Материалы валов и осей

Выбор материала, термической и химико-термической обработки определяется конструкцией вала и опор, нагружением и условиями эксплуатации вала.

Для изготовления валов используют:

• углеродистые стали марок 20, 30, 40, 45 и 50;

• легированные стали марок 20Х, 40Х, 40ХН, 12Х26ЧА, 40ХН2МА;

• титановые сплавы ВТЗ-1, ВТ6 и ВТ9.

Для изготовления фасонных (коленчатых и с большими фланцами) и тяжелых валов применяют, как стали, так и высокопрочные (с шаровидным графитом) и модифицированные чугуны. Чугунные валы облада­ют:

Расчет осей Основными критериями работоспособности осей являются статическая прочность и жесткость. Поскольку оси работают только на изгиб, то условие их прочности следующее:

_изг ≤ [_изг] или ,

где М – изгибающий момент в опасном сечении; Н  мм;

W_x – осе­вой момент сопротивления изгибу опасного сечения оси; для круга W_X = d ³/32  0.1d ³;

_изг, [_изг] – фактические и допускаемые напряжения изгиба, МПа.

Расчет неподвижных осей выполняют при допущении, что напря­жения изгиба изменяются по отнулевому циклу, самому неблагоприятному из всех знакопостоянных циклов напряжений.

Для осей, изготовленных из среднеуглеродистых сталей, допускаемые напряжения изгиба [_изг]₀ = 100…160 МПа (меньшие значения напряжений следует выбирать для ступенчатых осей с концентраторами напряжений).

Напряжения изгиба, возникающие в материале вращающихся осей, изменяются по симметричному циклу: [_изг] _–1 = (0,5…0,6) [_изг ]₀ .

Зависимость для проектного расчета, т.е. определения диамет­ра оси, мм: , мм

Если ось в расчетном сечении имеет шпоночную канавку, то по­лученное значение диаметра оси увеличивают на (8…10)% и округ­ляют до ближайшего большего стандартного значения по нормальным рядам чисел.

Проверочный расчет осей на сопротивление усталости и изгибную жесткость выполняют аналогично расчету валов, но при условии, что крутящий момент равен нулю.

Расчет валов на прочность

Валы испытывают напряжения изгиба и кручения, изменяющиеся соответственно по симметричному и отнулевому циклам. Поэтому валы рассчитывают на усталость по совместному действию нормальных и касательных напряжений. При наличии осевых нагрузок на вал они могут испытывать дополнительно напряжения сжатия и растяжения.

Уточненный расчет вала на сопротивление усталости

Уточненный расчет на сопротивление усталости выполняют после окончательного конструирования вала. Этот расчет носит проверочный характер и отражает влияние:

а) различия в характе­ре циклов нормальных _ИЗГ и касательных _КР напряжений;

б) силы концентраторов напряжений;

в) абсолютных размеров и шероховатости поверхностей участков вала в проверяемых сечениях

г) механических свойств материала вала.

В ответственных и высокоточных передачах валы подвергают расчетам на усталостную прочность по всем сечениям, имеющим концентраторы напряжений. Валы редукторных передач средней точности рассчитывают на усталостную прочность в наиболее опасных сечениях по совместному действию нормальных и касательных напряжений.

Условие обеспечения усталостной прочности: S  [S],

где S – расчетный (фактический) коэффициент запаса прочности вала в проверяемом сечении;

[S] – минимально допустимое значение коэффициента запаса прочности; [S] = 1,5... 2,5.

Расчетный коэффициент запаса прочности вала в опасном сечении определяют по зависимости:

где S_ , S_ – коэффициенты запаса прочности вала при дейст­вии напряжений изгиба и кручения соответственно.

Коэффициенты запаса прочности S_ , S_ вычисляют по формулам:

Если в результате расчета будет установлено, что усталостная прочность вала в каком-либо его сечении недостаточна, то необходимо принять конструктивные или технологические меры (они расположены по мере усиления их действия):

1) повысить поверхностную прочность вала за счет термической обработки или наклёпа;

2) конструктивно ослабить силу концентратора, например, увеличить радиус галтели;

3) заменить материал вала на более прочный;

4) увеличить абсолютные размеры сечения вала.

Наиболее эффективно поверхностное упрочнение пластическим деформированием (обкатка роликом, обдувка дробью и т.п.) или фи­зическими методами (лучом лазера, ионной бомбардировкой и др.) зон концентрации напряжений: проточек, шпоночных пазов, гал­телей.