48. Расчет валов на жесткость и виброустойчивость

Расчет валов на жесткость выполняют в тех случаях, когда их деформации (линейные или угловые) существенно влияют на работу сопряженных с валом деталей (зубчатых колес, червяков, подшипников, соединений и т.д.).

Деформации валов определяют по формулам “Сопротивления материалов”, которые приводятся в справочниках.

Вал-червяк на прогиб следует считать обязательно. Для валов зубчатых редукторов жесткость заложена в конструктивных рекомендациях.

Колебания валов связаны с периодическими изменениями передаваемой нагрузки, неуравновешенностью вращающихся масс и др. погрешностями.

Расчет валов на жесткость

Упругие перемещения вала отрицательно влияют на работу связанных с ним деталей: подшипников, зубчатых колес, катков, фрикционных передач и т.п.

От прогиба вала в зубчатом зацеплении возникает дополнительная концентрация нагрузки подлине зуба. При больших углах поворота q в подшипнике может произойти защемление вала(рис. 5.2). В металлорежущих станках прогиб валов ведет к снижению точности обработки и качества поверхности детали и т.д.

Рис. 5.2.Схема к определению прогиба вала

Таким образом, ограничивают упругое перемещение или углы поворота

y ≤ [y], (5.23)

q ≤ [q]. (5.24)

Допускаемые значения зависят от конкретных требований к конструкции.

Например: для редукторов под цилиндрическим зубчатым колесом допускаемая стрела прогиба составляет

[у] = (0,01 ... 0,03)m, (5.25)

Где m – модуль зацепления;

Под коническим колесом

[у] = 0,05mte, (5.26)

Где mte– внешний окружной модуль зацепления.

Угол поворота сечения вала:

– под цилиндрическим колесом: [q] = 0,001 рад (0,057 град.),

– в подшипнике скольжения: [q] = 0,001 рад(0,057 град.),

– в радиальном шарикоподшипнике: [q] = 0,01 рад(0,57 град.),

– в сферическом шарикоподшипнике: [q] = 0,05 рад (» 3 град.).

Расчет вала на виброустойчивость (на колебания)

Крутильные(угловые) колебания имеют существенное значение только

Для некоторых специальных деталей (коленчатых валов, роторов турбин и т.п.). Для валов общего назначения рассматриваю только поперечные (изгибные) колебания. Поперечные колебания валов связаны с неуравновешенностью вращающихся масс.

При совпадении частоты возмущающих сил(частоты вращения вала) и

Частоты собственных колебаний вала наступает явление резонанса: амплитуда колебаний вала резко возрастает и это может привести к разрушению вала.

Соответствующие резонансу угловую скорость w и частоту вращения n вала называют критическими. Таким образом, основное практическое значение для валов имеет определение критической частоты вращения nкр.

Пусть навалу расположено колесо с массой m (см. рис. 5.3). Центр тяжести колеса смещен относительно оси вращения на величину e, поэтому при равномерном вращении возникает центробежная сила

Fц = mw2(у + e), (5.27)

Где m – масса колеса, w – угловая скорость вала, (у + e) – радиус вращения центра тяжести колеса.

Рис. 5.3.Схема к расчету вала на колебания

49 Тяговые устройства станков. Назначение. Предъявляемые требования. Типы тяговых устройств. Область применения.

Тяговые устройства служат для перемещения подвижных узлов станка по направляющим прямолинейного или вращательного движения. Они являются последним звеном кинематической цепи привода подач, вспомогательных движений или главного привода (карусельные, протяжные, строгальные, долбежные станки).

Для осуществления прямолинейного движения используют: механизмы: ходовой винт—гайка, зубчатое колесо—рейка или зубчатый сектор—рейка, червяк—рейка, кулачковые, шатунные, рычажные и другие механизмы;

гидравлические и пневматические двигатели типа поршень — цилиндр;

электромагнитные устройства в виде линейно-развернутых электродвигателей, бесконтактных электромагнитных передач, соленоидов.

Вращательное движение может осуществляться зубчатыми, чер­вячными, ременными, цепными, фрикционными и другими пере­дачами.

Чтобы обеспечить в проектируемом станке высокие технико­экономические показатели, такие, как производительность, точность, надежность, тяговые устройства должны удовлетворять следующим требованиям!

обеспечивать заданный закон перемещения и скорости; в пода­вляющем большинстве станков скорость должна быть постоянной; иметь высокий КПД;

обладать высокой жесткостью, которая является одной из глав­ных характеристик тягового устройства и влияет на статические и динамические погрешности исполнительного узла станка;

иметь малый момент инерции, что определяет быстродействие привода и точность обработки;'

обладать высокой чувствительностью к малым перемещениям, т. е. иметь способность осуществлять движения малые по пути ,или скорости

зазоры должны отсутствовать, особенно в тех случаях; когда по характеру движения или действию внешней нагрузки имеет место раскрытие стыков;

износ в процессе эксплуатации должен быть минимальным.

В зависимости от назначения станка, его конструкции и габарит­ных размеров применяют различные виды тяговых устройств.' Пара винт—гайка скольжения отличается:

1) малым шагом при применении в качестве тягового устройства однозаходных ходовых винтов, что обусловливает высокую редукцию

и малый крутящий момент на ходо­вом винте:

2) самоторможением при одно- и двухзаходных винтах, что позволяет применять эту пару для установоч­ных движений под

нагрузкой и для вертикальных перемещений с целью более надежной фиксации подвиж­ного узла.

Недостатком передач винт—гайка скольжения является наличие сме­шанного трения и связанное с ним изнашивание, а также низкий КПД одно- и двухзаходных винтов

Поскольку точность винтовой пары скольжения определяется в основном винтом (износ гайки мало влияет на ее кинематическую точность), материал ходового винта должен обеспечивать длительное сохранение точности. Это достигается его высокой поверхностной твердостью. Материал ходового винта и гайки выбирают в зависи­мости от назначения винтовой пары, класса ее точности и требуемой термообработки., Для их изготовления применяют следующие мате­риалы:

азотируемые стали (40ХФА, 18ХГТ), которые после азотирования на глубину 0,5 мм обеспечивают высокую износостойкость и стабиль­ность размеров; HRC₃ 53—58;

высокоуглеродистые стали (8ХВ, ХВГ, 7ХГ2ВМ, У10А, У12А) для неупрочненных ходовых винтов, подвергаемых объемной или поверхностной закалке с нагревом токами высокой частоты; HRC₃ 50—60;

ср.еднеуглеродистые стали (45, 50) для неответственных винтов; гайки для ходовых винтов прецизионных станков изготовляют из оловянистых бронз БрОФ 10-0,5 или БрОЦС 6-6-3; для неответ­ственных передач — из антифрикционного чугуна; в целях экономии оловянистой бронзы крупные гайки выполняют биметаллическими (из стального корпуса и центробежным способом залитой бронзы, на которой затем нарезают резьбу).

Ходовые винты выполняют со стандартной резьбой трапецеидаль­ного профиля (угол профиля 30°). Преимуществом этой резьбы перед резьбой прямоугольного профиля является возможность ее фрезе­рования и шлифования; недостатком — возникновение погрешностей шага при радиальном биении ходового винта станка и поперечных колебаний от прогиба под действием собственного веса. В связи с этим в прецизионных станках применяют резьбы с меньшим углом профиля (10—20°). Другим направлением повышения точности винтовых передач является применение в гайке центрирующих втулок

Передача винт—гайка качения является основным видом тяго­вого устройства для станков с числовым управлением. Механизмы винт—гайка качения используют в приводе подач столов, суппортов, траверс почти всех станков малых и средних размеров, а также и некоторых тяжелых станках. Другой областью широкого при­менения механизмов является привод подач обычных станков, невибрации, существенно уменьшающие изнашивание и поломки режу­щего инструмента, повышающие чистоту и точность обработки. Иногда передачи винт—гайка качения применяют в приводе глав­ного движения станков с возвратно-поступательным движением, в частности, в протяжных (при небольшой силе протягивания).

Основными преимуществами механизмов винт—гайка качения являются:

возможность передачи больших усилий; оснащённых <:йСтемаШ Числового управления, таких, как фрезерные, товарные, расточные, сверлильные, шлифовальные,^-зубообрабаты- взкйцие, резьбообрабатывающие, агрегатные станки автомати­ческих линий, копировальные и т. д. Причиной этого является высо­кая Жёсткость и беззазорность соединения винт—гайка, снижающие

К недостаткам передач винт— гайка качения следует отнести отсут­ствие самоторможения, сложность из­готовления, высокую стоимость, не­сколько пониженное демпфирование, а также необходимость надежной за­щиты от стружки и пыли

Передача винт-гайка качения

Гидростатическая передача винт—гайка реализуется путем по­дачи масла под давлением от насоса в специальные карманы, вы­полненные на поверхности витков резьбы гайки (рис. 14.12). Преиму­ществами гидростатической передачи являются:

Зубчато-реечные передачи применяют в приводе подач крупных станков, в том числе с числовым управлением при большой длинй перемещения, и в приводе главного движения (в продольно-стро­гальных, долбежных станках). Достоинствами этих передач яв* ляются:

Гидростатические червячно-реечные перадачи. Передачи чер­вяк—рейка аналогичны передачам винт—гайка (рейка представляет собой часть длинной гайки, вырезанной плоскостями, проходящими через ее ось)

Передача червяк—рейка качения представляет собой короткий шариковый винт (рис. 14.14), который в результате вращения пере­мещается по длинной червячной рейке, укрепленной на станине станка.