Конструкции и материалы валов и осей

4.2 Конструкции и материалы валов и осей

Форма и размеры валов и осей определяются распределением сил и моментов, технологией изготовления и условиями сборки. Величины изгибающих моментов по длине валов и осей, как правило, не постоянны, вращающий момент передается обычно не по всей длине вала. Поэтому по условию прочности целесообразно конструировать валы и оси близкими по форме к балкам равного сопротивления по изгибу (форма балки равного сопротивления показана штриховой линией на рис. 4.1, а). Применение полых валов и осей существенно снижает их массу при равной прочности со сплошным валом. Однако полые валы сложны в изготовлении.

Опорные участки валов и осей называют цапфами. Цапфы, расположенные на концах валов, называют шипами. Цапфы валов и осей, работающих в опорах скольжения, в большинстве случаев имеют цилиндрическую форму с заплечиком для фиксации в осевом направлении. Цапфы валов и осей для подшипников качения выполняют цилиндрическими с заплечиком для фиксации в осевом направлении (рис. 4.2, а). Для закрепления внутреннего кольца подшипника на валу (оси) используют гайку (рис. 4.2, б) или стопорное пружинное кольцо, устанавливаемое в кольцевую канавку (рис. 4.2, в).

Большое влияние на сопротивление усталости валов и осей оказывает форма переходных участков между двумя соседними ступенями разных диаметров. Малую концентрацию напряжений вызывают галтели постоянного радиуса (рис. 4.3, а, б); желательно, чтобы R был больше 0, 1d (d — диаметр вала). На тяжело нагруженных участках валов применяют галтели переменного радиуса кривизны ro (рис. 4.3, в). Оптимальная форма галтели повышает сопротивление усталости валов и осей на 10%. Технологически простейшей формой перехода является канавка (рис. 4.3, г) шириной 3—5 мм и глубиной 0,25 или 0,5 мм (в зависимости от диаметра вала) для выхода шлифовального круга. Повышение прочности переходных участков обеспечивается также пластическим деформированием поверхности (обкаткой роликами, обдувкой дробью) или посредством термической или химико-термической обработки.

Рис. 4.2

Рис. 4.3

Валы и оси изготавливают из углеродистых или легированных сталей. Для осей и валов, диаметры которых определяются в основном жесткостью, применяют углеродистые конструкционные стали 30, 40, Ст5 без термообработки. В ответственных механизмах применяют среднеуглеродистые и легированные стали 45, 40Х с термообработкой «улучшение» (закалка с высоким отпуском). Для изготовления сильно нагруженных валов ответственных машин применяют легированные стали: 40ХН, 40ХН2МА, ЗОХГТ, ЗОХГСА и др. Валы из этих сталей обычно подвергают улучшению или поверхностной закалке с низким отпуском. Для изготовления коленчатых, полых и тяжелых валов с большими фланцами наряду со сталью применяют высокопрочные и модифицированные чу-гуны. Стальные валы и оси диаметром до 150 мм обычно изготавливают из проката; валы большего диаметра — из поковок, полые валы — по возможности из стальных труб.

Рекомендуемые материалы

1) проектировочный расчет;

2) конструирование вала (оси), составление расчетной схемы;

3) проверочный расчет вала (оси) на статическую прочность и на сопротивление усталости; уточнение конструкции вала (оси); проведение расчетов на жесткость и виброустойчивость; окончательная оценка пригодности конструкции.

Диаметр концевого участка вала определяют из расчета на кручение:                                

Рекомендуем посмотреть лекцию "5 Определенный интеграл".

где Т — вращающий момент, Н • м; [τ] — допускаемые напряжения при кручении, обычно принимают [τ] = 15...30 МПа. После предварительного определения диаметра вала разрабатывают его эскиз, обеспечивая условия технологичности изготовления и сборки [3,6].

Валы испытывают напряжения изгиба и кручения, оси — изгиба. Постоянные по величине и направлению поперечные силы вызывают во вращающихся осях и валах переменные напряжения. Вращающиеся вместе с осями и валами силы, возникающие, например, от неуравновешенности деталей, вызывают постоянные напряжения.

В приближенных расчетах валы и оси рассматривают как балки на шарнирных опорах. Для радиальных подшипников качения условную шарнирную опору располагают на середине ширины подшипника (рис. 4.4, а). Для радиально-упорных подшипников качения опору размещают на оси вала в точке пересечения с ней нормали, проведенной через середину зоны контакта тел качения с дорожками качения подшипника (рис. 4.4, б, в). При двух подшипниках в одной опоре расположение  шарнира  определяют  так,  как  показано  на рис. 4.4, е.

Для валов и осей на подшипниках скольжения длиной l опору располагают на расстоянии (0,25...0,3)l от внутреннего торца подшипника (рис. 16.4, д). Нагрузки от насаженных на валы (оси) деталей заменяют сосредоточенными силами, приложенными в середине ширины ступицы (рис. 16.4, е). В расчетных схемах используют три типа опор: шарнирно-непо-движную, шарнирно-подвижную и заделку (для неподвижных осей).

Рис. 4.4