Тема 11 валы, оси и муфты

11.1. Назначение, классификация и конструктивные

Особенности валов и осей

Валы и оси предназначены для поддержания вращающихся деталей и обеспечения их геометрической оси вращения. Оси выполняют только указанные функции, загружены поперечными силами и изгибающими моментами и не передают полезных крутящих моментов. Оси бывают вращающимися относительно векторов радиальных усилий, например, оси железнодорожного вагона, и не вращающимися, например, оси передних колес автомобиля. Оси воспринимают только напряжения изгиба, иногда растяжения или сжатия.

Валы наряду с функциями поддержания деталей и обеспечения их геометрической оси вращения передают крутящий момент от установленных на них деталей. Помимо крутящих моментов валы загружены поперечными силами и изгибающими моментами от усилий в зацеплениях зубчатых колес, опорах, муфтах и т.д. Валы обязательно вращаются вместе с сидящими на них деталями и кроме нормальных напряжений от изгиба испытывают также касательные

132

напряжения кручения, а в некоторых случаях напряжения растяжения или сжатия от осевых сил.

По виду геометрической оси валы разделяют на прямые, коленчатые и гибкие. Наибольшее применение имеют прямые валы (рис. 11.1, а, б, в). Коленчатые валы (рис. 11.1, г) применяют только в поршневых машинах (Д.В.С., компрессоры и др.) для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот. Гибкие валы с изменяемой формой геометрической оси применяют для передачи вращений в механизмах, узлы которых меняют своё положение в процессе работы, например приборы дистанционного управления, зубоврачебные бормашины и др. Коленчатые и гибкие валы относятся к специальным и не рассматриваются в настоящем курсе.

Оси (детали) имеют только прямолинейную геометрическую ось.

Рис. 11.1. Основные виды валов и осей

Прямые валы по форме внешней поверхности разделяют на гладкие постоянного диаметра (рис. 11.1, а) и ступенчатые или фасонные (рис. 11.1, б, в). Чаще всего валы и оси выполняют ступенчатыми, хотя валы и оси постоянного сечения более технологичны.

В поперечном сечении валы и оси могут быть сплошными и полыми. В транспортном машиностроении применяют полые валы (рис. 11.1, в), что позволяет существенно снизить массу (до 1,5 раз)

133

по сравнению со сплошными при сохранении равной прочности и жесткости.

Опорные концевые части валов, воспринимающие радиальные нагрузки называют цапфами. Промежуточные цапфы называют шейками. Опорные части валов, воспринимающие осевые нагрузки, называют пятами.

11.2. Виды повреждений валов и осей, критерии работоспособности и применяемые материалы

Поскольку напряжения в валах и вращающихся осях преимущественно имеют циклически изменяющийся характер, основной причиной их выхода из строя являются усталостные повреждения (трещины, поломки). Иногда имеют место поломки и от недостатка статической прочности при единичных пиковых нагрузках. Кроме того, в некоторых случаях наблюдаются повреждения цапф и шеек в виде повышенного износа или надиров.

Таким образом, основными критериями работоспособности валов и осей являются:

• прочность, обеспечивающая в первую очередь исключение усталостных поломок, а также поломок от недостатка статической прочности;

• жесткость валов и осей; недостаточная их жесткость существенным образом сказывается на работоспособности сидящих на них деталей (зубчатых колес, подшипников и др.);

• виброустойчивость валов и осей; обычно этот критерий важен для высокоскоростных машин; собственная частота колебаний вала или оси с сидящими на них деталями не должна совпадать или быть близкой частоте возбуждающих сил с целью исключения явлений резонанса, когда могут возникать недопустимые деформации и перенапряжения некоторых сечений вала или оси;

134

• износостойкость; является важным критерием работоспособности для опорных участков валов и осей-цапф, например, когда участок работает как составной элемент подшипника скольжения.

Критерии работоспособности обусловливают выбор материала и термической обработки валов и осей.

Основными материалами для валов и осей общего машиностроения служат конструкционные углеродистые и малолегированные стали — Ст5, Ст45, Ст40Х и др.

Высокоответственные валы и оси изготавливают из легированных сталей, которые должны иметь высокую прочность, при сохранении вязкой сердцевины, и низкую чувствительность к концентраторам напряжений. Кроме того, они должны обладать хорошей обрабатываемостью и склонностью воспринимать химико-термическую обработку. К таким сталям относятся 40ХН2МА, 30ХГСА, 13ХНВА, 12Х2НЧА с цементацией и др.