Конструирование валов и осей. Передача крутящего момента и осевой силы

Валы — детали, предназначенные для передачи крутящего момента вдоль своей оси и для поддержания вращающихся дета­лей машин. Простейшие прямые валы имеют форму тел враще­ния. Валы вращаются в подшипниках. Так как передача крутя­щих моментов связана с возникновением сил, передающихся на валы, например сил на зубьях зубчатых колес, сил натяжения ремней и т. д., валы обычно подвержены, кроме крутящих мо­ментов, также поперечным силам и изгибающим моментам.

г)

а ‒ гладкий трансмиссионный вал; б ‒ ступенчатый вал ;в ‒ шпиндель станка; г ‒ коленчатый

Рисунок 4.1 – Основные типы валов

Валы по назначению можно разделить на валы пере­дач, несущие детали передач — зубчатые колеса, шкивы, звез­дочки, муфты (рисунок 4.1, а, б), и на коренные валы машин и другие специальные, валы, несущие кроме деталей передач рабочие органы машин двигателей или орудий — колеса или диски турбин, кривошипы, зажимные патроны и т. д. (рисунок 4.1, в, г).

По форме геометрической оси валы разделяют на прямые и коленчатые. Коленчатые валы (рисунок 4.1, г) применяют при необходимости преобразования в машине возвратно-поступа­тельного движения во вращательное или наоборот, причем они совмещают функции обычных валов с функциями кривошипов в кривошипно-шатунных механизмах. Особую группу составляют так называемые гибкие валы с изменяемой формой геомет­рической оси.

Оси — детали, предназначенные для поддержания вращаю­щихся деталей и не передающие полезного крутящего момента. Обычно они подвергаются воздействию изгибающих моментов и не учитываемых при расчетах крутящих моментов от сил трения.

Оси разделяют на вращающиеся, обеспечи­вающие лучшую работу подшипников и лучшее направление, и неподвижные, более дешевые, но требующие встройки подшип­ников во вращающиеся детали.

Валы и оси имеют аналогичные формы и общую функцию под­держивать вращающиеся детали.

Опорные части валов и осей называют цапфами. Промежу­точные цапфы называют шейками, концевые — шипами.

Прямые валы по форме разделяют на:

1) валы постоянного диаметра (валы трансмиссионные и судовые многопролетные, рисунок 4.1, а);

2) валы ступенчатые (большинство валов, рисунок 4.1, б — г);

3) валы с фланцами для соединения по длине;

4) а также валы с нарезанными шестернями или червяками.

По форме сечения валы разделяют на:

1) гладкие;

2) шлицевые, имеющие на некоторой длине профиль зубчатого (шлицевого) соединения;

3) профильные.

Форма вала по длине определяется распределением нагрузок по длине, т. е. эпюрами изгибающих и крутящих мо­ментов, условиями восприятия осевых нагрузок и условиями технологии изготовления и сборки.

Эпюры моментов по длине валов, как правило, существенно неравномерны. Крутящий момент обычно передается не на всей длине вала. Эпюры изгибающих моментов обычно сходят к нулю к концевым опорам или к концам валов. Поэтому по условию прочности допустимо и целесообразно конструировать валы пере­менного сечения приближающимися к телам равного сопротивле­ния.

Диаметры посадочных поверхностей (под ступицы зубчатых колес, шкивов, звездочек и других деталей) выбирают из стан­дартного ряда посадочных размеров, диаметры под подшипники качения — из стандартного ряда внутренних диаметров подшип­ников качения. Перепад диаметров ступеней определяется: стан­дартными диаметрами посадочных поверхностей под ступицы и подшипники, достаточной опорной поверхностью для восприятия осевых сил при заданных радиусах закругления кромок и раз­мерах фасок и, наконец, условиями сборки. Перепад диаметров ступеней с призматическими шпонками желательно выбирать так, чтобы иметь возможность разборки, без удаления шпонки из вала. Перепад диаметров должен быть минимальным.

Если вал имеет несколько шпоночных канавок по длине, то во избежание перестановки вала при фрезеровании их целесооб­разно размещать в одной плоскости.

Цапфы (шейки) валов, работающие в подшипниках сколь­жения, выполняют:

а) цилиндрическими;

б) коническими;

в) сфе­рическими.

Основное применение имеют цилиндри­ческие цапфы. Концевые цапфы для облегчения сборки и фикса­ции вала в осевом направлении обычно делают несколько мень­шего диаметра, чем соседний участок вала. Иногда цапфы делают с буртами для предотвращения осевых смещений в обоих направлениях. Конические цапфы применяют для регулирования зазора в подшипниках, а иногда также для осевого фиксирования вала. Зазор регулируют осевым перемещением вала или вкладыша подшипника. Сферические цапфы, имеющие, ввиду трудности их изготовления, весьма ограниченное распространение, применяют при необхо­димости значительных угловых смещений оси вала.

Цапфы валов для подшипников качения характе­ризуются меньшей длиной, чем цапфы для подшипников сколь­жения.

Исключение составляют конструкции с двумя подшип­никами качения в опоре. Как правило, цапфы для подшипников качения выполняют цилиндрическими. В редких случаях приме­няют конические цапфы с малой конусностью — для регулирова­ния зазоров в подшипниках упругим деформированием колец. Цапфы для подшипников качения нередко выполняют с резьбой или другими средствами для закрепления колец.

Посадочные поверхности под ступицы деталей, насаживаемых на вал, выполняют цилиндрическими или кони­ческими.

Выносливость валов определяется относительно малыми объемами металла в зонах значительной концентрации напряжений. Поэтому особо эффективны специальные конструк­торские и технологические мероприятия по повышению выносли­вости валов.

Осевые нагрузки на валы от насаженных на них деталей передаются следующими способами (рисунок 4.2):

а) б) в)

г) д) е) ж)

а – посадка с натягом; б– упор в уступ; в – гайка; г – конический шрифт;

д – клеммовое соединение; е – у становочный стопорный винт; ж – пружинное кольцо

Рисунок 4.2 – Средства восприятия осевых нагрузок и осевого крепления деталей на валах

1) тяжелые нагрузки — упором деталей в уступы на валу, посадкой деталей или установочных колец с натягом (рисунок 4.2, а и б);

2) средние нагрузки — гайками, штифтами непосредст­венно или через установочные кольца, клеммовыми соединениями (рисунок 4.2, в - д);

3) легкие нагрузки и предохранение от перемещений случай­ными силами — стопорными винтами непосредственно или через установочные кольца, клеммовыми соединениями, пружинными кольцами (рисунок 4.2, д — ж).