93.Конструкция валов, опорных участков
Вал предназначен для передачи вращающего момента вдоль своей осевой линии, а так же для поддерживания установленных на нем деталей ( зубчатых колес, шкивов…). Некоторые валы (гибкие, карданные, торсионные) не поддерживают деталей.
При работе вал испытывает изгиб и кручение, а в некоторых случаях растяжение или сжатие.
Ось только поддерживает установленные на ней детали и воспринимает действующие на них силы. Ось не передает вращающего момента и не испытывает кручения.
По форме геометрической оси различают валы:
прямые (оси почти всегда прямые)
непрямые (коленчатый вал)
По форме продольного сечения различают валы и сои:
Г ладкие 2. Ступенчатые
Пример:
прямой ступенчатый вал зубчатого редуктора.
Ступенчатая форма способствует равной напряженности отдельных участков, упрощает монтаж деталей на валу.
По внешнему очертанию поперечного сечения различают валы:
шпоночные 2. шлицевые
Материалы валов и осей должны хорошо обрабатываться, быть прочными и иметь высокий модуль упругости. Этим требованиям удовлетворяют углеродистые и легированные стали.
КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ВАЛОВ.
Опорные участки вала или оси называют цапфы.
Различают 3 вида цапф:
шип
концевая цапфа (воспринимает радиальную силу)
Шейка промежуточная цапфа
пята
концевая цапфа (воспринимает осевую силу)
Шипы и шейки вала или оси опираются на подшипники, опорной частью для пяты является подпятник.
Буртик – кольцевое утолщение вала, составляющее с ним одно целое.
Заплечик – переходная поверхность от одного сечения к другому, служащая для упора насаживаемых на вал или ось деталей.
Галтель – криволинейная поверхность плавного перехода от меньшего сечения к большему.
Галтели выполняют:
постоянного радиуса переменного радиуса с поднутрением
Переходные участки являются концентраторами напряжений. Для снижения концентрации напряжений в переходных участках выполняются разгрузочные канавки, увеличивающие радиусы галтелей.
94.Расчет валов на выносливость
После предварительных расчетов и конструктивного оформления валов (осей) фасонных конструкций, имеющих ряд ступеней, отверстий, канавок кольцевых и шпоночных и т. п., в ответственных случаях производят уточненный (проверочный) расчет валов (осей) на усталостную прочность (на выносливость).
Усталостная
прочность вала (оси) обеспечена, если
соблюдается условие
(13)где s и [s] — фактический (расчетный) и
допускаемый коэффициенты запаса
прочности для опасного сечения; (обычно
[s] = 1,5 ÷ 2,5; для валов передач [s]> 1,7 ÷ 3).
При расчете на усталостную прочность необходимо установить характер цикла изменения напряжений. В большинстве случаев действительный цикл нагрузки машин в эксплуатационных условиях установить трудно. При расчете валов (осей) на усталостную прочность принимают, что напряжения изгиба изменяются по симметричному циклу (рис.11, а), а напряжения кручения — по пульсирующему (отнулевому) циклу (рис.11, б).
Д
ля
опасных сечений определяют коэффициенты
запаса сопротивления усталости и
сравнивают их с допускаемыми. При
одновременном действии напряжений
изгиба и кручения коэффициент запаса
сопротивления усталости определяют по
формуле
где
–
-коэффициент запаса сопротивления
усталости по нормальным напряжениям
при изгибе
, ГДЕ
– коэффициент запаса сопротивления
усталости по касательным напряжениям
при кручении
(16)
В этих
формулах
– пределы выносливости соответственно
при изгибе и при кручении при симметричном
цикле изменения напряжений. Это
характеристики материала, которые
выбираются по справочникам или по
приближенным формулам:
— коэффициенты,
учитывающие влияние асимметрии цикла
напряжений на прочность вала соответственно
при изгибе и при кручении. Эти значения
зависят от механических характеристик
материала.
Их принимают:
Kd – масштабный фактор, то есть коэффициент, учитывающий влияние размеров сечения вала на прочность (выбирают по справочникам в зависимости от диаметра и марки материала); KF – фактор шероховатости поверхности (выбирают по справочникам в зависимости шероховатости поверхности и предела прочности стали); К и – эффективные коэффициенты концентрации напряжений при изгибе и кручении (выбирают по табл.1 в зависимости от вида концентратора в расчетном сечении и в).
Сопротивление усталости можно значительно повысить, применив один из методов поверхностного упрочнения: азотирование, поверхностную закалку ТВЧ, дробеструйный наклеп, обкатку роликами и т.п. При этом можно получить увеличение предела выносливости до 50% и более. Чувствительность деталей к поверхностному упрочнению уменьшается с увеличением ее размеров.
Проверочный расчет осей на усталостную прочность ведут аналогично расчету валов при Мк = 0.
Последовательность расчета валов и осей на усталостную прочность (выносливость).
1. Составляют расчетную схему.
2. Определяют силы, действующие на вал.
3. Определяют опорные реакции и строят эпюры изгибающих моментов в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, после чего вычисляют суммарный изгибающий момент.
4. Определяют крутящие моменты и строят эпюру (для валов).
5. По формуле (9а) определяют эквивалентный момент Мэкв.
6. В соответствии с эпюрами моментов Мп, Мк и Мэкв рассчитывают диаметры опасных сечений, подлежащих проверке на усталостную прочность.
7. Для каждого опасного сечения по формуле (13) определяют расчетные коэффициенты запаса прочности, а по формуле (14) оценивают выносливость.
8. При кратковременных
перегрузках наиболее нагруженные
сечения вала проверяют на статическую
прочность (по теории энергии формоизменения):
