Конструктивные элементы и материалы валов и осей

ВАЛЫ и ОСИ

Для обеспечения постоянного положения оси вращения зубчатых колес, звездочек, шкивов и других вращающихся деталей их устанавливают на валах или осях.

Вал - это деталь, предназначенная для передачи крутящего момента вдоль своей оси и поддержания установленных на нем вращающихся деталей. При работе вал испытывает изгиб и кручение. Валы, только передающие вращающий момент от одной детали к другой называют торсионными.

Ось - это 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 посаженными на них деталями. Например, ось колеса автомобиля не вращается, а вагонная ось вращается вместе с колесами.

Классификация валов.

1. По назначению различают:

а) валы передач, на которых устанавливают зубчатые колеса, шкивы, муфты и др. детали передач;

б) коренные валы, несущие рабочие органы машины турбины, патроны, кривошипы, маховики;

2. По геометрической форме валы делятся на: прямые, коленчатые и гибкие.

Коленчатые валы предназначены для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот.

Гибкие валы предназначены для передачи вращающего момента между агрегатами со смещенными в пространстве осями. Они имеют высокую жесткость при кручении, малую жесткость при изгибе, в результате чего при работе могут иметь криволинейную ось.

Прямые валы и оси, в зависимости от распределения нагрузок и условий сборки, выполняют гладкими или ступенчатыми, близкими по форме к балкам равного сопротивления изгибу.

Гладкие валы более техничны и получают в последнее время большое распространение. Соединения деталей с такими валами осуществляют при помощи посадок.

По типу сечения валы бывают сплошные и полые для размещения внутри другой детали, смазки и уменьшения массы.

Конструктивные элементы и материалы валов и осей.

Цапфы - участки вала или оси лежащие в опорах. Они подразделяются на шипы, шейки и пяты. Шипом называются цапфа, расположенная на конце вала и передающая радиальную нагрузку, а шейкой расположенная в средней части вала. Пятой называют цапфу, передающую осевую нагрузку.

Посадочные поверхности валов под ступицы насаживаемых деталей выполняют цилиндрическими или коническими. При соединении с натягом эти участки делают на 15 - 20% больше соседних. Для посадки подшипников на валах делают упорные буртики, их высота должна обеспечивать демонтаж подшипников и подвод смазочного материала.

Переходные участки валов между двумя ступенями выполняют следующих типов:

а) с канавкой для выхода шлифовальных кругов;

б) с галтелью постоянного радиуса;

в) с галтелью специальной формы.

Для изготовления валов используют:

углеродистые стали: Ст5; Ст6; 20; 30; 40; 45; 50,

легированные стали: 20Х, 40Х, 40ХН, 18Х2Н4МА. Быстроходные валы, работающие в подшипниках скольжения, изготовляют из цементируемых сталей: 12Х2Н4А, 18ХГТ, 20Х.

Выбор материала и термической обработки определяются конструкцией вала, опор и условиями эксплуатации.

Валы и оси обрабатывают на токарных станках с последующим шлифованием цапф и посадочных поверхностей.

Расчет валов

Основными критериями работоспособности валов являются сопротивление усталости и жесткость, т.к. разрушение валов в большинстве случаев носит усталостный характер, поэтому основным является расчет на сопротивление усталости.

Основными расчетными силовыми факторами являются крутящие Т и изгибающие М моменты. Влияние продольных сил невелико и в большинстве случаев не учитывается.

Расчет и конструирование валов обычно ведут по трехэтапной схеме:

1 - этап - предварительный расчет по пониженным допускаемым напряжениям на кручение;

2 - этап - разработка конструкции вала обеспечивающей технологичность изготовления и сборки;

3 - этап - проверочный уточненный расчет вала на сопротивление усталости.

1-этап: Предварительный расчет.

На первом этапе при отсутствии данных об изгибающих моментах определяют диаметры выходных концов валов, а для промежуточных валов диаметр под колесом. При этом влияние изгиба, концентрации напряжений и характера нагрузки компенсируется понижением допускаемых напряжений на кручение:

;