6 Валы и оси

6.1 Общие сведения

Для поддержания вращающихся деталей и для передачи вращающего момента от одной детали к другой в механизмах применяются прямые валы, устанавливаемые на подшипниковых опорах. Реже встречаются валы, используемые только для поддержания вращающихся деталей и не передающие вращающий момент, которые называют осями.

Нагрузка, действующая на валы – крутящий и изгибающий моменты, на оси действует только изгибающий момент.

Валы и оси имеют форму тел вращения. Наиболее удобны для изготовления валы круглого (рис. 6.1а) и круглого полого (рис. 6.1б) сечения. Для посадки деталей участки валов выполняются шпоночного (рис. 6.1в), шлицевого (рис. 6.1г) или профильного сечений (рис. 6.1д).

а	б	в	г	д
Рис. 6.1. Поперечные сечения валов

По конструкции валы делятся на гладкие (рис. 6.2а) и ступенчатые (рис. 6.2б). Также бывают коленчатые и гибкие валы, которые в данном пособии не рассматриваются. Гладкие валы имеют одинаковый диаметр по всей длине, они более просты по конструкции, но требуют большее количество крепежных деталей для закрепления насаживаемых деталей. Ступенчатые валы более распространены, они имеют разный диаметр на разных участках. Ступеньки служат для позиционирования деталей и могут воспринимать значительную осевую нагрузку.

Кроме того, среди валов выделяют валы с фланцами и валы с нарезанными на них зубчатыми колесами (валы-шестерни).

а	б
Рис. 6.2. Гладкий (а) и ступенчатый (б) валы

По назначению валы делятся на коренные валы (несущие рабочие органы машин: инструменты, колеса, барабаны и т.д.) и валы передач (несущие детали передач: зубчатые колеса, шкивы, звездочки, муфты).

Оси подразделяют на подвижные и неподвижные.

6.2 Конструктивные элементы валов и осей

Конструктивные элементы валов и осей показаны на рис. 6.3. Опорная поверхность вала называется цапфа или шейка. Ее размер и поверхность подготавливают под насаживаемую деталь. Как правило, для этого требуется более высокие точность размеров и качество поверхности, по сравнению с другими поверхностями вала. Для облегчения сборки шейка обычно заканчивается заплечиком или буртиком – упором для фиксации насаживаемой детали в осевом направлении. Фаска облегчает сборку.

Рис. 6.3. Конструктивные элементы валов

Так как резкие переходы с одной поверхности на другую являются концентраторами напряжений, то для их снижения применяют галтели (рис. 6.4а,б) или выточки (рис. 6.4в,г)с плавными закруглениями. Чем больше радиус закругления r, тем меньше концентрация напряжений.

	а	б	в	г
Рис. 6.4. Галтели и выточки

6.3 Критерии работоспособности валов

Валы относятся к числу наиболее ответственных деталей машин. Разрушение вала обычно приводит к выходу из строя всей машины. Поэтому к валам предъявляют высокие требования, как по точности изготовления, так и по прочности и жесткости.

При работе на валы действуют крутящие и изгибающие моменты. Кроме того, валы вращаются, поэтому направление внешней нагрузки меняется относительно вала, следовательно, валы испытывают знакопеременные нагрузки. Поэтому поломки валов обычно имеют усталостный характер.

На начальной стадии проектирования выполняют упрощенный проектировочный расчет вала, проводят проектирование вала, т.е. определяют размеры отдельных участков вала, конструктивные элементы и т.д. После окончания проектирования выполняют два проверочных расчета вала: на статическую прочность и на усталостную прочность.