Валы и оси. Общие сведения. Критерии работоспособности. Материалы, применяемые для изготовления валов

Вал – деталь машины, предназначенная для передачи крутящего момента и поддержания вращающихся вместе с ним деталей передач (зубчатых колёс, шкивов, звёздочек и др.). Некоторые валы (гибкие, трансмиссионные, торсионные) не поддерживают вращающиеся детали. Так как передача крутящих моментов связана с возникновением сил, действующих на валы от посаженных на них деталей и опор, валы обычно подвержены действию, кроме крутящих моментов, также поперечным силам и изгибающим моментам.

По форме геометрической оси валы бывают прямые (наиболее широко распространены), коленчатые (валы машин с возвратно-поступательным движением звеньев) и гибкие (валы с изменяемой формой геометрической оси). Гибкие валы применяются для передачи крутящего момента от деталей с пересекающимися осями.

Ось – деталь, предназначенная для поддержания вращающихся деталей, но не передающая полезные крутящие моменты. Оси обычно подвергаются воздействию изгибающих моментов. Возникающими в ряде случаев деформациями растяжения, сжатия и кручения от моментов сил трения пренебрегают. Оси могут быть вращающимися и неподвижными.

По конструкции прямые валы и оси выполняют гладкими и ступенчатыми, сплошными и полыми. Образование ступеней связано с закреплением деталей или самого вала в осевом направлении, а также с возможностью монтажа деталей при посадках с натягом. Полые валы изготавливают для уменьшения массы или для размещения в них других деталей. Например, при отношении внутреннего диаметра d_o к наружному d, равном 0,75, при одинаковой прочности масса полого вала в два раза меньше массы сплошного.

Опорная часть вала или оси (рис. 3.44) называется цапфой. Концевая цапфа называется шипом, а промежуточная – шейкой. Часть вала, предназначенная для восприятия осевой нагрузки – пята. По форме цапфы могут быть цилиндрическими, коническими, шаровыми и плоскими (пяты).

Основное применение имеют цилиндрические цапфы. Конические цапфы применяют для регулирования зазора в подшипниках и осевого фиксирования вала. Сферические (шаровые) цапфы из-за трудности их изготовления применяют только при необходимости значительных угловых смещений оси.

Рис. 3.44. Опорные части вала и оси

Кольцевое утолщение вала, составляющее с ним одно целое, называется буртиком.

Посадочные поверхности валов и осей под ступицы насаживаемых деталей выполняют цилиндрическими и коническими. При посадках с натягом диаметр этих поверхностей принимают больше соседних участков для удобства сборки и снижения концентрации напряжения. Конические концы валов изготавливают с конусностью 1:10. Их применяют для облегчения монтажа и демонтажа.

Переходные участки являются концентраторами напряжений. Для уменьшения концентрации напряжения и повышения прочности переходы в местах изменения диаметров вала или оси делают плавными. Криволинейную поверхность переходного участка называют галтелью. Галтели бывают постоянной и переменной кривизны. Для выхода шлифовального круга переходные участки нередко выполняют с канавкой (проточка) определённого профиля (рис. 3.45).

Рис. 3.45. Переходные участки валов: а – проточка;

б – галтель постоянного радиуса; в – галтель переменного радиуса;
г – разгрузочная канавка; д – разгрузочное отверстие

Эффективным средством при снижении концентраций напряжений переходных участков является повышение их податливости посредством выполнения разгрузочных канавок, увеличения радиусов галтелей, выполнения отверстий в ступенях большего диаметра (рис. 3.45, г, д).

Прямые валы изготавливают преимущественно из углеродистых и легированных сталей: сталь Ст5 – для валов без термообработки; сталь 45 или 40Х – для валов с термообработкой (улучшение); сталь 20 или 20Х – для быстроходных валов на подшипниках скольжения, у которых цапфы подвергаются химико-термической обработке.

14) Проверочные расчёты валов на прочность, выносливость и жесткость.