Оси и валы

Вал предназначен для поддержания размещенных на нем зубчатых колес, шкивов, звездочек и других деталей машин, а также для передачи крутящего момента. Некоторые валы (гибкие, карданные, торсионные) не поддерживают вращающиеся детали. При работе вал испытывает изгиб и кручение, а иногда дополнительно растяжение и сжатие. Ось предназначена лишь для поддержания размещенных на ней деталей и подвергается только изгибу. В отличие от вала ось не передает крутящий момент. Оси могут быть неподвижными или вращающимися

По геометрической форме валы бывают прямые, коленчатые и гибкие.

По форме сечения различают: цилиндрические валы сплошного сечения, цилиндрические полые, шлицевые и с нарезанными зубьями.

По конструкции валы бывают постоянного диаметра и ступенчатые. Валы постоянного диаметра имеют повышенную прочность из-за отсутствия концентраторов напряжений. Ступенчатые валы более распространены, т.к. обеспечивают более удобную сборку и фиксацию деталей.

Валы, которые кроме деталей передач несут рабочие органы машины, называются коренными. Коренной вал станков с вращательным движением инструмента или изделия называется шпинделем. Вал, распределяющий механическую энергию по отдельным рабочим машинам, называется трансмиссионным. В отдельных случаях валы изготовляют как одно целое с цилиндрической или конической шестерней (вал-шестерня) или с червяком (вал-червяк).

Вращающиеся оси, как и валы, устанавливаются в подшипниках. Примером вращающихся осей могут служить оси железнодорожного подвижного состава, примером невращающихся – оси передних колес автомобиля.

Вращающиеся оси даже при неизменной внешней нагрузке работают в тяжелых условиях циклически изменяющегося напряженного состояния, но они удобны в эксплуатации, так как допускают применение нормальных (выносных) подшипников.

Неподвижные оси обычно работают в более благоприятных условиях при постоянных или мало изменяющихся напряжениях, но для них требуются более сложные и менее удобные в эксплуатации подшипники, встроенные в насаживаемые на оси детали.

Нагрузки, воспринимаемые осями и валами, передаются на корпус или станины машины через опорные устройства – подшипники. Опорные части вала или оси называются цапфами. Они подразделяются на шипы, шейки и пяты (рис. 12.2).

Шипом называется цапфа, расположенная наконце вала или оси и передающая преимущественно радиальную нагрузку

Рис. 12.2. Элементы вала

Шейкой называется цапфа, расположенная в средней части вала или оси. Пятой называют цапфу, передающую осевую нагрузку. По форме цапфы могут быть цилиндрическими, коническими, шаровыми и плоскими (пяты). Шипы и шейки вала опираются на подшипники, опорной частью для пяты является

подпятник. Кольцевое утолщение вала, составляющее с ним одно целое, называется буртиком. Переходная поверхность от одного сечения к другому, служащая для упора насаживаемых на вал деталей, называется заплечиком.

Для уменьшения концентрации напряжений и повышения прочности переходы в местах изменения диаметра вала или оси делают плавными. Криволинейную поверхность плавного перехода от меньшего сечения к большему называют галтелью. Галтели бывают постоянной и переменной кривизны. Галтель вала, углубленную за плоскую часть заплечика, называют поднутрением.

Переходные участки валов между соседними ступенями разных диаметров нередко выполняют с полукруглой канавкой для выхода шлифовального круга. Торцы осей и валов и их ступеней выполняют с конусными фасками. Шпоночные канавки по длине вала следует располагать по одной линии. Это упрощает фрезерование канавок и технологию сборки узла.

Проектный расчет производится только на кручение, причем для компенсации напряжений изгиба и других неучтенных факторов принимают значительно пониженные значения допускаемых напряжений кручения, например для выходных участков валов редукторов [t_к] = (0.025 - 0.03)σ_в, где σ_в – временное сопротивление материала вала. Тогда диаметр вала определится как где Т_к – крутящий момент, возникающий в расчетном сечении вала и обычно численно равный передаваемому вращающему моменту Т; – допускаемое напряжение на кручение.

Для валов из сталей Ст5, Ст6, 45 принимают: при определении диаметра выходного конца = 20-25 МПа; при определении диаметра промежуточного вала под шестерней = 10-20 МПа. Полученное значение диаметра округляют до ближайшего стандартного.

При проектировании редукторов диаметр выходного конца быстроходного вала часто принимают равным (или почти равным) диаметру вала электродвигателя, с которым он будет соединен муфтой.

После установления диаметра выходного конца вала назначается диаметр цапф вала (несколько больше диаметра выходного конца) и производится подбор подшипников. Диаметр посадочных поверхностей валов под ступицы насаживаемых деталей для удобства сборки принимают больше диаметров соседних участков. В результате этого ступенчатый вал по форме оказывается близок к брусу равного сопротивления.

После разработки конструкции вала и компоновки узла выполняют проверочные расчеты, основным из которых является расчет на сопротивление усталости, дополняемый в некоторых случаях расчетами на статическую прочность, жесткость и колебания.