Валы и оси
Валы и оси – детали, предназначенные для установки и поддержания вращающихся деталей (колес, полумуфт, шкивов и т.п.), с обеспечением постоянного положения осей вращения. Валы передают вращающий момент, подвергаясь деформациям кручения, изгиба, (иногда - растяжению). Материал вала находится в сложном напряженном состоянии.
Оси подвергаются только изгибу, (иногда – растяжению). Материал оси находится в простом напряженном состоянии.
Классификация валов
1.По назначению
а) валы передач: на них размещаются детали передач: колеса; шкивы, звездочки, полумуфты;
б) специальные валы: валы рабочих органов двигателей и рабочих машин – коленчатые валы ДВС; шпиндельные валы станков; валы турбин с рабочими дисками;
2. По форме
а) – прямые;
б) – коленчатые (для преобразования вращательного движения в возвратно-
поступательное);
в) – гибкие валы (с изменяемой формой геометрической оси);
Прямые валы подразделяются на следующие виды:
- гладкие (одного номинального диаметра). Участки вала с различными отклонениями изготавливаются на многорезцовых автоматах, что оправданно при массовом и крупносерийном производстве;
- ступенчатые - традиционный вариант исполнения. Технологичны в сборке;
- полые – (при
отношении
,
снижение массы вала составляет примерно
в 1,8 раз); удобны для прокладки вдоль
валов кабелей управления, маслопроводов
и т.п.;
- валы с фланцами, стальные фланцы привариваются - для соединения длинных валов; соединение длинных валов с применением зубчатых муфт;
- по форме сечения – шлицевые; профильные;
Работоспособность валов оценивается по следующим критериям:
1. Прочность; 2. Жесткость; 3. Виброустойчивость;
Последовательность проектирования валов
(на примере быстроходного вала редуктора)
Известно: величина крутящего момента, НМ;
1) Проектный расчет вала
Задача расчета: определение расчетного диаметра вала;
Допущения: 1) вал
гладкий; 2) рассматривается "чистое"
кручение (изгиб не учитывается); 3) расчет
ведется по заниженным значениям
допускаемого напряжения [
];
Условие прочности
при кручении:
;
или
;
откуда определяется расчетное значение
вала:
;
полученное расчетное значение
округляется
до стандартного, из ряда предпочтительных
чисел. При проектировании валов
многоступенчатых редукторов рекомендуется
применять следующие заниженные
значения [
]:
[ ] = 10…15 МПа – консольный участок быстроходного вала;
[ ] = 20…25 МПа – участок под колесом промежуточного вала;
[ ] = 30…35 МПа – консольный участок тихоходного вала;
Для передачи момента с колеса на вал (и обратно) применяются шпоночные, шлицевые соединения; соединения с натягом; штифтовые соединения (для слабонагруженных валов).
Конструктивные участки вала
1 - консольный участок вала (консоль): участок вала, выходящий за пределы корпуса и предназначенный для установки таких деталей, как полумуфты, шкивы ременных передач, звездочек, зубчатых колес;
2 - опорные участки вала: участки для установки подшипников (качения, скольжения). Общепринятый термин - цапфы. (Применялся с тех времен, когда подшипников качения не было, а были только подшипники скольжения). Участок 2а (ближе к центру вала) носит название - шейка; участок 2б (на конечной части вала) носит название - шип (откуда и идет слово "подшипник");
3 – посадочный участок вала, предназначенный для установки колеса;
4 - заплечик - элемент вала для осевой фиксации деталей, на консоли;
5 - бурт - элемент вала для осевой фиксации подшипника, установленного на шейке 2а, и колеса, установленного на участке 3;
2. Конструктивная проработка вала: конструктивно определяются диаметральные размеры элементов вала – dу (для манжетного уплотнения); dпк (для установки подшипников качения); dк (для установки колеса); dб (диаметр бурта); выбираются типоразмеры подшипников качения. [см. материалы практических занятий].
3. Составляется силовая схема привода: задаются направления вращения валов и моментов (на ведущем валу направление вращения совпадает с направление вращающего момента; на ведомом валу направление момента полезного сопротивления противоположно направлению вращения) [см. материалы практических занятий].. Указываются направления векторов сил в зацеплении. Окружные силы: на ведущих колесах направлены против вращения колес; на ведомых колесах направлены по направлению вращения. Радиальные силы: направлены из точек контакта к центрам колес. Осевые силы: направлены вдоль осей валов, в зависимости от направления окружных сил и нарезки зубьев [см. материалы практических занятий].
4. Проводят прорисовку узла привода с установкой ПК, с определением силовых плеч;
5. Определяют опорные реакции вала; рисуются эпюры изгибающих моментов в ортогональных плоскостях, по эпюре суммарного изгибающего момента устанавливается опасное (проверяемое) сечение вала [см. материалы практических занятий].