Призначення, конструкції і матеріали осей і валів. Вали і осі загальні відомості та основи конструювання

Осі служать для підтримки обертових разом з ними або на них різних деталей машин і механізмів. Обертання осі разом з встановленими на ній деталями здійснюється щодо її опор, званих підшипниками. Прикладом невращающейся осі може служити вісь блоку вантажопідйомної машини (рис. 1, а), а обертається осі - вагонна вісь (рис. 1, б). Осі сприймають навантаження від розташованих на них деталей і працюють на вигин.

Рис. 1

Конструкції осей і валів.

Вали на відміну від осей призначені для передачі крутних моментів і в більшості випадків для підтримки обертових разом з ними щодо підшипників різних деталей машин. Вали, що несуть на собі деталі, через які передається крутний момент, сприймають від цих деталей навантаження і, отже, працюють одночасно на вигин і кручення. При дії на встановлені на валах деталі (конічні зубчасті колеса, черв'ячні колеса і т. Д.) Осьових нагрузок.вали додатково працюють на розтягнення або стиснення. Деякі вали не підтримують деталі, що обертаються (карданні вали автомобілів, з'єднувальні валки прокатних станів і т. П.), Тому ці вали працюють тільки на крутіння. За призначенням розрізняють вали передач, на яких встановлюють зубчасті колеса, зірочки, муфти та інші деталі передач, і корінні вали, на яких встановлюють не тільки деталі передач, а й інші деталі, наприклад маховики, кривошипи і т. Д.

Осі являють собою прямі стрижні (Рис 1, а, б), а вали розрізняють прямі (Рис. 1, в, г), колінчаті (Рис. 1, д) і гнучкі (Рис. 1, е). Широко поширені прямі вали. Колінчасті вали в кривошипно-шатунних передачах служать для перетворення зворотно-поступального руху в обертальний або навпаки і застосовуються в поршневих машинах (двигуни, насоси). Гнучкі вали, що представляють собою багатозахідні кручені з дротів пружини кручення, застосовують для передачі моменту між вузлами машин, міняють своє відносне положення в роботі (механізований інструмент, прилади дистанційного керування і контролю, стоматологічні бормашини і т. П.). Колінчаті і гнучкі вали відносяться до спеціальних деталей, їх вивчають у відповідних спеціальних курсах. Осі і вали в більшості випадків бувають круглого суцільного, а іноді кільцевого поперечного перерізу. Окремі ділянки валів мають круглий суцільне або кільцевий переріз із шпоночною канавкою (рис. 1, в, г) або зі шліцами, а іноді профільне перетин. Вартість осей і валів кільцевого перетину звичайно більше, ніж суцільного перетину; їх застосовують у випадках, коли потрібно зменшити масу конструкції, наприклад в літаках (див. також осі сателітів планетарного редуктора на рис. 4), або розмістити всередині іншу деталь. Порожні зварні осі і вали, виготовлені зі стрічки, розташованої по гвинтовій лінії, дозволяють знижувати масу до 60%.

Осі невеликої довжини виготовляють однакового діаметра по всій довжині (рис. 1, а), а довгі і сильно навантажені - фасонними (рис. 1, б). Прямі вали в залежності від призначення роблять або постійного діаметра по всій довжині (трансмісійні вали, рис. 1, в), або ступінчастими (рис. 1, г), тобто різного діаметру на окремих ділянках. Найбільш поширені ступінчасті вали, так як їх форма зручна для установки на них деталей, кожна з яких має до свого місця проходити вільно (вали редукторів см. В статті "Зубчасті редуктори" рис. 2, 3, і "Черв'ячна передача" рис. 2 ; 3). Іноді вали виготовляють заодно з шестернями (див. Рис. 2) або черв'яками (див. Рис. 2, 3).

Рис. 2

Ділянки осей і валів, якими вони спираються на підшипники, називають при сприйнятті радіальних навантажень цапфами, при сприйнятті осьових навантажень - п'ятами. Кінцеві цапфи, що працюють в підшипниках ковзання, називають шипами (Рис. 2, а), а цапфи, розташовані на деякій відстані від кінців осей і валів, - шийками (Рис. 2, б). Цапфи осей і валів, що працюють в підшипниках ковзання, бувають циліндричними (рис. 2, а), конічними (Рис. 2, в) і сферичними (Рис. 2, г). Найпоширеніші - циліндричні щшфи, так як вони найбільш прості, зручні і дешеві у виготовленні, встановленні та роботі. Конічні і сферичні цапфи застосовують порівняно рідко, наприклад для регулювання зазору в підшипниках точних машин шляхом переміщення вала або вкладиша підшипника, а іноді для осьового фіксування осі або валу. Сферичні цапфи застосовують тоді, коли вал крім обертального руху повинен здійснювати кутове переміщення в осьовій площині. Циліндричні цапфи, що працюють в підшипниках ковзання, зазвичай роблять трохи меншого діаметру в порівнянні з сусідньою ділянкою осі або вала, щоб завдяки заплічок і буртиком (рис. 2, б) осі і вали можна було фіксувати від осьових зсувів. Цапфи осей і валів для підшипників кочення майже завжди виконують циліндричними (рис. 3, а, б). Порівняно рідко застосовують конічні цапфи з невеликим кутом конусності для регулювання зазорів в підшипниках кочення пружною деформацією кілець. На деяких осях і валах для фіксування підшипників кочення поруч з цапфами передбачають різьблення для гайок (рис. 3, б;) або кільцеві виточки для фіксуючих пружинних кілець.

Рис. 3

П'яти, що працюють в підшипниках ковзання, званих підп'ятниками, роблять зазвичай кільцевими (рис. 4, а), а в деяких випадках - гребінчастими (рис. 4, б). Гребінчасті п'яти застосовують при дії на вали великих осьових навантажень; в сучасному машинобудуванні вони зустрічаються рідко.

Рис. 4

Посадочні поверхні осей і валів, на яких встановлюють рухомі деталі машин і механізмів, виконують циліндричними і набагато рідше конічними. Останні застосовують, наприклад, для полегшення постановки на вал і зняття з нього важких деталей при підвищеної точності центрування деталей.

Поверхня плавного переходу від одного ступеня осі або вала до іншого називається жолобником (див. Рис. 2, а, б). Перехід від ступенів меншого діаметра до ступені більшого діаметра виконують з округленій канавкою для виходу шліфувального круга (див. Рис 3). Для зниження концентрації напружень радіуси заокруглень галтелів і канавок приймають можливо великими, а глибину канавок - меншою (ГОСТ 10948-64 і 8820-69).

Різниця між діаметрами сусідніх ступенів осей і валів для зниження концентрації напружень повинна бути мінімальною. Торці осей і валів для полегшення установки на них деталями, які обертаються і упередження травмування рук роблять з фасками, т. Е. Злегка обточують на конус (див. Рис. 1 ... 3). Радіуси заокруглень галтелів і розміри фасок нормалізовані ГОСТ 10948-64.

Довжина осей зазвичай не перевищує 2 ... 3 м, вали можуть бути довшими. За умовами виготовлення, транспортування і монтажу довжина цільних валів не повинна перевищувати 6 ... 7 м. Довші вали роблять складовими і окремі частини їх з'єднують муфтами або за допомогою фланців. Діаметри посадочних ділянок осей і валів, на яких встановлюються обертові деталі машин і механізмів, повинні бути узгоджені з ГОСТ 6636-69 (СТ РЕВ 514-77).

Матеріали осей і валів.

Осі і вали виготовляють з вуглецевих і легованих конструкційних сталей, так як вони мають високу міцність, здатність до поверхневого і об'ємного зміцнення, легкістю отримання прокаткою циліндричних заготовок і хорошою оброблюваністю на верстатах. Для осей і валів без термообробки використовують вуглецеві стали Ст3, Ст4, Ст5, 25, 30, 35, 40 і 45. Осі і вали, до яких висувають підвищені вимоги до несучої здатності і довговічності шліців і цапф, виконують з середньовуглецевих або легованих сталей з поліпшенням 35, 40, 40Х, 40НХ і ін. Для підвищення зносостійкості цапф валів, що обертаються в підшипниках ковзання, вали роблять із сталей 20, 20Х, 12ХНЗА і інших з подальшою цементацією і загартуванням цапф. Відповідальні важко навантажених вали виготовляють з легованих сталей 40ХН, 40ХНМА, 30ХГТ і ін. Важконавантажених вали складної форми, наприклад, колінчаті вали двигунів, роблять також з модифікованого або високоміцного чавуну.

Перш ніж розбиратися, чим відрізняються між собою вал і вісь, слід мати чітке уявлення про те, що, власне, являють собою ці деталі, для чого і де вони використовуються і які функції виконують. Отже, як відомо, вали і осі призначені для утримання на них деталей, що обертаються.

визначення

Вал - це деталь механізму, що має форму стрижня, що служить для передачі на інші деталі цього механізму крутного моменту, тим самим створюючи загальне обертальний рух всіх розташованих на ньому (на валу) деталей: шківів, ексцентриків, коліс і ін.

ось- це деталь механізму, призначена для з'єднання і скріплення між собою деталей даного механізму. Ось сприймає тільки поперечні навантаження (напруга вигину). Осі бувають нерухомі і обертаються.

ось

порівняння

Основна відмінність осі від вала полягає в тому, що вісь не передає крутного моменту на інші деталі. На неї впливають тільки поперечні навантаження, і вона не відчувають сил кручення.

Вал, на відміну від осі, передає корисний крутний момент деталям, які на ньому закріплені. Крім того, осі бувають як обертаються, так і нерухомими. Вал ж обертається завжди. Більшість валів можна розділити по геометричній формі осі на прямі, кривошипні (ексцентрикові) і гнучкі. Також бувають вали колінчасті або непрямі, які служать для перетворення зворотно-поступальних рухів у обертальні. Осі ж за своєю геометричній формі бувають тільки прямими.

висновки сайт

Ось несе обертові частини механізму, не передаючи їм ніякого крутного моменту. Вал передає іншим деталям механізму корисний крутний момент, так зване обертається зусилля.
Ось може бути як обертається, так і нерухомої. Вал буває тільки обертовим.
Ось має тільки пряму форму. Вал за формою може бути прямим, непрямим (колінчатим), ексцентриковим і гнучким.

Вали і осі служать для підтримки обертових деталей (зубчастих коліс, муфт, шківів, зірочок, роторів і т. П.) І передачі навантажень від цих деталей через опори на корпус. Осі бувають як обертаються, так і нерухомими, вони сприймають дії згинальних моментів і поздовжніх сил. Вали, на відміну від осей, можуть бути тільки обертовими. Вони піддаються дії поздовжніх сил, згинальних і крутних моментів.

Конструктивна форма валів і осей залежить від багатьох факторів - призначення механізму, призначення та форми деталей, що сполучаються з валом або віссю, характеру навантажень, технології виготовлення і збірки.

вали бувають прямі, колінчаті і гнучкі. У цьому підручнику розглядаються тільки найбільш поширені прямі вали. Осі бувають тільки з прямою геометричною віссю.

Вали і осі можуть бути суцільними і порожніми. При використанні порожніх валів і осей можна істотно зменшити масу конструкції. Наприклад, порожнистий вал з відношенням діаметра отвору до зовнішньому діаметру вала 0,75 при практично рівній міцності із суцільним валом має масу на 50% менше. У зв'язку з цим в механізмах ЛА вали і осі великого діаметра (більше 10 ... 12 мм) виконуються, як правило, порожніми. Вхідні і вихідні вали проектуються з некрізними отворами для герметизації внутрішньої порожнини механізму або з отворами, що закриваються заглушками.

Вали і осі розрізняються за формою: гладкі і ступінчасті. Вибираючи більш складну у виготовленні ступінчасту форму, можна забезпечити рівномірний розподіл напружень по довжині вала і необхідні міцність і жорсткість при дії внутрішніх силових факторів. Крім того, при ступінчастою формі створюються кращі умови для збірки деталей з валом і для їх фіксування щодо вала в осьовому і радіальному напрямках. Осі, з огляду на їх більшої простоти, часто виконують гладкими, а вали, як правило, східчастими, причому кожної деталі відповідає своя ступінь на валу, оброблена з необхідною точністю і шорсткістю.

Вали виконуються у вигляді окремої деталі (рис. 13.1, а) або за одне ціле з циліндричними зубчастими колесами (рис. 13.1, б, г) у конічним зубчастим колесом (рис. 13.1, в).

У механізмах ЛА вали часто виготовляються за одне ціле з деталями передач, що через відсутність з'єднують елементів зменшує загальну масу конструкції і збільшує її надійність. Однак монолітна конструкція вала не завжди доцільна, оскільки не завжди потрібно виконувати вал і деталь з одного матеріалу. Крім того, при такому варіанті виключається можливість заміни вала або деталі при експлуатації. При виготовленні монолітної конструкції з заготівлі великого діаметра слід враховувати той факт, що властивості міцності матеріалу знижуються зі збільшенням діаметра заготовки. Монолітна конструкція економічно вигідна в тому випадку, якщо діаметр деталі ненабагато перевищує діаметр власного вала, а також в умовах одиничного виробництва або отриманні заготовки куванням (наприклад, формування елементів деталі, розташованих на кінці вала, операцією висадки).

Вали можуть бути виконані з зубами (рис. 13.1,6), зі шпонковими пазами (рис. 13.1, а), з кільцевими канавками під опорні кільця (рис. 13.1, а), з різьбовими ділянками (рис. 13.1, 6, в) і пазами для стопоріння різьбових деталей (рис. 13.1, в). Вали можуть мати осьові (рис. 13.1, б) і радіальні (рис. 13.1, в) отвори, а також канавки для виходу

шліфувального круга (рис. 13.1, а, в), ділянки виходу фрези при нарізанні зубів (рис. 13.1, б), А також проточки для виходу інструмента при нарізанні різьби (рис. 13.1, в).

Осі бувають нерухомі (рис. 13.2, а) і обертаються (рис. 13.2, б) у гладкі (рис. 13.2, а) і ступінчасті (рис. 13.2, б).Осі, як і вали, можуть мати зуби (шліци), пази, проточки, канавки, різьблення і отвори. Гладкі осі стандартизовані. Фіксування цих осей в осьовому напрямку найчастіше

здійснюється шплинтом (рис. 13.3, а). Для осей (головним чином нерухомих) застосовується фіксування циліндричним або конічним штифтом (рис. 13.3, б), За допомогою регулювального гвинта (рис. 13.3, в) або оседержателем з болтом (рис. 13.3, г). Нерухомі осі встановлюються по перехідній посадці (наприклад, К7 / і 6) або по посадці з натягом (наприклад, R7 / h6).

Рухливі осі і вали як в радіальному, так і в осьовому напрямках фіксуються в підшипниках, які в свою чергу встановлюються в корпусі. Точне фіксування валів і осей в радіальному напрямку здійснюється за допомогою посадок їх в підшипники і посадок підшипників в корпус. В осьовому напрямку вали і осі з насадженими на них деталями з'єднуються з підшипниками одним із способів, показаних на рис. 13.4. Найбільше застосування знаходить просте і дешеве фіксування пружинними кільцями (рис. 13.4, а): ексцентричними 1 або концентричними 2 . Наявність зазору 5 між кільцем і підшипником призводить до неточності установки деталей і до ковзання поверхонь деталей і вала, т. Е. До їх зношування. Використання проміжного кільця 3 (Рис. 13.4, б) з підгонкою його по товщині прошліфовки торця або комплекту регулювальних прокладок 4 з фольги (рис. 13.4, в) дозволяє звести величину зазору 5 до мінімуму. Регулювальні прокладки поруч з пружинним кільцем не ставлять, щоб уникнути попадання прокладок в канавку для кільця. При фіксуванні на кінці вала зручним є застосування стандартної торцевої шайби 5 (Рис. 13.4, г)\u003e закріплюється гвинтом 6 і фіксується від провертання штифтом 7. Гвинт стопориться від відгвинчування шайбою 8. При значній осьової навантаженні застосовується шайба, що закріплюється двома гвинтами (рис. 13.4, д).

Вали і осі

План 1. Призначення. 2. Класифікація. 3. Конструктивні елементи валів і осей. 4. Матеріали і термообробка. 5. Розрахунки валів і осей.

призначення

вали - деталі, призначені для передачі крутного моменту вздовж своєї осі і для підтримки обертових деталей машин. Вал сприймає сили, що діють на деталі, і передає їх на опори. При роботі вал відчуває вигин і кручення.

осі призначені для підтримки обертових деталей, корисного крутного моменту не передають. Осі не відчувають кручення. Осі можуть бути нерухомі і обертаються.

Класифікація валів

За призначенням:

а) вали передач, що несуть деталі передач - муфти, зубчасті колеса, шківи, \u200b\u200bзірочки;

б) корінні вали машин;

в) інші спеціальні вали, що несуть робочі органи машин або знарядь - колеса або диски турбін, кривошипи, інструменти і т.д.

За конструкцією і формою:

а) прямі;

б) колінчаті;

в) гнучкі.

Прямі вали поділяються на:

а) гладкі циліндричні;

б) ступінчасті;

в) вали - шестірні, вали - черв'яки;

г) фланцеві;

д) карданні.

За формою поперечного перерізу:

а) гладкі суцільного перетину;

б) пустотілі (для розміщення співвісного вала, деталей управління, подачі масла, охолодження);

в) шліцьові.

Осі поділяють на обертові, що забезпечують кращу роботу підшипників, і нерухомі, що вимагають вмонтування підшипників в обертові деталі,

Конструктивні елементи валів і осей

Опорна частина вала або осі називається цапфою . Кінцева цапфа називається шипом , А проміжна - шийкою .

Кільцевий потовщення валу, що становить з ним одне ціле, називається буртиком . Перехідна поверхня від одного перерізу до другого, що служить для упору посаджених на вал деталей, називається заплечиком.

Для зменшення концентрації і підвищення міцності, переходи в місцях зміни діаметра вала або осі роблять плавними. Криволінійну поверхню плавного переходу від меншого перетину до більшого називають жолобник. Жолобники бувають постійної і змінної кривизни. Змінність радіуса кривизни галтелі підвищує несучу здатність вала на 10%. Жолобники з подвнутреніем збільшують довжину базування маточин.

Підвищення міцності валів у перехідних перетинах досягається також видаленням малонапряженний матеріалу: виконанням розвантажувальних канавок і висвердлюванням отворів в ступенях великого діаметру. Ці заходи забезпечують більш рівномірний розподіл напружень і знижують концентрацію напружень

Форма вала по довжині визначається розподілом навантажень, тобто епюрами изгибающих і крутять моментів, умовами зборки і технологією виготовлення. Перехідні ділянки валів між ступенями різних діаметрів нерідко виконують з напівкруглої канавкою для виходу шліфувального круга.

Посадочні кінці валів, призначені для установки деталей, що передають крутний момент в машинах, механізмах приладах стандартизовані. ГОСТ встановлює номінальні розміри циліндричних валів двох виконань (довгі і короткі) діаметрів від 0,8 до 630 мм, а також рекомендовані розміри кінців валів з різьбою. ГОСТ встановлює основні розміри конічних кінців валів з конусностью 1:10 також двох виконань (довгі і короткі) і двох типів (з зовнішньої і внутрішньої різьбленням) діаметрів від 3 до 630 мм.

"Горяни валів для полегшення насадки деталей, щоб уникнути обмятій і пошкодження рук робітників виконують з фасками.

Матеріали і термообробка

вибір матеріалу і термічної обробки валів і осей визначається критеріями їх працездатності.

Основними матеріалами для валів і осей служать вуглецеві і леговані стали завдяки високим механічним характеристикам, здатності до зміцнення і легкості отримання циліндричних заготовок прокаткою.

Для більшості валів застосовують середньовуглецеві і леговані стали 45, 40Х. Для високонапряженних валів відповідальних машин застосовують, леговані сталі 40ХН, 40ХНГМА, 30ХГТ, 30ХГСА і ін. Вали з цих сталей зазвичай піддають поліпшенню, загартуванню з високим відпусткою або поверхневому загартуванню з нагріванням ТВЧ і низьким відпусткою.

Для виготовлення фасонних валів - колінчастих, з великими фланцями і отворами - і важких валів поряд зі сталлю застосовують високоміцні чавуни (з кулястим графітом) і модифіковані чавуни.

Розрахунок валів і осей

Вали відчувають дію напруг вигину і крутіння, осі - тільки вигину.

В процесі роботи вали відчувають значні навантаження, тому для визначення оптимальних геометричних розмірів необхідно виконати комплекс розрахунків, що включає в себе визначення:

Статичної міцності;

Втомної міцності;

Жорсткості при згині і крученні.

При високих швидкостях обертання необхідно визначати частоти власних коливань вала для того, щоб запобігти попаданню в резонансні зони. Довгі вали перевіряють на стійкість.

Розрахунок валів проводиться в кілька етапів.

Для виконання розрахунку валу необхідно знати його конструкцію (місця докладання навантаження, розташування опор і т.п.) У той же час розробка конструкції валу неможлива без хоча б наближеної оцінки його діаметра. На практиці зазвичай використовують наступний порядок розрахунку вала:

1. Попередньо оцінюють середній діаметр з розрахунку тільки на крутіння при знижених допускаються напругах (вигинає момент поки не відомий, тому що невідомі розташування опор і місця прикладання навантажень).

напруга крутіння

Де Wp- момент опору перерізу, мм.

Попередньо оцінити діаметр вала можна також орієнтуючись на діаметр того валу, з яким він з'єднується, (вали передають однаковий момент Т). Наприклад, якщо вал з'єднується з валом електродвигуна (або іншої машини) то діаметр його вхідного кінця можна прийняти рівним або близьким до діаметра вихідного кінця вала електродвигуна.

2Основний розрахунок вала.

Після оцінки діаметра вала розробляють його конструкцію. Довжину ділянок вала, а, отже, плече прикладання сили візьмемо з компонування. Припустимо, що нам потрібно розрахувати діаметр вала, на якому сидить косозубая шестерня. Викреслити схему навантажень вала. Для цього валу, враховуючи нахил зубів шестерні і напрямок моменту Т, ліву опору замінюємо шарнірно-нерухомою, а праву - шарнірно-під-Віжн. Розрахункові навантаження розглядають зазвичай як зосереджені, хоча дійсні навантаження не є зосередженими, вони розподілені по довжині маточини, ширині підшипника. У нашому прикладі вал навантажений силами Ft, Fa. Fr, діючими в полюсі зачеплення і обертовим моментом Т. Осьова сила Fa дає в вертикальній площині момент

Основний розрахунок валів і осей полягає в побудові епюр згинальних моментів у горизонтальній і вертикальній площинах, побудові епюри результуючих моментів, епюри крутних моментів, епюри еквівалентних моментів, визначенні небезпечних перетинів.

3 етап розрахунку - перевірочний розрахунок полягає у визначенні коефіцієнта запасу міцності в небезпечних перетинах

- коефіцієнти запасу міцності по нормальних і дотичних напруг