Зубчатые колеса, шкивы, звездочки и другие вращающиеся детали машин устанавливаются на валах и осях. Между этими двумя элементами механизмов имеется существенное различие, заключающееся в функциональном назначении и некоторым другим признакам.
Вал предназначен для передачи вращающего момента вдоль своей оси, а также для поддержания расположенных на нем деталей и восприятия всех действующих на эти детали внешних нагрузок.
В отличие от вала, ось только поддерживает установленные на ней детали и воспринимает действующие на них нагрузки, кроме вращающего момента, т. е. не испытывает деформацию кручения. Оси могут быть неподвижными (например, неподвижная ось в виде цапфы автомобильного колеса на управляемом мосту) или подвижными, т. е. вращаться вместе с размещенными на них деталями (ось колесной пары железнодорожного вагона).
Классификация валов более обширная – они могут различаться по нескольким признакам.
Классификация валов
По назначению валы делят на коренные, передаточные, трансмиссионные, гибкие и торсионные.
Коренные валы несут основные рабочие узлы машины (коленчатый вал двигателя, ротор турбины и т. п.).
Передаточные валы несут детали передач (зубчатые колеса, шкивы, звездочки и т. п.). В отличие от коренного вала передаточные служат для выполнения промежуточной функции в агрегатах машины при передаче крутящего момента. Так, передаточными валами являются первичный и вторичный валы КПП, валы главной передачи, раздаточной коробки и т. п.
Трансмиссионные валы служат для передачи вращающего момента между отдельными агрегатами и рабочими узлами машины. Примеры трансмиссионных валов: карданная передача, полуоси, ведущие валы с шарнирами равных угловых скоростей в легковых автомобилях с передними ведущими колесами и т. п.
Гибкие (гибкие проволочные) валы допускают передачу вращающего момента при значительных перегибах оси. Такие валы встречаются, например, в контрольно-измерительных приборах (трос спидометра), механизированном инструменте (вал бормашины стоматолога).
Торсионные валы (торсионы) – валы малых диаметров, служащие для передачи вращающих моментов. Такие валы допускают закручивание относительно оси на значительные углы.
По форме геометрической оси валы подразделяют на прямые и непрямые – коленчатые и эксцентриковые. Примером эксцентрикового вала может служить вал газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания.
Оси, как правило, изготавливают прямыми. По конструкции прямые валы и оси мало отличаются друг от друга.
Прямые валы и оси могут быть гладкими или ступенчатыми. Ступенчатая форма способствует равномерной напряженности вала по длине, а также упрощает монтаж деталей, расположенных на нем.
По форме поперечного сечения валы и оси бывают сплошные и полые (с осевыми отверстиями). Полые валы применяют для уменьшения массы или для размещения внутри них других деталей или элементов конструкции, а также для подвода масла смазочной системы.
По внешнему очертанию поперечного сечения валы разделяют на шлицевые и шпоночные, имеющие на некоторой длине шлицевой профиль или профиль со шпоночным пазом.
Конструктивные элементы осей и валов
Отдельные элементы валов и осей имеют специфические названия. В частности, опорные части валов и осей, т. е. участки, которыми вал или ось опирается на подшипник, принято называть цапфами . При этом различают следующие виды цапф – шипы, шейки и пяты.
Шипом называют цапфу, расположенную на конце вала или оси и передающую преимущественно радиальную силу.
Шейкой называют промежуточную цапфу вала или оси. Как и шип, шейка передает, преимущественно, радиальную силу. Опорами для шипов и шеек служат подшипники скольжения или качения. Шипы и шейки по форме могут быть цилиндрическими, коническими или сферическими. В большинстве случаев применяют цилиндрические цапфы.
Пятой называют цапфу, передающую осевую силу. Опорами для пят служат подпятники. Пяты по форме бывают кольцевыми, сплошными и гребенчатыми. Гребенчатые пяты применяются редко.
Посадочные поверхности валов и осей под ступицы насаживаемых деталей выполняют цилиндрическими или коническими. Конические концы валов чаще всего изготавливают с конусностью 1:10. Конусные поверхности валов применяют для облегчения монтажа устанавливаемых на вал тяжелых деталей, быстрой их смены, для повышения точности центрирования деталей и обеспечения требуемого натяга при сборке.
Переходные участки ступенчатых валов и осей между двумя ступенями разных диаметров выполняют с канавкой со скруглением шириной 3…5 мм и глубиной 0,25…0,5 мм, с галтелью постоянного максимально возможного радиуса или с галтелью переменного радиуса (галтель – поверхность плавного перехода от ступени меньшего сечения к большему). Назначение переходных участков валов и осей – уменьшение концентрации напряжений в местах изменения формы сечения этих деталей. Для повышения несущей способности валов и осей часто выполняют деформационное упрочнение галтелей наклепом.
Критерии работоспособности валов и осей
Основными критериями работоспособности валов и осей являются прочность и жесткость. Валы и вращающиеся оси при работе испытывают циклически изменяющиеся напряжения. Прочность оценивают коэффициентом запаса прочности при расчете валов и осей на сопротивление усталости, а жесткость – прогибом, углами поворота или закручивания сечений в местах установки деталей.
Практикой установлено, что разрушение валов и осей быстроходных машин в большинстве случаев носит усталостный характер, поэтому основным является расчет на сопротивление усталости.
Читайте также: Фиксация вала от осевого перемещения
Основными расчетными силовыми факторами являются вращающие Т и изгибающие М моменты. Влияние растягивающих и сжимающих сил на прочность незначительно, и их в большинстве случаев не учитывают.
Проектировочный и проверочный расчеты валов и осей
При проектировании валов и осей выполняют проектировочный расчет на статическую прочность с целью ориентировочного определения диаметров ступеней. При проектировочном расчете валов редуктора обычно определяют диаметры концевых сечений входного и выходного валов, а для промежуточных валов – диаметр в месте посадки колес.
Диаметр расчетного сечения вала определяют по формуле, известной из курса сопротивления материалов:
где Мк = Т – крутящий момент, действующий в расчетном сечении, Нм;
[τ]к – допускаемое напряжение при кручении для материала вала, МПа.
Полученный расчетный диаметр вала округляют до ближайшего диаметра стандартного ряда по ГОСТ.
Проектировочный расчет осей чаще всего выполняют аналогично расчету балок с шарнирными опорами обычными методами сопротивления материалов.
Проверочный расчет валов и осей проводят на сопротивление усталости и на жесткость. Проверочный расчет выполняют после окончательной разработки конструкции вала или оси на основе проектировочного расчета. Проверку на сопротивление усталости производят по коэффициенту запаса прочности по максимальной длительно действующей нагрузке без учета кратковременных пиковых нагрузок (например, в период пуска).
Расчет валов на жесткость выполняют в случае, когда деформации (линейные или угловые) неблагоприятно влияют на работу сопряженных с валом деталей (зубчатых колес, подшипников и т. п.). Различают изгибную и крутильную жесткость вала. Изгибная жесткость оценивается прогибом вала, крутильная – углом закручивания.
Проверочный расчет осей на сопротивление усталости и изгибную жесткость выполняют аналогично расчету валов, с учетом того, что для осей Мк = 0.
При разработке конструкции валов или осей рекомендуется детали, располагаемые на них, размещать по возможности ближе к опорам для уменьшения изгибающих моментов.
С целью уменьшения мест концентрации напряжений следует избегать излишних ступеней, отверстий и шпоночных пазов, а также других отклонений формы поперечного сечения вала или оси. Переходные участки следует выполнять в виде галтелей или канавок со скруглениями.
Проверочный расчет на вала статическую прочность
Назначение, конструкция и критерии работоспособности
Вал — предназначен для поддержания вращающихся деталей и передачи крутящего момента от одной летали к другой. При этом вал воспринимает, силы, действующие на детали, и передает их на опоры. При работе вал испытывает изгиб и кручение.
Видео:Валы и механические передачи 3D. Инженерная практика 2021, часть 4Скачать
Ось — предназначена только для поддержания сидящих на ней деталей. Ось не передает крутящего момента и, следовательно, не испытывает кручения. Ось работает только на изгиб. Оси могут быть неподвижные и вращающиеся.
· валы передач, несущие зубчатые колеса, шкивы, звездочки, муфты;
· коренные валы и другие специальные валы, несущие кроме вышеперечисленных деталей рабочие органы машин, двигателя и детали специального назначения (колеса и диски турбин, патроны и т.д.
По форме геометрической оси:
· прямые валывыполняют гладкими (рис.1) или ступенчатыми (рис.2);
Рис.2. Ступенчатый вал
· коленчатые валы, имеющие ломаную ось. Используют в специальных машинах (поршневых двигателях и компрессорах);
· гибкие валы, имеющие криволинейную геометрическую ось при работе. Используются для передачи крутящего момента между агрегатами со смещенными в пространстве осями входного и выходного.
По типу поперечного сечения:
· полые для размещения соосного вала, деталей управления, подачи масла, охлаждения;
· шлицевые.
 |
Рис.5. Полый вал Рис.6.Шлицевой вал
По расположению, быстроходности и назначению:
Особенности конструкции
При конструировании валов и осей принимают во внимание технологию сборки и разборки, способ фиксирования насаживаемой детали, механическую обработку, расход материала и пр.
В конструкции ступенчатого вала условно выделяют следующие элементы: концевые участки; участки перехода от одной ступени к другой; места посадки подшипников, уплотнений и деталей, передающих момент вращения. Каждый элемент имеет свое название (рис. 7).
Цапфа (Ц) –участок вала (оси), которым он опирается на подшипник . Цапфы делятся на:
шипрасположен на конце вала (оси) и предназначен для восприятия, в основном, радиальной нагрузки;
шейка —промежуточная цапфа, расположена в средней части вала (оси);
пятарасположена на конце вала (оси) и предназначена для восприятия, в основном, осевой нагрузки.
1 — зубчатое колесо, 2 – крышка подшипника, 3 – втулка, 4 — подшипник
Заплечик (З) –переходная торцевая поверхность от одного сечения вала (оси) к другому, предназначенная для упора деталей, установленных на валу или оси.
Буртик (Б) –кольцевые утолщения вала (оси), составляющее одно целое с валом (осью).
Канавка (К) –углубление на поверхности меньшего диаметра между соседними ступенями валов: предназначена для плотного прилегания насаживаемой детали к заплечику (буртику), выхода шлифовального круга, при обработке поверхности меньшего диаметра, выхода резьбонарезного инструмента. (рис.8.4)
Галтель (Г) –криволинейнаяповерхность плавного перехода от меньшего сечения вала (оси), к плоской части заплечика или буртика. (рис.8.4)
Читайте также: Допуск h14 для вала
Видео:9.1 Расчет валов приводаСкачать
Фаска (Ф) –скошенная часть боковой поверхности вала (оси) у торца вала (оси), заплечика, буртика. Служит для облегчения сборки и предотвращения травмирования рук.
Радиусы закруглений галтелей, размеры фасок принимают по ГОСТ 12080-66 в зависимости от диаметра вала.
Шпоночный паз (Ш) –углубление в валах для установки шпонок. Выполняют на участках крепления деталей, передающих вращающий момент.
Размеры шпоночных пазов принимают по ГОСТ 23360-78.
Благодаря массовому применению валов и осей в механизмах, для них выработаны нормативы на выполнение различных конструктивных элементов.
Фиксирование в окружном направлении насаживаемой детали (колеса, шкива и т. п.) на валу часто осуществляют соединением с натягом (за счет сил трения). В таких соединениях диаметр подступичной части вала следует увеличивать на 5…10% против соседних участков для снижения напряжений в зонах концентрации (на краях соединения).
При средних значениях крутящего момента и менее высоких требованиях к точности центрирования применяют шпоночные соединения(рис.8.5,a), a при высоких вращающих моментах и повышенных требованиях к центрированию применяют шлицевые соединения.
Для изготовления валов используют углеродистые стали марок 20, 30 40 45 и 50, легированные стали марок 20Х, 40Х, 40ХН, 18Х2Н4МА, 40ХН2МАи др., титановые сплавы ВТЗ-1, ВТ6 и ВТ9.
Выбор материала, термической и химико-термической обработки определяется конструкцией вала и опор, условиями эксплуатации. Например, быстроходные валы, вращающиеся в подшипниках скольжения, требуют высокой твердости цапф, поэтому такие валы изготовляют из цементуемых сталей 12Х2Н4А, 18ХГТ или азотируемых сталей 38Х2МЮА и др. Валы-шестерни по этой же причине изготовляют из цементуемых легированных сталей марок I2XH3A, I2X2H4A и др.
Расчет валов и осей
Основными расчетными силовыми факторами являются крутящие Т и изгибающие М моменты. Под действием постоянных по величине и направлению сил и моментов во вращающихся валах возникают напряжения, изменяющиеся по симметричному циклу. Поэтому поломки валов и осей имеют усталостный характер.
Причины поломок валов и осей:
· на стадии проектирования — неверный выбор формы, неверная оценка концентраторов напряжений;
· на стадии изготовления — надрезы, забоины, вмятины от небрежного обращения;
· на стадии эксплуатации — неверная регулировка подшипниковых узлов.
Критерии работоспособности
· статическая прочность при перегрузках;
· выносливость при действии переменных нагрузок;
· жесткость и виброустойчивость.
Проектный расчет валов
Выполняется на 1 стадии проектирования, когда известны только крутящие моменты T на всех валах машины. При этом считается, что вал испытывает только касательные напряжения кручения:
где — полярный момент сопротивления сечения.
Для круглого сечения ;
=20-40 МПа – допускаемые касательные напряжения.
Условие прочности по напряжениям кручения (8.1) удобно решать относительно диаметра вала
Это – минимальный диаметр вала. На всех других участках вала он может быть только больше.
Полученные значения округляются до ближайшего размера согласно ГОСТ 6636- 69 «Нормальные линейные размеры». Так, из ряда указанного стандарта в диапазоне от 16 до 100мм предусмотрены следующие основные нормальные линейные размеры:
16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 24, 25, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42, 45, 48, 50, 53, 56, 60, 63, 67, 71, 75, 80, 85, 90. 95, 100мм.
Проверочный расчет на вала статическую прочность
Расчет вала на статическую прочность выполняется для предупреждения появления пластических деформаций или хрупкого разрушения (для высокопрочных материалов).
Выполняется на этапе эскизной компоновки, когда предварительно выбраны подшипники, известна длина всех участков вала, известно положение всех колёс на валу, рассчитаны силы, действующие на вал.
Видео:Детали машин. Лекция 4.1. Валы и оси.Скачать
Расчёт сводится к определению фактического коэффициента запаса прочности по пределу текучести и сравнения его с допускаемым :
где , — коэффициенты запаса прочности по пределу текучести нормальным и касательным напряжениям.
1.Составить расчетную схему. Расчётная схема вала: балка на шарнирных опорах (рис.8).
Нанести на ее все внешние силы, приводя плоскости их действия к двум взаимно перпендикулярным плоскостям (горизонтальной Х и вертикальной Y) и плоскости смещения валов;
Основные нагрузки на вал: силы, которые передаются через насаженные на них детали: зубчатые, конические, червячные колеса, звездочки, щкивы, муфты (окружная сила Ft ,радиальная сила Fr, ,осевая сила Fa , сила со стороны муфты Fмуф . Cила, действующая на вал со стороны муфты, определяется по формуле: для входных валов и выходных валов одноступенчатых редукторов , для выходных валов многоступенчатых редукторов .
При расчетах принимают, что насаженные на вал детали передают силы и моменты валу на середине своей ширины.
2.Определить опорные реакции в горизонтальной, вертикальной плоскостях и плоскости смещения валов;
3.Построить эпюры изгибающих моментов , , Ммуф ;
4.Построить эпюру крутящего момента ;
5.Установить опасные сечения;
6.Вычислить суммарный изгибающий момент в опасном сечении;
Рис.8. Расчетная схема вала
7. Определить максимальное нормальное напряжение в период пуска ,
где Wx — осевой момент сопротивления сечения вала,
КП — коэффициент пусковой перегрузки.
8. Определить максимальное напряжение кручения в период пуска ,
Читайте также: Что такое стакан вала
где — полярный момент сопротивления сечения вала.
9. Коэффициент запаса прочности по нормальным напряжениям ,
где предел текучести материала вала по нормальным напряжениям.
10. Коэффициент запаса прочности по касательным напряжениям ,
где предел текучести материала вала по касательным напряжениям.
11. Общий коэффициент запаса прочности по пределу текучести .
Для материалов умеренной пластичности при пониженной точности расчета и ориентировочной оценке механических свойств допускаемый коэффициент запаса прочности равен = 1,6–2,2. Для хрупких материалов и литых валов = = 2,0–3,0
Проверочный расчет на выносливость
Выполняется на стадии рабочего проектирования, когда практически готов рабочий чертёж вала, т.е. известна его точная форма, размеры и все концентраторы напряжений: шпоночные пазы, кольцевые канавки, сквозные и глухие отверстия, посадки с натягом, галтели.
При расчёте полагается, что напряжения изгиба изменяются по симметричному циклу, а касательные напряжения кручения – по отнулевому пульсирующему циклу (рис. 9).
Рис.9. Циклы изменений напряжений в сечениях вала: а — симметричный цикл (напряжения изгиба);
Видео:Редуктор. Устройство. Конструкция. Виды и типы редукторовСкачать
б— отнулевой цикл (напряжения кручения)
Проверочный расчёт вала на выносливость сводится к определению фактического коэффициента запаса прочности , который сравнивается с допускаемым :
где Ss и St — коэффициенты запаса по нормальным и касательным напряжениям:
s-1 , τ-1 — пределы выносливости материала вала при изгибе и кручении с симметричным циклом;
sa , τa — амплитудные значения нормальных и касательных напряжений;
kσ , kτ — эффективные коэффициенты концентрации напряжений при изгибе и кручении, учитывающие галтели, шпоночные канавки, прессовые посадки и резьбу;
— масштабный коэффициент (фактор);
, — коэффициенты качества поверхности (учитывают влияние шероховатости поверхности);
ψσ, ψτ – коэффициенты влияния среднего напряжения цикла на усталостную прочность, зависят от типа стали.
Если условие (4) не выполняется, (коэффициент запаса оказывается меньше допускаемого , то сопротивление усталости можно существенно повысить, применив поверхностное упрочнение: азотирование, поверхностную закалку токами высокой частоты, дробеструйный наклёп, обкатку роликами и т.д. При этом можно получить увеличение предела выносливости до 50% и более.
Расчет валов на жесткость
Различают изгибную и крутильную жесткость валов.
Требуемая жесткость по изгибу осей и валов в основном определяется условиями работы передач и подшипников. Деформация валов вызывает взаимный наклон колес, концентрацию нагрузки по длине зубьев и раздвигание осей колес. У подшипников качения из-за большого угла поворота на опоре возможно защемление тел качения в результате перекоса колец, а у роликоподшипников создается еще и неравномерное распределение давления по длине роликов.
Расчет на изгибную жесткость сводится к определению прогибов y и углов поворотов θ сечений валов (рис. 10):
где = допускаемый прогиб: для валов общего назначения — , под зубчатыми колесами — , под коническими и глобоидными колесами ,
— расстояние между опорами;
— допускаемый угол перекоса: для зубчатых колес и опор скольжения — = 0,001 рад, для радиальных шарикоподшипников = 0,005 рад, для радиальных роликоподшипников = 0,0025 рад, для конических роликоподшипников = 0,0016 рад.
Рис.10. Схема к расчету вала на изгибную жесткость
Крутильная жесткость для многих машин, таких как автомобили, трактора, суда, не имеет существенного значения. В случаях, когда движение должно синхронно передаваться нескольким механизмам, а также в точных металлорежущих станках и устройствах автоматического управления, необходима высокая крутильная жесткость. Недостаточная крутильная жесткость вала-шестерни приводит к возникновению концентрации нагрузки по длине зуба.
Задача расчета на крутильную жесткость (для гладкого вала) сводится к определению угла закручивания:
где Т – крутящий момент на валу;
l – длина свободного участка вала;
G – модуль упругости второго рода (сдвига);
Iρ – полярный момент инерции сечения вала;
– максимально допустимый угол закручивания.
Значение допустимого угла закручивания:
для транспортных машин = 3–4º на один погонный метр; для точных металлорежущих станков и устройств автоматического управления = 5–10º на один погонный метр; для механизмов движения, крановых мостов = 15–20º на один погонный метр.
Контрольные вопросы
1) передачи крутящего момента и поддержания вращающихся деталей
2) поддержания вращающихся деталей машин
Видео:Лекция «Валы и оси. Их опоры»Скачать
3) соединения различных деталей
4) обеспечения синхронности работы отдельных деталей машин
2. Валы передач работают на…
3.Основными критериями работоспособности валов являются…
2) прочность, долговечность
3) прочность, грузоподъемность
4) жесткость, виброустойчивость
4.Этапы расчета валов называют…
2) проектный, ориентировочный
3) проверочный, плоскостной
4) проверочный, ориентировочный
5. При проектном расчете вала…
1) определяют диаметр конца вала
2) производят расчет на статическую прочность
3) производят расчет на выносливость
4) производят расчет на жесткость
6. Проверочный расчет вала на выносливость заключается в определении…
1) коэффициента запаса прочности
2) эквивалентного напряжения
7. Параметрами, характеризующими жесткость вала являются…
2) угол наклона поперечного сечения вала
8. По формуле s>[s] приводят расчет.
1) . на статическую прочность осей
2) . на статическую прочность валов
3) . на усталостную прочность осей
4) . на усталостную прочность валов
Дата добавления: 2018-05-13 ; просмотров: 1859 ; Мы поможем в написании вашей работы!
- Свежие записи
- Чем отличается двухтактный мотор от четырехтактного
- Сколько масла заливать в редуктор мотоблока
- Какие моторы бывают у стиральных машин
- Какие валы отсутствуют в двухвальной кпп
- Как снять стопорную шайбу с вала
- Правообладателям
- Политика конфиденциальности
Механика © 2023
Информация, опубликованная на сайте, носит исключительно ознакомительный характеристочники:Видео:9.4. Расчет валов и осейСкачать
📺 Видео
Детали машинСкачать
КРУЧЕНИЕ ВАЛА. Касательные напряжения. Сопромат.Скачать
Механизм преобразования вращательного движения в поступательноеСкачать
Расчеты в КОМПАС-3D. Инженерная практика 2021, часть 6Скачать
Опоры валов и осей: подшипники скольженияСкачать
Расчет вала на прочность и жесткость. Эпюра крутящих моментовСкачать
Детали машин. Лекция 2.3. Основы расчета зубчатых передачСкачать
Практическая №4 Определение реакций нагруженного валаСкачать
6.3 Зубчатые цилиндрические передачиСкачать
Выбираем общие допуски и посадки на примере детали вал. Предельные отклонения размеровСкачать
Вал и ось. В чем отличие? Назначение валов и осей в машиностроении и не толькоСкачать
Прочность и жесткость валов. Часть 6: Эпюры моментов выходного вала (цилиндрическая передача).Скачать
Валы и механические передачи 3DСкачать
