Валы и оси Вал — деталь которая поддерживает

Валы и оси. Вал - деталь, которая поддерживает вращающихся части машины, участвует в передаче вращательного движения; и передает крутящий момент. Ось – только поддерживает вращающиеся части, но энергию не передает. Главное отличие оси от вала: ось испытывает только деформацию изгиба, а вал, еще и деформации кручения.

Рис. Основные типы валов и осей.

Классификация: -по назначению их можно разделить на коренные, несущие рабочие органы машины ( коленчатый вал ), и передаточные, передающие движения и несущие на себе детали передач; -по форме геометрической оси - на прямые и коленчатые и с изменяемой формой оси. Коленчатые валы преобразуют возвратно- поступательного движения во вращательное или наоборот. -по профилю поперечного сечения: цилиндрический ; со шпоночными или шлицевыми канавками, а также фасонно-профильные, граненные ;

-по наличию осевого отверстия: полые и сплошные, что позволяет снизить массу, например, при равной прочности сплошного и полого валов с отношением диаметра отверстия к наружному диаметру 0, 75, масса полого вала будет меньше почти в 1, 5 раза; -по изменению сечения вдоль геометрической оси валы и оси могут быть постоянного сечения и ступенчатые ; -по числу опор валы и оси могут быть консольными, двух и много опорными.

Коленчатый вал Кривошип (красный), поршни (серые) в цилиндрах (синие) и маховик (чёрный)

Коленчатый вал — деталь (или узел деталей в случае составного вала) сложной формы, имеющая шейки для крепления шатунов, от которых воспринимает усилия и преобразует их в крутящий момент. Составная часть кривошипно-шатунного механизма (КШМ).

Основные элементы коленчатого вала Коренная шейка — опора вала, лежащая в коренном подшипнике, размещённом в картере двигателя. Шатунная шейка — опора, связывающая вал с шатунами. Щёки — связывают коренные и шатунные шейки. Передняя выходная часть вала (носок) — часть вала на которой крепится зубчатое колесо или шкив отбора мощности для привода различных вспомогательных узлов. Задняя выходная часть вала (хвостовик) — часть вала соединяющаяся с маховиком или массивной шестернёй отбора основной части мощности. Противовесы — обеспечивают разгрузку коренных подшипников от центробежных сил инерции первого порядка неуравновешенных масс кривошипа и нижней части шатуна.

Участки осей и валов, которыми они соприкасаются с опорами, называются цапфами. Цапфы, расположены расположенные на конце оси или вала называются «шипами» , а в середине их «шейками» . «Шипы» и «шейки» передают опорам только радиальную нагрузку. Цапфа, передающая осевую нагрузку, называется «пята» . Опоры, на которых лежат шипы и шейки, называются подшипниками, а опоры пят – подпятниками.

Цапфы валов и осей выполняются цилиндрическими и коническими. Для фиксации внутреннего кольца подшипника на валу и оси предусматривают заплечики, гайки , стопорные пружинные кольца и др. Для обеспечения поворота оси и вала на некоторые угол применяются шаровые цапфы. Основными элементами конструкций валов и осей являются цапфы, посадочные поверхности. Особенно удобны для осевого крепления деталей распорные втулки, которые могут монтироваться в одном комплекте с другими деталями

. Различные способы фиксации валов и виды переходных участков

Для снижения концентрации напряжений на переходных участков необходимо создавать галтели : - постоянного радиуса, переменного радиуса или специальные разгружающие выточки.

Необходимым условием сборки сопряжения - закругления детали r 2 должен быть больше радиуса галтели r 1. Если радиус закругления детали мал (подшипник качения), то следует устанавливать разгрузочные кольца, что позволяет не только обеспечить надежную сборку, но и увеличить радиус галтели. Эффективным средством снижения концентрации напряжений является также пластическое упрочнение, вибронаклеп роликами цапф и галтелей.

Материалы и обработка валов и осей. Требования к валам и осям : прочность, жесткость, износостойкость, технологичность конструкции, удобство изготовления и сборки. Для валов и осей, диаметры которых определяются , в основном, жесткостью, применяют углеродистые конструкционные стали Ст. 4, Ст. 5 без термообработки. В ответственных и тяжелонагруженных конструкциях ( критерием работоспособности является прочность) используют термически обрабатываемые среднеуглеродистые и легированные стали 40, 45, 40 ХН, 40 ХН 2 МА, 30 ХГСА и др

Быстроходные валы, вращающиеся в подшипниках скольжения, требуют высокую твердость поверхности цапф; для этого их изготовляют из цементируемых сталей типа 20 Х, 12 ХН 3 А, 18 ХГТ или из азотируемых сталей типа 38 Х 2 МЮА. Для изготовления коленчатых валов и валов с большими фланцами, наряду со сталью, применяют высокопрочные (с шаровидным графитом) и модифицированные чугуны. Шероховатость поверхности подшипники качения в зависимости от класса точности подшипников и диаметра назначают от Ra=0, 16…. 0, 32 мкм под высокопрецизионные подшипники до Ra=1, 5. . . 2, 5 мкм подшипники класса точности 0.

В местах посадки подшипников овальность и конусность не должна превышать 0, 5 допуска на диаметр. Радиальное биение шеек вала под зубчатым колесом или муфтой принимается 0, 7… 1, 2 допуска на размер. Допуск на перекос и несимметричность шпоночных пазов 0, 5 и 2 ( - допуск на ширину паза). Участки под уплотнительными манжетами должно иметь твердость не менее 30 НRC.

Критерии работоспособности валов и осей. Основными критериями работоспособности валов и осей является усталостная прочность (выносливость) и жесткость. Усталостная прочность оценивается коэффициентом запаса прочности, а жесткость - допускаемым прогибом в местах посадки деталей, а также допускаемыми углами наклона и закручивания сечений

Расчеты валов и осей на прочность. Первый этап - определение по эмпирическим зависимостям предварительных значений диаметров и разработка эскизного проекта. Второй этап - составление расчетной схемы и проведение расчета на статическую прочность и первая коррекция конструкции вала. Третий этап- проверочный расчет на усталостную прочность и уточнение конструкции вала. Последний этап - по необходимости, специальные расчеты (на жесткость, вибростойкость и др. ) и разработка окончательного варианта конструкции вала (технический проект), отвечающий всем критериям работоспособности данного вала с учетом требований технологичности,

Расчет вала на выносливость Проектный расчет Конструктивная проработка узла вала

Опасным считается то сечение вала, для которого коэффициент запаса прочности имеет наименьшее значение; оно может не совпадать с сечением, где возникают наибольшие крутящий и изгибающий моменты. Поэтому искомые коэффициенты определяют для нескольких сечений. Хотя для обеспечения прочности вала достаточно иметь n=1, 7, однако, учитывая повышенные требования к жесткости редукторных валов, рекомендуется иметь n=2, 5… 3. При таких значениях можно не проводить специального расчета на жесткость.

Общий коэффициент запаса прочности Коэффициент запаса прочности по нормальным напряжением

-1 и -1 – пределы выносливости материала вала k и k - эффективные коэффициенты концентрации при изгибе и кручении E - масштабные факторы для нормальных и касательных напряжений - коэффициент, зависит от шероховатости поверхности; а и а – амплитуды циклов нормальных и касательных напряжений m и m – среднее напряжение циклов.

Коэффициенты и зависят от механических характеристик металла При реверсивном движении считают, что напряжения кручения изменяются по симметричному циклу, ; m=0;

Расчет на жесткость Для обеспечения требуемой жесткости на изгиб необходимо, чтобы действительные значения угла наклона и наибольшего прогиба не превышали допускаемых значений. Нормы прогиба, максимальный расстояние между опорами Для большинства валов жесткость на кручение не имеет существенного значения И такой расчет не производится