Ранее речь шла о передачах, как едином целом механизме, а также рассматривались элементы, непосредственно участвующие в передаче движения от одного звена механизма к другому. В данной теме будут представлены элементы, предназначенные для крепления частей механизма, непосредственно участвующих в передаче движения (шкивы, звёздочки, зубчатые и червячные колёса и т.п.). В конечном итоге, качество механизма, его КПД, работоспособность и долговечность в значительной мере зависят и от тех деталей, о которых будет идти речь в дальнейшем. Первыми из таких элементов механизма рассмотрим валы и оси.

Вал (рис. 17) – деталь машины или механизма предназначенная для передачи вращающего или крутящего момента вдоль своей осевой линии. Большинство валов – это вращающиеся (подвижные) детали механизмов, на них обычно закрепляются детали, непосредственно участвующие в передаче вращающего момента (зубчатые колёса, шкивы, звёздочки цепных передач и т.п.).

Ось (рис. 18) – деталь машины или механизма, предназначенная для поддержания вращающихся частей и не участвующая в передаче вращающего или крутящего момента. Ось может быть подвижной (вращающейся, рис. 18, а) или неподвижной (рис. 18, б).

Классификация валов и осей:

1. По форме продольной геометрической оси:

1.1.прямые (продольная геометрическая ось – прямая линия), например, валы редукторов, валы коробок передач гусеничных и колёсных машин;

1.2. коленчатые (продольная геометрическая ось разделена на несколько отрезков, параллельных между собой смещённых друг относительно друга в радиальном направлении), например, коленвал двигателя внутреннего сгорания;

1.3. гибкие (продольная геометрическая ось является линией переменной кривизны, которая может меняться в процессе работы механизма или при монтажно-демонтажных мероприятиях), часто используются в приводе спидометра автомобилей.

2. По функциональному назначению:

2.1. валы передач , они несут на себе элементы, передающие вращающий момент (зубчатые или червячные колёса, шкивы, звёздочки, муфты и т.п.) и в большинстве своём снабжены концевыми частями, выступающими за габариты корпуса механизма;

2.2. трансмиссионные валы предназначены, как правило, для распределения мощности одного источника к нескольким потребителям;

2.3. коренные валы - валы, несущие на себе рабочие органы исполнительных механизмов (коренные валы станков, несущие на себе обрабатываемую деталь или инструмент называют шпинделями ).

3. Прямые валы по форме исполнения и наружной поверхности:

3.1. гладкие валы имеют одинаковый диаметр по всей длине;

3.2. ступенчатые валы отличаются наличием участков отличающихся друг от друга диаметрами;

3.3. полые валы снабжены сквозным или глухим отверстием, соосным наружной поверхности вала и простирающимся на большую часть длины вала;

3.4. шлицевые валы по внешней цилиндрической поверхности имеют продольные выступы – шлицы, равномерно расположенные по окружности и предназначенные для передачи моментной нагрузки от или к деталям, непосредственно участвующим в передаче вращающего момента;

3.5. валы, совмещённые с элементами, непосредственно участвующими в передаче вращающего момента (вал-шестерня, вал-червяк).

Конструктивные элементы валов представлены на рис. 19.

Опорные части валов и осей, через которые действующие на них нагрузки передаются корпусным деталям, называются цапфами . Цапфу, расположенную в средней части вала, обычно называют шейкой . Концевую цапфу вала, передающую корпусным деталям только радиальную нагрузку или радиальную и осевую одновременно, называют шипом , а концевую цапфу, передающую только осевую нагрузку, называют пятой . С цапфами вала взаимодействуют элементы корпусных деталей, обеспечивающие возможность вращения вала, удерживающие его в необходимом для нормальной работы положении и воспринимающие нагрузку со стороны вала. Соответственно элементы, воспринимающие радиальную нагрузку (а часто вместе с радиальной и осевую) называют подшипниками , а элементы, предназначенные для восприятия только осевой нагрузки – подпятниками .

Кольцевое утолщение вала малой протяжённости, составляющее с ним одно целое и предназначенное для ограничения осевого перемещения самого вала или насаженных на него деталей, называют буртиком .

Переходная поверхность от меньшего диаметра вала к большему, служащая для опирания насаженных на вал деталей, называется заплечиком .

Переходная поверхность от цилиндрической части вала к заплечику, выполненная без удаления материала с цилиндрической и торцевой поверхности (рис. 20. б, в), называется галтелью . Галтель предназначается для снижения концентрации напряжений в переходной зоне, что в свою очередь ведёт к увеличению усталостной прочности вала. Чаще всего галтель выполняют в форме радиусной поверхности (рис. 20. б), однако в отдельных случаях галтель может быть выполнена в форме поверхности переменной двойной кривизны (рис. 20. в). Последняя форма галтели обеспечивает максимальное уменьшение концентрации напряжений, однако требует выполнения специальной фаски в отверстии насаживаемой детали.

Углубление малой протяжённости на цилиндрической поверхности вала, выполненное по радиусу к оси вала, называют канавкой (рис. 20, а, г, е). Канавка, также как и галтель, очень часто используется для оформления перехода от цилиндрической поверхности вала к торцевой поверхности его заплечика. Наличие канавки в этом случае обеспечивает благоприятные условия для формирования цилиндрических посадочных поверхностей, так как канавка является пространством для выхода инструмента, формирующего цилиндрическую поверхность при механической обработке (резец, шлифовальный круг). Однако канавка не исключает возможности образования ступеньки на торцевой поверхности заплечика.

Углубление малой протяжённости на торцевой поверхности заплечика вала, выполненное вдоль оси вала, называют поднутрением (рис. 20, д). Поднутрение обеспечивает благоприятные условия для формирования торцевой опорной поверхности заплечика, так как является пространством для выхода инструмента, формирующего эту поверхность при механической обработке (резец, шлифовальный круг), но не исключает возможности образования ступеньки на цилиндрической поверхности вала при её окончательной обработке.

Обе указанные проблемы решает введение в конструкцию вала наклонной канавки (рис. 20, е), которая совмещает достоинства, как цилиндрической канавки, так и поднутрения.

Рис. 21. Разновидности конфигурации цапф

Цапфы валов могут иметь форму различных тел вращения (рис. 21): цилиндрическую , коническую или сферическую . Шейки и шипы чаще всего выполняют в форме цилиндра (рис. 21, а, б). Цапфы такой формы достаточно технологичны при изготовлении и ремонте и широко применяются как с подшипниками скольжения, так и с подшипниками качения. В форме конуса выполняют концевые цапфы (шипы, рис. 21, в) валов, работающие, как правило, с подшипниками скольжения, с целью обеспечения возможности регулировки зазора и фиксации осевого положения вала. Конические шипы обеспечивают более точную фиксацию валов в радиальном направлении, что позволяет уменьшить биения вала при высоких частотах вращения. Недостатком конических шипов является склонность к заклиниванию при температурном расширении (увеличении длины) вала.

Сферические цапфы (рис. 21, г) хорошо компенсируют несоосности подшипников, а также снижают влияние изгиба валов под действием рабочих нагрузок на работу подшипников. Основным недостатком сферических цапф является повышенная сложность конструкции подшипников, что увеличивает стоимость изготовления и ремонта вала и его подшипника.

Пяты (рис. 22) по форме и числу поверхностей трения можно разделить на сплошные , кольцевые , гребенчатые и сегментные .

Сплошная пята (рис. 22, а) наиболее проста в изготовлении, но характеризуется значительной неравномерностью распределения давления по опорной площади пяты, затруднительным выносом продуктов износа смазочными жидкостями и существенно неравномерным износом.

Кольцевая пята (рис. 22, б) с этой точки зрения более благоприятна, хотя и несколько сложнее в изготовлении. При подаче смазки в приосевую область её поток движется по поверхности трения в радиальном направлении, то есть перпендикулярно направлению скольжения, и таким образом отжимает трущиеся поверхности одна от другой, создавая благоприятные условия для относительного проскальзывания поверхностей.

Рис. 22. Некоторые формы пят.

Сегментная пята может быть получена из кольцевой посредством нанесения на рабочую поверхность последней нескольких неглубоких радиальных канавок, симметрично расположенных по кругу. Условия трения в такой пяте ещё более благоприятные по сравнению с вышеописанными. Наличие радиальных канавок способствует образованию жидкостного клина между трущимися поверхностями, что ведёт к их разделению при пониженных скоростях скольжения.

Гребенчатая пята (рис. 22, в) имеет несколько опорных поясков и предназначена для восприятия осевых нагрузок значительной величины, но в этой конструкции достаточно трудно обеспечить равномерность распределения нагрузки между гребнями (требуется высокая точность изготовления, как самой пяты, так и подпятника). Сборка узлов с такими подпятниками тоже достаточно сложна.

Выходные концы валов (рис. 923) обычно имеют цилиндрическую или коническую форму и снабжаются шпоночными пазами или шлицами для передачи вращающего момента.

Цилиндрические концы валов проще в изготовлении и особенно предпочтительны для нарезания шлицов. Конические концы лучше центрируют насаженные на них детали и в связи с этим более предпочтительны для высокоскоростных валов.

ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА И

ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ

Лекция 8

ВАЛЫ И ОСИ

А.М. СИНОТИН

Кафедра технологии и автоматизации производства

Валы и оси Общие сведения

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

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

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

Разновидность валов и осей

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

1 – шип; 2 – шейка; 3 – подшипник

Рисунок 1 – Прямой ступенчатый вал

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

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

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

Элементы конструкции валов и осей

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

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

Рисунок 2 – Пяты

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

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

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

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

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

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

Рисунок 3 – Переходные участки вала

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

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

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

Рисунок 4 – Способы повышения усталостной прочности валов

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

Рис. 1

Конструкции осей и валов.

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

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

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

Рис. 2

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

Рис. 3

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

Рис. 4

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

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

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

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

Материалы осей и валов.

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

Для составления качественного технологического процесса изготовления детали необходимо тщательным образом изучить ее конструкцию и назначение в машине.

Технологическая конструкция детали представлена на рисунке.

Деталь представляет собой цилиндрическую ось. Наиболее высокие требования к точности формы и расположения, а также шероховатости предъявляются к поверхностям шеек оси, предназначенных для посадки подшипников. Так точность шеек под подшипники должны соответствовать 7 квалитету. Высокие требования к точности расположения этих шеек оси относительно друг друга вытекают из условий работы оси.

Все шейки оси представляют собой поверхности вращения относительно высокой точности. Это определяет целесообразность применения токарных операций только для их предварительной обработки, а окончательную обработку с целью обеспечения заданной точности размеров и шероховатости поверхностей следует выполнять шлифованием. Для обеспечения высоких требований к точности расположения шеек оси их окончательную обработку необходимо осуществить за один установ или, в крайнем случае на одних и тех же базах.

Оси такой конструкции применяют в машиностроении достаточно широко.

Оси предназначены для передачи крутящих моментов и монтажа на них различных деталей и механизмов. Они представляют собой сочетание гладких посадочных и непосадочных, а также переходных поверхностей.

Технические требования, предъявляемые к осям, характеризуются следующими данными. Диаметральные размеры посадочных шеек выполняют по IТ7, IТ6, других шеек по IТ10, IТ11.

Конструкция оси, ее размеры и жесткость, технические требования, программа выпуска - основные факторы, определяющие технологию изготовления и применяемое оборудование.

Деталь представляет собой тело вращения и состоит из простых конструктивных элементов, представленных в виде тел вращения круглого сечения различного диаметра и длины. На оси имеется резьба. Длина оси составляет 112 мм, максимальный диаметр равен 75 мм, а минимальный - 20 мм.

Исходя из конструктивного назначения детали в машине, все поверхности этой детали можно разбить на 2 группы:

основные или рабочие поверхности;

свободные или нерабочие поверхности.

Почти все поверхности оси относятся к основным, потому что сопрягаются с соответствующими поверхностями других деталей машин или же непосредственно участвуют в рабочем процессе машины. Это объясняет достаточно высокие требования к точности обработки детали и степени шероховатости, указанные на чертеже.

Можно отметить, что конструкция детали полностью отвечает ее служебному назначению. Но принцип технологичности конструкции состоит не только в удовлетворении эксплуатационных требований, но также и требований наиболее рационального и экономичного изготовления изделия.

Деталь имеет поверхности легкодоступные для обработки; достаточная жесткость детали позволяет обрабатывать ее на станках с наиболее производительными режимами резания. Данная деталь является технологичной, так как содержит простые профили поверхностей, ее обработка не требует специально разработанных приспособлений и станков. Поверхности оси обрабатываются на токарном, сверлильном и шлифовальном станках. Необходимая точность размеров и шероховатость поверхностей достигаются относительно небольшим набором несложных операций, а также набором стандартных резцов и кругов для шлифования.

Изготовление детали отличается трудоемкостью, что связано, прежде всего, с обеспечением технических условий работы детали, необходимой точностью размеров, шероховатостью рабочих поверхностей.

Итак, деталь является технологичной по конструкции и способам обработки.

Технологический чертеж детали <<Ось>>.

ВАЛЫ и ОСИ НАЗНАЧЕНИЕ Валы и оси предназначены для направления и поддерживания в пространстве вращающихся деталей (зубчатые колеса, шкивы, блоки, звездочки и др.). Они различаются между собой по условиям работы. ОСЬ не передает вращающего момента и работает только на изгиб. Она может быть вращающейся или неподвижной. ВАЛ всегда вращается и всегда передает вращающий момент, работает в основном на изгиб и кручение. Некоторые валы не поддерживают вращающиеся детали и работают только на кручение. Например карданные валы автомобилей, гибкие валы в приводах механизированного инструмента и т. д.

ОСИ Конструкция узла с вращающейся осью: Конструкция узла с неподвижной осью: 1 – ходовое колесо; 2 – шпонка; 3 – ось; 4 – конические роликоподшипники 1 – канатный блок; 2 – ось; 3 – стопорные планки; 4 – обойма блока

КОНСТРУКЦИИ ХОДОВЫХ КОЛЕС КРАНОВ б а а – на неподвижной оси: 1 – колесо; 2 – ось; 3 – зубчатая передача б – на вращающейся оси

ВАЛЫ Механизм передвижения крана с тихоходным трансмиссионным валом: 1 – электродвигатель; 2 – муфта; 3 – редуктор; 4 – трансмиссионный вал; 5 – тормоз. Карданный вал Вал редуктора

КЛАССИФИКАЦИЯ ВАЛОВ По форме поперечных сечений валов а – цилиндрическое сплошное б – цилиндрическое полое в – со шпоночной канавкой г – с шлицевыми канавками д – профильное

По назначению Ø Валы передач – несущие зубчатые колеса, шкивы, звездочки и другие детали. Ø Коренные валы – кроме деталей передач несут еще рабочие органы машин или орудий (диски турбин, зажимные патроны токарных и расточных станков др.) По форме геометрической оси Ø Прямые Ø Коленчатые – используются не только для передач вращающегося момента, но и для преобразования возвратнопоступательного движения во вращательное Ø Гибкие, с изменяемой формой геометрической оси. Применяются в приводах, приборах, зубоврачебных бурмашинах и др.

ОПОРНЫЕ УЧАСТКИ ВАЛОВ Вал 1 имеет большое число опор называемых подшипниками 2. Часть вала, охватываемую опорой, называют цапфой. Концевые цапфы называют шипами 3, а промежуточные шейками 4.

ТРЕБОВАНИЯ К МАТЕРИАЛАМ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВАЛОВ ü Высокие прочностные характеристики. ü Малая чувствительность к концентрации напряжений ü Способность подвергаться термической и химико-термической обработке ü Хорошая обрабатываемость

МАТЕРИАЛЫ И ТЕРМООБРАБОТКА ВАЛОВ Назначение вала Марка стали Вид термообработки Малонагруженные валы и оси, диаметры которых в основном определяются жесткостью Углеродистые стали: Ст. 3, Ст. 4, Ст. 5 Без термообработки Валы и оси с повышенными требованиями к несущей способности шлицев и цапф Среднеуглеродистые и легированные стали: 35, 40, 45, 40 Х, 40 Н и др. Улучшение до твердости Н=250… 320 НВ Валы и оси при требовании высокой износостойкости: - опоры скольжения; - вал-шестерни Малоуглеродистые конструкционные стали: - качественные 15, 20; - легированные 15 Х, 20 Х, 18 ХГТ, 12 ХНЗА и др. Цементация и закалка до твердости Н=58… 63 НRc Тяжелонагруженные валы Легированные стали: 40 ХНМА, 18 ХГТ, 38 Х 2 МЮА и др.

ВИДЫ ПОВРЕЖДЕНИЙ ВАЛОВ Поломки валов в зоне концентраций напряжений. Возникают из-за понижения усталостной прочности вследствие действия переменных напряжений. Причины – неправильный выбор конструктивной формы деталей (галтель), нарушение технологии изготовления (надрезы, следы обработки и т. д.), нарушение норм технической эксплуатации (неправильная регулировка подшипников, уменьшение необходимых зазоров). Чаще всего поломки происходят в зоне расположения концентраторов напряжений (шпоночные пазы, галтели, отверстия, напрессовки и др.). Смятие рабочих поверхностей (пазов, шпонок, шлицев, износ шлицев в подвижных соединениях и другие виды поверхностных повреждений). Фрикционная коррозия и концентрация давления на участках, расположенных около торцов ступицы (возникают предпосылки к возникновению очагов усталостного разрушения. Недостаточная жесткость валов и осей на изгиб и кручение. Разрушения в следствие поперечных или крутильных колебаний.

КРИТЕРИИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ВАЛОВ Прочность Жесткость Виброустойчивость Износостойкость Основным критерием работоспособности тихоходных валов является статическая прочность

ТОЧКИ ОПОРЫ ВАЛА а – на радиальном подшипнике; б – на радиально-упорном подшипнике; в – на двух подшипниках в одной опоре; г – на подшипнике скольжения

СХЕМЫ НАГРУЖЕНИЯ ВАЛА. ЭПЮРЫ ИЗГИБАЮЩИХ И ВРАЩАЮЩЕГО МОМЕНТОВ По ГОСТ 16162 -85 для входных и выходных валов одноступенчатых цилиндрических и конических редукторов и для быстроходных валов редукторов любого типа Для тихоходных валов двух- и трехступенчатых редукторов, а также червячных передач где Т – вращающий момент на валу.

ПОРЯДОК РАСЧЕТА ВАЛОВ НА СТАТИЧЕСКУЮ ПРОЧНОСТЬ Составляют расчетную схему Определяют реакции опор в горизонтальной и вертикальной плоскостях Строят эпюры изгибающих моментов и эпюры крутящего момента Геометрически суммируют моменты Для опасных сечений (где наибольшие суммарные моменты) рассчитывают диаметры и окончательно разрабатывают конструкцию вала. Так как валы работают в условиях изгиба и кручения, а напряжения от осевых сил малы, то эквивалентное напряжение в точке наружного волокна согласно энергетической теории прочности определяют по формуле где; - расчетные напряжения на изгиб и кручение - осевой и полярный моменты сечения вала

РАСЧЕТ ВАЛОВ НА УСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ Выполняют как проверочный в форме определения коэффициентов запасов прочности где S , S - коэффициенты запаса прочности соответственно по напряжениям изгиба и кручения; [s] = 2… 2, 5 - допустимый коэффициент запаса прочности. где σ-1 , -1 - пределы выносливости материала при изгибе и кручении; К D , K D - коэффициенты концентрации напряжений, учитывающие влияние всех факторов на сопротивление усталости; σа, а - амплитуды напряжений; , - коэффициенты, характеризирующие чувствительность материала к ассиметрии цикла напряжений; σm , m - постоянные составляющие цикла изменения напряжений.

ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В ВАЛАХ Симметричный цикл напряжений Отнулевой цикл напряжений Постоянные по величине и направлению нагрузки вызывают во вращающихся валах переменные напряжения изгиба, меняющиеся по симметричному циклу с амплитудой σа и средним напряжением σm Изменение напряжений кручения в расчетах принимают по отнулевому циклу