Глава 4. Детали и сборочные единицы передач

4.1. Валы и оси

4.1.1. Назначение, классификация, конструкция и применение осей и валов в машинах и артиллерийском вооружении

Осью называют деталь, предназначенную только для поддержания (размещения) других деталей и не передающую вращающий момент.

Оси могут быть не вращающиеся (рис. 4.1а), т.е. неподвижные (ступицы колес, оси блоков лебедок, барабанов кранов и т.п.) и вращающиеся (рис. 4.1б) вместе с закрепленными на них деталями (вагонные оси, оси лентопротяжных механизмов и т.п.).

Рис. 4.1

Валом называют деталь, предназначенную для поддержания (закрепления) вращающихся деталей и для передачи вращающего момента от одной детали к другой (рис. 4.2). Валы вращаются в подшипниках, которые являются опорами и через них нагрузки, действующие на вал, передаются на корпус машины. Конструктивная форма вала зависит от назначения механизма, нагрузки и характера ее распределения по длине вала (характера эпюр изгибающих и крутящих моментов); способов фиксации деталей и вала в корпусе; условий сборки и разборки. Опорные поверхности валов, соприкасающиеся с подшипниками, называют цапфами. Цапфу, расположенную на конце вала, называют шипом, а на средней части – шейкой. Цапфы, передающие на опоры осевые нагрузки, называют пятами (рис. 4.3 г).

Рис. 4.2

Цапфы (рис. 4.3) могут быть цилиндрические, конические, сферические (шаровые), Наибольшее применение находят цилиндрические цапфы. Конические цапфы применяют при осевой фиксации валов в точных механизмах, когда не допускается отклонение осей из-за износа опор (топогеодезические приборы, часы и др.). Шаровые цапфы применяют для углового отклонения валов. Цапфы тщательно обрабатываются на токарных и шлифовальных станках. Торцы валов и осей делают с фасками, что облегчает сборку и предотвращает скалывание острых кромок. Для снижения концентрации напряжений и увеличения долговечности при изменении диаметра вала применяют плавный переход - галтели. Разновидностями переходных участков являются также кольцевые канавки для выхода шлифовального круга, канавки для выхода инструмента на концах участков с резьбой, буртики и др.

Рис. 4.3

Фиксирование деталей на валах от осевого перемещения (сдвига) осуществляется с помощью буртиков, галтелей или заплечиков на валу, специальных разрезных колец, распорных втулок, стопорных винтов, штифтов и т.п. Фиксирование деталей в окружном направлении (от проворота) - с помощью шпонок, шлицов и штифтов, соединения с натягом и т.п.

Материалы. Для изготовления валов используют углеродистые стали марок Ст4, Ст5, 20, 30, 40, 45 и 50; легированные стали марок 20Х, 40Х, 40ХН, 40ХН2МА и др.; титановые сплавы ВТ6 и ВТ9. Тяжелонагруженные валы сложной формы, например, коленчатые валы двигателей, изготовляют из чугуна.

Выбор материалов и термической обработки определяется конструкцией вала и опор, условиями эксплуатации.

Классификация валов.

По назначению: валы передач вращения (зубчатых, ременных, цепных и др.) и коренные валы, несущие кроме деталей передач, рабочие органы машин (турбины, насосы, роторы и др.).

В зависимости от вида испытываемой деформации различают: простые валы, которые работают в условиях кручения, изгиба, растяжения (сжатия) – это валы передач; торсионные валы (торсионы), которые работают лишь на кручение.

По форме геометрической оси: прямые, имеющие наибольшее применение; коленчатые (рис. 4.2 в), имеющие "ломаную" ось, применяемые в поршневых двигателях и компрессорах; карданные, допускающие угловые и радиальные отклонения оси при соединении коробки передач с задним мостом автомобиля; гибкие, имеющие криволинейную геометрическую ось при работе (бормашины, передача вращения на спидометр и др.).

По конструкции: гладкие (рис. 4.2 а), т.е. постоянного диаметра; ступенчатые (рис.4.2 б), т.е. переменного диаметра (наиболее распространенные); специальные (вал с фланцем, кривошипный, вал-шестерня (рис. 4.2 г); вал-червяк (рис. 4.2 д), распределительный вал, шлицевой вал и др.).

По типу сечений: сплошные, полые, комбинированные. Полые валы применяют для уменьшения массы, увеличения жесткости и пропускания других деталей (электропроводов, маслопроводов, деталей управления, подачи охлаждающего воздуха и др.). В зависимости от расположения, быстроходности и назначения валы называют входными, промежуточными, выходными, тихо- или быстроходными, легко- или тяжелонагруженными, распределительными и т.п.

Валы и оси являются наиболее распространенными и ответственными деталями машин, так как нарушение формы или их разрушение влечет за собой выход из строя всей конструкции. Они находят самое широкое применение в артиллерийской технике. Например: оси кривошипа клинового затвора, взвода ударного механизма, выбрасывателя гильз, цапф, уравновешивающего механизма верхнего станка, ступицы ходовой части и механизма подъема колес артиллерийских орудий; оси сателлитов планетарных редукторов подъема и поворота боевой машины РСЗО; валы передач механизмов наведения артиллерийских орудий, электродвигателей, механических прицелов и панорам; торсионы уравновешивающих механизмов и ходовой части и т.д.