§ 4. Валы и оси

Части машин и механизмов Могут вращаться; двигаться поступательно или колебаться, передавая движение другим де­талям. Наиболее распространенным движением является вращав тельное, при котором осуществляется вращение различных деталей на валах и осях.

Валом называется деталь машины, предназначенная для пе­редачи крутящих моментов. Вал представляет собой, деталь цилиндрической, конической или фасонной формы, опирающуюся на две или несколько опор. На валу закрепляются шкивы, зуб­чатые колеса, махов'ики и другие детали. Вал передает крутящий момент, а так как на него действуют еще и поперечные нагруз­ки, он испытывает деформации кручения и изгиба.

Рис. 14. Валы:

а — прямой сплошной; б — прямой пустотелый; в — кулачковый; г — коленчатый.

Валы (рис. 14) по своей конструкции разделяются на пря­мые или изогнутые (коленчатые), целые или составные (собран­ные из нескольких частей), сплошные или полые (пустотелые).

Широкое распространение получили коленчатые валы. Они применяются в двигателях внутреннего сгорания, в паровых машинах, поршневых насосах, компрессорах. Длинные валы, например гребные валы кораблей, делают составными (разъем­ными). Полые, или трубчатые, валы применяют тогда, когда необходимо уменьшить вес вала или пропустить через его внут­реннее отверстие, например отверстие шпинделя токарного станка, другую деталь или заготовку.

Ось только поддерживает вращающиеся детали, не передавая крутящего момента; в отличие от вала она не испытывает кру­чения, а подвергается только изгибу.

Рис. 15. Оси:

а — неподвижная; б — подвижная.

Оси (рис. 15) делятся на неподвижные (например, оси колес велосипеда, мотоцикла, передних колес автомобиля) и подвиж­ные, которые вращаются вместе с закрепленными на них дета­лями (например, оси железнодорожных и трамвайных прицеп­ных вагонов).

Валы и оси воспринимают во время работы большие нагруз­ки. Поэтому их изготовляют из углеродистой конструкционной стали, подвергают тщательной обработке и проверке на проч­ность. Оси и валы быстроходных и тяжелых машин изготовляют из высококачественной (легированной) стали и подвергают до­полнительной обработке, повышающей их прочность.

Часть вала или оси, которая лежит на опоре (например, на подшипнике), называется цапфой. Цапфа, находящаяся на конце вала или оси, называется шипом. Промежуточная цапфа, расположенная между концами вала, называется шейкой. Опорная поверхность вала или оси, воспринимающая продольную (осевую) нагрузку, называется пятой.

Для того чтобы цапфа не сдвигалась на опоре продольно, делают упорный заплечик или устанавливают упорные кольца.

§ 5. Подшипники

Опоры, на которые опираются шипы, шейки и пяты валов или осей, называются подшипниками или подпятниками. На эти опоры передается нагрузка от валов или осей, и поэтому к их прочности предъявляются особые требования. Так как при вращении вала или оси в подшипнике всегда возникает трение, то поверхности шипов, шеек и пят, а также подшипников, на которые они опираются, тщательно об­рабатывают и регулярно смазывают.

Различают подшипники скольжения и качения. Если вал, вращаясь, скользит по внутренней поверхности под­шипника, то такой подшипник называют подшипником сколь­жения. Если вращающийся вал не скользит, а катится на шариках или роликах по внутренней поверхности подшипника, то его называют подшипником качения.

Рис. 16. Неразъемный подшипник:

1 — корпус; 2 — втулка;

3 — отверстие для смазки.

Рис. 17. Разъемный подшипник:

1 — корпус; 2 — крышка; 3 — вкладыш;

4 — стяжной болт, 5 — отверстие для смазки.

Рис. 16. Неразъемный подшипник:

1 — корпус; 2 — втулка;

3 — отверстие для смазки.

Подшипники скольжения в зависимости от условий работы могут иметь различную форму и устройство. Если вал не несет значительной нагрузки и вращается с небольшой скоростью, то применяются глухие, неразъемные подшипники (рис. 16), Для уменьшения трения и увеличения срока работы глухих подшипников в них запрессовывают втулки из бронзы, баббита или других материалов, имеющих низкий коэффициент трения. Для прохождения смазочного масла в глухих подшипниках высвер­ливаются отверстия, а на втулках делают смазочные канавки.

Для валов, которые работают с большими нагрузками и вра­щаются быстро, применяют разъемные подшипники. Разъемный, подшипник (рис. 17) состоит из корпуса 1, крышки 2, разъем­ного вкладыша 3, состоящего из двух половин и болтов, кото­рыми крепится крышка к корпусу. Устройство такого подшипни­ка позволяет легко устранять зазор между цапфой и вклады­шем, образующийся по мере их износа. Вкладыши изготовляют из чугуна или стали, покрывая их внутреннюю поверхность антифрикционным сплавом — баббитом или бронзой.

При вертикальной установке вала применяют подпятник скольжения или качения, на который вал опирается своей пятой.

Рис. 18. Масленки:

а — колпачковая; б — пресс-масленка; 1 — крышка; 2 — корпус;

3 — полость; 4 — канал; 5 — клапан; 6 — пружина.

Для того чтобы обеспечивалась бесперебойная смазка под­шипников скольжения, применяют различные масленки (рис. 18) и делают во втулках канавки и отверстия. В простых масленках масло налито в сосуд, имеющий набивку из шерстяных волокон или фетра. Прилегая к валу, пропитанная маслом набивка обес­печивает постоянную смазку. Иногда применяют капельные мас­ленки, из которых масло капля за каплей подается через от­верстие к месту трения.

Для использования, густой смазки (тавота, солидола, вазели­на) нередко применяют колпачковую масленку, которая наби­вается смазкой, постепенно выдавливаемой в подшипник туго навинчиваемой крышкой.

Многие сопряжения деталей машин смазываются специаль­ным шприцем, нагнетающим масло между трущимися деталями под давлением. Для такой смазки используются пресс-масленки (рис. 18, б), ввинчиваемые на входе в канал, по которому подается смазка к сопряжению. Под давлением смазки шарик от­ходит от своего седла и открывает канал. После прекращения нагнетания смазки шарик запирает канал и не дает маслу вы­текать из сопряжения.

Для смазывания подшипников применяют также специальные насосы, которые под давлением непрерывно подают масло к местам трения.

Особенно широко смазку под давлением применяют в двига­телях внутреннего сгорания и других машинах, где быстро вра­щающиеся части не только испытывают большие нагрузки, но и подвергаются значительному нагреванию; в этом случае не­прерывная подача масла способствует охлаждению деталей.

Подшипники качения (рис. 19) обладают значительными пре­имуществами по сравнению с подшипниками скольжения, так как они обеспечивают меньшие потери на трение, незначитель­ный расход смазки и имеют сравнительно небольшие габариты (особенно по длине вала).

Рис. 19. Подшипники качения:

а — шариковый однорядный радиальный; б — роликовый однорядный радиальный;

в — шари­ковый двухрядный радиальный; г — роликовый однорядный радиально-упорный; д — шариковый упорный.

Подшипники качения подразделяются на шариковые и ро­ликовые. Они состоят из двух стальных колец: внутреннего и наружного. В кольцах имеются желобки, по которым катятся шарики или ролики. Кольца, шарики, ролики подвергаются точ­ной обработке, закалке и шлифовке. Ролики, применяемые в подшипниках, могут быть цилиндрической, конической, бочко­образной формы. Роликовые подшипники с длинными роликами небольшого диаметра называются игольчатыми.

Подшипники качения в зависимости от воспринимаемой нагрузки делятся на радиальные, которые применяются при на­грузках, перпендикулярных оси вала, упорные — для валов с про­дольными (осевыми) нагрузками и радиально-упорные — для валов, испытывающих одновременно оба вида нагрузок.

Для валов, работающих с большой нагрузкой, применяют двухрядные подшипники, у которых шарики расположены в два ряда.

Для того чтобы шарики или ролики не выпадали из работаю­щего подшипника и не мешали друг другу при качении, их раз­деляют специальными кольцами, называемы­ми сепараторами. Сепараторы изготовляют из мягкой стали или латуни.

В зависимости от условий работы вала или оси возможны два вида движения частей подшипника качения. В одном случае внешнее кольцо неподвижно закреплено в опоре (например, подшипники шпинделей металлообра­батывающих станков).

В о втором случае внутреннее кольцо неподвижно закреплено на оси и не вращается, в то время как наружное кольцо соеди­нено с деталью и вращается вместе с ней (например, подшип­ники передних колес автомобиля, колес мотоцикла). Так как наружное кольцо больше внутреннего, то шарики (или ролики) будут катиться скорее (При той же скорости вращения), в связи с чем части подшипника будут изнашиваться быстрее, чем в первом случае. Поэтому более выгодным является первый случай, когда неподвижно закреплено наружное кольцо, а вра­щается внутреннее.

Для того чтобы уменьшить трение в подшипниках качения, увеличить их стойкость и предупредить ржавление, необходима постоянная смазка. Для смазывания подшипников используются жидкие минеральные масла и густые мази.

Для того чтобы предохранить подшипники от попадания грязи и предотвратить быстрое вытекание из них масла, при­меняют различные уплотнения гнезд подшипников в месте выхода из них валов. Наиболее распространены крышки с уста­новленными в них так называемыми сальниками, сделанны­ми из фетра или кожи, маслостойкой резины и других материа­лов.

Рис. 20. Сальники:

а — фетровый обычный; б — фетровый регулируемый;

в — фетровый оамоноджимной; 1 — фетровое кольцо; 2 — крышка; 3 — пружина;

4 — вал; 5 — гайка.

Сальник устроен следующим образом (рис. 20). Фетровое кольцо 1 заложено в канавку крышки 2 подшипника. Своей внутренней поверхностью благодаря некоторой упругости и эла­стичности фетровое кольцо плотно охватывает вал и при вра­щении вала скользит по нему, уплотняя зазор между валом и крышкой подшипника.

Манжетное уплотнение (рис. 21) отличается от фетрового сальника тем, что в его состав входит манжета 3, изготовленная из специального маслостойкого материала, и пружина 2. Ман­жета, как и сальник, устанавливается в крышке подшипника. Ее внутренняя обойма благодаря пружине плотно охватывает вал, чем и достигается уплотнение зазора между крышкой и валом.