Розділ 3. Вали та осі. Опори валів та осей. З’єднання типу “вал – маточина”. Муфти для з’єднання валів
Глава 7. Вали та осі
7.1. Загальні відомості. Класифікація. Матеріали
Зубчасті колеса, шківи, зірочки, барабани, муфти та інші елементи машин здійснюють обертовий рух разом з осями і валами, на яких вони розміщені та які забезпечують для цих елементів постійне положення геометричної осі обертання.
Осі служать для підтримування різноманітних деталей машин і механізмів, що обертаються разом з ними чи на них. Обертаються осі відносно опор, що називають вальницями. Осі не передають обертового моменту. Вони можуть бути рухомими (рис. 7.1, а, де обертання барабану 1 передається через з’єднаний з ним зубчатий вінець 2, а барабан шпонкою 3 з’єднаний з віссю 4, яка обертається у вальницях 5) або нерухомими (рис. 7.1, б, де обертання барабану 1, як і в попередньому випадку, передається від вінця 2, але барабан не з’єднаний з віссю 3 – вона нерухома, оскільки стопориться планками 5, що кріпляться ґвинтами зі станиною машини; втулка 4 служить для зменшення тертя).
Вали, на відміну від осей, призначені для передачі обертових моментів і у більшості випадків для підтримки різноманітних деталей машин, що обертаються разом з ними відносно опор.
Класифікація осей та валів. Осі, як правило, виготовляють прямими (рис. 7.1). За геометричною формою вали поділяються на прямі, колінчасті (вісь – просторова ламана лінія) і гнучкі (змінювана просторова геометрична вісь) (рис. 7.2, е).
За конструкцією вали передач (рис. 7.2) бувають: а – гладкі (трансмісійні та ін.); б – ступінчасті; в – шліцеві; г – вали-шестерні; ґ – вали-напівмуфти; д – карданно-телескопічні; е – гнучкі; є – кулачкові.
Корінні вали машин несуть на собі окрім деталей передач робочі органи машин двигунів або знарядь – колеса або диски турбін, кривошипи, інструменти, затискні патрони і т. ін. На рис. 7.3 показані основні види корінних валів: а – вали турбін; б – вали електричних двигунів; в – шпинделі верстатів; г – колінчасті вали; ґ – ексцентрикові вали.
Щодо вісей, то вони теж класифікуються за призначенням. На рис. 7.4 подана класифікація осей: а – осі пасових, зубчастих та інших передач; б – осі підіймально-транспортних машин; в – осі транспортних машин.
Опорні частини валів та осей називають цапфами або шийками.
Прямі вали поділяють на вали постійного діаметра (вали трансмісійні і суднові багатопрогінні, див. рис. 7.2, а); вали ступінчасті (більшість валів, див. рис. 7.2, б-г, є; рис. 7.3, а-в, ґ); вали з фланцями для з’єднання по довжині (рис. 7.3, г), а також вали з нарізними зубцями – шестерні.
а
б
Рис. 7.1. Рухома та нерухома осі вантажних барабанів
а
б в
г
ґ
е
д
є
Рис. 7.2. Класифікація валів передач
а
б
в
г
ґ
Рис. 7.3. Класифікація корінних валів
а
б
в
г
ґ
Рис. 7.4. Класифікація валів за призначенням
Форма вала по довжині визначається розподілом навантаги та умовами технології виготовлення і складання. Епюри згинальних моментів по довжині валів, як правило, не постійні і, зазвичай, сходять до нуля на кінцевих опорах або на кінцях валів. Обертовий момент звичайно передається на певному відрізку вала. Тому за умовою міцності допустимо і доцільно конструювати вали змінного перерізу, що близькі до тіл рівного опору. А звідси виконуються вали практично ступінчастими. Ця форма зручна при виготовленні та складанні, виступи валів можуть сприймати великі осьові сили.
Вали можуть бути суцільними і порожнистими. Порожнистий вал значно легший від суцільного, а тому такі вали застосовують за жорстких умов до маси (у літальних апаратах) та за необхідності проходу через вали або розміщення всередині валів інших деталей.
Вали можуть мати довжину до 7 м (або й більше). А тому для таких валів поставляється кругла якісна сталь відповідної довжини (до 7 м), а довші вали виконують складеними, що необхідно також за умовами монтажу і транспортування.
Діаметри поверхонь посадки (під маточини зубчастих коліс, шківів, зірочок та інших деталей) вибирають зі стандартного ряду розмірів посадок, діаметри під вальниці котіння – зі стандартного ряду внутрішніх діаметрів вальниць котіння.
Цапфи (шийки) валів, що працюють у вальницях ковзання, виконують: циліндричними; конічними; сферичними. Найбільше використовують циліндричні цапфи. Конічні цапфи застосовують для реґулювання люфта у вальницях, а також іноді для осьової фіксації вала. Люфт реґулюється осьовим переміщенням вала або вкладки вальниці. Сферичні цапфи трудомісткі при виготовленні, а тому їх застосовують тільки за необхідності значних кутових переміщень осі вала.
Цапфи валів для вальниць котіння мають значно меншу довжину, ніж для вальниць ковзання, але це тільки для одинарних вальниць.
Матеріали та обробка осей та валів. Для виготовлення більшо-сті валів в основному використовують вуглецеві сталі марок 20, 30, 40, 45 та 50, а також леґовані сталі марок 20Х, 40Х, 40ХН, 30ХГСА, 40ХН2МА, 18Х2Н4МА, та ін. Сталі 40ХН, 40ХН2МА, 30ХГТ, 30ХГСА та ін. застосовують для високонапружених валів відпові-дальних машин. Вали з цих сталей піддають, як правило, поліпшенню, загартуванню з високим відпуском або поверхневому гартуванню з нагріванням СВЧ і низьким відпуском (шліцеві вали).
Швидкохідні вали, які обертаються у вальницях ковзання, вимагають досить високої твердості цапф, а тому їх виготовляють із цементованих сталей 20Х, 12ХНЗА, 18ХГТ або азотованих сталей типу 38Х2МЮА. Хромовані вали мають високу стійкість проти спрацювання. Наприклад, в автомобільній промисловості покриття хромом шийок колінчастих валів збільшує ресурс до перешліфування у 3÷5 разів.