62. Валы и оси. Общие сведения и основы конструирования. Материалы и обработка осей и валов. Критерии расчета

Общие сведения и основы конструирования

Оси предназначены для поддержании вращающих деталей, могут быть загружены поперечными силами и изгибающими моментами, но не передают крутящих моментов.

Оси бывают вращающимися, которые обеспечивают лучшую работу подшипников, и неподвижные, требующие встройки подшипников во вращающиеся детали.

Валы предназначены для передачи крутящего момента вдоль оси и для поддержания вращающихся деталей.

Валы по назначению делят на:

валы передач, несущие детали передач;

коренные валы машин и другие специальные валы, несущие кроме деталей передач рабочие органы машин или орудий.

Различают валы прямые, коленчатые и гибкие. Наибольшее распространение получили прямые валы. Коленчатые валы предназначены для преобразования поступательного движения во вращательное и наоборот; их применяют в поршневых машинах. Гибкие валы допускают передачу вращения при больших перегибах.

По конструкции оси и валы различают : гладкие( или постоянного диаметра),фасонные(ступенчатые), а также сплошные и полые.

По форме сечения валы делят на гладкие, шлицевые, профильные.

Валы и оси имеют участки, которые ограничивают свободу их перемещения. Эти участки называют цапфами.

В зависимости от направления действующей на цапфу опорной реакции цапфы бывают двух видов:

1. Цапфы, у которых опорная реакция перпендикулярна оси вращения.

Такие цапфы бывают двух типов:

концевые цапфы или шипы;

цапфы, расположенные в средней части вала(шейки).

Цапфы, у которых опорная реакция совпадает с осью вращения или параллельна ей, называют пятами.

Цапфы( шейки) валов, работающие в подшипниках скольжения выполняют:

А) цилиндрическими(чаще всего);

Б) коническими( для регулирования зазора подшипников осевого перемещения вала);

В) сферическими.

Посадочные поверхности для зубчатых колес, шкивов,.. делаются цилиндрическими и коническими. Конические поверхности применяют для облегчения постановки на вал и снятия с него тяжелых деталей; для обеспечения заданного натяга; для быстрой смены деталей типа сменных шестерен, для повышения точности центрирования.

Прочность валов в местах шпоночных, шлицевых и других разъемных соединений со ступицей может быть повышена применением эвольвентных шлицевых соединений, шлицевых соединений с внутренним диаметром, равным диаметру вала на соседнем участке или с плавным выходом шлицев на поверхность, шпоночных соединений, выполненных дисковой фрезой, имеющих плавный выход на поверхность, применение безшпоночных соединений.

Материалы, применяемые для изготовления осей и валов

Валы выходят из строя из – за:

усталостного разрушений(40 – 50 %);

больших остаточных деформаций( при перегрузках);

шейки валов подшипников скольжения( шейки изнашиваются).

Основные материалы для изготовления валов:

Углеродистые и низколегированные стали( из – за прочности, большого модуля упругости, способности к упрочнению).

Валы, подчиненные критерию жесткости и неподвергающиеся термообработке, изготавливают из Ст5, Ст6.

Валы, подвергающиеся термообработке, изготавливают из среднеуглеродистых и легированных сталей 40, 45, 40Х, 40ХН.

Высоконапряженные валы выполняются из легированных сталей 40ХН, 40ХН2, 30ХГСА, 30ХГТ и других.

Валы подвергают улучшению, закалке ТВЧ, газовой нитроцементации, азотированию( работающие в подшипниках скольжения).

Фасонные валы и коленчатые часто изготавливают из чугуна, модифицированного или с шаровидным графитом.

На практике установлено, что для валов основным видом разрушения является усталостное. Поэтому для валов расчет на сопротивление усталости является основным. Расчет на статическую прочность выполняют как проверочный. Валы рассчитывают на жесткость, прочность и на колебания.

63. Методы расчета валов. Ориентировочный и приближенный расчет валов

Валы рассчитывают на прочность, жесткость и колебания.

Основные нагрузки: крутильные и изгибающие моменты.

Влияние сжимающих и растягивающих сил невелико и часто не учитывается.

Для выполнения расчета вала необходимо знать его конструкцию, места приложения нагрузок и так далее.

Разработка конструкции невозможна без предварительного определения диаметра вала, поэтому расчеты валов на прочность делят на ориентировочные, приближенные и уточненные( или проверочные).

Ориентировочный расчет

Ориентировочный расчет выполняют для предварительного определения диаметра вала. Расчет ведут на чистое кручение по пониженным допускаемым напряжениям по формуле:

мм,

Т- Нм,

к - МПа.

Р – мощность, кВт

n – частота вращения, об/мин.

к = 12…20МПа , тогда с=169…130

мм.

Если редуктор или коробка скоростей соединяется с двигателем через муфту, то для возможности соединения диаметр конца входного вала следует принимать , где dЭ – диаметр вала электродвигателя.

Иногда ориентировочный расчет ведут по допускаемому углу закручивания вала -   на 1 метр длины.

мм.

Часто принимают  = 0,50 на 1 метр длины, то мм.

Рассчитанный диаметр длинных валов является минимальным, для коротких валов - средним.

Остальные диаметры валов назначают по конструктивным соображениям, исходя из удобства посадки на вал детали, восприятия осевых нагрузок.

Диаметры валов следует согласовать с диаметрами насаживаемых деталей.

Иногда диаметры валов назначают в функции от межосевых расстояний зубчатых передач.

,

То и другое значения относятся к местам посадки , соответственно, шестерни и колеса.

можно принять для промежуточного вала в месте посадки шестерни второй ступени. Имеются и другие эмпирические зависимости для ориентировочного расчета валов, например, диаметры шеек коленчатого вала принимают в зависимости от диаметра цилиндра, диаметры шпинделей станков – в зависимости от основного геометрического размера станка и так далее.

Продольные размеры валов уточняются при компоновке.

Приближенный расчет

Приближенный расчет выполняют как проектный для предварительного определения диаметра вала. Намечаются места посадки колес подшипников и других деталей на вал, определяются опорные реакции, строятся эпюры крутящих и изгибающих моментов. По характеру эпюр устанавливается местоположение опасного сечения вала и определяется его диаметр по формуле:

мм,

МЭКВ – Нм,

и - МПа.

- приведенный момент.

Для обеспечения необходимой жесткости и принимается невысоким. Для сталей 35, 40,45, Ст5,6 и= 50…60МПа.