6.4. Валы

Валы предназначены для поддержания вращающихся деталей механизма и передачи вращающих моментов. Чаще всего валы имеют ступенчатую конструкцию, обеспечивающую монтаж и фиксирование деталей в радиальном и осевом направлениях.

Конструкция и размеры ступенчатых валов зависят от типа и размера сопрягаемых с ними деталей (муфт, манжетных уплотнений, подшипников, зубчатых колес и др.); имеются следующие участки (рис. 6.7):

Рис. 6.7

– консольный со шпоночным пазом для передачи вращающего момента;

– под уплотнение для предотвращения вытекания масла из редуктора;

– под подшипники для обеспечения фиксированного положения вала в корпусе редуктора и свободного вращения;

– под зубчатое колесо для передачи вращающего момента в соединении «вал – ступица»;

– упорный буртик для осевого фиксирования деталей на валу.

Валы изготавливают из углеродистых и легированных сталей 30, 35, 40, 45, 40Х, 10ХН и др.

Воспринимая силы, действующие в зацеплении зубчатых колес, редукторные валы подвергаются действию циклических напряжений изгиба  и кручения , что является причиной их усталостного разрушения. В связи с этим основным критерием работоспособности валов является усталостная прочность.

Расчет валов осуществляется в три этапа. На первом этапе определяют ориентировочное значение минимального диаметра вала из условия прочности на кручение:

,

где Т, Нм – вращающий момент на валу; = 20…40 МПа – допускаемое касательное напряжение.

На втором этапе осуществляется эскизное проектирование с проработкой конструктивной формы вала и размеров его ступеней в соответствии с сопряженными размерами размещаемых на валу деталей.

На третьем этапе выполняют проверочный расчет вала на усталостную прочность в следующей последовательности:

1. Составляют расчетную схему вала с учетом сил, действующих в зацеплении.

2. Из условия равновесия системы сил определяют неизвестные реакции опор по величине и направлению.

3. Методом сечений определяют значения изгибающего М и крутящего М_Х моментов и строят эпюры.

4. Определяют предположительно опасные сечения с точки зрения усталостной прочности.

5. Рассчитывают коэффициенты запаса прочности по нормальным напряжениям изгиба n_ и касательным напряжениям кручения n_ и общий коэффициент запаса n по зависимости

.

6. Проверяют выполнение условия усталостной прочности: . Для обеспечения надежной работы вала принимают допускаемое значение= 1,5…2,5.

6.5. Подшипники качения

Подшипниковые узлы являются опорами валов и других вращающихся деталей механизмов. Они предназначены для обеспечения свободного вращения деталей, фиксирования их от других перемещений и восприятия действующих на них сил.

Подшипник состоит из наружного 1 и внутреннего 2 колец, между которыми по специальным дорожкам перекатываются тела качения 3 (шарики или ролики). Сепаратор 4 разделяет тела качения от их соприкосновения (рис. 6.8).

Наиболее широкое применение в опорах валов редукторов получили стандартные подшипники качения.

Радиальные шариковые подшипники (рис. 6.8) воспринимают преимущественно радиальную нагрузку , а также ограниченные двусторонние осевые нагрузки. Обеспечивают фиксированное положение вала относительно корпуса в двух осевых направлениях.

Радиально-упорные (шариковый и роликовый) подшипники(рис. 6.9) воспринимают радиальную нагрузкуи одностороннюю осевую нагрузку. Обеспечивают фиксированное положение вала относительно корпуса только в одном осевом направлении. Подшипники выпускают в разных исполнениях, отличающихся углами контакта.

С увеличением угла контакта нагрузочная способность подшипника в осевом направлении возрастает, а в радиальном – уменьшается.

Роликовый конический подшипник обладает значительно большей грузоподъемностью и осевой жесткостью, чем шариковый, но менее быстроходен.

Упорные (шариковый и роликовый) подшипники(рис. 6.10) воспринимают только двустороннюю осевую нагрузку. Обеспечивают фиксированное положение вала относительно корпуса в обоих осевых направлениях.

Подшипники качения работают в условиях циклических нагрузок, под действием которых происходит контактно-усталостное разрушение их рабочих поверхностей. В связи с этим критерием оценки работоспособности подшипников является выполнение условия

,

где , час – заданный срок службы (ресурс) механизма;, час – номинальная долговечность подшипника, рассчитываемая по зависимости:

,

где , Н – динамическая грузоподъемность (справочная величина);Р, Н – эквивалентная нагрузка на подшипник; , об/мин – частота вращения подшипника;– показатель степени:для шариковых подшипников,для роликовых подшипников.