3. Расчет вала на усталостную прочность.

3.1 Выбор типа соединения в опасном сечении вала.

Опасное сечение находится в месте опоры С. Конструктивное оформление участка вала в месте посадки подшипника показано на рис.5.5, а.

Определим основные размеры вала в опасном сечении (рис. 5.5, б):

- диаметр упорного буртика d₁ =(1,1…1,2)d=(1,1…1,2) 70=(77…84) мм;

- радиус галтельного перехода r=(0,1…0,2)d=(0,1…0,2)70=(7…14) мм;

- размеры канаки для установки стопорного кольца: ширина проточки b=(0,04…0,07)d=(0,04…0,07)70=(2,8…4,9) мм; глубина проточки t=(0,02…0,03)d=(0,02…0,03)70=(1,4…2,1) мм.

Примем: d₁=77 мм, r=7 мм, b=2,8 мм, t=1,4 мм, r₂=0,35 мм, d₂=(d– –2t)=(70 – 2∙1,4)=67 мм.

Характеристики материала 40ХНМА [3]: предел прочности _в=(1100…1700) МПа; предел текучести _Т=(850…1600) МПа; предел выносливости _-1=(500…700) МПа; _-1=(270…350) МПа. Примем _в=1400МПа, _Т=1150 МПа, _-1 = 580 МПа, _-1 = 314 МПа.

3.2 Определение числа расчетных сечений и концентраторов напряжений.

Концентраторами напряжений являются: галтельный переход (сечение 1-1), посадка подшипника с натягом (сечение 2-2), выточка для стопорного кольца (сечение 3- 3). Таким образом имеем три расчетных сечения.

3.3 Расчет характеристик цикла для нормальных и касательных напряжений в расчетных сечениях.

В опасном сечении вала действуют: нормальная сила N = 880 Н, изгибающий момент М_и = 536 Нм и крутящий момент Т = 420 Нм. В точках сечения возникают нормальные напряжения от изгиба _и = М_и/W_ос и растяжения _N = N/A, а также касательные напряжения  = T/W_p. При этом нормальные напряжения меняются по асимметричному циклу с амплитудой _a = _и и средним напряжением _m = _N, касательные напряжения по пульсирующему циклу _a = _m = /2.

Сечение 1-1. Геометрические характеристики сечения для диаметра d=70 мм: площадь

осевой момент сопротивления

полярный момент сопротивления

Так как в сечении МПа, то нормальные напряжения меняются по асимметричному циклу с амплитудой

и средние значения

.

Касательные напряжения меняются по пульсирующему циклу:

.

Сечение 2-2. Геометрические характеристики сечения для диаметра d=70 мм: площадь

осевой момент сопротивления

полярный момент сопротивления

Так как в сечении МПа, то нормальные напряжения меняются по асимметричному циклу с амплитудой

и средние значения

.

Касательные напряжения меняются по пульсирующему циклу:

.

Сечение 3-3. Геометрические характеристики сечения для диаметра d=67 мм: площадь

осевой момент сопротивления

полярный момент сопротивления

Так как в сечении МПа, то нормальные напряжения меняются по асимметричному циклу с амплитудой

и средние значения

.

Касательные напряжения меняются по пульсирующему циклу:

.

3.4. Выбор коэффициентов, учитывающих концентрацию напряжений, размеры вала, качество обработки поверхности, упрочняющую технологию.

Примем коэффициент чувствительности к асимметрии цикла _=0,2, _=0,1 [3, с.591].

Сечение 1-1: галтельный переход. Эффективные коэффициенты концентрации напряжений (при d₁/d = 77/70 = 1,1 и r/d = 7/70 = 0,1) k_ = 1,45, k_ = 1,18 [4, с.607]. Значение масштабного фактора _ = _ = 0,69 [4, с.612], при d = 70 мм. Коэффициент качества поверхности примем _ш = 0,94 [3, с.589].

Сечение 2-2: посадка подшипника с натягом. Эффективные коэффициенты концентрации напряжений (k_)_D = 6,44, (k)_D = 4,56 [4, с.611]. Значение масштабного фактора _ = _ = 0,69 [4, с.612], при d = 70 мм. Коэффициент качества поверхности _ш = 0,95 [3, с.589].

Сечение 3-3: кольцевая выточка. Эффективные коэффициенты концентрации напряжений (при t/r = 1,5/0,35=4, r/d = 0,3/67 =0,01) k_ = 1,64, k_ = 1,38 [4, с.608]. Значение масштабного фактора _ = _ = 0,69 [4, с.612], при d = 67 мм. Коэффициент качества обработки поверхности _ш = 0,93 [3, с.589].