12.2. Критерии работоспособности и расчета. Материалы и термообработка валов и осей

Для большинства валов современных быстроходных машин решающее значение имеет сопротивление усталости. Для тихоходных валов из нормализованных, улучшенных и закаленных с высоким отпуском сталей ограничивающим критерием работоспособности может быть также несущая способность при пиковых нагрузках (отсутствие недопустимых остаточных деформаций). Для валов из хрупких и малопластичных материалов при ударных нагрузках и низких температурах решающим критерием работоспособности является сопротивление хрупкому разрушению. Совместная работа валов с деталями передач и подшипниками требует расчета валов по критерию жесткости, а для валов быстроходных машин – по критерию виброустойчивости.

Выбор материала и термической обработки валов и осей определяется перечисленными выше критериями их работоспособности. Для большинства валов применяют термически обрабатываемые среднеуглеродистые и легированные стали 45, 40Х. Для высоконапряженных валов ответственных машин применяют легированные стали 40ХН, 40ХН2МА, 30ХГТ, 30ХГСА и др. Валы из этих сталей обычно подвергают улучшению, закалке с высоким отпуском или поверхностной закалке и низким отпуском (шлицевые валы).

Для быстроходных валов, вращающихся в подшипниках скольжения, требуется высокая твердость цапф. Данные валы изготавливают из цементируемых сталей 20Х, 12ХН3А, 18ХГТ или азотируемых сталей типа 38Х2МЮА. Высокую износостойкость имеют хромированные стали. Хромирование шеек коленчатых валов увеличивает ресурс до перешлифовки до 3…5 раз.

12.3. Расчетные схемы валов и осей

Валы и вращающиеся оси обычно рассчитывают как балки на шарнирных опорах. Для валов, вращающихся в подшипниках качения, установленных по одному в опоре (рис. 12.1, а, б, в), данная схема обеспечивает получение достаточно точных результатов. У валов, вращающихся в подшипниках качения, установленных по два в опоре (рис. 12.1, г), основные реакции воспринимаются подшипниками, расположенными со стороны нагруженного пролета. Внешние подшипники нагружены значительно меньше. При этом если они расположены не в плотную к внутренним подшипникам, то в них могут возникать реакции, направленные в противоположную сторону по отношению к реакциям, возникающим во внутренних подшипниках. Поэтому условные шарнирные опоры валов точнее совмещать с внутренними подшипниками или располагать на одной трети расстояния между подшипниками одной опоры ближе к внутреннему подшипнику. Точный расчет особо ответственных валов следует производить с учетом совместной работы с подшипниками, как многоопорных балок на упругих опорах.

Рис. 12.1. Расчетные схемы валов

У валов, вращающихся в подшипниках скольжения (рис. 12.1, д), давление по длине подшипника вследствие деформации валов распределяется не симметрично. Поэтому условные шарнирные опоры следует располагать на расстоянии (0,25…0,30)l от торца подшипника со стороны нагруженного пролета, но не более половины диаметра вала.

Силы на валы передаются через насаженные на них детали: зубчатые колеса, шкивы, звездочки и т.д. При упрощенных расчетах принимают, что насаженные на вал детали передают сосредоточенные силы и моменты валу на середине ступицы. Эти сечения, как правило, принимают за расчетные. В действительности силы распределены по всей длине ступицы. Поэтому точнее за расчетные принимать сечения, в которых располагаются внешние нагрузки, на расстоянии (0,20…0,25)l от торцов ступицы.