Тема 4.5 Валы и оси Требования к знаниям и умениям студентов

Должны иметь представление: о понятиях «оси» и «валы».

Должны знать: назначение и классификацию осей и валов, конструктивные элементы, материалы осей и валов, критерии работоспособности и особенности расчета валов и осей.

Должны уметь: классифицировать валы и оси, описывать способы повышения сопротивления усталости на стадии проектирования валов и осей, подбирать рациональные конструкции осей и валов.

Содержание учебного материала

Валы и оси, их назначение и классификация. Элементы конструкции. Материалы для их изготовления.

Методические рекомендации

Изучение темы необходимо начать со знакомства с основными понятиями.

Вал – вращающаяся деталь машины, предназначенная для поддержания установленных на нем зубчатых колес, звездочек, шкивов и т. п. и для передачи вращающего момента. При работе вал испытывает изгиб и кручение, а отдельных случаях – дополнительно растяжение и сжатие.

Ось – деталь машины, предназначенная для поддержания установленных на ней деталей. Обратите внимание, что в отличие от вала ось не передает вращающего момента и, следовательно, не испытывает кручения. В машинах оси могут быть неподвижными, несущими на себе свободно вращающиеся детали, и подвижными, вращающимися вместе с установленными на них деталями.

Далее рассмотрим классификацию осей и валов:

1. По геометрической форме: прямые валы и оси, кривошипные валы, коленчатые валы, гибкие валы, телескопические валы, карданные валы.

2. По конструктивным признакам: гладкие валы и оси, ступенчатые валы и оси.

3. По типу сечения валы и оси бывают: сплошные, полые, комбинированные.

Далее рассмотрите конструктивные элементы осей и валов. Цапфы – участки вала или оси, лежащие в опорах (подшипниках). Концевые цапфы называют шипами, а промежуточные – шейками. Цапфу, передающую осевую нагрузку, называют пятой. Опорой для пяты служит подпятник.

Посадочные поверхности валов и осей под ступицы насаживаемых деталей и подшипники выполняют цилиндрическими, а концы валов – цилиндрическими или коническими.

Переходные участки между двумя ступенями вала и оси делают для снижения концентрации напряжений, а, следовательно, для повышения сопротивления усталости вала. Их выполняют: с канавкой со скруглением для выхода шлифовального круга, с галтелью постоянного радиуса и т.п.

Торцы валов и осей для облегчения установки на них деталей и в целях безопасности делают с фасками.

Следует знать, что материалы осей и валов должны быть прочными, хорошо обрабатываться и иметь высокий модуль упругости. Основными материалами для валов служат углеродистые и легированные стали. Заготовки валов и осей – это круглый прокат или специальные поковки. Валы и оси обрабатывают на токарных станках с последующим шлифованием цапф и посадочных поверхностей.

Основными критериями работоспособности и расчета валов являются прочность и жесткость. Определение необходимых размеров валов выполняется в два этапа: проектировочный расчет и проверочный расчет.

Проектировочный расчет вала выполняют, как условный расчет только на кручение для ориентировочного определения посадочных диаметров. Диаметр выходного конца вала определяют из условия прочности на кручение. Полученное значение округляют до ближайшего большего размера из стандартного ряда. По выбранному значению с учетом удобства сборки и фиксации деталей в осевом направлении назначают остальные стандартные посадочные диаметры вала. Окончательно размеры вала определяют после подбора подшипников, когда выявятся необходимые размеры цапф.

Валы при работе испытывают циклически изменяющиеся напряжения. В этом случае, как установлено практикой, основной вид разрушения валов – усталостное разрушение. Поэтому для валов расчет на сопротивление усталости является основным расчетом на прочность. Проверочный расчет вала выполняют по его расчетной схеме (рекомендуется рассмотреть пример расчетной схемы).

Проектировочный расчет осей на статическую прочность выполняют аналогично расчету балок с шарнирными опорами обычными методами сопротивления материалов. По конструкции оси составляют расчетную схему, определяют реакции опор и строят эпюру изгибающего момента. Устанавливают опасное сечение, для которого требуемый диаметр оси определяют из условия прочности на изгиб. Проверочный расчет осей на сопротивление усталости и изгибную жесткость – частный случай расчета валов при крутящем моменте равном нулю.

Для более полного восприятия проектного и проверочного расчетов валов и осей необходимо рассмотреть конкретные примеры, изучение которых позволит легко решать задачи по заданной теме.

[ 1 ] § 120; [ 2 ] §§ 3.58-3.60.