Переходные участки валов между двумя ступенями разных диаметров выполняют следующих типов:
1.С канавкой для выхода шлифовальных кругов(рис. 209а)
Канавки должны иметь максимально возможные радиусы закруглений. Канавки существенно повышают стойкость шлифовальных кругов при обработке. Однако они вызывают значительную концентрацию напряжений и понижают прочность валов при переменных напряжениях.
Рис. 12.5 Средства восприятия осевых нагрузок и осевого крепления деталей на валах: а – посадка с натягом; б – упор в уступ; в – гайка; г – конический штифт; д – клеммовое соединение; е – установочный стопорный винт; ж – пружинное кольцо
Рис. 12.6 Переходные участки валов: а – с канавкой для выхода шлифовального круга; б – с галтелью постоянного радиуса; в – с галтелью под промежуточное кольцо; г – с эллиптической галтелью и поднутрением; д – с галтелью оптимальной формы при изгибе (внутренняя кривая) и при кручении и растяжении (наружная кривая); е – с разгрузочной канавкой; ж – с отверстием в ступени большого диаметра
2.С переходной поверхностью – галтелью постоянного радиуса (рис. ,б). Радиус галтели выбирают меньше радиуса закругления или радиального размера фаски насаживаемых деталей.
Желательно, чтобы радиус закругления в сильно напряженных валах был больше или равен 0,1d . Однако это условие далеко не всегда можно выдержать.
При высокой напряженности вала в случаях, когда радиус галтели сильно ограничивается радиусом закругления кромок насаживаемых деталей, ставят проставочные кольца (рис. ,в).
3. С галтелью специальной формы. Опасной зоной обычно является переход галтели в ступень меньшего диаметра; поэтому в заданных габаритах целесообразно делать галтель переменного радиуса кривизны с увеличением радиуса в зоне перехода к ступени меньшего диаметра.
Подбором галтели оптимальной формы на значительной длине вала можно практически избавиться от концентрации напряжений.
На рис. ,д показаны оптимальные формы галтелей при изгибе, кручении и растяжении вала.
Эффективным путем повышения прочности валов в переходных сечениях является удаление малонапряженного материала: выполнение разгрузочных канавок (рис. ,е) и высверливание отверстий в ступенях большого диаметра (рис. ,ж). Эти мероприятия обеспечивают более равномерное распределение напряжений и снижают концентрацию напряжений.
Материалы и обработка валов и осей
Основными материалами для валов и осей служат углеродистые и легированные стали ввиду их прочности, большого модуля упругости, способности к упрочнению и легкости получения требуемых цилиндрических заготовок путем прокатки.
Для валов и осей, подчиненных критерию жесткости и не подвергающихся термической обработке, преимущественно применяют стали Ст5 и Ст6. Для большинства валов применяют термически обрабатываемые среднеуглеродистые и легированные стали 45, 40Х. Для высоконапряженных валов ответственных машин применяют легированные стали: 40ХН, 40ХН2МА, ЗОХГТ, ЗОХГСА и др. Валы из этих сталей обычно подвергают улучшению, закалке с высоким отпуском или поверхностной закалке т. в. ч. с низким отпуском (шлицевые валы).
Быстроходные валы, вращающиеся в подшипниках скольжения, требуют весьма высокой твердости цапф, их изготовляют из цементуемых сталей 20Х, 12ХНЗА, 18ХГТ или азотируемых сталей типа 38Х2МЮА. Наибольшую износостойкость имеют хромированные валы.
В качестве заготовок для стальных валов диаметром до150мм обычно используют круглый прокат, для валов большого диаметра и фасонных валов – поковки.
Расчетные схемы валов и осе, критерии расчета
Валы и вращающиеся оси обычно рассчитывают на изгиб, как балки на шарнирных опорах. Для валов, вращающихся в подшипниках качения, установленных по одному в опоре (рис. , а), эта схема. достаточно точно соответствует действительности. У валов, вращающихся в подшипниках качения, установленных по два в опоре (рис. ,б), основные реакции воспринимаются подшипниками, расположенными со сторонынагруженного пролета.
Рис.210. Расчетные схемы валов
У валов, вращающихся в несамоустанавливающихся подшипниках скольжения (рис. ,в), давление по длине подшипников вследствие деформации валов распределяется несимметрично. Условную шарнирную опору следует располагать на расстоянии (0,25 – 0,3) l от торца подшипника.
Силы на валыпередаются через насаженные на валы детали: зубчатые колеса, звездочки, шкивы, муфты и т.д. при постейших расчетах принимают, что насаженные на вал детали передают силы и моменты валу на середине своей ширины, и эти сечения принимают за расчетные.
Из критериев прочности для большинства валов современных быстроходных машин решающее значению имеет выносливость.
Критериями жесткостивалов являются условия правильной работы зубчатых передач и подшипников, а также виброустойчивость.
Расчеты на прочность
Основные нагрузкина валы – это силы от передач. Постоянные по величине и направлению силы вызывают в неподвижных осях постоянные напряжения, а во вращающихся осях и валах – напряжения, изменяющиеся по знакопеременному симметричному циклу. Вращающиеся вместе с осями и валами постоянные нагрузки, например от неуравновешенности вращающихся деталей, вызывают постоянные напряжения.
Предварительное определение диаметра вала, необходимое для выполнения эскиза вала и последующего основного расчета, производят с помощью эмпирических зависимостей или по условному расчету на кручение.
,
откуда
Здесь Мк – крутящий момент, кгс см; N – мощность, кВт; n – частота вращения, об/мин; d – диаметр вала, см; [] – условные допускаемые напряжения при кручении.
Д л я основного расчета валов и осейнеобходимо вычислять изгибающие и крутящие моменты в опасных сечениях. При расчете сложнонагруженных валов строят эпюры изгибающих и крутящих моментов. При действии на вал нагрузок в разных плоскостях их обычно раскладывают на две взаимно перпендикулярные плоскости, за одну из которых выбирают плоскость действия одной из сил. Если силы расположены в плоскостях под углом до 30 , то их можно совместить в одну плоскость. При отклонениях сил от координатных плоскостей на угол, меньший 15 , их можно совмещать с последними. Для определения результирующего момента изгибающие моменты Мхи Муво взаимно перпендикулярных плоскостях складывают геометрически по формуле
