Конструкция валов
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. Переход диаметров ступеней определяется: стандартными диаметрами посадочных поверхностей под ступицы и подшипники, возможностью восприятия осевых сил и условиями сборки. Перепад диаметров смежных посадочных поверхностей назначается обычно в пределах 4…7 мм в диапазоне диаметров 20…90 мм.
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 валов для подшипников качения выполняют цилиндрическими малой длины. Диаметры вала под подшипники качения – из стандартного ряда внутренних диаметров подшипников.
Устройства для передачи осевых нагрузок (рисунок 5).
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 (рисунок 6, 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.
Рисунок 5 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)
Галтель постоянного радиуса (рисунок 4, б). Радиус «r» галтели выбирают меньше радиуса закругления (r1) насаживаемых деталей.
Разгрузочная канавка выполняется путем удаления малонапряженного материала (рисунок 4, в). При этом напряжения распределяются более равномерно и концентрация их снижается.
Рисунок 6. Переходные участки валов канавка (а); галтель (б); разгрузочная канавка (в)
Материалы валов и их термообработка
Выбор материала и термообработки валов и осей определяется их критериями работоспособности, в том числе критериями работоспособности цапф с опорами. Основными материалами для изготовления валов и осей служат углеродистые и легированные стали, благодаря их прочности, большому модулю упругости, хорошей способности к упрочнению.
Прямые валы и оси для средних нагрузок изготавливаются без термообработки из углеродистых сталей 25, 30, 35, Ст 3, Ст 4, Ст 5. Для большинства валов применяют термически обрабатываемые стали 45, 40Х (термообработка – улучшение).
Тяжело нагруженные валы и оси изготавливаются из легированных стали: 40ХН, 40ХНМА, 30ХГС и др.
Быстроходные валы, вращающиеся в подшипниках скольжения, требуют весьма высокой твердости цапф. Их изготавливают из цементируемых сталей 12Х, 20Х, 12ХН3А или азотированной стали типа 38МЮА.
Для изготовления вал-шестерен применяют материал шестерни, выбранный при расчёте зубчатого зацепления.
Участок вала в месте установки уплотнений рекомендуется термообработать на глубину h 0,3÷0,4 мм, 45÷48 HRC.
Заготовками для стальных валов Ø до 150 мм служит круглый прокат, а для валов большего диаметра – поковки.