Лекция №12 Валы и оси

Все детали, совершающие вращательное движение, вращаются вокруг некоторых геометрических осей. На практике эти геометрические оси воплощаются в реальные детали – валы и оси.

Оси предназначены для поддержания вращающихся деталей и обеспечения их геометрической оси вращения. Они могут быть как вращающимися, так и неподвижными и воспринимают только напряжение изгиба.

Валы, в отличие от осей, предназначены, кроме перечисленных функций, и для передачи крутящих моментов от одной детали к другой и испытывают напряжения изгиба и кручения. Валы и оси вращаются относительно опор, называемых подшипниками. Различают валы прямые, коленчатые и гибкие. Наибольшее распространение имеют прямые валы. Коленчатые валы применяют в поршневых машинах. Гибкие валы допускают передачу вращения при больших перегибах оси.

По конструкции различают валы и оси, гладкие и фасонные. По виду поперечного сечения валы и оси могут быть сплошными и полыми. Применение пустотелых валов позволяет существенно снизить их вес при сохранении равной прочности и жесткости вала.

Изучить самостоятельно: конструкции осей и валов; материалы для изготовления осей и валов.

Критерии работоспособности осей и валов

1. Прочность. Основной критерий работоспособности. Неподвижные оси рассчитывают на статическую прочность. Быстроходные валы из-за опасности усталостного разрушения рассчитывают не только на статическую прочность, но и на сопротивление усталости.

2. Жесткость. Недостаточная жёсткость вала отрицательно влияет на работу зубчатых колес, подшипников.

3. Виброустойчивость. Такой расчет необходим для быстроходных валов с целью отстройки от резонансных колебаний.

4. Износостойкость. Является критерием работоспособности шеек вала.

Выбор расчетных схем и нагрузок

а б в г

Рис. 12.1

При расчете валов производят схематизацию нагрузок, опор и форм вала. Валы и оси обычно рассматривают как балки на шарнирных опорах. Если подшипники воспринимают только радиальные нагрузки, их заменяют шарнирно подвижными опорами (рис. 12.1 а, в, г), а если одновременно осевые и радиальные нагрузки, то шарнирно неподвижными опорами (рис.12.1,б).

Рис. 12.2

В большинстве случаев при расчете валов и осей пренебрегают собственным весом вала, весом насаженных деталей и моментами от сил трения в опорах. Нагрузки на валы и оси передаются от насаженных на них деталей – зубчатых колес, шкивов, муфт и т.д. Эти нагрузки являются распределенными по длине рабочих элементов по различным законам (рис. 12.2). Однако, при составлении расчетной схемы, расчетные нагрузки принимаются обычно сосредоточенными на середине элемента. Таким образом, валы рассчитываются как балки, нагруженные сосредоточенными силами и крутящими моментами (рис. 12.3).

Рис. 12.3

Рассмотрим расчетную схему вала, имеющего цилиндрическое и коническое колеса. Для расчета валов и осей необходимо вычислять изгибающие и крутящие моменты в опасных сечениях. При действии на вал нагрузок в разных плоскостях их обычно раскладывают на две взаимно перпендикулярные плоскости, за одну из которых выбирают плоскость действия одной из сил. После этого строят эпюры изгибающих моментов в этих плоскостях. Для определения результирующего момента, изгибающие моменты М_x и М_y складываются геометрически по формуле

.

Эквивалентный момент вычисляют по третьей теории прочности .