НАЗНАЧЕНИЕ Валы и оси предназначены для направления и поддерживания в пространстве вращающихся деталей (зубчатые колеса, шкивы, блоки, звездочки и др.). Они различаются между собой по условиям работы. ОСЬ не передает вращающего момента и работает только на изгиб. Она может быть вращающейся или неподвижной. ВАЛ всегда вращается и всегда передает вращающий момент, работает в основном на изгиб и кручение. Некоторые валы не поддерживают вращающиеся детали и работают только на кручение. Например карданные валы автомобилей, гибкие валы в приводах механизированного инструмента и т.д. ВАЛЫ и ОСИ
Конструкция узла с вращающейся осью: 1 – ходовое колесо; 2 – шпонка; 3 – ось; 4 – конические роликоподшипники Конструкция узла с неподвижной осью: 1 – канатный блок; 2 – ось; 3 – стопорные планки; 4 – обойма блока
КОНСТРУКЦИЯ БАРАБАНА МЕХАНИЗМА ПОДЪЕМА
КОНСТРУКЦИИ ХОДОВЫХ КОЛЕС КРАНОВ а б а – на неподвижной оси: б – на вращающейся оси 1 – колесо; 2 – ось; 3 – зубчатая передача
В А Л Ы Механизм передвижения крана с тихоходным трансмиссионным валом: 1 – электродвигатель; 2 – муфта; 3 – редуктор; 4 – трансмиссионный вал; 5 – тормоз. Карданный вал Вал редуктора
По форме поперечных сечений валов а – цилиндрическое сплошное б – цилиндрическое полое в – со шпоночной канавкой г – с шлицевыми канавками д – профильное
По назначению Валы передач – несущие зубчатые колеса, шкивы, звездочки и другие детали. Коренные валы – кроме деталей передач несут еще рабочие органы машин или орудий (диски турбин, зажимные патроны токарных и расточных станков др.) По форме геометрической оси Прямые Коленчатые – используются не только для передач вращающегося момента, но и для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное Гибкие, с изменяемой формой геометрической оси. Применяются в приводах, приборах, зубоврачебных бурмашинах и др.
ОПОРНЫЕ УЧАСТКИ ВАЛОВ Вал 1 имеет большое число опор называемых подшипниками 2. Часть вала, охватываемую опорой, называют цапфой. Концевые цапфы называют шипами 3, а промежу- точные шейками 4.
ТРЕБОВАНИЯ К МАТЕРИАЛАМ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВАЛОВ Высокие прочностные характеристики. Малая чувствительность к концентрации напряжений Способность подвергаться термической и химико-термической обработке Хорошая обрабатываемость
Назначение вала Марка стали Вид термообработки Малонагруженные валы и оси, диаметры которых в основном определяются жесткостью Углеродистые стали: Ст.3, Ст.4, Ст.5 Без термообработки Валы и оси с повышенными требованиями к несущей способности шлицев и цапф Среднеуглеродистые и легированные стали: 35, 40, 45, 40Х, 40Н и др. Улучшение до твердости Н=250…320 НВ Валы и оси при требовании высокой износостойкости: опоры скольжения; вал-шестерни Малоуглеродистые конструкционные стали: к ачественные 15, 20; легированные 15Х, 20Х, 18 ХГТ, 12 ХНЗА и др. Цементация и закалка до твердости Н=58…63 Н Rc Тяжелонагруженные валы Легированные стали: 40ХНМА, 18ХГТ, 38Х2МЮА и др. МАТЕРИАЛЫ И ТЕРМООБРАБОТКА ВАЛОВ
ВИДЫ ПОВРЕЖДЕНИЙ ВАЛОВ Поломки валов в зоне концентраций напряжений. Возникают из-за понижения усталостной прочности вследствие действия переменных напряжений. Причины – неправильный выбор конструктивной формы деталей (галтель), нарушение технологии изготовления (надрезы, следы обработки и т.д.), нарушение норм технической эксплуатации (неправильная регулировка подшипников, уменьшение необходимых зазоров). Чаще всего поломки происходят в зоне расположения концентраторов напряжений (шпоночные пазы, галтели, отверстия, напрессовки и др.). Смятие рабочих поверхностей (пазов, шпонок, шлицев, износ шлицев в под- вижных соединениях и другие виды поверхностных повреждений). Фрикционная коррозия и концентрация давления на участках, расположенных около торцов ступицы (возникают предпосылки к возникновению очагов усталостного разрушения. Недостаточная жесткость валов и осей на изгиб и кручение. Разрушения в следствие поперечных или крутильных колебаний.
КРИТЕРИИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ВАЛОВ Прочность Жесткость Виброустойчивость Износостойкость Основным критерием работоспособности тихоходных валов является статическая прочность
ЭСКИЗНАЯ КОМПОНОВКА ДВУХСТУПЕНЧАТОГО ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО РЕДУКТОРА (первый этап)
УСЛОВНАЯ СХЕМА ПРОМЕЖУТОЧНОГО ВАЛА-ШЕСТЕРНИ
КОНСТРУКЦИЯ ВАЛА - ШЕСТЕРНИ d 1
ТОЧКИ ОПОРЫ ВАЛА а – на радиальном подшипнике; б – на радиально-упорном подшипнике; в – на двух подшипниках в одной опоре; г – на подшипнике скольжения
СХЕМЫ НАГРУЖЕНИЯ ВАЛА. ЭПЮРЫ ИЗГИБАЮЩИХ И ВРАЩАЮЩЕГО МОМЕНТОВ По ГОСТ 16162-85 для входных и выходных валов одноступенчатых цилиндрических и конических редукторов и для быстроходных валов редукторов любого типа Для тихоходных валов двух- и трех- ступенчатых редукторов, а также червячных передач где Т – вращающий момент на валу.
ПОРЯДОК РАСЧЕТА ВАЛОВ НА СТАТИЧЕСКУЮ ПРОЧНОСТЬ Составляют расчетную схему Определяют реакции опор в горизонтальной и вертикальной плоскостях Строят эпюры изгибающих моментов и эпюры крутящего момента Геометрически суммируют моменты Для опасных сечений (где наибольшие суммарные моменты) рассчитывают диаметры и окончательно разрабатывают конструкцию вала. Так как валы работают в условиях изгиба и кручения, а напряжения от осевых сил малы, то эквивалентное напряжение в точке наружного волокна согласно энергетической теории прочности определяют по формуле где ; - расчетные напряжения на изгиб и кручение - осевой и полярный моменты сечения вала
РАСЧЕТ ВАЛОВ НА УСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ Выполняют как проверочный в форме определения коэффициентов запасов прочности где S , S - коэффициенты запаса прочности соответственно по напряжениям изгиба и кручения; [s] = 2…2,5 - допустимый коэффициент запаса прочности. где σ -1, -1 - пределы выносливости материала при изгибе и кручении; К D, K D - коэффициенты концентрации напряжений, учитывающие влияние всех факторов на сопротивление усталости; σ а, а - амплитуды напряжений; , - коэффициенты, характеризирующие чувствительность материала к ассиметрии цикла напряжений; σ m, m - постоянные составляющие цикла изменения напряжений.
ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В ВАЛАХ Симметричный цикл напряжений Отнулевой цикл напряжений Постоянные по величине и направлению нагрузки вызывают во вращающихся валах переменные напряжения изгиба, меняющиеся по симметричному циклу с амплитудой σ а и средним напряжением σ m Изменение напряжений кручения в расчетах принимают по отнулевому циклу
Основной расчет валов – расчет на усталостную прочность
1. Ориентировочный расчет (по занижен-ным допускаемым напряжениям): , мм., Н/мм 2 Т, Нм. 2. По вычисленному значению принимают диаметр шипа или выходного конца вала. Длины и диаметры ступеней назначают конструктивно.
По результатам анализа нагруженности вала назначается 2…3 опасных сечения, в которых определяют запасы прочности. Запас усталостной прочности по нормальным напряжениям: где - предел выносливости материала вала по нормальным напряжениям;
– коэффициент концентрации напряжений; – амплитуда напряжений; – коэффициент чувствительности материала к асимметрии цикла; – среднее значение напряжений цикла.
Запас усталостной прочности, учитывающий нормальные и касательные напряжения: [ s ] – допустимый коэффициент запаса прочности.
Для валов, работающих с перегрузками, проводят расчет на статическую прочность: где ; s T = 1,2…1,8
