5. Валы

Вращающиеся детали (шкивы, зубчатые колеса) машин устанавливаются на осях или валах, которые обеспечивают постоянное положение их оси вращения.

Оси – детали машин, которые служат лишь для поддержания вращающихся на них деталей. Они не передают полезного крутящего момента и работают только на изгиб.

Валы - в отличие от осей не только поддерживают вращающиеся детали, но и передают по всей длине или на отдельных участках крутящий момент.

Как и оси, валы передают на опоры силы, возникающие в передачах (например, силы в зацеплении зубчатых колес и т.д.), т.е. они подвержены действию изгибающих моментов.

Некоторые валы не поддерживают вращающиеся детали (карданные валы автомобилей, валки прокатных станков и др.) поэтому работают только на кручение.

5.1. Классификация валов и осей

Оси бывают вращающиеся и неподвижные и представляют собой прямые стержни.

Валы подразделяются:

а) по назначению – валы передач, на которых устанавливаются зубчатые колеса, звездочки, муфты и др. детали передач и коренные валы, несущие кроме деталей передач рабочие органы машин – колеса или диски турбин, кривошипы, маховики и др.

б) по форме геометрической оси – прямые и коленчатые.

в) по форме сечений – гладкие, шлицевые и профильные.

Прямые валы подразделяются на валы постоянного диаметра (трансмиссионные, судовые); валы ступенчатые (большинство валов); валы с фланцами для соединения по длине, а также валы с нарезанными шестернями или червяками.

Форма вала по длине определяется распределением нагрузок по длине, т.е. эпюрами изгибающих и крутящих моментов; условиями восприятия осевых нагрузок и условиями технологии изготовления и сборов.

Эпюры моментов по длине вала неравномерны. Крутящий момент обычно передается не на всей длине, изгибающие моменты на опорах вала равны нулю. Поэтому целесообразно конструировать валы переменного сечения, приближающимися к телам равного сопротивления. Ступенчатая форма валов удобна в изготовлении и сборке.

Кроме того, валы могут быть полыми.

Полый вал с отношением d_отв: d_нар. = 0,75 при равной прочности и жесткости получается легче сплошного на 50%. Полые валы применяются при жестких требованиях к весу, при необходимости пропуска сквозь других деталей.

5.2. Элементы конструкции вала

а) посадочные поверхности (под ступицы зубчатых колес, шкивов, звездочек и т.п.) характеризуются шероховатостью и величиной диаметра. Диаметры выбираются из стандартного ряда посадочных размеров. Диаметры под подшипники качения – из стандартного ряда внутренних диаметров подшипников. Переход диаметров ступеней определяется: стандартными диаметрами посадочных поверхностей под ступицы и подшипники, возможностью восприятия осевых сил и условиями сборки.

Шпонки на валах, по возможности следует располагать в одной плоскости.

б) цапфы (шейки) вала.

Участок вала, которым он опирается на подшипник и воспринимает радиальную нагрузку, называется цапфой. Цапфы осей и валов, работающих в подшипниках скольжения, бывают: цилиндрическими (а), с буртами (б), коническими (в) и шаровыми (г).

Наиболее широкое распространены цилиндрические цапфы. Для предотвращения осевых смещений цапфы делают с буртами. Для регулирования зазора в подшипниках или осевого фиксирования вала рекомендуется коническая цапфа. При необходимости угловых смещений вала применяют шаровую цапфу.

рис. 71. Цапфы осей и валов,

в подшипниках скольжения:

а) цилиндрические;

б) с буртами;

в) конические;

г) шаровые.

Цапфы валов для подшипников качения выполняют цилиндрическими с малой длиной.

в) пяты – участки валов, которыми они опираются на подшипник и воспринимают осевую нагрузку.

Пята может быть сплошной (а); кольцевой (b); гребенчатой (c). Подшипник в этом случае называют подпятником.

Устройства для передачи осевых нагрузок.

рис. 72. Конструкции подпятников:

а) сплошная;

b) кольцевая;

c) гребенчатая

Тяжелые нагрузки передаются упором деталей в ступы на валу или посадкой этих деталей с натягом.

Средние осевые нагрузки передают гайками, штифтами и другими устройствами.

Легкие осевые нагрузки передаются стопорными винтами или пружинными кольцами.

рис. 73. Устройства для передачи осевых нагрузок:

a) посадка детали с натягом;

b) упор детали в уступ;

c) передача нагрузки гайкой;

d) передача нагрузки штифтом;

e) передача нагрузки стопорным винтом;

f) передача нагрузки пружинными кольцами;

д) переходные участки валов

рис. 74. Переходные участки валов:

a) канавка;

b) галтель;

c) разгрузочная канавка.

г) канавки для выхода шлифовальных кругов обычно выполняются для валов Ø 10…50 мм, шириной b = 3 мм и глубиной t = 0,25 мм, а для валов Ø 50…100 мм b = 5 мм; t = 0,5 мм.

Канавки должны иметь максимальные радиусы. Канавки существенно повышают стойкость шлифовальных кругов, но вызывают значительную концентрацию напряжений и понижают прочность валов при переменных напряжениях.

Канавки также необходимы на концах участков с резьбой для выхода резьбонарезного инструмента.

Галтель постоянного радиуса.

Радиус «r» галтели выбирают меньше радиуса закругления (r) насаживаемых деталей.

Для шеек под подшипники качения рекомендуется ;

где d – диаметр меньшей из сопрягаемых ступеней;

t – высота уступа.

Разгрузочная канавка выполняется путем удаления малонапряженного материала. При этом напряжения распределяются более равномерно и концентрация их снижается.