10 ВАЛЫ И ОСИ
10.1 Назначение, конструкция и материалы валов и осей
Осью называют деталь, предназначенную только для поддержания установленных на ней деталей. В отличие от вала ось не передает вращающего момента и работает только на изгиб. В машинах оси могут быть неподвижными (рисунок 33, а) или же могут вращаться вместе с сидящими на них деталями (рисунок 33, б) (подвижные оси).
Валом называют деталь (как правило, гладкой или ступенчатой цилиндрической формы), предназначенную для поддержания установленных на ней шкивов, зубчатых колес, звездочек, катков и т. д., и для передачи вращающего момента.
При работе вал испытывает изгиб и кручение, а в отдельных случаях помимо изгиба и кручения валы могут испытывать деформацию растяжения (сжатия). Некоторые валы не поддерживают вращающиеся детали и работают только на кручение.
Вал 1 (рисунок 34) имеет опоры 2, называемые подшипниками. Часть вала, охватываемую опорой, называют цапфой. Концевые цапфы именуют шипами 3, а промежуточные — шейками 4.
10.2 Классификация валов и осей
По назначению валы делят на валы передач (на них устанавливают детали передач) и коренные валы (на них устанавливают дополнительно еще и рабочие органы машины). Форма валов и осей разнообразна и зависит от выполняемых ими функций. Иногда, валы изготавливаются совместно с другими деталями, например, шестернями, кривошипами, эксцентриками.
По геометрической форме валы делят на: прямые (рисунок 2); кривошипные (рисунок 35, а); коленчатые (рисунок 35, б); гибкие (рисунок 35, в); телескопические (рисунок 35, г); карданные (рисунок 35, д). Кривошипные и коленчатые валы используют для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное (поршневые двигатели) или наоборот (компрессоры); гибкие — для передачи вращающего момента между узлами машин, меняющими свое положение в работе (строительные механизмы, зубоврачебные машины и т. п.); телескопические — при необходимости осевого перемещения одного вала относительно другого.
Гибкие валы изготавливаются многослойной навивкой стальной пружинной проволоки на тонкий центральный стержень. Они сохраняют достаточную гибкость лишь при небольших диаметрах, так как при увеличения диаметра момент инерции сечения, а, следовательно, и жесткость резко возрастают, Поэтому при всех положительных качествах и удобстве привода, такие валы не могут передавать сколько-нибудь значительной мощности и имеют сравнительно узкое применение.
По типу сечения валы и оси бывают; сплошные; полые; комбинированные. Применение полых валов приводит к существенному снижению массы и повышению жесткости вала при той же прочности, но изготовление полых валов сложнее сплошных. Полыми валы изготовляют и в тех случаях, когда через вал пропускают другую деталь, подводят масло.
Посадочные поверхности валов и осей под ступицы насаживаемых деталей называют цапфами (рисунок 36) и выполняют цилиндрическими (а), коническими (б) или шаровыми (в). При этом принято называть промежуточные цапфы шейками, концевые — шипами. Широкое распространение в машиностроении получили цилиндрические цапфы; конические и шаровые цапфы применяют редко.
Конструктивные разновидности переходных участков между ступенями валов и осей (рисунок 37): канавка со скруглением для выхода шлифовального круга (а); галтель постоянного радиуса (б); галтель переменного радиуса (в), галтель снижает концентрацию напряжений и увеличивает долговечность, торцы валов и осей делают с фасками (г), облегчают сборку.
10.3 Критерии работоспособности и расчет валов и осей
Основными критериями работоспособности валов и осей являются прочность, жесткость, усталостная прочность.
В процессе работы валы и оси испытывают постоянные или переменные по величине и направлению нагрузки. Прочность валов и осей определяется величиной и характером напряжений, возникающих в них под действием нагрузок. Постоянные по величине и направлению нагрузки вызывают в неподвижных осях постоянные напряжения, а во вращающихся осях (и валах) — переменные.
Для расчета валов и осей на прочность и жесткость составляют расчетную схему. При расчете на изгиб вращающиеся валы и оси рассматривают как балки на шарнирных опорах. На расчетных схемах силы и вращающие моменты условно принимают как сосредоточенные.
Схемы нагружения валов и осей зависят от количества и места установки на них вращающихся деталей и направления действия сил. При сложном нагружении выбирают две ортогональные плоскости (например, фронтальную и горизонтальную) и рассматривают схему в каждой плоскости. Рассчитываются, конечно, не реальные конструкции, а упрощённые расчётные модели, представляющие собой балки на шарнирных опорах, балки с заделкой и даже статически неопределимые задачи.
Основным является расчет валов на прочность при совместном действии кручения и изгиба. При составлении расчётной схемы валы рассматривают как прямые брусья, лежащие на шарнирных опорах. При выборе типа опоры полагают, что деформации валов малы и, если подшипник допускает хотя бы небольшой наклон или перемещение цапфы, его считают шарнирно-неподвижной или шарнирно-подвижной опорой. Подшипники скольжения или качения, воспринимающие одновременно радиальные и осевые усилия, рассматривают как шарнирно-неподвижные опоры, а подшипники, воспринимающие только радиальные усилия, – как шарнирно-подвижные.
При расчете валов на кручение обычно определяют диаметр выходного конца вала или диаметр вала под подшипником (под опорой), который испытывает только кручение.
Жесткость валов и осей оценивается величиной прогиба в местах установки деталей или углом закручивания сечений. Параметрами, характеризующими изгибную жесткость валов и осей, являются прогиб вала f и угол наклона, а также угол закручивания.
Усталостная прочность (выносливость) валов и осей оценивается коэффициентом запаса прочности. Здесь учитываются концентраторы напряжений: резкие переходы сечений; наличие канавок и малых радиусов скруглений; шероховатость обработки поверхности; посадки с натягом и др.
Расчет на колебания выполняют для высокоскоростных валов. Расчет заключается в определении критической угловой скорости.
