Конструирование вала на основе ориентировочной оценки его диаметра и аналогичных решений

Расчет валов на прочность

14.1.1. Формирование исходных данных

Исходные данные по расчету валов и осей можно сформировать на основе выработанной ранее универсальной схемы при расчетах силовых деталей машин.

1. Нагрузка и закономерность ее изменения во времени. Изменение нагрузки на валы полностью идентично ее изменению на передачи и другие элементы привода обсуждаемого механизма по причине пропорциональности сил моментам. Нагрузка на валы задается в виде крутящих моментов и сил, возникающих в месте взаимодействия валов и установленных на них деталей с внешними по отношению к валу элементами конструкции. Это силы взаимодействия зацепляющихся элементов разнообразных передач или их составляющие; силы, действующие в передачах трением, муфтах, кулачках и т.д.

2. Кинематические параметры. Из кинематических параметров для расчетов валов и осей обычно требуется частота их вращения n (мин^-1), которая позволяет установить суммарное число циклов напряжений N_Σ. При проведении динамического анализа вала и конструкции механизма в целом дополнительно требуется закономерность изменения скорости при неустановившихся режимах работы.

3.Ресурс Lh (час). Ресурс валов и осей назначают таким же, как и для передаточного механизма. Если нагрузка на привод механизма переменная и задана ступенчатой циклограммой, то для вычисления эквивалентного числа циклов напряжений или эквивалентной нагрузки требуются ресурсы на всех ступенях циклограммы.

4.Условия эксплуатации валов и осей. Обычно характеризуются температурой, влажностью, агрессивностью среды и т.д.

5.Геометрические параметры, ФМС материала. При проведении проверочных расчетов требуются геометрические параметры характерных поперечных сечений валов и осей, а также их длины. Кроме того, для проверочных расчетов необходимы параметры физико-механических свойств материала, из которого изготовлен вал (прочностные, упругие и т.п.)

При знакомстве с конструированием валов редукторов и других сборочных единиц целесообразно использовать накопленный инженерный опыт. С этой целью в атласах конструкций, к примеру [4,5], находят сборочные чертежи узлов, аналогичных заданным. По ним изучают конструкции валов с позиции назначения их отдельных участков, соотношений размеров на них, сборки с сопряженными деталями, возможной технологии изготовления, ориентировочной загруженности вала по длине. На основе проведенного анализа устанавливают тот участок вала, с которого целесообразно начать его конструирование. Обычно для входных и выходных валов в качестве таких участков принимают наружные концевики, а для промежуточных – участки под зубчатыми колесами или другими деталями.

При ориентировочной оценке диаметра выбранного участка вала возможны два подхода:

Первый из них используется при конструировании изделий, валы которых соединяются с валами серийно выпускаемых элементов технических объектов, например, с валами электродвигателей. В этом случае целесообразно назначить:

,

где d_пр и d_ст – соответственно диаметры концевиков валов проектируемого узла и стандартного изделия. В подобном подходе предусматривается возможность использования для соединения валов стандартных муфт. При этом допустимо незначительное изменение диаметра d_пр в установленных пределах значений d_ст для отверстий выбранного типоразмера муфты. Данный путь характерен тем, что запасы прочности, заложенные в валы серийных изделий, автоматически переходят на вал проектируемый. В отдельных случаях эти запасы прочности могут быть весьма значительны. Например, для валов электродвигателей, диаметры которых определяются главным образом из условия жесткости, запас прочности S >5÷10. Подобные запасы ведут к чрезмерному расходу материала, как для самих валов, так и для их опор, корпусных деталей. Однако повышенная материалоемкость конструкции в подобном подходе компенсируется меньшими затратами на узел муфты (исключается дорогостоящий процесс ее проектирования, снижаются расходы на изготовление при крупносерийном и массовом производствах серийных изделий).

Во втором подходе диаметр вала определяется из условия прочности выделенного участка вала на кручение при номинальном (максимальном длительно действующем – N_Σ >10⁴) моменте Т, и оптимально отвечающему этому критерию по соотношению τ_кр=[τ]_кр

, (3.1)

где [τ]_кр – допускаемое напряжение кручения для принятой марки стали, сниженное с учетом изгиба вала (например, для широко используемой в валах конструкционной стали марки 45 [τ]_кр = 15÷25 МПа). Меньшие значения используют для длинных валов, в которых роль изгибных напряжений значительна, а большие – для валов коротких. В (3.1) размерность Т – Н*м, а d – мм.

После ориентировочной оценки диаметра одного из участков валов осуществляют его конструирование с учетом необходимой осевой фиксации деталей, насаживаемых на вал, удобства их монтажа и демонтажа, требований к шероховатости и точности отдельных участков. В случае первичного обращения к разработке вала его исполнение может быть принято типовым для проектируемого изделия [4,5]. При этом в информационных технологиях могут быть использованы либо библиотеки типовых решений, либо универсальные модели, которые могут быть преобразованы с помощью интерактивного диалога в типовые частные конструкции.

Дата добавления: 2014-01-07