Валы и оси. Конструкции валов. Причины отказов и критерии расчёта. Ориентировочный расчёт валов

Лекция №21

Тема 23: Валы и оси

23.1. Общие сведения  

          Во всех машинах используют поддерживающие и несущие детали (детали, обеспечивающие вращательное движение). К таким деталям относятся:

а) валы и оси, направляющие и поддерживающие вращающиеся детали, такие, как зубчатые колёса, шкивы, звёздочки, муфты, маховики и др.;

б) подшипники скольжения и качения – опоры валов и осей;

в) муфты для соединения валов и передачи вращающего момента.

Деталь, на которой закреплены вращающиеся части машины, реально осуществляющая их геометрическую ось вращения, называется валом или осью.   Конструктивно валы и оси могут не отличаться друг от друга. Они отличаются видом воспринимаемой нагрузки. Валы воспринимают и передают вращающий момент Т. Оси крутящего момента не передают (Т = 0). Ось можно рассматривать как частную разновидность вала, не подверженного кручению.

          Вал всегда вращается, ось может быть вращающейся и неподвижной.  Оси всегда прямые, а валы встречаются прямые, коленчатые (рис. 23.1) и гибкие (рис. 23.2). Валы относятся к числу наиболее ответственных деталей машин.

Рис. 23.1. Коленчатый вал

          Прямые валы различают: простые (ступенчатые и гладкие, сплошные и полые), торсионные и трансмиссионные. Последние два вида прямых валов передают только вращающий момент (изгибающий момент М = 0).

Рис. 23.2. Гибкий вал

          Опорные участки валов и осей называются цапфами. Цапфа, воспринимающая радиальные нагрузки, называется шейкой, реже – шипом. Цапфа, воспринимающая осевую нагрузку, называется пятой.

23.2. Конструкции валов

          А) Ступенчатая конструкция.

          Такая конструктивная форма вала определяется условиями монтажа и посадками соединяемых с валом деталей. Ступенчатая конструкция вала (рис. 23.3) типична для редукторов общего машиностроения. Она имеет следующие обоснования:

Рис. 23.3. Ступенчатый вал

          1) Приближение к форме балки равного сопротивления изгибу (параболоиду вращения).

          2) Осевая фиксация деталей на валу, например, подшипников качения, за счёт естественных упорных буртиков (заплечиков).

          3) Возможность монтажа при посадке с натягом, чтобы деталь свободно проходила к месту посадки.

          На хвостовик 1 ступенчатого вала (рис. 23.3) надеваются детали: полумуфта либо зубчатое колесо, либо шкив и т.п. Передача крутящего момента осуществляется при помощи шпонок Б, шлицев либо прессовой посадкой (на коническом участке). Длину цилиндрического посадочного участка назначают из условия центрирования по цилиндру по соотношению l_ст= (1,2…1,5)·d_в. Для облегчения посадки хвостовик и другие участки снабжают фасками А, координаты которых назначают по диаметру участка вала.

Шейка 2 вала имеет диаметр больший, чем диаметр хвостовика, для свободного монтажа и демонтажа подшипника. Для снижения концентрации напряжений переход ступеней снабжают радиусной галтелью В, размер которой так же, как и фаски, выбирают в зависимости от диаметра. Минимальную разность диаметров соседних участков определяют из условия обеспечения надёжного упора насаживаемой детали. Таким упором служит кольцевая площадка Д шириной не менее 1 мм. Шейки и другие посадочные поверхности шлифуют до шероховатости R_z = 10…3,2 мкм. Тяжело нагруженные валы шлифуют по всей длине.

          Кольцевые проточки Г для выхода шлифовальных кругов глубиной 0,2…0,4 мм устраняют необходимость применения фасонных шлифовальных кругов, но существенно снижают усталостную прочность валов из-за значительной концентрации напряжений; их применяют в малонагруженных участках валов.

          Для осевой фиксации подшипников на валах делают упорные буртики (уступы, заплечики), высота которых должна обеспечить надёжный упор, который обязателен для деталей длиной l меньше диаметра d (центрирование по торцу), и в то же время обеспечить демонтаж подшипника. По технологии ремонта для снятия подшипника с шейки вала лапки съёмника Е должны захватывать выступающее внутреннее кольцо подшипника по высоте не менее 1 мм. Практически разность диаметров соседних участков принимают d = 5…15 мм.

          Подступичная часть (головка) 3 вала имеет наибольший размер. На усталостную прочность вала в месте посадки ступицы оказывает значительное влияние тип соединения с валом. При передаче крутящего момента основным шпоночным соединением посадка с небольшим натягом H7/p6 обеспечивает хорошее центрирование ступицы на валу. Передача нагрузки за счёт натяга H7/r6 или H7/s6 разгружает шпонку, её ставят для надёжности окружной фиксации деталей.

          С целью облегчения сборки шпоночного соединения часть подступичной части Н выполняют по посадке H7/h6. Для уменьшения концентрации напряжений от напрессовки необходимо проектировать специальную форму ступицы: кольцевые проточки К и монтаж ступицы с торцом Л, выходящим за торец головки. Участок 2 у правого торца вала также является шейкой вала.

Б) Гладкая конструкция.

          Гладкий вал (рис. 23.4) имеет простую форму. Высокая технологичность является его главным преимуществом. Стоимость производства уменьшается, так как исключаются многие операции. Отсутствие ступеней компенсируется особенностями монтажа деталей на гладком валу.