6.2 Валы и оси

Валы служат для поддержания насаженных на них деталей (зуб­чатых колес, шкивов, звездочек, муфт и т. д.), передачи крутящих моментов и восприятия растягивающих или сжимающих сил. Оси не передают крутящих моментов.

Различают оси неподвижные и вращающиеся, например под­вижного состава железных дорог, автомобилей, сателлитов плане­тарных передач.

Валы по форме оси можно разделить на прямые (рис. 6.13, а, б), коленчатые (рис. 6.13, в) и гибкие (рис. 6.13, г). Прямые валы выполняются чаще всего ступенчатыми (рис. 6.13, а, б) для воз­можности создания различных посадок деталей. Однако во многих случаях целесообразно конструировать гладкие валы с целью уст­ранения концентраторов напряжений и сокращения расхода мате­риалов, как отмечено выше. Опорные части валов и осей называются цапфами. Концевые цапфы, нагруженные преимущественно радиальными силами, на­зываются шипами (рис. 6.13, д, е, з). Опорные участки валов, воспринимающие осевые нагрузки, называются пятами. Поверх­ность плавного перехода от одной ступени вала или оси к другой называется галтелью. Срединные опорные части, валов и осей называются шейками (рис. 6.13, ж). Конические шипы позволяют регулировать зазор путем осевого перемещения вала или подшип­никовой втулки, шаровые шипы допускают вращение вокруг оси и угловое перемещение в осевой плоскости.

Рис. 6.13

Опорные устройства, воспринимающие нагрузки со стороны шипов и шеек, называются подшипниками, а со стороны пят - подпятниками.

Вопросы конструирования валов специально рассмотрены в данной главе, поскольку в подавляющем большинстве случаев, валы работают при переменных циклических нагрузках и все выше изложенные выкладки применимы при расчёте валов на прочность.

Материалы и термообработка валов и осей

Выбор материала зависит от критериев работоспособности, конструктивных особенностей (наличия шеек под подшипники скольжения, шлицев, зубчатых венцов, червяков, резьб и т. д.), объема выпуска, технологий изготовления, условий работы. Валы, не подвергающиеся термообработке, изготавливаются из сталей Ст 5, Ст 6, термообработанные (улучшенные) — из сталей 45, 40Х, быстроходные валы на подшипниках скольжения - из цементируе­мых сталей 20, 20Х, 12ХНЗА, 18ХГТ. Применение легированных сталей обусловлено необходимостью иметь высокие механические характеристики для уменьшения габаритов. Для быстроходных слабонагруженных валов, диаметры ступеней которых определяются исходя из требований жесткости, нерационально использовать до­рогостоящие легированные стали, поскольку модуль упругости у всех сталей почти одинаков. Кроме того, с повышением предела прочности возрастает чувствительность материала к концентра­ции напряжений, поэтому применение высокопрочных легирован­ных сталей для валов, постоянно работающих при переменных напряжениях, не всегда целесообразно. Механические характери­стики некоторых материалов валов и осей приведены в табл. 6.6.

Таблица 6.6. Механические характеристики материалов валов и осей [4]

Марка стали	Диаметр за- готовки, мм не более	Твердость НВ, не менее	σв	σТ-			τТ		σ-1	τ-1		ψσ	ψτ
			МПа	МПа			МПа		МПа	МПа
Ст5	Любой	190	520	280			150		220	130		0	0
45	Любой	200	560	280			150		250	150		0	0
	120	240	800	550			300		350	210		0,1	0
	80	270	900	650			390		380	230		0,1	0,05
40Х	Любой	200	730	500			280		320	200
	200	240	800	650			390		360	210
	120	270	900	750			450		410	240		0,1.	0,05
40ХН	Любой	240	820	650			390		360	210
	200	270	920	750			450		420	250
20	60	145	400		240	120		170		100	0		0
20Х	120	197	650		400	240		300		160	0,05		0
12ХНЗА	120	260	950		700	490		420		210	0,1		0,05
18ХГТ	60	330	1150		950	665		520		280	0,15		0,1
ЗОХГТ	Любой	270	950		750	520		450		260	0,1		0,05
	120	320	1150		950	665		520		310	0,15		0,1
	60	415	1500		1200	840		650		330	0,2		0,1

Критерии работоспособности

В общем случае валы нагружаются переменными во времени и по направлению напряжениями изгиба и кручения. К критериям их работоспособности относятся статическая прочность, изгибная и крутильная жесткость, износостойкость сопряженных поверхно­стей (шеек под подшипники скольжения, шлицев и т. д.), вибро­устойчивость. Опыт эксплуатации показывает, что основным кри­терием работоспособности является сопротивление усталости. Усталостное разрушение возможно при числе циклов перемены напряжений 10³...10⁴.

Проектный расчет валов

При проектном расчете обычно известны: крутящий момент Т или мощность N и частота вращения п, нагрузка и размеры основных деталей, расположенных на валу (например, зубчатых колес). Тре­буется определить размеры и материал вала.

Валы рассчитывают на прочность, жесткость и колебания. Ос­новной расчетной нагрузкой являются моменты Т и М, вызывающие кручение и изгиб. Влияние сжимающих или растягивающих сил обычно мало и не учитывается. Расчет осей является частным случаем расчета валов при T =0.

Для выполнения расчета вала необходимо знать его конструкцию (места приложения нагрузки, расположение опор и т. п.). В то же время разработка конструкции вала невозможна без хотя бы при­ближенной оценки его диаметра. На практике обычно используют следующий порядок проектного расчета вала: