Особенности конструирования.

Конструктивная форма вала (оси) зависит от нагрузки, способа фиксирования насаживаемой детали и условий сборки (разборки).

Для осевого фиксирования деталей (подшипников, зубчатых колес и др.) на валах выполняют упорные буртики или заплечики.

Материалы валов.

Для изготовления валов используют углеродистые стали марок 20, 30, 40, 45 и 50, легированные стали марок 20Х, 40Х, 40ХН, 18Х2Н4МА, 40ХН2МА и др., титановые сплавы ВТЗ-1, ВТ6 и ВТ9. Выбор материала, термической и химико-термической обработки определяется конструкцией вала и опор, условиями эксплуатации. Быстроходные валы, в подшипниках скольжения, требуют высокой твердости цапф (посадочных хвостовиков), поэтому их изготовляют из цементируемых сталей 12Х2Н4А, 18ХГТ или азотируемых сталей 38Х2МЮА. Валы-шестерни также изготовляют из цементируемых легированных сталей марок 12ХНЗА, 12Х2Н4А и др

58. Проектный расчет валов. Проверочный расчет валов на прочность, жесткость и колебания.

Расчёт валов на прочность и жёсткость

Вал принадлежит к числу наиболее ответственных деталей машин, нарушение его формы, или разрушение влечет за собой выход из строя всей конструкции. Для обеспечения работоспособности и надежности валы и оси должны удовлетворять основным критериям: прочности и жесткости (деформативности).

Нагрузки на валы и расчётные схемы

Расчёт на прочность.

В предварительном (проектном) расчете диаметр входного вала d приближенно может быть найден по известному значению крутящего момента из условия прочности

Где Т – крутящий момент в расчётном сечении вала; [τ_k] - допускаемое напряжение на кручение. [τ_k] - =12...20 МПа для стальных валов; Р — передаваемая мощность, кВт; п — частота вращения вала, мин ^-1. Иногда при проектировании диаметр входного хвостовика вала (минимальный диаметр вала) принимают конструктивно (из практики проектирования) равным 0,8...1,0 d вала приводного двигателя. Наименьший диаметр промежуточного вала принимают обычно равным внутреннему диаметру подшипника. Оценку прочностной надежности вала в конструкции выполняют обычно в форме определения запасов прочности

. Статический запас прочности. Рассчитывают по наибольшей кратковременной нагрузке (с учетом динамических и ударных воздействий), которая не может вызвать усталостного разрушения (например, по нагрузке в момент пуска установки). Валы могут быть нагружены постоянными напряжениями, например от неуравновешенности вращающихся деталей. Валы работают в основном в условиях изгиба и кручения, а напряжения от осевых сил малы, поэтому эквивалентное напряжение в точке наружного волокна: где σ_н и τ_к — наибольшие напряжения от изгиба моментом Ми и кручения моментом Т. σ_н= M _к / W _н; τ_к=T/W_k Здесь W _н и W _K — осевой и полярный момент сопротивления сечения вала, Так как W_k = 2 W _Н, то с учетом этих соотношений можно записать Запас прочности по пределу текучести  σ_Т – предел текучести материала вала. Обычно принимают допускаемый запас прочности [n_T]:=1,2…1,8. Сечение (опасное сечение), в котором следует определить запас n T), находят после построения эпюр изгибающих и крутящих моментов. Если нагрузки действуют на вал в разных плоскостях, то сначала силы проецируют на координатные оси и строят эпюры моментов в координатных плоскостях. Затем геометрически суммируют изгибающие моменты, очерчивая эпюру прямыми линиями, что идет в запас прочности. Если угол между плоскостями 30°, то считают, что силы действуют в одной плоскости. Переменные напряжения в валах вызываются переменной или постоянной нагрузкой. Постоянные по величине и направлению силы передач вызывают во вращающихся валах переменные напряжения изгиба, изменяющиеся по симметричному циклу с амплитудой и средними напряжениями:  В расчетах валов условно принимают, что вращающий момент и касательные напряжения от кручения изменяются по пульсационному циклу, которому соответствуют амплитуда и среднее напряжение: Условие прочностной надежности в этом случае имеет вид n≥[n].Допускаемые значения запаса прочности при переменных напряжениях назначают на основе предшествующего опыта расчетов и эксплуатации [n]≥2,0. Высокооборотные валы в ряде конструкций работают в условиях изгибных, крутильных и изгибно-крутильных колебаний, вызывающих появление переменных напряжений. Эти напряжения могут быть опасными для прочности вала на резонансных режимах работы. Для предотвращения резонансных колебаний валов проводят их расчет на колебания. Для повышения сопротивления усталости валов используют различные конструктивные и технологические методы. Основной конструктивный метод повышения надежности валов — снижение концентрации напряжений в опасных сечениях путем увеличения радиусов галтелей и др. Существенное значение имеет правильный выбор материала и режима термической обработки заготовки (вала). Для повышения сопротивления усталости валов производят упрочняющую обработку зон концентрации напряжений (выточек, галтелей, шпоночных канавок, резьбы и др.) путем обдувки дробью, лучом лазера и т. п.

68. Расчёт жёсткости вала. Упругие перемещения валов оказывают неблагоприятное влияние на работу связанных с ними соединений, подшипников, зубчатых колес и других деталей: увеличивают концентрацию контактных напряжений и износ деталей, снижают сопротивление усталости деталей и соединений, точность механизмов и т. п. Большие перемещения сечений вала от изгиба могут привести к выходу из строя конструкции вследствие заклинивания подшипников. Изгибная и крутильная жесткость валов существенно влияет на частотные характеристики системы при возникновении изгибных и крутильных колебаний. При проектировании валов следует проверять прогибы и углы φ поворота сечений, зависящих от требований, предъявляемых к валу, и особенностей его работы. Допустимые величины φ Максимальный прогиб вала не должен превышать (0,0002... 0,0003) L   (L — расстояние между опорами), а допустимый прогиб под колесами составляет: 0,01m — для цилиндрических и 0,005 m — для конических, гипоидных и глобоидных передач (m — модуль зацепления).Допустимые относительные углы закручивания валов Ө зависят от требований и условий работы конструкции и лежат в пределах 0,20...1° на 1 м длины вала.

 

59. Подшипники (опоры валов и осей).

Опоры валов и осей передают нагрузки от вращающихся частей на корпус или плату. Точность действия и надежность работы механизмов во многом зависят от особенностей конструкций опор, значения и стабильности в них сопротивления качению.

Опоры скольжения применяют при необходимости получить небольшие радиальные размеры. Максимальные износ и момент сил трения таких подшипников происходят во время разгона. Использование пористых вкладышей, пропитанных смаз- кой, позволяет существенно уменьшить сопротивление вращению при очень простой конструкции опорного узла. Если нужно получить малый момент сил трения, и вал вращается с небольшой скоростью, то в приборах применяются опоры на центрах и кернах.

Наибольшее распространение получили цилиндрические подшипники скольжения. Для снижения момента трения и из- носа соприкасающихся элементов применяют антифрикционные материалы. Крепление втулки в корпусе осуществляют по- садкой с натягом или стопорным винтом. При использовании в конструкции таких опор следует иметь в виду, что даже при незначительном прогибе вала, а также из-за монтажных погрешностей возможны перекосы геометрических осей подшипни- ка и вала, вследствие чего нагрузка по длине подшипника распределяется неравномерно.

По виду трения различают подшипники скольжения с сухим, граничным и жидкостным трением.