Лекция 7 валы и оси

7.1 Общие сведения

Зубчатые колеса, шкивы, звездочки и другие вращающиеся детали машин устанавливают на валах или осях.

Вал предназначен для передачи вращающего момента вдоль своей оси, для поддержания расположенных на нем деталей и восприятия действующих на них сил. При работе вал испытывает изгиб и кручение, а в некоторых случаях —

дополнительно растяжение или сжатие.

Ось только поддерживает установленные на ней детали и воспринимает действующие на них силы. В отличие от вала ось не передает вращающего мо­мента и, следовательно, не испытывает кручения. Оси могут быть непод-виж­ными или могут вращаться вместе с насаженными на них деталями.

Формы валов и осей весьма многообразны от простейших цилиндров до сложных коленчатых конструкций. Известны конструкции гибких валов, кото-рые предложил шведский инженер Карл де Лаваль ещё в 1889 г. Форма вала опре­деляется распределением изгибающих и крутящих моментов по его длине. Правильно спроектированный вал представляет собой балку равного сопротив-ления.

Рисунок 7.1- Формы валов

Валы и оси вращаются, а следовательно, испытывают знакопеременные

нагрузки, напряжения и деформации. Поэтому поломки валов и осей имеют

усталостный характер.

Рисунок 7.2 – Форма нагружения валов

2. Конструктивные элементы. Материалы валов и осей

Цапфы — опорные участки вала или оси. Их подразделяют на шипы, шейки и пяты.

Шипом называют цапфу, расположенную на конце вала или оси и пере-дающую преимущественно радиальную силу (см. рис. 7.3).

1 — шип; 2 — шейка; 3 — подшипник; 4 — кольцо с поперечным

пазом для размещения тяг съемника подшипника

Рисунок 7.3 – Прямой ступенчатый вал

Шейкой называют цапфу в средней части вала или оси. Опорами для ши­пов и шеек валов служат подшипники. Шипы и шейки по форме могут быть цилиндрическими, коническими или сферическими. В большинстве случаев при-меняют цилиндрические цапфы.

Пятой называют цапфу, передающую осевую силу (рис. 7.4). Опорами для пят служат подпятники. Пяты по форме бывают сплошными (рис. 7.4, а), кольцевыми (рис. 7.4, б) и гребенчатыми (рис. 7.4, в). Гребенчатые пяты в на-

стоящее время применяют редко.

Рисунок 7.4 - Пяты

Посадочные поверхности валов и осей под ступицы насаживаемых де-талей выполняют цилиндрическими и коническими (см. рис. 7.3). При посад-ках с натягом диаметр этих поверхностей принимают больше диаметра сосед-них участков для удобства напрессовки и снижения концентрации напряжений (см. рис. 7.3). Диаметры посадочных поверхностей и диаметры под подшипники скольжения выбирают из ряда нормальных линейных размеров, диаметры под подшипники качения — по стандартам на подшипники.

Конические концы валов (см. рис. 7.3) изготовляют с конусностью 1:10. Их применяют для облегчения монтажа устанавливаемых на вал деталей.

Переходные участки валов и осей между двумя ступенями разных диа-метров выполняют:

а) с канавкой со скруглением для выхода шлифовального круга (рис. 7.5, а);

Рисунок 7.5 – Переходные участки вала

б) с галтелью постоянного радиуса, рис. 7.5, б (галтель — поверхность плав­ного перехода от участка меньшего сечения к большему);

в) с галтелью переменного радиуса (рис. 7.5, в).

Переходные участки являются концентраторами напряжений. Эффек-тивным средством для снижения концентрации напряжений в переходных участ­ках является повышениеих податливости путем выполнения разгрузочных канавок (рис. 7.6, а), увеличения радиусов галтелей, выполнения отверстий в

Рисунок 7.6 – Способы повышения уставной

прочности валов

ступенях большего диаметра (рис.7.6, б). Деформационное упрочнение (на-

клеп) галтелей повышает несущую способность валов и осей.

Материалы валов и осей должны хорошо обрабатываться, быть проч­ными и иметь высокий модуль упругости. Этим требованиям наиболее полно удовлетворяют углеродистые и легированные стали, из которых пре-имущест­венно изготавливают валы и оси. Для валов и осей без у п р о ч н я ю щ е й термо­обработки применяют стали Ст5, Ст6; для валов с термообработкой — стали 45, 40Х. Быстроходные валы, работающие в подшипниках скольжения, из­готовляют из сталей 20, 20Х, 12ХНЗА. Цапфы этих валов цементуют для повы­шения износостойкости.

Валы и оси обрабатывают на токарных станках с последующим шлифо-ванием цапф и посадочных поверхностей.