12. Валы и оси

12.1. Общие сведения

Назначение. Оси предназначены для поддержания вращающихся вместе с ними или на них различных деталей машин. Они воспринимают поперечные (изгибные) нагрузки и не передают полезного крутящего момента. Оси могут быть вращающимися и неподвижными.

В отличие от осей валы предназначены для передачи крутящих моментов. Валы работают одновременно на изгиб и кручение, в некоторых случаях также на растяжение или сжатие.

По конструкции валы и оси имеют аналогичные формы. Опорные части валов и осей называют цапфами. Цапфа, расположенная на конце вала, называется шипом, на промежуточном участке вала – шейкой. Цапфа, воспринимающая осевые нагрузки, называется пятой.

Классификация. Валы классифицируют по следующим признакам.

По назначению различают:

– валы передач, несущие на себе различные детали передач: зубчатые колеса, шкивы, звездочки, муфты;

– коренные валы, несущие на себе кроме деталей передач рабочие органы машин: роторы электродвигателей, диски турбин, зажимные патроны, кривошипы, инструменты и т.д.

По форме геометрической оси различают:

– прямые валы;

– коленчатые валы, предназначенные для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот; они совмещают функции обычных валов с функциями кривошипов в кривошипно-ползунных механизмах;

– гибкие валы с изменяемой формой геометрической оси, предназначенные для передачи вращающего момента между агрегатами со смещенными в пространстве осями входного и выходного валов; обладают высокой жесткостью при кручении и малой жесткостью при изгибе.

В свою очередь по конструктивному исполнению прямые валы делятся на следующие виды:

– валы постоянного диаметра;

– ступенчатые валы;

– валы с нарезанными на них шестернями (валы-шестерни) или червяками (валы-червяки).

Ступенчатая форма вала определяется следующими факторами:

– эпюры изгибающих моментов по длине валов, как правило, не постоянны и обычно сходят к нулю к концевым опорам или концам валов, крутящий момент обычно передается не по всей длине вала, поэтому по условию прочности целесообразно конструировать валы переменного сечения; в данном случае они приближаются к телам равного сопротивления;

– ступенчатая форма вала удобна при изготовлении и сборке;

– уступы валов (буртики) могут воспринимать значительные осевые силы, а также осуществляют осевую фиксацию деталей;

– каждая насаживаемая на вал неразъемная деталь должна проходить по валу до своей посадочной поверхности без натяга; в данном случае исключается повреждение посадочных поверхностей под другие детали и ослабление посадок.

Валы могут быть сплошными и полыми. Полые валы применяют при жестких требованиях к массе и при необходимости прохода сквозь валы или размещения внутри валов других деталей (вал шпинделя, размещение опоры соосного вала, деталей управления, подача масла, охлаждающего воздуха и т.д.).

По форме поперечного сечения различают следующие виды валов:

– гладкие;

– шлицевые;

– профильные.

Длинные валы по условию монтажа выполняют составными. Валы соединяют с помощью муфт или фланцев на концах валов.

Диаметры посадочных поверхностей под ступицы зубчатых колес, шкивов, звездочек и других деталей выбираются из стандартного ряда посадочных размеров. Посадочные диаметры валов под подшипники качения выбираются из стандартного ряда диаметров внутренних колец подшипников. Перепад диаметров ступеней вала определяется стандартными диаметрами посадочных поверхностей, достаточной опорной поверхностью для восприятия осевых сил, условиями сборки. Перепад диаметров должен быть минимальным.

Шпоночные канавки следует размещать в одной плоскости. В данном случае исключается перестановка вала при их фрезеровании, следовательно, упрощается технология изготовления вала.