После осуществления правильного выбора подшипника следует перейти к конструированию опорного узла вала.
6. Конструирование и расчеты валов
После выбора подшипников и выполнения проверочного расчета их на долговечность приступают к конструированию вала. К этому времени уже ориентировочно определен диаметр вала из условия его прочности на кручение (см. РГР № 1) и рассчитаны геометрические размеры шестерни.
Если на валу расположена шестерня, то следует определиться: выполнена ли она заодно с валом (вал-шестерня) или же она съемная. Вал-шестерню изготовляют, если выполняется условие [4, с. 47]:
,
(6.1)
где dВ – диаметр вала под шестерней; dВ = dПК +5 мм;
d1 – делительный диаметр шестерни.
Если вышеуказанное условие (6.1) не выполняется, то шестерню делают съемной.
Таким образом, диаметры вала под подшипниками и шестерней известны, а также известны диаметр, длина и форма конца вала по ранее выбранной соединительной упругой муфте (см. РГР – 1 “Расчет энергосиловых параметров привода”). Остается сконструировать промежуточные участки вала и выбрать необходимые шпонки.
Размеры поперечного сечения шпонки b х h выбирают по диаметру вала. Длина шпонки должна быть на 5 или 10 мм меньше длины участка вала и обязательно согласована с нормальными рядами чисел. Шпонку надлежит проверить на смятие ее боковых граней, чтобы убедиться, что одной шпонки достаточно для передачи крутящего момента.
6.1. Проверочный расчет вала
После окончания конструирования вала надо выполнить уточненный расчет вала, то есть проверить вал на усталостную прочность в наиболее опасных сечениях по условию:
(6.2)
Порядок оформления этого расчета может быть следующим. После заголовка – постановка задачи раздела: краткая характеристика вала и анализ сечений с концентраторами напряжений с целью выделения тех сечений, которые обязательно следует рассчитать (все сечения вала с концентраторами должны быть маркированы буквами или цифрами). В качестве характеристики вала можно представить его материал, термообработку, механические характеристики (пределы прочности и выносливости) и нагрузку на вал. Ниже следует расположить рисунок, содержащий:
эскиз вала;
кинематическую схему вала с указанием нагрузок на него и его опоры;
эпюры крутящего и изгибающих моментов.
Все это должно быть выполнено в проекционной связи. По каждому из сечений, выделенных для обязательного проверочного расчета, следует указать:
нагрузку на вал (в этом сечении);
тип концентратора напряжений.
Расчет выполняют по условию обеспечения достаточного коэффициента запаса прочности. Если расчетный коэффициент запаса прочности “S” не меньше допустимого, то это значит, что ВАЛ ПРОЧНЫЙ в проверяемом сечении (такой текущий вывод следует помещать сразу после сравнения расчетного значения коэффициента запаса прочности с допустимым значением). В противном случае вал непрочный и необходимо принять меры для увеличения прочности вала в проверяемом сечении, то есть:
поверхностно упрочнить вал (например: обкатка роликами, дробеструйная обработка);
изменить конструкцию концентратора напряжений;
поменять марку стали, из которой изготовлен вал;
увеличить диаметр вала в проверяемом сечении.
В машинах средней точности обычно валы проверяют в двух сечениях: в самом ослабленном и в самом нагруженном. Если вал в этих сечениях имеет достаточный коэффициент запаса прочности, то в остальных сечениях его проверять нет необходимости, так как
в каждом из них нагрузка меньше, чем в самом нагруженном, и
диаметр вала в рассчитываемом сечении больше, чем в самом ослабленном сечении.
По завершении проверочных расчетов на усталостную прочность всего вала следует сформулировать вывод по разделу о результатах расчетов и о прочности вала.