17.Валы и оси

17.1.Основные понятия

Зубчатые колеса, шкивы, звездочки и другие вращающиеся детали машин устанавливают на валах или осях. Деталь, на которую насаживают неподвижно или подвижно вращающееся устройство называется осью (рис. 17.1) или валом (рис. 17.2).

Вал – деталь машин, предназначенная для поддержания сидящих на нем деталей и передачи крутящего момента. При работе вал испытывает деформации кручения и изгиба, иногда – растяжения-сжатия.

Ось – деталь машин и механизмов, служащая для поддержания вращающихся частей, но не передающая полезный крутящий момент, а, следовательно, не испытывает кручения.

Рис.17.1 – Ось тележки

17.1.1Классификация валов и осей

Виды валов:

• коренные;

• шпиндели;

• трансмиссионные.

По форме геометрической оси валы бывают: прямые, коленчатые, и гибкие.

По типу сечения валы бывают: сплошные и полые.

Оси бывают вращающиеся и неподвижные.

Прямые валы и оси изготавливают гладкими или ступенчатыми. Образование ступеней связано с различной напряженностью отдельных сечений, а также с условиями изготовления и сборки.

17.1.2Материалы, применяемые для изготовления валов и осей

Материалы валов и осей должны быть прочными, хорошо обрабатываться и иметь высокий модуль упругости. Основными материалами для валов служат углеродистые и легированные стали. Для большинства валов применяют термически обработанные среднеуглеродистые и легированные стали 45, 40Х. Для высоконапряжённых валов ответственных машин применяют легированные стали 40ХН, 20Х, 12ХНЗА. Для осей обычно применяют сталь углеродистую обыкновенного качества. Заготовки валов и осей – это круглый прокат или специальные поковки.

17.1.3Конструктивные элементы валов и осей

Опорная часть вала или оси называется цапфой (рис.17.2).

Рис. 17.2 – Пример вала

Шипом 1 называется цапфа, расположенная на конце вала и передающая преимущественно радиальную нагрузку.

Шейкой 2 называется цапфа, расположенная в средней части вала или оси.

Шипы и шейки по форме могут быть цилиндрическими, коническими или шаровые (рис. 17.7).

Рис. 17.3 – Цапфы: цилиндрическая – а, коническая – б, шаровая – в

Опорами для шипов и шеек служат подшипники.

Посадочные поверхности валов и осей под ступицы насаживаемых деталей выполняют цилиндрическими и коническими.

При посадках с натягом диаметр этих поверхностей принимают больше диаметра соседних участков для удобства напрессовки. Диаметры посадочных поверхностей выбирают из ряда нормальных линейных размеров, а диметры под подшипники качения – в соответствии с ГОСТами на подшипники.

Кольцевое утолщения вала, составляющее с ним одно целое, называется буртиком (рис. 17.4).

Рис. 17.4 – Буртики вала

Переходные участки (рис. 17.5) между двумя ступенями валов или осей выполняют:

• с канавкой со скруглением для выхода шлифовального круга (эти канавки повышают концентрацию напряжений);

• с галтелью (поверхностью плавного перехода от меньшего сечения вала к большему) постоянного радиуса;

• с галтелью переменного радиуса, которая способствует снижению концентрации напряжений, а поэтому применяется на сильно нагруженных участках валов или осей.

Эффективным средством для снижения концентрации напряжений в переходных участках являются выполнение разгрузки канавок (а), увеличение радиусов галтелей, высверливание отверстий в ступенях большого диаметра (б).

Рис. 17.5 – Переходные участки валов: канавка – а, галтель – б, галтель переменного радиуса – в

Поверхность, образованная скосом торцевой кромки материала, называется фаской (рис. 17.6). Фаски часто используются в различных конструктивных элементах для упрощения последующего монтажа и уменьшения опасности ранения острыми кромками деталей.

Рис. 17.6 – Вал с фаской

Канавки, галтели и фаски являются концентраторами напряжений.

Концентрацией напряжений называется увеличение напряжений в малых областях, примыкающих к местам с резким изменением формы поверхности тела, размеров его сечения или с локализованной неоднородностью материала внутри тела