Валы и оси / Лекция 10_Валы и оси

Конические поверхности характеризуются углом конуса 2α или углом уклона α (углом между образующей конуса и его осью). Эти углы связаны с конусностью формулой k = 2tgα . Конусность стандартизована (ГОСТ 8593).

Конические поверхности применяют в целях:

создания плавного перехода от одного цилиндрического участка к другому; облегчения посадки (особенно – при запрессовке), как направляющая поверхность;

облегчения разборки деталей, так как даже незначительное их взаимное смещение приводит к появлению зазора между контактирующими поверхностями;

получения разной степени запрессовки (при посадке на конус, величина натяга пропорциональна приложенной осевой силе). При малом угле конуса посаженная деталь вследствие самоторможения может заклиниться. Однако нужно учитывать и то, что при малых углах неконтролируемая осевая сила может создать огромное распорное усилие и вызвать разрушение запрессовываемой детали.

Эксцентриковые валы дополнительно характеризуются величиной несовпадения осей смещенных участков – эксцентриситетом е.

В отдельных случаях могут назначать криволинейную форму поверхности участков вала. Обычно это является следствием особых требований, предъявляемых к конструкции, удовлетворение которых иными способами неэффективно.

Для фиксации деталей на отдельных участках валов и штоков могут нарезать резьбу, протачивать канавки под кольца или выполнять сечения некруглыми (профильными).

Основная форма торцов валов – плоская. Но иногда концевые участки, особенно штоков, могут изготавливать закругленными.

Некоторые части валов имеют свои названия. Так, опорные участки валов и осей называют цапфами. Промежуточные цапфы называют шейками, а концевые – шипами.

11

Валы и штоки в основном изготавливают точением либо используют готовый прокат (если валы гладкие и их диаметры согласованы с диаметром труб и прутков).

Для удобства сборки и безопасности работы (из-за острых кромок и заусенцев) на торцах и уступах валов делают фаски.

Для облегчения запрессовки фаски выполняют увеличенными или соседние участки вала сопрягают конической поверхностью (направляющими конусами) с уклоном

15°...30°.

Если при запрессовке необходима еще и состыковка детали с каким-то иным элементом вала или с находящейся на нем другой деталью (например, попасть пазом втулки на шпонку), то в начале прессового участка вала выполняют посадочный поясок. При том же номинальном диаметре он должен образовывать посадку с зазором, чтобы можно было вставить и повернуть деталь нужным образом. Ширина пояска должна позволять вводить сажаемую деталь в начальный контакт. Наличие посадочного пояска делает необязательным выполнение посадочного конуса.

Элементы форм поверхностей

12

Соседние участки разных диаметров, с целью уменьшения концентрации напряжений в углах, сопрягают с помощью галтелей. Галтели могут быть круговые, эллиптические, гиперболические, и выбор формы определяется эффективностью уменьшения концентрации и затратами на изготовление. Чем радиус галтели больше (чем плавнее переход), тем концентрация напряжений меньше, но и уменьшается ширина упорного торца буртика. С другой стороны, радиус галтели должен быть меньше величины фаски в отверстии насаживаемого колеса (иначе колесо своим торцем не сможет упереться в буртик вала). Галтели стандартизованы.

Применение проточек необходимо для выхода инструмента при чистовой обработке поверхности (например, для выхода шлифовального круга). Проточки подразделяются на цилиндрические и торцевые. Они стандартизованы, технологичны, но создают повышенную концентрацию напряжений.

Галтели, проточки и фаски относятся к технологическим элементам форм валов и штоков и на чертежах обычно не изображаются. На рабочих чертежах допускается не показывать фаски, притупляющие кромки: они назначаются технологом автоматически.

Элементы форм поверхностей

13

Галтели с поднутрением (рис. г) увеличивают длину базирования ступиц. Однако их трудно полировать.

Подбором галтели оптимальной формы на длине 0.75…1 диаметра вала (рис. д) можно практически избавиться от концентрации напряжений. Однако использовать такие формы можно в редких случаях, например в торсионных валах (т.е. валах, служащих пружиной, работающей на кручение), на свободных участках сильнонапряженных валов и т.д.

Повышение прочности валов в переходных сечениях достигается также удалением малонапряженного материала: выполнением разгрузочных канавок (рис. е) и высверливанием отверстий в ступенях большего диаметра (рис. ж).

Эти конструктивные особенности обеспечивают более равномерное распределение напряжений и снижают концентрацию напряжений.

Пример конструкции вала

14

Наблюдаемое резкое понижение сопротивления усталости валов в местах посадок в основном связано с концентрацией давления и фреттинг-коррозией, вызываемой местными проскальзываниями и кромочными давлениями. Наиболее эффективно утолщение вала на длине ступицы. Весьма эффективно также поверхностное упрочнение.

Упрочнением подступичных частей поверхностным наклепом (обкаткой роликами или шариками) можно повысить предел выносливости валов с концентрацией напряжений на 80...100 %, причем этот эффект распространяется на валы диаметром 500—600 мм и более. Такое упрочнение получило в настоящее время широкое распространение.

Конструктивные средства повышения выносливости показаны

15

Выбор материала вала, термической и химико-термической обработки определяется условиями работы агрегата, конструктивными особенностями и т.д. Для изготовления валов используют углеродистые стали марок 20, 30, 40, 45 и 50, легированные стали марок 20Х, 40Х, 40ХН, 18Х2Н4МА, 40Х2Н2МА и др., титановые сплавы ВТЗ – 1, ВТ6 и ВТ9.

Быстроходные валы вращающиеся в подшипниках скольжения требуют высокой твердости цапф, поэтому их изготавливают из цементуемых сталей 12Х2Н4А, 18ХГТ или азотируемых сталей 38Х2МЮА и др. По этой же причине валы-шестерни изготавливают из цементуемых легированных сталей марок 12Х2НЗА, 12Х2Н4А и др.

Валы подвергают токарной обработке и последующему шлифованию посадочных поверхностей. Высоконапряженные валы шлифуют по всей поверхности.

Шероховатость поверхности под подшипники качения в зависимости от класса точности подшипников и диаметра назначают Ra=0.16…0.32 мкм под высокопрецизионные подшипники до Ra=1.5…2.5 мкм под подшипники класса точности 0, а под подшипники скольжения в зависимости от условий работы

Ra=1…0.16 мкм.

16

Отказы валов и штоков, в основном, вызываются: усталостным разрушением от действия, главным образом, изгибающих и крутящего моментов;

недостаточной жесткостью или потерей устойчивости (при работе штоков на сжатие); недостаточной вибропрочностью и виброустойчивостью.

Валы и вращающиеся оси обычно рассчитывают как балки на шарнирных опора

18

Валы испытывают действие напряжений изгиба и кручения, оси – только изгиба

Цель расчета – определение минимально допустимого диаметра вала. Основные расчетные соотношения вытекают из расчета стержней на кручение:

Мкр – крутящий момент в расчетном сечении вала; T – крутящий момент на валу редуктора;

[τкр] – допускаемое напряжение на кручение, [τкр] = 20 … 30 МПа – для трансмисионных валов,

[τкр] = 12 … 15 МПа – для редукторных и других аналогичных валов (заниженные значения, т.к. не учитываются изгибные деформации); P – передаваемая мощность, кВт;

n – частота вращения, об/мин.

20