Валы и оси

1. Общие сведения

В современных машинах наиболее часто используют вращательное движение. Вращающиеся детали, такие, как зубчатые колеса, шкивы, звездочки, блоки, муфты и др., направляются и поддерживаются в пространстве при помощи валов и осей.

Валы и оси в большинстве случаев имеют форму тел вращения.

Вращающиеся детали и поддерживающие их валы обычно жестко соединены посадками с натягом, шпонками, шлицами и т. п., поэтому валы могут быть только вращающимися, при этом они всегда передают вращающий момент и подвержены кручению.

На осях вращающиеся детали могут быть либо закреплены неподвижно, например, с помощью посадок с натягом, и тогда оси должны вращаться, либо установлены свободно, например, по посадке с зазором, на подшипниках качения и т. п., и тогда оси могут быть неподвижными; в любом случае оси не передают вращающий момент и их можно рассматривать как частную разновидность валов, не подверженных кручению.

По назначению валы можно разделить на коренные, т. е. валы несущие основные рабочие органы машин (ротор турбины, коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания, шпиндель станка), и передаточные (валы передач), используемые для передачи и распределения движения и несущие на себе детали передач: зубчатые колеса, шкивы, звездочки и т. д. В ряде машин (сельскохозяйственных, дорожных) применяют валы для передачи вращающего момента к исполнительным органам; их называют трансмиссионными.

Иногда используют торсионные валы (торсионы), т. е. валы обычно малых диаметров и передающих только вращающие моменты.

Валы по форме геометрической оси разделяют на прямые (рис. 1, а, б, в, г, д, е) и коленчатые (рис. 1, ж). Последние применяют для преобразования возвратно-поступательного движения (поршней) во вращательное (коленчатого вала) или наоборот. Особую группу представляют гибкие валы с изменяемой формой геометрической оси, их применяют для привода механизированного инструмента, в зубоврачебных бормашинах и т. п.

Оси (детали) имеют прямую геометрическую ось.

Коленчатые, гибкие, а также кулачковые валы относятся к специальным и не рассмотрены в настоящем курсе.

2. Конструкции и материалы

Наиболее распространены прямые валы и оси; они могут быть постоянного диаметра (рис. 1, а, б) или ступенчатыми (рис. 1, в, г, д, е). Чаще всего валы и оси выполняют ступенчатыми, хотя валы и оси постоянного сечения более технологичны.

Форма валов и осей по длине определяется распределением действующих сил и моментов, технологией изготовления и условиями сборки. Эпюры изгибающих моментов и поперечных сил по длине валов и осей, как правило, не постоянны; вращающий момент передается обычно не по всей длине вала. Поэтому по условию равнопрочности целесообразно конструировать валы и оси ступенчатыми, близкими по форме к балкам равного сопротивления (форма балки равного сопротивления показана штриховой линией на рис. 1, в).

Рис. 1. Основные типы валов и осей

В поперечном сечении валы и оси могут быть сплошными (рис. 2, а) или полыми (рис. 2, б), а по форме сечения — цилиндрическими (рис. 2, а, б), со шпоночными (рис. 2, в) или шлицевыми (рис. 2, г) канавками, а также профильными (рис. 2, д).

Рис. 2. Формы поперечных сечений валов и осей

Применение полых валов и осей позволяет существенно снизить массу, например, при равной прочности сплошного и полого валов с отношением диаметра отверстия к наружному диаметру 0,75, масса полого вала будет меньше почти в 1,5 раза.

Концевые опорные участки валов и осей называют цапфами или шипами. Цапфы (шейки) валов и осей, когда в опорах установлены подшипники скольжения, выполняют: цилиндрическими (рис. 3, а, б) или коническими (рис. 3, в). В большинстве случаев цапфы валов и осей для подшипников скольжения имеют цилиндрическую форму с закругленным переходом (галтелью) и с заплечиком (буртиком) для односторонней фиксации в осевом направлении (см. рис. 3, а). В случае необходимости двусторонней осевой фиксации вала (оси) в одной опоре цапфа снабжается дополнительным буртиком (см. рис. 3, б).

Рис. 3. Цапфы валов и осей под подшипники скольжения

Цапфы валов и осей для подшипников качения выполняют цилиндрическими с заплечиком, служащим для односторонней фиксации в осевом направлении (рис. 4, а). Для двусторонней фиксации внутреннего кольца подшипника на валу или оси дополнительно предусматривают гайки (рис. 4, б), стопорные пружинные кольца, устанавливаемые в кольцевые канавки (рис. 4, в), и др.

Рис. 4. Цапфы валов и осей под подшипники качения

Участки валов и осей под посадку ступиц деталей выполняют цилиндрическими или коническими. Чаще применяют цилиндрические посадочные поверхности как более технологичные. Конические посадочные поверхности, как правило, применяют для концевых участков валов.

Большое влияние на прочность, выносливость, надежность валов и осей оказывает форма переходных участков между соседними ступенями разных диаметров. Галтели должны иметь

максимально возможные радиусы закруглений. Наиболее распространенная форма перехода - галтели постоянного радиуса (рис. 5, а); желательно, чтобы радиус закругления R был больше 0,ld (d — диаметр вала). В особых случаях применяют галтели переменного радиуса кривизны р (рис. 5, в). Правильным подбором кривизны галтели можно существенно снизить концентрацию напряжений и повысить несущую способность валов и осей. Снижению концентрации напряжений служит также применение разгрузочных выточек (рис. 5, а). Канавку (рис. 5, г) шириной 3-5 мм и глубиной 0,25-0,5 мм, удобную для выхода обрабатывающего инструмента, например шлифовального круга, используют в случае, когда определяющей является не усталостная прочность, а жесткость валов.

Рис. 5. Переходные участки валов и осей

Наряду с концентрацией напряжений, вызванной геометрическими очертаниями деталей, на усталостную прочность влияет качество поверхностного слоя, т. е. микрогеометрия, как следствие механической обработки, и структурное состояние поверхностного слоя. Повышение усталостной прочности валов и осей достигается упрочнением материала посредством термической или химико-термической обработки, пластическим упрочнением (обкаткой роликами, обдувкой дробью), в результате которого в поверхностном слое образуются остаточные напряжения сжатия, а также шлифованием, полированием и другими методами.

Осевые нагрузки на валы от насаженных на них деталей передаются следующими способами:

значительные нагрузки — упором деталей в уступы (буртики, заплечики) на валу или оси (рис. 6, а) или посадкой деталей с соответствующим натягом (рис. 6, б);

средние нагрузки— гайками (см. рис. 6, б и 6, в) или штифтами (рис. 6, г), а также выше перечисленными способами;

легкие нагрузки — стопорными винтами (рис. 6, д), стопорными пружинными кольцами (см. рис. 4, в и 6, е ) и др.

Рис. 6. Средства восприятия осевых нагрузок

и осевого крепления деталей на валах и осях

Основными материалами для валов и осей служат углеродистые и легированные стали. Для осей и валов, диаметры которых определяются, в основном, жесткостью, применяют углеродистые конструкционные стали Ст4, Ст5 без термообработки. В ответственных и тяжело нагруженных конструкциях (когда критерием является прочность) используют термически обрабатываемые средне-углеродистые и легированные стали 40, 45, 40Х, 40ХН, 40ХН2МА, 30ХГТ, 30ХГСА и др. Валы из этих сталей в зависимости от решаемых задач подвергают улучшению (закалке с высоким отпуском) или поверхностной закалке (нагрев ТВЧ) с низким отпуском.

Быстроходные валы на опорах скольжения должны иметь весьма высокую твердость поверхности цапф; для этого их изготовляют из цементируемых сталей типа 20Х, 12ХНЗА, 18ХГТ или из азотируемых сталей типа 38Х2МЮА.

Валы, работающие в коррозионной среде, изготовляют из нержавеющих сталей, титановых сплавов.

Для изготовления коленчатых валов и валов с большими фланцами наряду со сталью применяют высокопрочные (с шаровидным графитом) и модифицированные чугуны.

Прямые стальные валы и оси диаметром до 150 мм обычно изготовляют из проката; валы большего диаметра и сложной формы — из поковок. Полые валы целесообразно изготовлять из стальных труб стандартных размеров или из специально заказываемого недоката труб (с утолщенными стенками).

Валы и оси обычно подвергают токарной обработке в центрах и последующему шлифованию посадочных поверхностей (цапф, шеек, шипов) или шлифованию по всей поверхности (высоконапряженные валы).

В последнее время появилась конструкция полых валов из композитных материалов, получаемых намоткой.

Основными критериями работоспособности валов и осей являются прочность, жесткость и виброустойчивость.