

Посадочные поверхности валов и осей под ступицы насаживаемых деталей выполняют цилиндрическими или коническими. Конические концы валов чаще всего изготавливают с конусностью 1:10. Конусные поверхности валов применяют для облегчения монтажа устанавливаемых на вал тяжелых деталей, быстрой их смены, для повышения точности центрирования деталей и обеспечения требуемого натяга при сборке.

Переходные участки ступенчатых валов и осей между двумя ступенями разных диаметров выполняют с канавкой со скруглением шириной 3…5 мм и глубиной 0,25…0,5 мм, с галтелью постоянного максимально возможного радиуса или с галтелью переменного радиуса (галтель – поверхность плавного перехода от ступени меньшего сечения к большему). Назначение переходных участков валов и осей – уменьшение концентрации напряжений в местах изменения формы сечения этих деталей. Для повышения несущей способности валов и осей часто выполняют деформационное упрочнение галтелей наклепом.

Критерии работоспособности валов и осей

Основными критериями работоспособности валов и осей являются прочность и жесткость. Валы и вращающиеся оси при работе испытывают циклически изменяющиеся напряжения. Прочность оценивают коэффициентом запаса прочности при расчете валов и осей на сопротивление усталости, а жесткость – прогибом, углами поворота или закручивания сечений в местах установки деталей.
Практикой установлено, что разрушение валов и осей быстроходных машин в большинстве случаев носит усталостный характер, поэтому основным является расчет на сопротивление усталости.

Основными расчетными силовыми факторами являются вращающие Т и изгибающие М моменты. Влияние растягивающих и сжимающих сил на прочность незначительно, и их в большинстве случаев не учитывают.

Проектировочный и проверочный расчеты валов и осей

При проектировании валов и осей выполняют проектировочный расчет на статическую прочность с целью ориентировочного определения диаметров ступеней. При проектировочном расчете валов редуктора обычно определяют диаметры концевых сечений входного и выходного валов, а для промежуточных валов – диаметр в месте посадки колес.
Диаметр расчетного сечения вала определяют по формуле, известной из курса сопротивления материалов:

d 3 ≥ 10 3 (Мк/0,2[τ] к) ,

где Мк = Т – крутящий момент, действующий в расчетном сечении, Нм ;
[τ]к – допускаемое напряжение при кручении для материала вала, МПа .

Полученный расчетный диаметр вала округляют до ближайшего диаметра стандартного ряда по ГОСТ.
Проектировочный расчет осей чаще всего выполняют аналогично расчету балок с шарнирными опорами обычными методами сопротивления материалов.

Проверочный расчет валов и осей проводят на сопротивление усталости и на жесткость. Проверочный расчет выполняют после окончательной разработки конструкции вала или оси на основе проектировочного расчета. Проверку на сопротивление усталости производят по коэффициенту запаса прочности по максимальной длительно действующей нагрузке без учета кратковременных пиковых нагрузок (например, в период пуска).

Расчет валов на жесткость выполняют в случае, когда деформации (линейные или угловые) неблагоприятно влияют на работу сопряженных с валом деталей (зубчатых колес, подшипников и т. п.). Различают изгибную и крутильную жесткость вала. Изгибная жесткость оценивается прогибом вала, крутильная – углом закручивания.
Проверочный расчет осей на сопротивление усталости и изгибную жесткость выполняют аналогично расчету валов, с учетом того, что для осей Мк = 0 .

При разработке конструкции валов или осей рекомендуется детали, располагаемые на них, размещать по возможности ближе к опорам для уменьшения изгибающих моментов.
С целью уменьшения мест концентрации напряжений следует избегать излишних ступеней, отверстий и шпоночных пазов, а также других отклонений формы поперечного сечения вала или оси. Переходные участки следует выполнять в виде галтелей или канавок со скруглениями.

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.

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

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.

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

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

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

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.

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

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