 |
Критерии работоспособности валов и осей. Расчетные схемы.
|
|
|
|
Лекция 5 (2часа)
ВАЛЫ И ОСИ. ПОДШИПНИКИ
Общие сведения. Назначение, основные конструкции валов и осей.
Формы валов и осей весьма многообразны от простейших цилиндров до сложных коленчатых конструкций. Известны конструкции гибких валов, которые предложил шведский инженер Карл де Лаваль ещё в 1889 г. Форма вала определяется распределением изгибающих и крутящих моментов по его длине. Правильно спроектированный вал представляет собой балку равного сопротивления. Зубчатые колеса, шкивы, звездочки и другие вращающиеся детали машин устанавливают на валах или на осях.
Вал предназначен для передачи вращающего момента вдоль своей оси, для поддержания установленных на нем деталей и восприятия действующих на них сил. При работе вал испытывает изгиб и кручение. В некоторых случаях на валы и оси дополнительно действуют растяжение или сжатие. Некоторые валы (гибкие, карданные, торсионные) не поддерживают деталей.
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 неподвижными или могут вращаться вместе с насаженными на них деталями.
По форме геометрической оси валы делят на прямые и непрямые (коленчатые и эксцентриковые).
Прямой вал Непрямой вал
Непрямые валы относят к специальным деталям, и сейчас мы их рассматривать не будем.
По форме продольного сечения валы и оси бывают:
Гладкие Ступенчатые
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. Такие валы имеют на некоторой длине, шлицевой профиль или профиль со шпоночным пазом.
Шлицевый вал Шпоночный вал
Материалы валов и осей должны хорошо обрабатываться, быть прочными и иметь высокий модуль упругости. Этим требованиям удовлетворяют углеродистые и легированные стали.
Конструктивные элементы 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.
Шейкой называют цапфу в средней части вала или оси.
Пятой называют цапфу, передающую осевую силу
Опорами для шипов и шеек валов служат подшипники. Шипы и шейки по форме могут быть цилиндрическими, коническими или сферическими. В большинстве случаев применяют цилиндрические цапфы. Опорами для пят служат подпятники. Пяты, как правило, изготовляют прямыми. По конструкции прямые валы и оси мало отличаются друг от друга.
Для фиксации деталей в осевом направлении на валах и осях выполняют следующие элементы:
Буртик – кольцевое утолщение вала, составляющее с ним одно целое.
Заплечик – переходная поверхность от одного сечения к другому, служащая для упора насаживаемых на вал или ось деталей.
Для плавного перехода и снижения концентрации напряжений на валах и осях выполняют галтели. Галтель – криволинейная поверхность плавного перехода от меньшего сечения к большему.
Постоянного радиуса Переменного радиуса С поднутрением
Для снижения концентрации напряжений в переходных участках также выполняются разгрузочные канавки, увеличивающие радиусы галтелей. Иногда валы изготавливают полыми для уменьшения массы или в тех случаях, когда через вал пропускают другую деталь, подводят масло. Для обеспечения необходимого вращения деталей вместе с осью или валом применяют шпонки, шлицы, штифты, профильные участки валов и посадки с натягом.
|
|
|
Материалы валов и осей. Виды обработки валов и осей.
Оси и валы изготовляют в основном из углеродистых и легированных конструкционных сталей, так как они обладают высокой прочностью, способностью к поверхностному и объемному упрочнению, легко получаются прокаткой цилиндрические заготовки и хорошо обрабатываются на станках. Для валов и осей без упрочняющей термообработки применяют углеродистые стали Ст 5, Ст 6; для валов с термообработкой применяют высокоуглеродистые и легированные стали 45, 40Х. Быстроходные валы, работающие в подшипниках скольжения, изготовляют из сталей 20, 20Х, 12ХНЗА, 20ХНЗА. Цапфы этих валов цементируют для повышения износостойкости. Валы и оси обрабатывают на токарных станках с последующим шлифованием цапф и посадочных поверхностей. Переходные участки являются концентраторами напряжений. Эффективным средством для снижения концентрации напряжений в переходных участках является повышение
их податливости путем выполнения разгрузочных канавок, увеличения радиусов галтелей, выполнения отверстий в ступенях большего диаметра. Деформационное упрочнение (наклеп) галтелей повышает несущую способность валов и осей. При необходимости на валах выполняют канавки и отверстия для установки стопорных колец и штифтов. При фиксации деталей на валах и осях при помощи гаек, на них выполняют резьбовые участки.
Критерии работоспособности валов и осей. Расчетные схемы.
Основными критериями работоспособности являются прочность и жесткость. Валы и вращающиеся оси при работе испытывают циклически изменяющиеся напряжения. Прочность оценивают коэффициентом запаса прочности при расчете валов и осей на сопротивление усталости, а жесткость - прогибом, углами поворота или закручивания сечений в местах установки деталей. Практикой установлено, что разрушение валов и осей быстроходных машин в большинстве случаев носит усталостный характер, поэтому основным является расчет на сопротивление усталости. Причины поломок валов и осей прослеживаются на всех этапах их эксплуатации. На начальной стадии – неверный выбор формы, неверная оценка концентраторов напряжений, надрезы, забоины, вмятины от небрежного обращения. На стадии дальнейшей эксплуатации – неверная регулировка подшипниковых узлов. Для работоспособности вала или оси необходимо обеспечить: объёмную прочность (способность сопротивляться Mизг и Мкрут); поверхностную прочность (особенно в местах соединения с другими деталями); жёсткость на изгиб; крутильную жёсткость (особенно для длинных валов).
|
|
|
Схемы нагружения валов и осей зависят от количества и места установки на них вращающихся деталей и направления действия сил. При сложном нагружении выбирают две ортогональные плоскости (например, фронтальную и горизонтальную) и рассматривают схему в каждой плоскости. Рассчитываются, конечно, не реальные конструкции, а упрощённые расчётные модели, представляющие собой балки на шарнирных опорах, балки с заделкой. При составлении расчётной схемы валы рассматривают как прямые брусья, лежащие на шарнирных опорах. При выборе типа опоры полагают, что деформации валов малы и, если подшипник допускает хотя бы небольшой наклон или перемещение цапфы, ее считают шарнирно-неподвижной или шарнирно-подвижной опорой. Подшипники скольжения или качения, воспринимающие одновременно радиальные и осевые усилия, рассматривают как шарнирно-неподвижные опоры, а подшипники, воспринимающие только радиальные усилия, - как шарнирно-подвижные. Такие подходы хорошо известны из курсов теоретической механики (статики) и сопротивления материалов. Расчёт вала на объёмную прочность выполняют в три этапа.
|
|
|
