ДЕТАЛИ МАШИН Тема 7 Валы и оси

ДЕТАЛИ МАШИН Тема № 7 Валы и оси К. т. н. , доцент Орленко. Е. О. К. т. н. , доцент Орленко Л. В.

Общие сведения Ось – деталь машин и механизмов, служащая для поддержания вращающихся частей, но не передающая полезный крутящий момент Предназначены для работы в механизмах общего назначения, изготавливают диаметром 3… 100 ммм и длиной 6… 300 мм по ГОСТ 9650 -80 подшипник Бывают: вращающиеся неподвижные подшипник

Общие сведения Вал – деталь машин и механизмов, предназначенная для передачи крутящего момента и поддержания вращающихся на них деталей 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

Классификация По форме геометрической оси прямые коленчатые гладкие ступенчатые гибкие

Конструктивные элементы валов и осей 1 – посадочная поверхность (посадочный участок) 2 – цапфа 3 – переходная поверхность (переходный участок) 1 2 3 1 2 Посадочными поверхностями называют поверхности, на которые насаживают ступицы шкивов, зубчатых колес, звездочек. Бывают цилиндрическими и коническими. Конический участок Цилиндрический участок Вращающий момент от ступицы к валу и наоборот может передаваться с помощью шпоночного соединения, шлиц или посадки с натягом Шпонки

Конструкции цапф Цапфа – опорная часть оси или вала Шип – концевая цапфа Шейка – промежуточная цапфа воспринимает преимущественно радиальную нагрузку Шип цилиндрический конический Пята – опора, воспринимающая осевую нагрузку Плоская сплошная, кольцевая Гребенчатая

Переходные поверхности валов Галтели Галтель – плавный переход от одного диаметра к другому. Уменьшает концентрацию напряжений Постоянного радиуса R Переменного радиуса (0, 75 -1, 0)d С поднутрием R d Канавки для выхода шлифовального круга Канавка - углубление определенного профиля. Облегчает выход инструмента при изготовлении ступеней валов, но повышает концентрацию напряжений Шлифование по наружному цилиндру R Шлифование по наружному цилиндру и торцу R

Буртик - кольцевое утолщение вала. Плоские поверхности буртика называют заплечиком. Позволяют фиксировать положение деталей на валу и вала в подшипниках и воспринимают осевые силы Фаска - скошенная часть поверхности вала у торцев, а также в местах перехода ступеней Фаска Ступица Вал Вал Буртик Заплечик

Прямые ступенчатые валы Примером таких валов являются передаточные валы редукторов консольный участок тихоходный (выходной) вал Промежуточный вал (нет консоли) быстроходный (входной) вал консольный участок

Материалы осей и валов Основные требования к материалам: • Прочность • Жесткость • Упругость • Хорошая обрабатываемость Применяемые материалы: • углеродистые и легированные стали • высокопрочный чугун (для тяжелонагруженных коленчатых валов сложной формы)

Материалы и термообработка валов и осей Марки сталей Стали обыкновенного качества Ст 5, Ст 6 по ГОСТ 380 -88 Малоуглеродистые конструкционные стали: - качественные 15, 20 по ГОСТ 1050 -88; - легированные 15 Х, 20 Х, 18 ХГТ, 12 Х 3 НА … по ГОСТ 4543 -71 Среднеуглеродистые конструкционные стали: - качественные 40, 45 и др. по ГОСТ 1050 -88; - легированные 35 Х, 40 ХН и др. по ГОСТ 4543 -71 Вид термообработки Область применения В состоянии поставки Малонагруженные валы и оси без термообработки Химико-термическое упрочнение с закалкой до твердости 58… 63 HRC Валы и оси при требовании высокой износостойкости: - опоры скольжения - валы-шестерни Улучшение до твердости 250… 320 HB Высоконагруженные валы и оси

Основные критерии работоспособности валов • Усталостная прочность • Статическая прочность • Жесткость • Виброустойчивость 1. Прочность – способность детали сопротивляться разрушению или возникновению пластических деформаций под действием приложенных к ней нагрузок

Расчет валов на прочность Последовательность расчета валов рассмотрим на примере расчета валов редуктора 1. Проектный расчет 2. Конструирование валов 3. Проверочный расчет Деформации валов и осей Валы Вал передает вращающий момент – испытывает кручение при работе и, если на его поверхности установлены детали – изгиб, иногда растяжение или сжатие. Оси Ось не передает вращающий момент – испытывает только изгиб от установленных на ее поверхности деталей, иногда растяжение или сжатие

1. Проектный расчет валов 1. 1. Определение диаметра консольных участков валов из условия прочности на кручение: Для компенсации изгиба и других неучтенных факторов принимают значительно пониженные значения допускаемых напряжений кручения 15 -30 МПа Полученное значение диаметра округляется до ближайшего стандартного размера по ГОСТ 6636 -69 Диаметр выходного конца рассчитываемого вала может быть принят равным диаметру выходного конца вала, с которым он будет соединен муфтой. 1. 2. При расчете промежуточных валов (не имеют консольного участка) по приведенной формуле определяется диаметр вала под колесом. 1. 3. Определение диаметров остальных участков валов Диаметры участков подшипники, детали передач (колеса, шкивы и т. д. ) назначаются по конструктивным и технологическим соображениям - диаметры подшипники качения должны быть кратны 5 - диаметры других участков принимаются из ряда Ra 40 по ГОСТ 6636 -69

1. 4. Компоновочная схема редуктора выполняется для: - определения расстояния между опорами валов и длин консольных участков; - определения точек приложения сил, нагружающих валы; - проверки, не накладываются ли валы (зубчатые колеса) одной ступени редуктора на зубчатые колеса (валы) другой ступени; - размещения внутри редуктора зубчатых колес всех ступеней так, чтобы получить минимальные внутренние размеры редуктора. Компоновочная схема двухступенчатого цилиндрического редуктора по развернутой схеме. На выходном конце тихоходного вала установлена шестерня конической открытой передачи.

2. Конструирование вала Назначаются: - длина и форма каждого участка вала; - конструкция и размеры переходных участков между ступенями (галтели, канавки), фаски, - размеры шпоночных пазов, шлиц и др. ; - параметры шероховатости поверхностей; - термообработка всего вала и его участков

3. Проверочный расчет вала на усталостную прочность Проверочный расчет вала является уточненным расчетом, т. к. учитывает материал, характер динамической нагрузки, концентрацию напряжений, влияние абсолютных размеров вала, качество обработки поверхностей. Расчет заключается в определении коэффициента запаса усталостной прочности в опасных сечениях вала и сравнении его с допускаемым значением - допускаемый (требуемый) коэффициент запаса усталостной прочности Признаки опасного сечения: - значительный внутренний силовой фактор (крутящий момент, изгибающий момент); - концентрация напряжений (резкий переход от одной ступени к другой, канавка, шпоночный паз, посадка с натягом и т. д. ).

- коэффициент запаса усталостной прочности по напряжениям изгиба - коэффициент запаса прочности по напряжениям кручения

- предел выносливости материала - для углеродистой стали - для легированной стали - коэффициент чувствительности к асимметрии цикла Нормальные напряжения меняются по симметричному циклу - среднее напряжение цикла - амплитудное напряжение цикла - эффективный коэффициент концентрации напряжений - масштабный фактор - коэффициент, учитывающий шероховатость поверхности

- предел выносливости материала - коэффициент чувствительности к асимметрии цикла Касательные напряжения меняются по отнулевому циклу - среднее напряжение цикла - амплитудное напряжение цикла - эффективный коэффициент концентрации напряжений - масштабный фактор - коэффициент, учитывающий шероховатость поверхности

3. Проверочный расчет вала на усталостную прочность на примере тихоходного вала редуктора Пространственная схема сил, действующих на валы редуктора вертикальная плоскость горизонтальная плоскость Схема сил, действующих на тихоходный вал редуктора

Проверочный расчет вала на усталостную прочность а) Расчетная схема вала в вертикальной плоскости б) эпюра изгибающих моментов в вертикальной плоскости в) Расчетная схема вала в горизонтальной плоскости г) эпюра изгибающих моментов в горизонтальной плоскости д) эпюра суммарных изгибающих моментов е) эпюра крутящих моментов

Расчет трансмиссионных валов Трансмиссионные валы передают только вращающий момент, не испытывают изгиба. Основные критерии работоспособности - прочность и жесткость при кручении. Проектный расчет трансмиссионного вала постоянного диаметра: Определяют диаметр вала из условия прочности при кручении, мм, где [ ] – допускаемое напряжение материала вала на кручение, МПа; Определяют диаметр вала из условия жесткости при кручении, мм где G – модуль сдвига, для стали G = 8*104 МПа; [ ] – допускаемый угол закручивания на 1 м длины. Из вычисленных значений диаметра вала при расчете на прочность и жесткость принимают наибольший из двух диаметров.

7. 4. Расчет на жесткость Жесткость соответствующих деталей обеспечивает требуемую точность машин, нормальную работу ее узлов. Жесткость при кручении Т Винтовая линия [ ] – допускаемый угол закручивания на 1 м длины Т Образующая φ Определяется в зависимости от требований и условий работы конструкций может принимать значения 0, 2… 1, 0 град/м.

Жесткость при изгибе F [у] – допускаемый прогиб в месте расположения деталей на валу, мм: – для цилиндрических зубчатых колес и 0, 005 m – для конических и гипоидных колес - допускаемая стрела прогиба: - для валов общего назначения [ ] – допускаемый угол поворота сечения вала в местах расположения деталей, рад: - для подшипников качения шариковых радиальных однорядных 0, 005; роликовых радиальных 0, 0025; роликовых конических 0, 0016; - для подшипников скольжения 0, 001; - для зубчатых колес 0, 001… 0, 002

7. 5. Расчет валов на колебания Виды колебаний валов: - поперечные (изгибные) - крутильные - изгибно-крутильные - Крутильные и изгибно-крутильные колебания имеют существенное значение для некоторых коренных валов и рассматриваются в специальных курсах - Для передаточных валов характерны изгибные колебания

Расчет передаточных валов на поперечные колебания или на виброустойчивость заключается в проверке отсутствия резонанса при установившемся режиме работы и сводится к определению критической угловой скорости и сравнении ее с номинальной угловой скоростью вала. Критическая угловая скорость вала к равна собственной частоте поперечных колебаний и может быть вычислена по приближенной формуле Рэлея – масса i-той, установленной на вал детали, кг; – статический прогиб под i-той деталью, вызванный весами всех деталей и силами в зацеплении, м Большинство передаточных валов и осей работают в докритической области Для уменьшения опасности резонанса необходимо, чтобы номинальная угловая скорость вала была не менее чем на 30% меньше