Общие сведения и основы конструирования

Валы и оси

Вращающиеся детали машин устанавливают на валах или осях, обеспечивающих постоянное положение оси вращения этих деталей.

Валы - детали, предназначенные для передачи крутящего момента вдоль своей оси и для поддержания вращающихся деталей машин.

Валы по назначению можно разделить на валы передач, несущие детали передач – зубчатые колеса, шкивы, звездочки, муфты (рис., а и б), и на коренные валы машин и другие специальные валы, несущие кроме деталей передач рабочие органы машин двигателей или орудий – колеса или диски турбин, кривошипы, зажимные патроны и т. д. (рис., в и д)

По форме геометрической оси валы разделяют на прямые и коленчатые.

Оси – детали, предназначенные для поддержания вращающихся деталей и не передающие полезного крутящего момента.

Рис. 12.1 Основные типы валов и осей:

а – гладкий трансмиссионный вал; б – ступенчатый вал;

в – шпиндель станка; г - вал паровой турбины; д – коленчатый вал;

е – ось вращающегося вагонная; ж – ось невращающаяся вагонетки.

Опорные части валов и осей называют цапфами. Промежуточные цапфы называют шейками, концевые – шипами.

Прямые валы по форме разделяют на валы постоянного диаметра (валы трансмиссионные и судовые многопролетные, рис., а, а также валы, передающие только крутящий момент); валы ступенчатые (большинство валов, рис. б-г); валы с фланцами для соединения по длине, а также валы с нарезанными шестернями или червяками. По форме сечения валы разделяются на гладкие, шлицевые, имеющие на некоторой длине профиль зубчатого (шлицевого) соединения, и профильные.

Форма вала по длине определяется распределением нагрузок по длине.

Эпюры моментов по длине валов, как правило, существенно неравномерны. Крутящий момент обычно передается не на всей длине вала. Эпюры изгибающих моментов обычно сходят к нулю к концевым опорам или к концам валов. Поэтому по условию прочности допустимо и целесообразно конструировать валы переменного сечения приближающимися к телам равного сопротивления. Практически валы выполняю ступенчатыми. Эта форма удобна в изготовлении и сборке; уступы валов могут воспринимать большие осевые силы.

Перепад диаметров ступеней определяется: стандартными диаметрами посадочных поверхностей под ступицы и подшипники, достаточной опорной поверхностью для восприятия осевых сил при заданных радиусах закругления кромок и размерах фасок и, наконец, условиями сборок.

Цапфы (шейки) валов, работающие в подшипниках скольжения, выполняют: а) цилиндрическими; б) коническими; в) сферическими (рис.). Основное применение имеют цилиндрические цапфы. Концевые цапфы для облегчения сборки и фиксации вала в осевом направлении обычно делают несколько меньшего диаметра, чем соседний участок вала (рис.).

Цапфы валов для подшипников качения (рис.) характеризуются меньшей длиной, чем цапфы для подшипников скольжения.

Цапфы для подшипников качения нередко выполняют с резьбой или другими средствами для закрепления колец.

Рис. 12.2 Основные типы цапф валов под подшипники скольжения

Рис. 12.3 Цапфы под подшипники качения: а – цилиндрическая без крепления; б – с резьбой

Посадочные поверхности под ступицы деталей, насаживаемых на вал, выполняют цилиндрическими или коническими. Основное применение имеют цилиндрические поверхности как более простые в изготовлении.

Рис. 12.4 Конструктивные средства повышения выносливости

валов в местах посадок: а – утолщение подступичной чвсти вала;

б – закругление кромок ступицы; в – утонение ступицы; г – разгрузочные

канавки; д – втулки или заливки в ступице из материала с низким модулем

упругости.

Выносливость валов определяется относительно малыми объемами металла в зонах значительной концентрации напряжений. Поэтому особо эффективны специальные конструкторские и технологические мероприятия по повышению выносливости валов.

Конструктивные средства повышения выносливости валов в местах посадок путем уменьшения кромочных давлений показаны на рис..

Упрочнением подступичных частей поверхностным наклепом (обкаткой роликами или шариками) можно повысить предел выносливости валов на 80 – 100%, причем этот эффект распростра- няется на валы диаметром до 500 – 600 мм.

Прочность валов в местах шпоночных, зубчатых (шлицевых) и других разъемных соединений со ступицей может быть повышена: применением эвольвентных шлицевых соединений; шлицевых соединений с внутренним диаметром, равным диаметру вала на соседних участках, или с плавным выходом шлицев на поверхность, обеспечивающим минимум концентрации напряжений; шпоночных канавок, изготовляемых дисковой фрезой и имеющих плавный выход на поверхность; бесшпоночных соединений.

Осевые нагрузки и на валы от насаженных на них деталей передаются следующими способами. (рис.)

1) тяжелые нагрузки – упором деталей в уступы на валу, посадкой деталей или установочных колец с натягом (рис., а и б)

2) средние нагрузки – гайками, штифтами непосредственно или через установочные кольца, клеммовыми соединениями (рис.,в – д);

3) легкие нагрузки и предохранение от перемещений случайными силами – стопорными винтами непосредственно или через установочные кольца, клеммовыми соединениями, пружинными кольцами (рис., д – ж).

Переходные участки валов между двумя ступенями разных диаметров выполняют следующих типов:

1. С канавкой для выхода шлифовальных кругов (рис. 209 а)

Канавки должны иметь максимально возможные радиусы закруглений. Канавки существенно повышают стойкость шлифовальных кругов при обработке. Однако они вызывают значительную концентрацию напряжений и понижают прочность валов при переменных напряжениях.

Рис. 12.5 Средства восприятия осевых нагрузок и осевого крепления деталей на валах: а – посадка с натягом; б – упор в уступ; в – гайка; г – конический штифт; д – клеммовое соединение; е – установочный стопорный винт; ж – пружинное кольцо

Рис. 12.6 Переходные участки валов: а – с канавкой для выхода шлифовального круга; б – с галтелью постоянного радиуса; в – с галтелью под промежуточное кольцо; г – с эллиптической галтелью и поднутрением; д – с галтелью оптимальной формы при изгибе (внутренняя кривая) и при кручении и растяжении (наружная кривая); е – с разгрузочной канавкой; ж – с отверстием в ступени большого диаметра

2. С переходной поверхностью – галтелью постоянного радиуса (рис.,б). Радиус r галтели выбирают меньше радиуса закругления или радиального размерафаски насаживаемых деталей.

Желательно, чтобы радиус закругления в сильнонапряженных валах был больше или равен 0,1d. Однако это условие далеко не всегда можно выдержать.

При высокой напряженности вала в случаях, когда радиус галтели сильно ограничивается радиусом закругления кромок насаживаемых деталей, ставят проставочные кольца (рис., в).

3. С галтелью специальной формы. Опасной зоной обычно является переход галтели в ступень меньшего диаметра; поэтому в заданных габаритах целесообразно делать галтель переменного радиуса кривизны с увеличением радиуса в зоне перехода к ступени меньшего диаметра.

Подбором галтели оптимальной формы на значительной длине вала можно практически избавиться от концентрации напряжений.

На рис., д показаны оптимальные формы галтелей при изгибе, кручении и растяжении вала.

Эффективным путем повышения прочности валов в переходных сечениях является удаление малонапряженного материала: выполнение разгрузочных канавок (рис.,е) и высверливаниеотверстий в ступенях большого диаметра (рис.,ж). Эти мероприятия обеспечивают более равномерное распределение напряжений и снижают концентрацию напряжений.

Дата добавления: 2014-01-07