ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА И

ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ

Лекция 8

ВАЛЫ И ОСИ

А.М. СИНОТИН

Кафедра технологии и автоматизации производства

Валы и оси Общие сведения

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

Вал предназначен для поддержания сидящих на нем деталей и для передачи крутящего момента. При работе вал испытывает изгиб и кручение, а в отдельных случаях дополнительно растяжение и сжатие.

Ось – деталь, предназначенная только для поддержания сидящих на ней деталей. В отличие от вала, ось не передает вращающего момента и, следовательно, не испытывает кручения. Оси могут быть неподвижными или вращаться вместе с насаженными на них деталями.

Разновидность валов и осей

По геометрической форме валы делятся на прямые (рисунок 1), коленчатые и гибкие.

1 – шип; 2 – шейка; 3 – подшипник

Рисунок 1 – Прямой ступенчатый вал

Коленчатые и гибкие валы относятся к специальным деталям и в настоящем курсе не рассматриваются. Оси, как правило, изготавливают прямыми. По конструкции прямые валы и оси мало отличаются друг от друга.

По длине прямые валы и оси могут быть гладкими или ступенчатыми. Образование ступеней связано с различной напряженностью отдельных сечений, а также условиями изготовления и удобства сборки.

По типу сечения валы и оси бывают сплошные и полые. Полое сечение применяется для уменьшения массы или для размещения внутри другой детали.

Элементы конструкции валов и осей

1 Цапфы. Участки вала или оси, лежащие в опорах, называются цапфами. Они подразделяются на шипы, шейки и пяты.

Шипом называется цапфа, расположенная на конце вала или оси и передающая преимущественно радиальную нагрузку (рис. 1).

Рисунок 2 – Пяты

Шейкой называется цапфа, расположенная в средней части вала или оси. Опорами для шеек служат подшипники.

Шипы и шейки по форме могут быть цилиндрическими, коническими и сферическими. В большинстве случаев применяются цилиндрические цапфы (рис. 1).

Пятой называется цапфа, передающая осевую нагрузку (рисунок 2). Опорами для пят служат подпятники. Пяты по форме могут быть сплошными (рисунок 2, а), кольцевыми (рисунок 2, б) и гребенчатыми (рисунок 2, в). Гребенчатые пяты применяют редко.

2 Посадочные поверхности. Посадочные поверхности валов и осей под ступицы насаживаемых деталей выполняют цилиндрическими (рисунок 1) и реже коническими. При прессовых посадках диаметр этих поверхностей принимают примерно на 5% больше диаметра соседних участков для удобства напрессовки (рисунок 1). Диаметры посадочных поверхностей выбирают по ГОСТ 6336-69, а диаметры под подшипники качения – в соответствии с ГОСТами на подшипники.

3 Переходные участки. Переходные участки между двумя ступенями валов или осей выполняют:

С канавкой со скруглением для выхода шлифовального круга по ГОСТ 8820-69 (рисунок 3, а). Эти канавки повышают концентрацию напряжений, поэтому рекомендуются на концевых участках, где изгибающие моменты небольшие;

Рисунок 3 – Переходные участки вала

с галтелью * постоянного радиуса по ГОСТ 10948-64 (рисунок 3, б);

С галтелью переменного радиуса (рисунок 3, в), которая способствует снижению концентрации напряжений, а потому применяется на сильно нагруженных участках валов и осей.

Эффективными средствами для снижения концентрации напряжений в переходных участках является протачивание разгрузочных канавок (рисунок 4, а), увеличение радиусов галтелей, высверливание в ступенях большого диаметра (рисунок 4, б).

Рисунок 4 – Способы повышения усталостной прочности валов

Виды валов и осей машины

Виды валов

Оси - поддерживают вращающиеся части машин. Они могут быть вращающимися и неподвижными.

Валы - не только поддерживают, но и передают вращение.
Бывают: прямые, кривошипные и коленчатые.
Валы рассчитывают на одновременное действие крутящего и изгибающего моментов.
Оси рассчитывают только на изгиб.

1. вал с прямой осью;
2. коленчатый вал;
3. гибкий вал;
4. карданный вал.

Виды осей

1. неподвижные;
2. подвижные.

Оси и валы отличаются от прочих деталей машины тем, что на них насаживаются зубчатые колёса, шкивы и другие вращающиеся части. По условиям работы оси и валы отличаются друг от друга.

Осью называют деталь, которая лишь поддерживает насаженные на неё детали. Ось не испытывает кручения, поскольку нагрузку на неё идёт от расположенных на ней деталей. Она работает на изгиб и не передаёт вращающий момент.

Что же касается вала, то он не только поддерживает детали, но и передаёт момент вращения. Поэтому вал испытывает как изгиб, так и кручение, иногда также сжатие и растяжение. Среди валов выделяют торсионные валы (или просто торсионы), которые не поддерживают вращение деталей и работают исключительно на кручение. Примеры - это карданный вал автомобиля , соединительный валик прокатного стана и многое другое.

Участок в опоре вала или оси называется цапфой, если воспринимает радиальную нагрузку, или пятой, если на него осуществляется осевая нагрузка. Концевая цапфа, принимающая радиальную нагрузку, называется шипом, а цапфу, находящуюся на некотором расстоянии от конца вала, называют шейкой. Ну а та часть вала или оси, которая ограничивает осевое перемещение деталей, называется буртиком.

Посадочная поверхность оси или вала, на которую, собственно, и устанавливаются вращающиеся детали, часто делают цилиндрическими и реже - коническими, чтобы облегчить постановку и снятие тяжёлых деталей, когда требуется высокая точность центрирования. Поверхность, обеспечивающая плавный переход между ступенями, носит название галтели. Переход может выполняться с использованием канавки, которая делает возможным выход шлифовального круга. Концентрация напряжения может быть уменьшена за счёт уменьшения глубины канавок и увеличения закругления канавок и гантелей, насколько возможно.

Чтобы сделать установку вращающихся деталей на ось или вал проще, а также предотвратить травмы рук, торцы делают с фасками, то есть немного обтачивают на конус.
Виды осей и валов

Ось может быть вращающейся (например, ось вагона) или не вращающейся (например, ось блока машины для подъёма грузов).

Ну а вал может быть прямым, коленчатым или гибким. Прямые валы распространены шире всего. Коленчатые находят применение в кривошипно-шатунных передачах насосов и двигателей. Они преобразовывают возвратно-поступательные движения во вращательные, либо наоборот. Что касается гибких валов, то они являются, по сути, мног заходными пружинами кручения, витыми из проволок. Их используют, чтобы передавать момент между узлами машины, если они при работе меняют положение относительно друг друга. И коленчатые, и гибкие валы классифицируются как специальные детали и изучаются на специальных учебных курсах.

Чаще всего ось или вал имеют круглое сплошное сечение, но могут они иметь и кольцевое поперечное сечение, которое позволяет уменьшить общую массу конструкции. Сечение некоторых участков вала может иметь шпоночную канавку или шлицы, а может быть и профильным.

При профильном соединении детали между собой скрепляются с помощью контакта по круглой не плавной поверхности и могут, помимо крутящего момента, передавать и осевую нагрузку. Несмотря на надёжность профильного соединения, его нельзя назвать технологичным, так что применение у них ограничено. Шлицевое же соединение классифицируют по форме профиля зубьев - оно может быть прямобочным, эвольвентным или треугольным.

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

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.

Валы и оси. Общие сведения

Вал — деталь машин, предназначенная для передачи крутящего момента вдоль своей осевой линии. В большинстве случаев валы поддерживают вращающиеся вместе с ними детали (зубчатые колеса, шкивы, звездочки и др.). Некоторые валы (например, гибкие, карданные, торсионные) не поддерживают вращающиеся детали. Валы машин, которые кроме деталей передач несут рабочие органы машины, называются коренными. Коренной вал станков с вращательным движением инструмента или изделия называется шпинделем. Вал, распределяющий механическую энергию по отдельным рабочим машинам, называется трансмиссионным. В отдельных случаях валы изготовляют как одно целое с цилиндрической или конической шестерней (вал—шестерня) или с червяком (вал — червяк).

По форме геометрической оси валы бывают прямые, коленчатые и гибкие (с изменяемой формой оси). Простейшие прямые валы имеют форму тел вращения. На рисунке показаны гладкий (а) и ступенчатый (б) прямые валы. Ступенчатые валы, являются наиболее распространенными. Для уменьшения массы или для размещения внутри других деталей валы иногда делают с каналом по оси; в отличие от сплошных такие валы называют полыми.

Ось — деталь машин и механизмов, служащая для поддержания вращающихся частей, но не передающая полезный крутящий момент. Оси бывают вращающиеся (а ) и неподвижные (б ) . Вращающаяся ось устанавливается в подшипниках. Примером вращающихся осей могут служить оси железнодорожного подвижного состава, примером невращающихся – оси передних колес автомобиля.

Из определений видно, что при работе валы всегда вращаются и испытывают деформации кручения или изгиба и кручения, а оси — только деформацию изгиба (возникающими в отдельных случаях деформациями растяжения и сжатия чаще всего пренебрегают).

Конструктивные элементы валов и осей

Опорная часть вала или оси называется цапфой. Концевая цапфа называется шипом, а промежуточная — шейкой. Концевая цапфа, предназначенная нести преимущественную 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).

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.

Для уменьшения концентрации напряжений и повышения прочности переходы в местах изменения диаметра вала или оси делают плавными. Криволинейную поверхность плавного перехода от меньшего сечения к большему называют галтелью. Галтели бывают постоянной и переменной кривизны. Галтель вала, углубленную за плоскую часть заплечика, называют поднутрением.

Форма вала по длине определяется распределением нагрузок, т. е. эпюрами изгибающих и крутящих моментов, условиями сборки, и технологией изготовления. Переходные участки валов между соседними ступенями разных диаметров нередко выполняют с полукруглой канавкой для выхода шлифовального круга.

Посадочные концы валов, предназначенные для установки деталей, передающих вращающий момент в машинах, механизмах и приборах, стандартизованы. ГОСТ 12080—66* устанавливает номинальные размеры цилиндрических концов валов двух исполнений (длинные и короткие) диаметров от 0,8 до 630 мм, а также рекомендуемые размеры концов валов с резьбой. ГОСТ 12081—72* устанавливает основные размеры конических концов валов с конусностью 1:10 также двух исполнений (длинные и короткие) и двух типов (с наружной и внутренней резьбой) диаметров от 3 до 630 мм.

Материалы валов и осей. Требованиям работоспособности валов и осей наиболее полно удовлетворяют углеродистые и легированные стали, а в ряде случаев — высокопрочные чугуны. Выбор материала, термической и химико-термической обработки определяется конструкцией вала и опор, техническими условиями на изделие и условиями его эксплуатации.

Для большинства валов применяют термически обработанные стали 45 и 40Х, а для ответственных конструкций — сталь 40ХН, ЗОХГТ и др. Валы из этих сталей подвергают улучшению или поверхностной закалке ТВЧ.

Быстроходные валы, вращающиеся в подшипниках скольжения, требуют высокой твердости цапф, поэтому их изготовляют из цементируемых сталей 20Х, 12Х2Н4А, 18ХГТ или азотируемых сталей типа 38Х2МЮА и др. Наибольшую износостойкость имеют хромированные валы.

Обычно валы подвергают токарной обработке с последующим шлифованием посадочных поверхностей и цапф. Иногда посадочные поверхности и галтели полируют или упрочняют поверхностным наклепом (обработка шариками или роликами).

Расчет валов и осей

При работе валы и вращающиеся оси даже при постоянной внешней нагрузке испытывают знакопеременные напряжения изгиба симметричного цикла, следовательно, возможно усталостное разрушение валов и вращающихся осей. Чрезмерная деформация валов может нарушить нормальную работу зубчатых колес и подшипников, следовательно, основными критериями работоспособности валов и осей являются сопротивление усталости материала и жесткость. Практика показывает, что разрушение валов быстроходных машин обычно происходит в результате усталости материала.

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

Предварительный расчет валов. Проектный расчет производится только на кручение, причем для компенсации напряжений изгиба и других неучтенных факторов принимают значительно пониженные значения допускаемых напряжений кручения, например для выходных участков валов редукторов =(0,025...0,03), где — временное сопротивление материала вала. Тогда диаметр вала определится из условия прочности

откуда

Полученное значение диаметра округляется до ближайшего стандартного размера согласно ГОСТ 6636—69* «Нормальные линейные размеры», устанавливающего четыре ряда основных и ряд дополнительных размеров; последние допускается применять лишь в обоснованных случаях.

При проектировании редукторов диаметр выходного конца ведущего вала можно принять равным диаметру вала электродвигателя, с которым вал редуктора будет соединен муфтой.

После установления диаметра выходного конца вала назначается диаметр цапф вала (несколько больше диаметра выходного конца) и производится подбор подшипников. Диаметр посадочных поверхностей валов под ступицы насаживаемых деталей для удобства сборки принимают больше диаметров соседних участков. В результате этого ступенчатый вал по форме оказывается близок к брусу равного сопротивления.

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.