Валы и оси Общие сведения

В современных машинах наиболее часто используют вращательное движение. Вращающиеся детали, такие, как зубчатые колеса, шкивы, звездочки, муфты и др., направляются и поддерживаются в пространстве при помощи валов и осей. Вал отличается от оси тем, что передает вращающий момент от одной детали к другой, а ось не передает. На рис.1 момент от полумуфты 3 к шестерне 1 передается валом 2. На рис.2 изображен барабан грузоподъемной машины, момент от зубчатого венца передается канату самим барабаном. Вал всегда вращается, а ось может быть вращающейся (рис.2,а) или невращающейся (рис.2,б).

Рис. 1

Рис. 2

По конструкции различают валы и оси гладкие, фасонные, или ступенчатые, а также сплошные и полые. Чаще всего валы и оси выполняют ступенчатыми, хотя валы и оси постоянного сечения более технологичны. Образование ступеней связано с закреплением деталей и возможности их монтажа при посадках с натягом.

По назначению валы можно разделить на коренные, т.е. валы несущие основные рабочие органы машин (ротор турбины), и передаточные (валы передач). В ряде машин (сельскохозяйственных, дорожных) применяют валы для передачи вращающего момента к исполнительным органам; их называют трансмисионными.

Конструктивные элементы валов и осей

Опорная часть вала или оси называется цапфой. Концевая цапфа называется шипом, а промежуточная – шейкой. Концевая цапфа, предназначенная нести осевую нагрузку, называется пятой. Шипы и шейки вала опираются на подшипники, опорной частью для пяты является подпятник. По форме цапфы могут быть цилиндрическими, коническими, шаровыми и плоскими (пяты).

Рис.3

Кольцевое утолщение вала, составляющее с ним одно целое, называется буртиком. Переходная поверхность от одного сечения к другому, служащая для упора насаживаемых на вал деталей, называется заплечиком. Криволинейную поверхность плавного перехода от меньшего сечения к большему называют галтелью.

Материалы валов и осей

Основными материалами для валов и осей служат углеродистые и легированные стали. Для большинства валов применяют термически обработанные стали 45 и 40Х, а для ответственных конструкций сталь 40ХН, 30ХГТ и др. Валы этих сталей подвергают улучшению или поверхностной закалке.

Быстроходные валы на опорах скольжения должны иметь высокую твердость; для этого их изготовляют из цементируемых сталей типа 20Х, 12ХН3А, 18ХГТ или азотируемых сталей типа 38Х2МЮА.

Валы и оси подвергают токарной обработке в центрах и последующему шлифованию посадочных поверхностей.

Основными критериями работоспособности валов и осей являются прочность, жесткость и виброустойчивость.

Расчеты валов и осей на прочность

Для выполнения расчета вала необходимо знать его конструкцию, тип и расположение опор, места приложения внешних нагрузок. Вместе с тем подбор подшипников можно осуществить только тогда, когда известен диаметр вала. Поэтому расчет валов выполняется в два этапа: предварительный (проектный) и окончательный (проверочный).

Предварительный расчет валов. Проектный расчет производится только на кручение, причем для компенсации напряжений изгиба принимают пониженные значения допускаемых напряжений кручения:

, (1)

где – вращаюший (крутящий) момент, Нм;

= 15_…30 МПа.

Оценить диаметр вала можно, ориентируясь на диметр того вала, с которым он соединяется. Например, если вал вращается непосредственно электродвигателем, то диаметр его можно принять равным или близким диаметру выходного конца вала электродвигателя, т.е. .

Полученное значение диаметра округляется до ближайшего стандартного размера согласно ГОСТ” Нормальные линейные размеры”.

После предварительного определения диметра вала разрабатывают его конструкцию – эскизный проект, обеспечивая условия технологичности изготовления и сборки (см. рис. 1) и составляют расчетную схему.

Расчетные схемы валов и осей. При составлении расчетной схемы валы и оси рассматривают как балки, шарнирно закрепленные в жестких опорах, одна их которых подвижная. Нагрузки, передаваемые валам и осям со стороны насаженных на них деталей, полагают сосредоточенными и приложенными в середине ступицы.

Вследствие неизбежной несоосности соединяемых деталей большинство муфт нагружают вал дополнительной силой .

При расчете валов принимают - для входных валов редукторов и выходных валов одноступенчатых редукторов; - для выходных валов много ступенчатых редукторов. Эти формулы учитывают установку на конце вала не только муфт, но и шестерни, звездочки, шкива.

На рис.3 представлена расчетная схема ведущего вала цилиндрического редуктора с косозубыми колесами, нагруженного вращающим моментом , окружной силой , радиальной силой , осевой силой и дополнительной силой .

Рис.3

Из приведенной на рис.3,а расчетной схемы видно, что векторы сил и расположены в вертикальной плоскости, а вектор окружной силы – в горизонтальной плоскости. Вектор силы расположен в плоскости смещения рассчитываемого и присоединяемого к нему валов. Положение этой плоскости определить невозможно ввиду случайных неточностей монтажа, поэтому расчетную схему вала на рис 3,а целесообразно представить в виде трех отдельных схем – см. рис.3, б, в, г, где , и приведены к оси вала. На рис 3,б изгибающий момент , а на рис.3, д крутящий момент (в сечении 1 – 1) являются результатом такого приведения. Здесь – делительный диаметр шестерни.

Под каждой из трех расчетных схем построены эпюры изгибающих моментов, действующих в трех указанных выше плоскостях. По этим эпюрам можно определить суммарные изгибающие моменты в любом сечении.

Так, например, в сечении 1 – 1 суммарный изгибающий момент определится по формуле

= где