Валы и оси. Опоры валов и осей - подшипники. Муфты для соединения валов

3.1. Валы и оси

НАЗНАЧЕНИЕ, МАТЕРИАЛЫ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ВАЛОВ И ОСЕЙ. Валы и оси — это детали, предназначенные для поддержания в пространстве вращающихся деталей (шкивов, зубчатых и червячных колёс, звёздочек, муфт и др.). Валы обычно имеют форму тел вращения, они жёстко соединены с со­пряжёнными деталями посадками, шпонками, шлицами и т.д., передают вра­щающий момент и подвержены кручению и изгибу. Оси, в отличие от валов, не передают вращающий момент.

Классификация валов: по виду геометрической оси валы делятся на пря­мые и коленчатые; по форме внешней поверхности различают валы постоянно­го диаметра и ступенчатые. Ступенчатые валы находят основное применение, хотя они менее технологичны, чем валы постоянного диаметра. По форме по­перечного сечения (рис. 45) валы подразделяют на сплошные, полые, со шпо­ночными канавками, шлицевые и профильные. Особую группу составляют гибкие проволочные валы (в нашем курсе коленчатые и гибкие валы не рас­сматриваются).

Рис. 45. Форма поперечного сечения валов и осей

Конструкции и материалы валов. На валу можно выделить отдельные элементы: концевые опорные участки, называемые цапфами или шипами, а при восприятии осевых нагрузок - пятами; переходные участки между сосед­ними ступенями разных диаметров, форма переходных участков оказывает большое влияние на прочность вала; места посадки уплотнений и деталей, пе­редающих вращающий момент.

Ступенчатые валы более удобны при сборке механизмов: каждая деталь свободно проходит на своё место и с одной стороны фиксируется в осевом направлении. Конструкцию ступенчатого вала разрабатывают в зависимости от количества и размеров размещаемых деталей. Такие валы имеют меньшую мас­су, поскольку по форме приближаются к балке равного сопротивления изгибу. При конструировании вала сначала определяют ориентировочные размеры диаметров консольных участков вала из расчёта только на кручение и разраба­тывают первый вариант его конструкции.

Материалы валов и осей - это обычно углеродистые (сталь Ст4, Ст5, 45, 50 и др.) и легированные стали (40Х, 40ХН, 12ХНЗА и др.), редко - чугуны. Прямые стальные валы диаметром до 150 мм изготовляют из проката, валы большего диаметра - из поковок, полые валы — из труб стандартных размеров.

КРИТЕРИИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ И РАСЧЁТ ВАЛОВ. Критериями рабо­тоспособности валов и осей являются:

• прочность (усталостные разрушения происходят в 45...50% случаев; хрупкое разрушение валов случается под действием кратковременных перегрузок);

• жёсткость (обязателен, например, расчёт на жёсткость вала-червяка);

• виброустойчивость (быстровращающиеся валы, например, вал центрифуги).

Нагрузки на валы и рас­чётная схема (рис. 46). При экс­плуатации на валы действуют нагрузки в виде сосредоточен­ных и распределённых сил ради­ального и осевого направлений (усилия в передачах и др.), изги­бающих и вращающих момен­тов. Эти нагрузки обычно явля­ются переменными.

Нагрузки от зубчатых и червячных колёс, шкивов, звёз­дочек и других деталей, наса­женных на валы, передаются че­рез поверхности контакта на вал и являются распределёнными. Для упрощения в расчётных схемах их заменяют сосредото­ченными, как и нагрузки, дейст­вующие в зубчатом, червячном зацеплении и т.д.

Конструирование валов и их расчёт на прочность не­разрывно связаны.

Составив расчётную схему вала (см. рис. 46), проводят его расчёт на статическую проч­ность при совместном действии изгиба и кручения по методике, известной из курса сопротивле­ние материалов, выполняют проверочный расчёт на устало­стную прочность, необходимые специальные расчёты, а затем уточняют конструкцию вала.

Этапы расчёта и проектирования вала:

1. Разрабатывают конструкцию вала и определяют диаметр концевого участка из расчёта только на кручение по величине вращающего момента Т, Н∙м,

, где [τ_кр] = 12...20 МПа - допускаемое напряжение стали на кручение. При конструировании и предварительном расчёте назнача­ют: диаметры посадочных поверхностей - из ряда номинальных линейных размеров (табл. I), диаметры под подшипники качения - из стандартов на под­шипники, перепад диаметров соседних участков вала и размеры галтели — по соответствующим стандартам; соединение вал - ступица обычно укрепляют шпонкой или шлицами.

Рис. 46. К расчёту вала на прочность

2. Составляют расчётную схему и проводят расчёт вала на статическую проч­ность:

• расчётную схему (рис. 46) выполняют с приложением внешних сил, действующих в горизонтальной и вертикальной плоскостях;

• определяют реакции в опорах А и Б:

• строят эпюры изгибающих моментов в горизонтальной М_ИГ, вертикальной М_ИВ плоскостях и вычисляют суммарный изгибающий момент в характер­ных сечениях по формуле ;

• строят эпюру эквивалентных моментов М_ЭК от действия суммарного изги­бающего М_И и вращающего моментов по формуле ;

• вычисляют диаметры в опасных (обычно под зубчатыми и червячными колёсами) сечениях вала по формуле , где [σ] = (0,05...0,08)σ_в.

3. Расчёт на сопротивление усталости осуществляют в виде проверки коэффициента запаса прочности по условию = 1,5...4,0. При значении n > 2,5 расчёт вала на жёсткость можно не проводить.

4. Уточняют конструкцию вала и выполняют специальные расчёты.