Строение вала. Валы и оси общие сведения и основы конструирования

19.11.2015

Валы и оси используются в машиностроении для фиксации различных тел вращения (это могут быть шестерни, шкивы, роторы и другие элементы, устанавливаемые в механизмах).

Есть принципиальное отличие валов от осей: первые осуществляют передачу момента силы, создаваемого вращением деталей, а вторые испытывают напряжение изгиба под действием внешних сил. При этом валы всегда являются крутящимся элементом механизма, а оси могут быть как крутящимися, так и неподвижными.

С точки зрения металлообработки валы и оси – это металлические детали, чаще всего имеющие круглое поперечное сечение.

Виды валов

Валы различаются между собой по конструкции оси. Выделяют следующие виды валов:

• прямые. Конструктивно не отличаются от осей. В свою очередь, различают гладкие, ступенчатые и фасонные прямые валы и оси. Наиболее часто в машиностроении используются ступенчатые валы, которые отличает простота установки на механизмы
• коленчатые, состоящие из нескольких колен и коренных шеек, которые опираются на подшипники. Составляют элемент кривошипно-шатунного механизма. Принцип действия заключается в преобразовании возвратно-поступательного движения во вращательное, либо наоборот.
• гибкие (эксцентриковые). Применяются для передачи момента вращения между валами со смещенными осями вращения.

Производство валов и осей – одно из наиболее динамичных направлений в металлургической промышленности. На основе этих элементов получают следующие изделия:

1. элементы передачи вращательного момента (детали шпоночного соединения, шлицы, соединений с натягом и т.д.);
2. опорные подшипники (качения или скольжения);
3. уплотнения концов валов;
4. элементы, регулирующие узлы передачи и опоры;
5. элементы осевой фиксации лопаток роторов;
6. галтели перехода между элементами разного диаметра в конструкции.

Выходные концы валов имеют форму цилиндра или конуса, соединяемыми при помощи муфт, шкивов, звездочек.

Валы и оси также могут быть полыми и сплошными. Внутри полых валов могут быть вмонтированы другие детали, кроме того, они могут применяться для облегчения общего веса конструкции.

Функцию осевых фиксаторов, устанавливаемых на вал деталей, выполняют ступени (бурты), распорные втулки со съемной осью, кольца, пружинные упорные кольца подшипников.

Предприятие "Электромаш" осуществляет изготовление данной продукции на производственной площадке, оснащенной самым современным оборудованием. У нас вы можете купить валы и оси любого типа под заказ . Рейтинг: 3.02

Лекция 6. Валы и оси.

Учебные вопросы:

1. Назначение, конструкция и материалы валов и осей.

2. Критерии работоспособности и расчет валов и осей.

3. Расчет валов.

4. Шпоночные и шлицевые соединения.

5. Расчет на прочность соединений с призматическими шпонками.

6. Штифтовые соединения.

1. Назначение, конструкция и материалы валов и осей.

Валом называют деталь (как правило, гладкой или ступенчатой цилиндрической формы), предназначенную для поддержания установленных на ней шкивов, зубчатых колес, звездочек, катков и т.д., и для передачи вращающего момента.

При работе вал испытывает изгиб и кручение, а в отдельных случаях помимо изгиба и кручения валы могут испытывать деформацию растяжения (сжатия).

Некоторые валы не поддерживают вращающиеся детали и работают только на кручение.

Вал 1 (рис. 8.1, с. 204 Мархель) имеет опоры 2 , называемые подшипниками. Часть вала, охватываемую опорой, называют цапфой . Концевые цапфы именую шипами 3 , а промежуточные – шейками 4 .

Классификация валов и осей.

По назначению валы делят на:

Валы передач (на них устанавливают детали передач);

Коренные валы (на них устанавливают дополнительно еще и рабочие органы машины).

По геометрической форме валы делят на:

Прямые (см. рис. 8.1);

Кривошипные (рис. 8.3, а );

Коленчатые (рис. 8.3, б );

Гибкие (рис.8.3, в );

Телескопические (рис.8.3, г );

Карданные (рис. 8.3, д ).

Кривошипные и коленчатые валы используют для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное (поршневые двигатели) или наоборот (компрессоры); гибкие – для передачи вращающего момента между узлами машин, меняющими свое положение в работе (строительные механизмы, зубоврачебные машины и т.п.); телескопические – при необходимости осевого перемещения одного вала относительно другого.

По конструктивным признакам : гладкие валы и оси (рис. 8.2); ступенчатые валы и оси (см. рис. 8.1); валы-шестерни (см. рис. 3.36; 3.46, в ); валы-червяки (см. рис.5.1, поз.1 ).

По типу сечения валы и оси бывают:

Сплошные (см. рис. 8.2, а);

Полые (см. рис. 8.2, б);

Комбинированные (рис.8.3,г).

Участки 1 осей и валов (рис. 8.4), которыми они опираются на подшипники при восприятии осевых нагрузок, называют пятами . Опорами для пят служат подпятники 2 . Посадочные поверхности валов и осей под ступицы насаживаемых деталей выполняют цилиндрическими, коническими или шаровыми. Широкое распространение в машиностроении получили цилиндрические цапфы; конические и шаровые цапфы; конические и шаровые цапфы применяют редко.

Вопрос : Как называют цапфы, показанные на рис. 8.5?

-на рис. 8.5, а – цилиндрическая цапфа;

- на рис. 8.5, б – коническая;

- на рис 8.5, в – шаровая.

Переходные участки (галтели) между ступенями валов и осей выполняют для снижения концентрации напряжений и увеличения долговечности. Торцы валов и осей делают с фасками , т.е. слегка обтачивают их на конце. Посадочные поверхности валов и осей обрабатывают на токарных и шлифовальных станках.

- Вопрос : Что называют галтелью ?

-Галтель – поверхность плавного перехода от меньшего сечения (оси) к большему.

Материалы для валов и осей .

В качестве материала для осей и валов чаще всего применяют углеродистые и легированные стали (прокат, поковки и реже стальные отливки), а также высокопрочный модифицированный чугун и сплавы цветных металлов (в приборостроении). Для неответственных малонагруженных конструкций валов и осей применяют углеродистые стали без термической обработки. Ответственные тяжело нагруженные валы изготавливают из легированной стали 40ХНМА, 25ХГТ и др. Без термической обработки применяют стали 35 и 40, Ст5, Ст6, 40Х, 40ХН, 30ХН3А, с термической обработкой – стали 45, 50 и др.

В автомобильной и тракторной промышленности коленчатые валы двигателей изготавливают из ковкого или высокопрочного чугуна.

Вопрос : Укажите наиболее распространенные марки сталей, применяемых для изготовления валов и осей.

- При изготовлении валов и осей применяют стали марок Ст3, Ст4, Ст5, 35, 40, 45, 45, 50, 40Х, 40ХН.

4.1. Какую деталь называют валом, а какую – осью?

Вал – вращающаяся деталь машины, передающая вращающий момент от

одной детали к другой. На вал устанавливают вращающиеся детали и закрепляют их на нем. При работе вал испытывает изгиб и кручение, а в отдельных случаях – дополнительно растяжение или сжатие.

Ось – деталь машины, предназначенная для поддержания установленных на ней деталей. В отличие от вала ось не передает вращающего момента и, следовательно, не испытывает кручения.

4.2. Типы валов и осей.

По геометрической форме валы делятся на:

● Прямые 1 и 2.

● Гибкие 3.

● Коленчатые 4.

По конструкции прямые валы и оси делятся на:

● Гладкие 1.

● Ступенчатые 2.

Оси бывают вращающиеся и неподвижные.

4.3. Конструктивные элементы валов и осей.

●
Цапфа – опорная часть вала или оси.

● Шип – цапфа на конце вала или оси.

● Шейка – цапфа в середине вала или оси.

● Буртик – кольцевой выступ на валу или оси.

● Галтель – плавный скругленный переход от одной поверхности к другой.

4.4. Основные критерии работоспособности валов.

● Прочность .

● Жесткость .

● Виброустойчивость .

4.5. Три этапа расчета и конструирования вала.

● Проектный расчет. Определяют диаметр концевого участка вала из условия прочности на кручение. Полученное значение диаметра округляют до ближайшего стандартного размера согласно ГОСТ «Нормальные линейные размеры».

● Конструирование вала. Определяют его размеры, исходя из конструктивных соображений.

● Проверочный расчет. Проверяют прочность сконструированного вала: определяют нагрузки на вал, составляют расчетную схему вала, определяют опорные реакции вала и строят эпюры изгибающих и крутящих моментов, рассчитывают напряжения в опасном сечении и проверяют прочность.

5. Опоры валов и осей

5.1. На что опираются валы и оси в работающей машине?

Валы и вращающиеся оси монтируют на опорах, которые обеспечивают вращение, воспринимают нагрузки и передают их основанию машины. Основной частью опор являются подшипники, которые могут воспринимать радиальные, радиально-осевые и осевые нагрузки.

По принципу работы различают:

● Подшипники скольжения.

● Подшипники качения.

5.2. Что такое подшипник скольжения?

Простейшим подшипником скольжения является отверстие, расточенное непосредственно в корпусе машины, в которое обычно вставляют втулку (вкладыш) из антифрикционного материала. Цапфа вала скользит по опорной поверхности.

5.3. Достоинства и недостатки подшипников скольжения.

Достоинства:

● Малые габариты в радиальном направлении.

● Хорошая восприимчивость к ударным и вибрационным нагрузкам.

● Возможность применения при очень высоких частотах вращения вала.

● Возможность использования при работе в воде или агрессивной среде.

Недостатки:

● Большие габариты в осевом направлении.

● Значительный расход смазочного материала и необходимость систематического наблюдения за процессом смазывания.

● Необходимость применения дорогостоящих и дефицитных антифрикционных материалов для вкладышей.

5.4. Основные требования к материалам, применяемым в подшипниках скольжения.

Материалы вкладышей в паре с цапфой должны обеспечивать:

● Малый коэффициент трения.

● Высокую износостойкость.

● Хорошую прирабатываемость.

● Коррозионную стойкость.

● Малый коэффициент линейного расширения.

● Низкую стоимость.

Ни один из известных материалов всем комплексом этих свойств не обладает. Поэтому применяют различные антифрикционные материалы, наилучшим образом отвечающие конкретным условиям работы.

5.5. Основные материалы, применяемые в подшипниках скольжения.

Материалы вкладышей можно разделить на три группы.

● Металлические. Баббиты (сплавы на основе олова или свинца) обладают высокими антифрикционными свойствами, хорошей прирабатываемостью, но дороги. Хорошими антифрикционными свойствами обладают бронзы, латуни, цинковые сплавы. При невысоких скоростях применяют антифрикционные чугуны.

● Металлокерамические. Пористые бронзографитовые или железографитовые материалы пропитывают горячим маслом и применяют при невозможности обеспечения жидкой смазки. Эти материалы способны достаточно долго работать без подвода смазочного материала.

● Неметаллические. Полимерные самосмазывающиеся материалы используют при значительных скоростях скольжения. Фторопласты имеют малый коэффициент трения, но высокий коэффициент линейного расширения. Подшипники с резиновыми вкладышами применяют с водной смазкой.

5.6. Критерии работоспособности подшипников скольжения.

Основным критерием является износостойкость трущейся пары.

Работа сил трения в подшипнике преобразуется в тепло, поэтому еще одним критерием является теплостойкость .

5.7. Что такое подшипник качения?

Готовый узел, который состоит из наружного 1 и внутреннего 2 колец с дорожками качения, тел качения 3 (шариков или роликов) и сепаратора 4, разделяющего и направляющего тела качения.

5.8. Достоинства и недостатки подшипников качения.

Достоинства:

● Малые потери на трение.

● Высокий КПД.

● Незначительный нагрев.

● Высокая нагрузочная способность.

● Малые габаритные размеры в осевом направлении.

● Высокая степень взаимозаменяемости.

● Простота в эксплуатации.

● Малый расход смазки.

Недостатки:

● Чувствительность к ударным и вибрационным нагрузкам.

● Большие габариты в радиальном направлении.

● Шум при больших оборотах.

5.9. Как классифицируются подшипники качения?

● По форме тел качения – шариковые и роликовые, причем роликовые: цилиндрические, конические, бочкообразные.

● По направлению воспринимаемой нагрузки – радиальные (воспринимают радиальные нагрузки), радиально-упорные (воспринимают радиальные и осевые нагрузки) и упорные (воспринимают осевые нагрузки).

● По числу рядов тел качения – однорядные, двухрядные и многорядные.

5.10. Основные причины потери работоспособности подшипников качения.

● Усталостное выкрашивание после длительной работы.

● Износ – при недостаточной защите от абразивных частиц.

● Разрушение сепараторов, характерное для быстроходных подшипников, особенно работающих с осевыми нагрузками или с перекосом колец.

● Раскалывание колец и тел качения – при недопустимых ударных нагрузках и перекосах колец.

● Остаточные деформации на дорожках качения в виде лунок и вмятин – у тяжелонагруженных тихоходных подшипников.

5.11. Как проводится подбор подшипников качения?

При проектировании машин подшипники качения не конструируют, а подбирают из стандартных.

Различают подбор подшипников:

● По базовой статической грузоподъемности для предупреждения остаточной деформации – при частоте вращения не более 10 об/мин.

● По базовой динамической грузоподъемности для предупреждения усталостного разрушения (выкрашивания) – при частоте вращения более 10 об/мин.

Валы и оси служат для поддержания вращающихся деталей (зубчатых колес, муфт, шкивов, звездочек, роторов и т. п.) и передачи нагрузок от этих деталей через опоры на корпус. Оси бывают как вращающимися, так и неподвижными, они воспринимают действия изгибающих моментов и продольных сил. Валы, в отличие от осей, могут быть только вращающимися. Они подвергаются действию продольных сил, изгибающих и крутящих моментов.

Конструктивная форма валов и осей зависит от многих факторов - назначения механизма, назначения и формы деталей, сопрягающихся с валом или осью, характера нагрузок, технологии изготовления и сборки.

Валы бывают прямые , коленчатые и гибкие. В настоящем учебнике рассматриваются только наиболее распространенные прямые валы. Оси бывают только с прямой геометрической осью.

Валы и оси могут быть сплошными и полыми. При использовании полых валов и осей можно существенно уменьшить массу конструкции. Например, полый вал с отношением диаметра отверстия к наружному диаметру вала 0,75 при практически равной прочности со сплошным валом имеет массу на 50% меньше. В связи с этим в механизмах ЛА валы и оси большого диаметра (больше 10...12 мм) выполняются, как правило, полыми. Входные и выходные валы проектируются с несквозными отверстиями для герметизации внутренней полости механизма или с отверстиями, закрываемыми заглушками.

Валы и оси различаются по форме: гладкие и ступенчатые . Выбирая более сложную в изготовлении ступенчатую форму, можно обеспечить равномерное распределение напряжений по длине вала и необходимые прочность и жесткость при действии внутренних силовых факторов. Кроме того, при ступенчатой форме создаются лучшие условия для сборки деталей с валом и для их фиксирования относительно вала в осевом и радиальном направлениях. Оси, ввиду их большей простоты, часто выполняют гладкими, а валы, как правило, ступенчатыми, причем каждой детали соответствует своя ступень на валу, обработанная с требуемой точностью и шероховатостью.

Валы выполняются в виде отдельной детали (рис. 13.1, а) или за одно целое с цилиндрическими зубчатыми колесами (рис. 13.1, б, г) у коническим зубчатым колесом (рис. 13.1, в).

В механизмах ЛА валы часто изготавливаются за одно целое с деталями передач, что ввиду отсутствия соединяющих элементов уменьшает общую массу конструкции и увеличивает ее надежность. Однако монолитная конструкция вала не всегда целесообразна, поскольку не всегда требуется выполнять вал и деталь из одного материала. Кроме того, при таком варианте исключается возможность замены вала или детали при эксплуатации. При изготовлении монолитной конструкции из заготовки большого диаметра следует учитывать тот факт, что прочностные свойства материала снижаются с увеличением диаметра заготовки. Монолитная конструкция экономически выгодна в том случае, если диаметр детали ненамного превышает диаметр собственного вала, а также в условиях единичного производства или получении заготовки ковкой (например, формировании элементов детали, расположенных на конце вала, операцией высадки).

Валы могут быть выполнены с зубьями (рис. 13.1,6), со шпоночными пазами (рис. 13.1, а), с кольцевыми канавками под опорные кольца (рис. 13.1, а), с резьбовыми участками (рис. 13.1, 6, в) и пазами для стопорения резьбовых деталей (рис. 13.1, в). Валы могут иметь осевые (рис. 13.1, б) и радиальные (рис. 13.1, в) отверстия, а также канавки для выхода

шлифовального круга (рис. 13.1, а, в), участки выхода фрезы при нарезании зубьев (рис. 13.1, б ), а также проточки для выхода инструмента при нарезании резьбы (рис. 13.1, в).

Оси бывают неподвижные (рис. 13.2, а) и вращающиеся (рис. 13.2, б) у гладкие (рис. 13.2, а) и ступенчатые (рис. 13.2, б). Оси, как и валы, могут иметь зубья (шлицы), пазы, проточки, канавки, резьбу и отверстия. Гладкие оси стандартизированы. Фиксирование этих осей в осевом направлении чаще всего

осуществляется шплинтом (рис. 13.3, а). Для осей (главным образом неподвижных) применяется фиксирование цилиндрическим или коническим штифтом (рис. 13.3, б ), установочным винтом (рис. 13.3, в) или оседержателем с болтом (рис. 13.3, г). Неподвижные оси устанавливаются по переходной посадке (например, К7/И6) или по посадке с натягом (например, R7/h6).

Подвижные оси и валы как в радиальном, так и в осевом направлениях фиксируются в подшипниках, которые в свою очередь устанавливаются в корпусе. Точное фиксирование валов и осей в радиальном направлении осуществляется с помощью посадок их в подшипники и посадок подшипников в корпус. В осевом направлении валы и оси с насаженными на них деталями соединяются с подшипниками одним из способов, показанных на рис. 13.4. Наибольшее применение находит простое и дешевое фиксирование пружинными кольцами (рис. 13.4, а): эксцентрическими 1 или концентрическими 2 . Наличие зазора 5 между кольцом и подшипником приводит к неточности установки деталей и к скольжению поверхностей деталей и вала, т. е. к их изнашиванию. Использование промежуточного кольца 3 (рис. 13.4, б) с подгонкой его по толщине прошлифовкой торца или комплекта регулировочных прокладок 4 из фольги (рис. 13.4, в) позволяет свести величину зазора 5 к минимуму. Регулировочные прокладки рядом с пружинным кольцом не ставят во избежание попадания прокладок в канавку для кольца. При фиксировании на конце вала удобным является применение стандартной торцовой шайбы 5 (рис. 13.4, г)> закрепляемой винтом 6 и фиксируемой от проворачивания штифтом 7. Винт стопорится от отвинчивания шайбой 8. При значительной осевой нагрузке применяется шайба, закрепляемая двумя винтами (рис. 13.4, д).

Зубчатые колеса, шкивы, звездочки и другие вращающиеся детали машин устанавливают на валах или осях.

Вал предназначен для передачи вращающего момента вдоль своей оси, для поддержания расположенных на нем деталей и восприятия действующих на них сил. При работе вал испытывает изгиб и кручение, а в некоторых случаях - дополнительно растяжение или сжатие.

Ось только поддерживает установленные на ней детали и воспринимает действующие на них силы. В отличие от вала ось не передает вращающего момента и, следователь­но, не испытывает кручения. Оси могут быть неподвижны­ ми или могут вращаться вместе с насаженными на них дета­лями.

По форме геометрической оси валы делят на прямые (рис.2) и непрямые - коленчатые и эксцентриковые. Непрямые валы относят к специальным деталям.

Оси, как правило, изго­ товляют прямыми (см. рис. 1). По конструк­ции прямые валы и оси мало отличаются друг от друга.

Рис. 1. Ось тележки

Прямые валы и оси мо­гут быть гладкими или сту­ пенчатыми (см. рис. 2).

Рис. 2. Прямой ступенчатый вал:

1 - шип; 2 - шейка; 3 - подшипник; 4 - кольцо с поперечным пазом для размещения тяг съемника подшипника

Ступенчатая форма способствует равной напряженности от­дельных участков, упрощает изготовление и установку деталей на валу.

По форме поперечного сечения валы и оси бывают сплошные и полые (с осевым отверстием). Полые валы при­меняют для уменьшения массы или для размещения внутри другой детали.

По внешнему очертанию поперечного сечения валы раз­деляют на шлицевые и шпоночные, имеющие на некоторой длине шлицевой профиль или профиль со шпоночным пазом.

2. Конструктивные элементы. Материалы валов и осей

Цапфы - опорные участки вала или оси. Их подразделяют на шипы, шейки и пяты.

Шипом называют цапфу, расположенную на конце вала или оси и передающую преимущественно радиальную силу (см. рис. 2). Шейкой называют цапфу в средней части вала или оси. Опорами для шипов и шеек валов служат под­ шипники. Шипы и шейки по форме могут быть цилиндри­ ческими, коническими или сферическими. В большинстве слу­чаев применяют цилиндрические цапфы.

Рис.3. Пяты

Пятой называют цапфу, передающую осевую силу (рис. 3). Опорами для пят служат подпятники. Пяты по форме бывают сплошны­ ми (рис. 3, а), кольце­ выми (рис. 3, б) и гре­ бенчатыми (рис. 3, в). Гребенчатые пяты в на­стоящее время применяют редко.

Посадочные поверхности валов и осей под ступицы наса­живаемых деталей выполняют цилиндрическими и коничес­ кими (см. рис. 2). При посадках с натягом диаметр этих поверхностей принимают больше диаметра соседних участ­ков для удобства напрессовки и снижения концентрации напряжений (см. рис. 2). Диаметры посадочных поверхно­стей и диаметры под подшипники скольжения выбирают из ряда нормальных линейных размеров, диаметры под под­шипники качения - по стандартам на подшипники.

Конические концы валов (см. рис. 2) изготовляют с конусностью 1:10. Их применяют для облегчения монтажа устанавливаемых на вал деталей.

Переходные участки валов и осей между двумя ступеня­ми разных диаметров выполняют:

а) с канавкой со скруглением для выхода шлифовального круга (рис. 4, а);

б) с галтелью постоянного радиуса, рис. 4, б (гал­тель - поверхность плавного перехода от участка меньше­го сечения к большему);

в) с галтелью переменного радиуса (рис.4, в).

Рис. 4. Переходные участки вала

Переходные участки являются концентраторами напря­ жений. Эффективным средством для снижения концентра­ции напряжений в переходных участках является повышение

податливости путем выполнения раз­грузочных канавок (рис.5, а), увеличе­ния радиусов галтелей, выполнения отвер­стий в ступенях большего диаметра (рис.5, б). Деформационное упрочнение (на­ клеп) галтелей повышает несущую спо­ собность валов и осей.

Рис. 5.Способы повышения уставной прочности валов

Материалы валов и осей должны хоро­ шо обрабатываться, быть прочными и иметь высокий модуль упругости. Этим требованиям наиболее полно удовлетво­ряют углеродистые и легированные ста­ли, из которых преимущественно изготав­ливают валы и оси. Для валов и осей без упрочняющей термообработки применяют стали Ст5, Ст6; для валов с термообработкой - стали 45, 40Х. Быстроходные валы, работающие в подшипниках скольжения, изготовляют из сталей 20, 20Х, 12ХНЗА. Цапфы этих валов цементуют для повышения износостойкости.

Валы и оси обрабатывают на токарных станках с после­дующим шлифованием цапф и посадочных поверхностей.