DM_1 / Деталі машин КЛ [Стадник В. А

4.З яких матеріалів виготовляють гвинти та гайки? Які вимоги ставляться до цих матеріалів?

5.Наведіть приклади деяких конструкцій гайок для передач гвинтгайка.

6.Запишіть та проаналізуйте формулу, що встановлює зв'язок між швидкістю поступального руху гайки і кутовою швидкістю гвинта.

7.Запишіть та проаналізуйте формули, що встановлюють зв'язок моменту сил тертя в різьбі з осьовою силою на гайці.

8.За якими залежностями визначають ККД передачі гвинт-гайка?

9.У чому полягає розрахунок передачі гвинт-гайка на стійкість проти спрацювання?

10.За якими умовами ведуть розрахунок на міцність гайки та гвинта?

360

РозділΙΙΙ . Конструювання і розрахунок типових

деталей та вузлів машин

(Лекція 12 – 14)

Для виконання основної задачі механічних передач, що полягає у перетворенні кінематичних і силових параметрів з найменшою втратою енергії, що передається, осі обертання ланок передач повинні бути зафіксовані у просторі нерухомо або рухатися за заданим законом.

Виконання цієї задачі здійснюється застосуванням в машинах валів та осей, а також опор, на які опираються вали та осі.

Тема 16. Вали та осі

16.1. Загальні відомості і класифікація валів та осей

Зубчасті колеса, шківи, зірочки та інші деталі, що обертаються, розміщують на валах або осях. Вал відрізняється від осі тим, що передає обертальний момент від однієї деталі до іншої, а вісь не передає. Наприклад, на рис. 16.1 момент від півмуфти 3 до шестірні 1 передається валом

361

2, а на рис. 16.2, де показаний вузол транспортного засобу, колесо розміщене на осі і обертальний момент не передає. Вал завжди обертається, а вісь може обертатись (рис. 16.3, а), а може бути нерухомою (рис. 16.3, б), де зображено два варіанти виконання барабана вантажопідйомної машини.

Рис. 16.3. Барабан вантажопідйомної машини: а – з рухомою віссю; б – з нерухомою віссю

Момент від зубчастого вінця передається канату самим барабаном, а вісь в обох випадках не скручується.

Таким чином, можна зробити висновок, що осі навантажені тільки згинальними, а вали крутними і згинальними моментами.

Класифікація валів та осей. Ознаками для класифікації валів та осей служать їх призначення, форма геометричної осі (тільки для валів), конструктивні особливості.

За призначенням вали поділяють на:

а) вали передач або прості вали (просто вали) застосовуються в передачах (зубчастих, пасових і т. д.) (рис. 16.4)

362

Рис. 16.4. Вали передач: а – гладкі; б – ступінчасті; в – вал-шестірні; г – порожнисті

б) корінні вали машин та інші спеціальні вали, на яких закріплюють крім деталей передач робочі органи машин двигунів або диски турбін, кривошипи, затискні патрони і т.д. (рис. 16.5, б).

Рис. 16.5. Конструкції валів: а – кривошипні; б – колінчасті; в – гнучкі; г – телескопічні; д – карданні

363

За геометричною формою геометричної осі вали поділяють на: а) прямі (рис. 16.4); б) кривошипні (рис. 16, а);

в) колінчасті (рис. 16.5, б); г) гнучкі (рис. 16.5, в); д) телескопічні (рис. 16.5, г); е) карданні (рис. 16.5, д).

Кривошипні і колінчасті вали використовують для перетворення зворотно-поступального руху в обертальний (поршневі двигуни) або навпаки (компресори); гнучкі – для передачі крутного моменту між вузлами машин, які змінюють своє положення в роботі (будівельні машини, зуболікарські машини і т. п.); телескопічні при необхідності осьового переміщення одного вала відносно іншого.

За видом поперечного перерізу вали можуть бути: суцільними (рис. 16, а)

,

Рис. 16.6. Форми поперечних перерізів валів: а – суцільні; б – порожнисті; в – із шпонковим пазом; г – шліцеві; д – чотирикутні

із типовим пазом, шліцевими або прямокутними (рис. 16.6, в, г, д)

16.2. Конструктивні елементи і матеріали валів та осей.

Конструктивна форма вала залежить від навантажень і способу з'єднання вала з насаджуваними деталями. Але, незважаючи на численність форм ступінчастих валів для передач, кожному із них зокрема обов'язкові

364

конструктивні елементи (рис. 16.7), кожний із яких має своє призначення і технологію механічної і термохімічної обробки.

Рис. 16.7. Конструктивні елементи вала Опорні ділянки валів та осей називаються цапфами. Цапфи лежать в опорах

(підшипниках кочення або ковзання). Кінцеві цапфи називають шипами (рис. 16.7), а проміжні (розташовані в середній частині вала) – шийками. Шипи і шийки в основному передають радіальне навантаження. Цапфу, яка передає осьове навантаження називають п'ятою. П'яти (рис. 16.8) можуть бути

Рис. 16.8. Конструктивне виконання п'ят:

а– суцільна п'ята;

б– кільцева п'ята;

в– гребінчаста п'ята.

суцільними (а), кільцевими (б), гребінчастими (в) та ін. Опорою для п'ят служить підшипник 1 (рис. 16.8, б). П'яти, що працюють в підшипниках ковзання, виконують звичайно кільцевими (рис. 16.8, б), а в деяких випадках гребінчастими (рис. 16.8, в). Гребінчасті п'яти застосовують при дії на вали

365

великих осьових навантажень; в сучасному машинобудуванні вони зустрічаються рідко.

Цапфи валів та осей, які працюють в підшипниках ковзання, бувають циліндричними, конічними і сферичними (рис. 16.9, а). Найбільш

Рис. 16.9. Конструкції опорних ділянок валів та осей розповсюджені – циліндричні цапфи, так як вони найбільш прості, зручні і дешеві у виготовленні, установці і роботі. Конічні і сферичні цапфи застосовують порівняно рідко, наприклад для регулювання зазора в підшипниках точних машин шляхом переміщення вала або вкладиша підшипника, а іноді для осьової фіксації осі або вала. Сферичні цапфи застосовують тоді, коли вал крім обертального руху повинен здійснювати кутове переміщення в осьовій площині. Циліндричні цапфи, які працюють в підшипниках ковзання, звичайно виконують дещо меншого діаметра у порівнянні з сусідньою ділянкою осі або вала, щоб завдяки заплечикам і буртикам (рис. 16.9. а) на осі і валу можна було фіксувати деталі від осьових зміщень. Цапфи осей і валів для підшипників кочення майже завжди виконують циліндричними (рис. 16.9. б). Порівняно рідко застосовують конічні цапфи з невеликим кутом конусності для регулювання зазора в підшипниках кочення пружним деформуванням кілець. На деяких осях і валах для фіксації підшипників кочення поряд з цапфами передбачають різьбу для гайок (рис. 16.9. б).

366

Створення ступенів або буртиків на валу (рис. 16.7) зв'язане з закріпленням деталей або самого вала в осьовому напрямі та технологією виготовлення вала, оскільки на різних ділянках вала передбачаються різні посадки і вимого до шорсткості поверхонь та точності механічної обробки окремих ділянок вала.

Перехідні ділянки валів.

Перехідні ділянки (галтелі) між ступенями валів і осей виконують для зниження концентрації напружень і збільшення довговічності.

Конструктивні різновидності перехідних ділянок між ступенями валів і осей: канавка з закругленнями для виходу шліфувального круга (рис. 16.10, а);

Рис. 16.10. Конструктивні форми перехідних ділянок валів:

а– канавка з закругленнямия;

б– галтель постійного радіуса;

в– галтель змінного радіуса

галтель постійного радіуса (рис. 16.10, б); галтель змінного радіуса (рис. 16.10,

в).

Перепад діаметрів ступенів визначається достатньою опорною поверхнею для сприйняття осьових сил при заданих радіусах закруглень кромок і розмірах фасок і умовами складання.

Радіус галтелі вала слід приймати по можливості найбільшим, так як зі збільшенням відношення rd зменшується концентрація напружень в місцях переходу від одного діаметра до іншого. У всіх випадках рекомендується, щоб

367

більшим радіуса галтелі r1 (рис. 16.11, а) – це є необхідною умовою складання спряження. Інколи замість закруглення у деталі, монтованій на валу, роблять фаску (рис. 16.11, б). Якщо радіус закруглення у деталі, монтованій на валу (наприклад, у підшипників кочення), малий, то слід установлювати

Рис. 16.11. Способи підвищення втомної міцності валів розвантажувальні кільця, застосування яких дає можливість не тільки забезпечити надійне складання спряження, але і збільшити радіус галтелі (рис. 16.11, в). З метою зменшення концентрації напружень при посадці деталей на вал з малими радіусами закруглень галтель виконується вхідною в уступ вала (рис. 16.11, г). Для зменшення концентрації напружень слід передбачати розвантажувальні виточки (рис. 16.11, д, е). Такі виточки дають можливість

368

покращити розподіл напружень і знизити концентрацію їх в місці основного надрізу.

Матеріали. Матеріали валів та осей повинні бути міцними, добре оброблюватися і мати високий модуль пружності. Основними матеріалами для валів служать вуглецеві і леговані сталі (див. табл. Д3 методичного посібника [17]). Для більшості валів застосовують термічно оброблені середньовуглецеві сталі 45, 50, 40Х, 40ХН та ін. Вали з цих сталей піддаються нормалізації, поліпшенню або гартуванню з нагрівом СВЧ і низьким відпуском (шліцеві вали, вали, що працюють у підшипниках ковзання, та інші випадки). Швидкохідні вали, що працюють в підшипниках ковзання, виготовляють із сталей 20, 20Х, 12ХН3А. Цапфи цих валів піддають цементації для підвищення зносостійкості. Для валів та осей без термообробки застосовують вуглецеві сталі звичайної якості марок Ст5 і Ст6. Заготовки валів і осей – це круглий прокат або спеціальні поковки. Вали і осі обробляють на токарних верстатах з наступним шліфуванням цапф і посадочних поверхонь.

16.3. Основні критерії працездатності валів і задачі розрахунку.

Розрахунок валів. Основними критеріями роботоздатності є опір втомі і жорсткість. Опір втомі валів та осей оцінюється коефіцієнтом запасу опору втомі, а жорсткість – прогином в місцях посадок деталей і кутами повороту або закручування перерізів. Практикою установлено, що руйнування валів та осей швидкохідних машин у більшості випадків носить втомний характер, тому основним є розрахунок на витривалість.

Основними задачами розрахунку валів є забезпечення їх міцності і витривалості під дією змінних напружень кручення і згину, а також обмеження деформацій згину і кручення.

Так як розрахунок і конструювання валів є процессами взаємозв'язаними і взаємовпливаючими, то визначення розмірів валів виконується в два етапи: 1-й проектний (попередній) на чисте кручення; 2-й перевірний (уточнений) розрахунок валів з урахуванням дійсних напружень в небезпечних перерізах валів і їх конструктивних форм.

369