Тема №8 Детали машин и механизмов.

Валы и оси, основные определения и классификация валов и осей.

Валом называется деталь, предназначенная для поддержания вращающихся частей машины, непосредственно участвующих в передаче вращательного движения и передающая крутящий момент.

Ось является деталью, предназначенной только для поддержания вращающихся частей, и в передаче энергии непосредственно не участвует.

В конструктивном отношении особой разницы между осью и валом почти нет, однако по характеру работы они существенно отличаются друг от друга. Главное отличие оси от вала состоит в том, что ось при работе испытывает только деформацию изгиба, вал же кроме деформации изгиба обязательно подвергается и деформации кручения. Кроме того вал является всегда подвижной деталью, а ось может быть как подвижной так и не подвижной. Если ось неподвижна, то в этом случае ее опорные части не обязательно должны иметь форму тела вращения.

Валы отличаются большим разнообразием конструктивных форм, зависящих от назначения, условий работы и т.п., поэтому их классифицируют по следующим основным признакам:

1. По назначению: передаточные, несущие детали передач; специальные, несущие рабочие органы машины;

2. По форме геометрической оси: прямые; коленчатые; с изменяемой формой оси (гибкие);

3. По профилю поперечного сечения: круглые цилиндрические, шлицевые; фасонно-профильные; граненые;

4. По наличию осевого отверстия: полые с отверстием по части длины; сплошные без отверстия;

5. По изменению сечения вдоль геометрической оси: постоянного сечения, ступенчатые с цилиндрическими и коническими участками;

6. По числу опор: консольные (полуоси) ; двухопорные, многоопорные.

Основные элементы конструкции валов и осей – цапфы, посадочные поверхности и переходные участки.

Цапфы – участки осей и валов, которыми они соприкасаются с опорами. Цапфы на конце валов или осей получили название шипов, а в середине их шеек.

Шипы и шейки передают опорам только радиальную нагрузку.

Цапфа, предназначенная для передачи осевой нагрузки, независимо от ее расположения называется пятой.

Опоры, на которых лежат шипы и шейки, называются подшипниками, а опоры пят – подпятниками.

Диаметры посадочных поверхностей валов и осей выбираются по ГОСТу, а диаметры под подшипники качения – по стандартным размерам внутренних колец подшипников.

Валы и оси являются ответственными деталями механизмов и машин. В случае их поломки, как правило, разрушаются и другие детали, что приводит к выходу из строя всей машины. Поэтому к валам и осям предъявляются определенные требования, а именно: достаточные прочность и жесткость, износостойкость трущихся поверхностей, технологичность конструкции, удобство изготовления и сборки. Эти требования могут быть обеспечении при условии правильного расчета и конструирования валов и осей, а также обоснованного выбора материала, технологии изготовления и упрочнения их изнашиваемых частей.

Материалы валов и осей должны быть прочными, хорошо обрабатываться и иметь высокий модуль упругости.

Чаще всего для их изготовления применяются углеродистые и легированные стали в виде проката или поковок , значительно реже – стальное литье.

Из углеродистых сталей используют ст 30,40,45,50, менее ответственные валы изготавливают из ст 4 и ст 5

Быстроходные валы и оси ответственного назначения изготавливают из легированных сталей 20Х, 12ХНМА и т.п.

Для упрочнения поверхности валов и осей используют закалку (в том числе т.в.ч.) или цементацию, иногда азотирование.

Основными критериями работоспособности валов и осей являются усталостная прочность и жесткость.

Усталостная прочность оценивается коэффициентом запаса прочности, а жесткость - допускаемым прогибом в местах посадки деталей, а также допускаемыми углами наклона и закручивания сечений.

Практика показывает, что разрушение валов и вращающихся осей в большинстве случаев носит усталостный характер, поэтому основным является расчет валов и осей на усталостную прочность.

Конструкция валов и осей должна быть такой, чтобы отсутствовали концентраторы напряжения.

Расчет и конструирование валов производят в следующей последовательности:

1. Выбирают материал вала;

2. Определяют размеры диаметрального сечения вала на различных участках на основе приближенных расчетов;

3. Производят конструирование вала и опорных узлов, в результате чего в первом приближении определяются форма вала, его габаритные размеры , и главное фактическое расстояние между опорами и точками приложения сил.

4. Составляют расчетную схему и проводят проверочный расчет с целью уточнения размеров, полученных при предварительных расчетах вала.

Приближенный расчет диаметральных сечений вала производят из условия чтобы напряжение кручения

,

Где – крутящий момент действующий в сечении вала; - полярный момент сечения, который можно принимать равным ; - допускаемое напряжение кручения,

Исходя из этого можно определить предварительный диаметр сечения

Где – коэффициент запаса

Далее диаметр округляют по ГОСТ до стандартной величины.

Проверочные расчеты проводят : 1) на усталостную прочность в наиболее опасных сечениях. 2) на статическую прочность при действии пиковых нагрузок в наиболее опасных сечениях вала. Кроме этого производят расчет вала на жесткость. Изгибная жесткость оценивается прогибом и углом наклона .

Крутильная жесткость оценивается углом закручивания на единицу длины вала.

При необходимости производят расчет валов с учетом колебаний. Все проверочные расчеты производятся с помощью специальных методик.

В отличие от валов, оси подвергаются только изгибу. Поэтому проектный расчет осей на статическую прочность выполняют аналогично расчету балок с шарнирными опорами методами сопротивления материалов.