Г л а в а 16 ВАЛЫ И ОСИ
16.1. Общие сведения
Вращающиеся детали, такие как зубчатые колеса, шкивы, звездочки, блоки, муфты, удерживаются в пространстве с помощьювалов и осей.
Валы и осиобычно имеют форму телвращения . Валы вращаются и передаютвращающий момент .
Оси не передают вращающий момент и могут либо вращаться, либо не вращаться. На неподвижных осях вращающиеся детали устанавливаютна подшипниках.
По форме геометрической оси валы подразделяют на прямые (рис. 16.1, а–д) и коленчатые (рис. 16.1, е). Последние применяют для преобразования возвратно-поступательного движения (поршней) во вращательное (коленчатого вала), и наоборот. Применяют гибкие валы с легко изменяемой формой оси вращения. Их используют в зубоврачебныхбормашинах и т. п.
Коленчатые, гибкие, а также кулачковые валы относятся к специальным и неизучаются в настоящемкурсе .
16.2. Конструкции и материалы
Вданном разделе рассмотрены только прямые валы иоси , получившие наибольшее распространение. По конструкции они могут быть постоянного диаметра (см. рис. 16.1, а) или ступенчатыми (см. рис. 16.1, б–д). Чаще всего валы и оси выполняют ступенчатыми , хотявалы иос ипос тоянного сечения болеепросты в из готовлении.
Форма валов и осей по длине зависит от распределения действующих сил и моментов, технологии изготовления и условий сборки. Эпюры изгибающих моментов и поперечных сил по длине валов и осей, как правило, не постоянны; вращающий момент
357
Рис. 16.1. Основные типы валов и осей
обычно передается не по всей длине вала. По условиям равнопрочности и технологичности целесообразно конструировать валы и оси ступенчатыми, близкими по форме к балкам равного сопротивления (форма балки равного сопротивления показана штриховойлинией на рис. б16). .1,
В поперечном сечении валы и оси могут быть сплошными (рис . 16.2, а), полыми (рис. 16.2, б), сошпоночными (рис. 16.2, в)или шлицевыми (рис. 16.2, г) канавками.
Применение полых валов и осей позволяет существенно снизить массу. Например, при равной прочности сплошного и полого валов с отношением диаметра отверстия к наружному диаметру 0,75 масса полого вала почти в1,5 раза меньше [43].
16.2. Конструкции и материалы
Рис. 16.2. Формы поперечного сечения валов и осей
Рис. 16.3. Цапфы валов и осей под подшипники скольжения
Концевые опорные участки валов и осей называют цапфами (шипами). Цапфы валов и осей, когда в опорах установлены подшипники скольжения, выполняют цилиндрическими (рис. 16.3, а и б) или коническими (рис. 16.3, в). В большинстве случаев цапфы валов и осей для подшипников скольжения имеют цилиндрическую форму с закругленным переходом (галтелью) и заплечиком (буртиком) для односторонней фиксации в осевом направлении (см. рис. 16.3, а). В случае необходимости двусторонней осевой фиксации вала (оси) в одной опоре цапфа снабжается дополнительным буртиком (см.
рис. 16.3, б).
Цапфы валов и осей для подшипников качения выполняют цилиндрическими с заплечиком, служащим для односторонней фиксации в осевом направлении (рис. 16.4, а). Для двусторонней фиксации внутреннего кольца подшипника дополнительно предусматривают гайки (рис. 16.4, б), стопорныепружинные кольца (рис. 16.4, в) идр .
Участки валов и осей под посадку ступиц деталей, насаживаемыхна валы и оси, выполняютцилиндрическими или коническими. Чаще применяют цилиндрические посадочные поверхности как более технологичные. Конические посадочные поверхности, как правило, применяютдля концевыхучастков валов .
Большое влияние на прочность, сопротивление усталости, надежность валов и осей оказывает форма переходных участков между соседними ступенями разных диаметров. Галтели должны
Рис. 16.4. Цапфы валов и осей под подшипники качения
Рис. 16.5. Переходные участки валов и осей
иметь максимально возможные радиусы закруглений. Наиболее распространенная форма перехода — галтели постоянного радиуса (рис . 16.5, а и б); желательно, чтобы радиус закругления R был больше 0,1d( d — диаметр вала). В особых случаях применяют галтели переменного радиуса кривизны ρ( рис. 16.5, в). Правильным подбором кривизны галтели можно существенно снизить концентрацию напряжений и повысить несущую способность валов и осей. Снижению концентрации напряжений способствует также применение разгрузочных выточек (см. рис. 16.5, а). Технологическую канавку (рис . 16.5, г) шириной 3…5 мм и глубиной 0,25…0,50 ммдля выхода обрабатывающего инструмента, например шлифовального круга, применяютв случае, когда определяющей является не сопротивление усталости, а жесткостьвалов .
Наряду с концентрацией напряжений, вызванной конфигурацией деталей, на сопротивление усталости влияет качество поверхностногослоя (микрогеометрия) и структурапо верхностного слоя. Повышения предела выносливости достигают упрочнением материала валов и осей термической или химико-термической обработкой, обкаткой роликами, обдувкой дробью, а также шлифованием и полированием [17, 22].
16.2. Конструкции и материалы
Рис. 16.6. Способы восприятия осевых нагрузок и осевого крепления
|
|
|
|
деталейна |
валах и осях |
|
Значительные осевые нагрузки на валы передаются упором |
деталей в заплечики( |
рис. 16.6, а) или посадкой деталей с натягом |
(рис. 16.6, б), средние нагрузки — гайками( |
см. рис. 16.6, в) или |
штифтами (рис. 16.6, г), легкие нагрузки — стопорными винтами (рис. 16.6, д), стопорными пружинными кольцами (рис. 16.6, е) идр .
Основными материалами для изготовлениявалов и осей служат углеродистые и легированные стали. Для осей и валов, диаметры которых определяются, в основном, жесткостью, применяют углеродистые конструкционные стали Ст4, Ст5 без термообработки. В ответственных и тяжело нагруженных конструкциях (когда критерием работоспособности является прочность) используют термически обрабатываемые среднеуглеродистые и легированные стали 40, 45, 40Х, 40 ХН, 40ХН2МА , 30ХГТ, 30ХГСА и др. Валы из этих сталей в зависимости от решаемых задач подвергают улучшению (закал ке с высоким отпуском) или поверхностной закалке (нагрев ТВЧ) снизким отпуском .
Быстроходные валы на опорах скольжения должны иметь весьма высокую твердость поверхности цапф; для этого их изготовляют из цементуемых сталей 20Х, 12ХН3А, 18ХГТ или азотируемыхсталейипа 38Х2МЮА .
