20.Валы и оси

20.1.Общие вопросы

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.), при этом они подвержены действию изгибающих моментов.

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

20.2.Классификация валов и осей

Оси представляют собой прямые вращающиеся или неподвижные 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.

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

20.3.Элементы вала

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.

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 (рис. 20.1, а), с буртами (рис. 20.1, б), коническими (рис. 20.1, в) и шаровыми (рис. 20.1, 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. 20.97. Цапфы осей и валов, в подшипниках скольжения

Цапфы валов для подшипников качения выполняют цилиндрическими с малой длиной.

Пяты – участки валов, которыми они опираются на подшипник и воспринимают осевую нагрузку. Пята может быть сплошной (рис. 20.2, а); кольцевой (рис. 20.2, b); гребенчатой (рис. 20.2, c). Подшипник в этом случае называют подпятником.

Рис. 20.98. Конструкции подпятников

Устройства для передачи осевых нагрузок (рис. 20.3).

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.

Канавки для выхода шлифовальных кругов (рис. 20.4, а) обычно выполняются для валов Ø 10…50 мм, шириной в = 3 мм и глубиной е = 0,25 мм, а для валов Ø 50…100 мм в = 5 мм; е = 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.

Рис. 20.99. Устройства для передачи осевых нагрузок посадка детали с натягом (a); упор детали в уступ (b); передача нагрузки гайкой (c); передача нагрузки штифтом (d); передача нагрузки стопорным винтом (e); передача нагрузки пружинными кольцами (f); переходные участки валов (д)

Рис. 20.100. Переходные участки валов канавка (а); галтель (b); разгрузочная канавка (c)

Галтель постоянного радиуса (рис. 20.4, b). Радиус «r» галтели выбирают меньше радиуса закругления (r₁) насаживемых деталей.

Для шеек под подшипники качения рекомендуется ;

?

где d – диаметр меньшей из сопрягаемых ступеней;

t – высота уступа.

Разгрузочная канавка выполняется путем удаления малонапряженного материала (рис. 20.4, c). При этом напряжения распределяются более равномерно и концентрация их снижается.