Вопросы для самостоятельной проработки и повторения материала

1. Общие сведения о фрикционных передачах.

2. Достоинства и недостатки, область применения фрикционных передач.

3. Основные характеристики.

4. Материалы для фрикционных передач.

5. Общие вопросы конструирования.

6. Основные типы фрикционных передач.

7. Кинематические и прочностные расчеты.

8. Потери на трение, к.п.д. и расчет нажимных устройств.

Литература:

1. Иванов М.Н. Детали машин. 2-е изд., М.: Высш. Шк., 1986. с 162 -175.

2. Гузенков П.Г. Детали машин: Учеб.для вузов.- 4-е изд., испр., М.: Высш. Шк., 1986. – с. 116 – 123.

3. Решетов Д.Н. Детали машин: Учеб.для вузов.- 3-е изд., испр., М: «Машиностроение», 1984. – с. 179 – 196.

Тема 12. Валы и оси

Валы – детали машин, предназначенные для поддержания вращающихся деталей и передачи крутящего момента вдоль своей оси. Оси - детали машин, предназначенные для поддержания вращающихся деталей и не передающие крутящего момента.

Основные вопросы темы

1. Общие сведения о валах и осях, классификация.

2. Основы конструирования валов и осей.

3. Материалы осей и валов.

4. Проектный расчет осей и валов.

5. Критерии расчета валов.

6. Проверочный расчет валов и осей на прочность.

7. Расчет валов и осей на жесткость.

Основные положения темы

Валы по назначению можно разделить на:

-валы передач, несущие детали передач – зубчатые колеса, шкивы, звездочки, муфты;

-коренные валы машин и другие специальные валы, несущие кроме деталей передач рабочие органы машин – колеса, турбины, роторы, кривошипы, зажимные патроны и т.д.

По форме геометрической оси валы разделяют на прямые и коленчатые. Особую группу составляют гибкие валы.

Оси разделяют на вращающиеся и неподвижные.

Опорные части валов и осей называют цапфами. Промежуточные цапфы называют шейками, а концевые – шипами.

Прямые валы по форме разделяют на валы постоянного диаметра (валы трансмиссий), ступенчатые валы, валы с нарезанными шестернями или червяками. Большинство валов изготавливают ступенчатыми эта форма удобна как в изготовлении так и в сборке. Уступы валов могут воспринимать значительные осевые усилия, а каждая насаживаемая на вал неразъемная деталь проходит по ступенчатому валу до своей посадочной поверхности на валу без натяга, что позволяет избежать повреждения остальных поверхностей и ослабление посадок.

Кроме того ступенчатая форма валов позволяет при проектировании валов приближать их конструкцию к телам равного сопротивления. При одинаковой массе эти валы более выгодны чем валы постоянного сечения.

Валы могут быть полыми. Полый вал с соотношением диаметра отверстия к наружному диаметру 0,75 получается легче сплошного приблизительно на 50% при той же прочности и жесткости. Практически полые валы, в настоящее время применяют при жестких требованиях к весу, при необходимости пропуска сквозь валы или размещения в них других деталей.

Материалы и обработка валов и осей.

Основными материалами для осей и валов являются углеродистые и легированные стали. Для валов и осей, подчиненных критерию жесткости и не подвергающихся термической обработке, преимущественно применяют стали Ст5 и Ст6. Для валов и осей, подвергающихся термической обработке (улучшению) применяют Ст45 или Ст40Х. Для высоконагруженных валов ответственных машин применяют легированные стали 40ХН,40ХН2МА, 30ХГТ, 30ХГСА и др.

Быстроходные валы, вращающиеся в подшипниках скольжения, требуют высокой твердости цапф и изготавливаются из цементируемых сталей 20Х, 12ХН3А, 18ХГТ и др. или азотируемых сталей типа 38Х2МЮА. По опыту автомобилестроения, хромирование шеек коленчатых валов увеличивает ресурс до шлифования в 3-5 раз.

Для изготовления фасонных валов: коленчатых с большими фланцами и отверстиями и других тяжелых валов наряду со сталью применяют высокопрочные чугуны. Меньшая прочность чугунных валов в значительной мере компенсируется более совершенными формами валов, меньшей чувствительностью чугуна к концентрации напряжений, большей демпфирующей способностью.

Из критериев прочности для большинства быстроходных валов современных машин решающее значение имеет выносливость. Усталостные разрушения валов составляют до 50% случаев выхода валов из строя. При работе с большими перегрузками может проявляться малоцикловая усталость. Для тихоходных валов из нормализованных, улучшенных и закаленных с высоким отпуском сталей ограничивающим критерием может быть статическая несущая способность при пиковых нагрузках (отсутствие недопустимых остаточных деформаций). Для таких же валов из хрупких и малопластичных материалов (чугуны) критерием является сопротивление хрупкому разрушению.

Условия нормальной работы зубчатых передач и подшипников обеспечиваются критериями жесткости и виброустойчивости.

Основными критериями являются: выносливость, жесткость и виброустойчивость.

Проектный расчет валов.

Основной расчетной нагрузкой на валы являются крутящие и изгибающие моменты. Влияние сжимающих или растягивающих сил на прочность незначительно и, как правило, не учитывается. Расчет осей является частным случаем расчета вала при крутящем моменте равным нулю .

На практике обычно используется следующий порядок проектного расчета валов:

-предварительно оценивается минимальный диаметр вала из расчета только на кручение при пониженных допускаемых напряжениях

,

полученное значение округляют до ближайшего большего стандартного значения, кроме того, если вал соединяется с электродвигателем то его минимальный диаметр должен быть согласован с выходным концом ротора ;

-по определенному диаметру и, исходя из назначения, разрабатывается конструкция вала;

-производится проверочный расчет вала и, при необходимости, вносятся уточнения в конструкцию вала.

Диаметр оси определяют по формуле:

.

Проверочный расчет валов.

Современные расчеты на выносливость отражают характер изменения напряжений, статические и усталостные характеристики материалов, концентрацию напряжений, масштабный фактор, состояние поверхности и поверхностное упрочнение. Расчет обычно проводят в форме проверки коэффициента безопасности:

,

где - расчетный коэффициент безопасности по нормальным напряжениям

;

- расчетный коэффициент безопасности по крутящим напряжениям

;

здесь - пределы выносливости соответственно при изгибе и кручении с симметричным знакопеременным циклом;

- масштабный фактор;

- эффективные коэффициенты концентрации напряжений соответственно при изгибе и кручении;

- коэффициент упрочнения для валов с поверхностным упрочнением;

- коэффициенты, характеризующие чувствительность материала к асимметрии цикла напряжений соответственно при изгибе и кручении.

Расчет на жесткость.

Расчет на жесткость заключается в проверке выполнении условий:

,

и

,

где - соответственно расчетный и допустимый прогибы вала;

- соответственно расчетный и допустимый углы перекоса вала.

Значения допустимых прогибов и углов перекоса зависят от назначения валов и тех деталей и механизмов, работоспособность которых, обеспечивает вал.

Расчет валов на колебания.

Самостоятельные колебания отдельных передаточных валов, например валов коробок передач, не играют существенной роли в динамике машины и поэтому их отдельно не рассматривают. Колебания же коренных валов с присоединенными узлами и опорами могут иметь определяющее значение для работоспособности механизмов.

Основная частота собственных колебаний валов и осей может быть определена по формуле:

,

где – вес насаженных на вал деталей;

- прогибы вала от нагрузки.

Основными возмущающими силами в большинстве быстроходных валов являются силы от неуравновешенности вращающихся деталей, частота действия которых равна частоте вращения вала.

Проверка заключается в определении и недопущении совпадения частоты собственных колебаний вала с частотой двигателя.