Назначение, классификация, материалы

Лекция 10. Валы, оси

План:

1. Назначение. Классификация. Конструктивные элементы. Материалы.

2. Критерии работоспособности и виды разрушений валов.

3. Проектные и проверочные расчеты валов.

 

Знать: названия и назначения элементов конструкции валов и осей: цапф, галтелей, фасок; марки применяемых материалов, критерии работоспособности валов и осей, причины выхода из строя.

Уметь провести проектировочный и проверочный расчеты валов и осей.

 

Назначение, классификация, материалы

Детали, на которые насажены вращающиеся части (шкивы, зубчатые колеса и т. п.), называются осями или валами. Оси и валы различаются между собой по условиям работы.

Поддерживая детали передач, оси и валы, в свою очередь, сами опираются на неподвижные опорные части — подшипники.

Оси – это детали, которые служат для поддержания вращающихся вместе с ними или на них различных деталей машин и механизмов. Оси не передают вращающего момента и подвергаются только изгибу.

Оси конструируют обычно в виде стержней, состоящих из ряда цилиндрических участков различных диаметров.

  Оси делятся на:

- не вращающиеся (ось блока);

- вращающиеся (ось вагона).

Конструктивные элементы валов и осей

Мы с вами будем проектировать ступенчатые валы. Поэтому и рассмотрим подробно именно их. Перед вами вал-шестерня (обычно это быстроходный вал цилиндрического редуктора).

Рис. 2. Конструктивные элементы валов и осей

 

У каждого вала есть как минимум две опоры. Участки валов и осей, которыми они опираются на опоры - подшипники называются цапфами.  Концевые цапфы называют шипами, промежуточные – шейками. Если цапфа воспринимает осевые нагрузки, то ее называют пятой.

Поверхность плавного перехода от одного диаметра вала к другому называется галтель. Галтель может быть:

1) с галтелью постоянного радиуса;

2) с галтелью переменного радиуса. Такая галтель снижает концентрацию напряжений и увеличивает долговечность. Применяется она на сильно нагруженных участках валов и осей.

Переход от одной ступени вала к другой может быть выполнен канавкой:

3) канавкой со скруглением для выхода шлифовального круга

Разность между диаметрами соседних ступеней вала должна быть минимальной для снижения концентрации напряжений. При конструировании это обычно 2,5 мм.

Рис.7. Конструктивные разновидности переходных участков вала: а — канавка; б — галтель;

в — галтель переменного радиуса; г — фаска

Торцы осей и валов делают с фасками, т.е. сл егка обтачивают на конце, для облегчения установки на них деталей.   

Материалы

В качестве материала для осей и валов чаще всего применяют углеродистые и легированные стали (прокат, поков­ка, реже стальные отливки). Без терми­ческой обработки применяют стали 35 и 40, Ст5, Ст6, 40Х, 40ХН, ЗОХНЗА, для увеличения несущей способности и долговечности с термической обработкой — стали 45, 50, 40ХН и др.

Валы и оси обрабатывают на токарных станках, посадочные поверхности шлифуют.

Расчет валов на жесткость

 

Проверочный расчет валов на жесткость выполняется в тех случаях, когда деформации валов существенно влияют на работу сопряженных с валом деталей. Например, правильность зацепления червячной пары может быть обеспечена лишь при достаточной жесткости червяка. Жесткость червяка оценивается по стреле прогиба.

Расчет червяков на жесткость мы уже рассмотрели.

Жесткость на изгиб у валов должна обеспечивать равномерность распределения давления по длине контактных линий зубьев колес; равномерность распределения давления по длине контактных поверхностей подшипников; отсутствие не допускаемого перекоса колец ролико-подшипников.

Критериями жесткости служат величины:

- максимального прогиба в местах посадки зубчатых колес;

- угла поворота опорных сечений, и сечений, совпадающих с серединами зубчатых колес;

- угла закручивания.

Условие жесткости можно записать в виде:

,              ,           ,

где - величина прогиба, - угол поворота в опоре, - угол закручивания,  - допустимый прогиб,  - допустимый угол поворота,  - допустимый угол закручивания (Рис. 4).

Рис. 4. Прогиб вала и угол поворота в опорах

 

Расчет валов на колебания

 (для этого существует балансировка колес).

У быстроходных валов основными возбуждающими силами, вызывающими колебания являются силы от неуравновешенности установленных на них деталей. Если частота действия этих сил равна или кратна частоте вращения вала, то наступает резонанс. Амплитуда колебаний вала резко возрастает и может привести к разрушению. Угловая скорость и частота вращения вала, соответствующая резонансу называется критической.

Для нормальной работы (без опасности наступления резонанса), угловая скорость и частота вращения вала при установившемся движении должна быть меньше или больше критической скорости или .

Критическую частоту вращения вала определяют:

О приближении частоты вращения вала к критической свидетельствует появление сильной вибрации.

При продолжительной работе в области резонанса происходит разрушение вала.

Существует 3 режима работы валов:

1) режим критической скорости

2) режим докритической скорости

3) режим закритической скорости.

Большинство осей и валов работает в докритических областях. Для уменьшения опасности резонанса повышают их жесткость.

При больших угловых скоростях, например, в быстроходных центрифугах и турбинах, применяют валы, работающие в закритических областях. Чтобы быстрее пройти область резонанса эти валы изготавливают повышенной податливости – гибкие валы.

За предел вибрационной устойчивости обычно принимают для жестких валов , для гибких валов . Работа механизмов в области    сопровождается значительными вибрациями, которые при продолжительной работе неизбежно приводят к поломкам валов.

Вследствие различных сопротивлений, возникающих при колебаниях, разрушение не может произойти мгновенно, и при быстром переходе в закритическую область работоспособность валов полностью сохраняется.

Иногда применяют специальные ограничители амплитуд колебаний. Это могут быть специальные приборы, называемые демпферами, действие которых основано на поглощении импульсов сил, возбуждающих вибрации, при помощи сил трения, или просто применяют материалы, обладающие особенно высокими демпфирующими свойствами (резина). Детали, устанавливаемые на гибких валах, тщательно балансируют.

Расчет на колебания проводится для высокоскоростных валов турбин, осей ж/д вагонов, трансмиссионных валов авиа и автомашин. Расчет сводится к определению критических частот вращения с целью исключения возможных резонансных колебаний вала при эксплуатации.

Подробнее о резонансе мы поговорим на лабораторных занятиях.

Лекция 10. Валы, оси

План:

1. Назначение. Классификация. Конструктивные элементы. Материалы.

2. Критерии работоспособности и виды разрушений валов.

3. Проектные и проверочные расчеты валов.

 

Знать: названия и назначения элементов конструкции валов и осей: цапф, галтелей, фасок; марки применяемых материалов, критерии работоспособности валов и осей, причины выхода из строя.

Уметь провести проектировочный и проверочный расчеты валов и осей.

 

Назначение, классификация, материалы

Детали, на которые насажены вращающиеся части (шкивы, зубчатые колеса и т. п.), называются осями или валами. Оси и валы различаются между собой по условиям работы.

Поддерживая детали передач, оси и валы, в свою очередь, сами опираются на неподвижные опорные части — подшипники.

Оси – это детали, которые служат для поддержания вращающихся вместе с ними или на них различных деталей машин и механизмов. Оси не передают вращающего момента и подвергаются только изгибу.

Оси конструируют обычно в виде стержней, состоящих из ряда цилиндрических участков различных диаметров.

  Оси делятся на:

- не вращающиеся (ось блока);

- вращающиеся (ось вагона).