Ось в механизме. Валы и оси общие сведения. Выводы по проекту
Валы и оси используются в машиностроении для фиксации различных тел вращения (это могут быть шестерни, шкивы, роторы и другие элементы, устанавливаемые в механизмах).
Есть принципиальное отличие валов от осей: первые осуществляют передачу момента силы, создаваемого вращением деталей, а вторые испытывают напряжение изгиба под действием внешних сил. При этом валы всегда являются крутящимся элементом механизма, а оси могут быть как крутящимися, так и неподвижными.
С точки зрения металлообработки валы и оси – это металлические детали, чаще всего имеющие круглое поперечное сечение.
Виды валов
Валы различаются между собой по конструкции оси. Выделяют следующие виды валов:
- прямые. Конструктивно не отличаются от осей. В свою очередь, различают гладкие, ступенчатые и фасонные прямые валы и оси. Наиболее часто в машиностроении используются ступенчатые валы, которые отличает простота установки на механизмы
- коленчатые, состоящие из нескольких колен и коренных шеек, которые опираются на подшипники. Составляют элемент кривошипно-шатунного механизма. Принцип действия заключается в преобразовании возвратно-поступательного движения во вращательное, либо наоборот.
- гибкие (эксцентриковые). Применяются для передачи момента вращения между валами со смещенными осями вращения.
Производство валов и осей – одно из наиболее динамичных направлений в металлургической промышленности. На основе этих элементов получают следующие изделия:
- элементы передачи вращательного момента (детали шпоночного соединения, шлицы, соединений с натягом и т.д.);
- опорные подшипники (качения или скольжения);
- уплотнения концов валов;
- элементы, регулирующие узлы передачи и опоры;
- элементы осевой фиксации лопаток роторов;
- галтели перехода между элементами разного диаметра в конструкции.
Выходные концы валов имеют форму цилиндра или конуса, соединяемыми при помощи муфт, шкивов, звездочек.
Валы и оси также могут быть полыми и сплошными. Внутри полых валов могут быть вмонтированы другие детали, кроме того, они могут применяться для облегчения общего веса конструкции.
Функцию осевых фиксаторов, устанавливаемых на вал деталей, выполняют ступени (бурты), распорные втулки со съемной осью, кольца, пружинные упорные кольца подшипников.
Предприятие "Электромаш" осуществляет изготовление данной продукции на производственной площадке, оснащенной самым современным оборудованием. У нас вы можете купить валы и оси любого типа под заказ . Рейтинг: 3.02
Прежде чем разбираться, чем отличаются между собой вал и ось, следует иметь четкое представление о том, что, собственно, представляют собой эти детали, для чего и где они используются и какие функции выполняют. Итак, как известно, валы и оси предназначены для удержания на них вращающихся деталей.
Определение
Вал - это деталь механизма, имеющая форму стержня и служащая для передачи на другие детали этого механизма крутящего момента, тем самым создавая общее вращательное движение всех расположенных на нем (на валу) деталей: шкивов, эксцентриков, колес и др.
Ось - это деталь механизма, предназначенная для соединения и скрепления между собой деталей данного механизма. Ось воспринимает только поперечные нагрузки (напряжение изгиба). Оси бывают неподвижные и вращающиеся.
Ось Сравнение
Основное отличие оси от вала состоит в том, что ось не осуществляет передачу крутящего момента на другие детали. На нее оказывают воздействие только поперечные нагрузки, и она не испытывают сил кручения.
Вал, в отличие от оси, передает полезный крутящий момент деталям, которые на нем закреплены. Кроме того, оси бывают как вращающимися, так и неподвижными. Вал же вращается всегда. Большинство валов можно разделить по геометрической форме оси на прямые, кривошипные (эксцентриковые) и гибкие. Также бывают валы коленчатые или непрямые, которые служат для преобразования возвратно-поступательных движений во вращательные. Оси же по своей геометрической форме бывают только прямыми.
Выводы сайт
- Ось несет вращающиеся части механизма, не передавая им никакого крутящего момента. Вал передает другим деталям механизма полезный крутящий момент, так называемое вращающееся усилие.
- Ось может быть как вращающейся, так и неподвижной. Вал бывает только вращающимся.
- Ось имеет только прямую форму. Вал по форме может быть прямым, непрямым (коленчатым), эксцентриковым и гибким.
Валы и оси
П л а н л е к ц и и
Общие сведения.
Материалы и обработка валов и осей.
Критерии работоспособности и расчета валов и осей.
Расчеты валов и осей.
Общие сведения
Валы – это детали, служащие для передачи вращающего момента вдоль своей оси и удержания расположенных на них других деталей (колеса, шкивы, звездочки и другие вращающиеся детали машин) и восприятия действующих сил.
Оси – это детали, которые только удерживают установленные на них детали и воспринимают действующие на эти детали силы (ось не передает полезного крутящего момента).
Классификация валов и осей
К л а с с и ф и к а ц и я в а л о в группирует последние по ряду признаков: по назначению, по форме поперечного сечения, по форме геометрической оси, по внешнему очертанию поперечного сечения, по относительной скорости вращения и по расположению в узле.
По назначению различают:
валы передач , на которых устанавливают колеса, шкивы, звездочки, муфты, подшипники и другие детали передач. На рис. 11, а представлен трансмиссионный вал, на рис. 11, б – вал передачи;
коренные валы (рис. 11.2 – шпиндель станка), на которых устанавли-вают не только детали передач, но и рабочие органы машины (шатуны, диски турбин и др.).
По форме поперечного сечения изготавливают:
сплошные валы ;
полые валы обеспечивают уменьшение веса или размещение внутри другой детали. В крупносерийном производстве применяют полые сварные валы из намотанной ленты.
По форме геометрической оси выпускают:
прямые валы :
а) постоянного диаметра (рис. 11.3). Такие валы менее трудоемки в изготовлении и создают меньшую концентрацию напряжений;
б) ступенчатые (рис. 11.4). Исходя из условия прочности целесооб-разно конструировать валы переменного сечения, приближающиеся по форме к телам равного сопротивления. Ступенчатая форма удобна для изготовления и сборки, уступы могут воспринимать большие осевые силы;
в) с фланцами. Длинные валы являются составными, соединенными фланцами;
г) с нарезанными шестернями (вал-шестерня);
коленчатые валы (рис. 11.5) в кривошипно-шатунных передачах служат для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное или наоборот;
гибкие валы (рис. 11.6), представляющие собой многозаходные витые из проволок пружины кручения, применяют для передачи момента между узлами машин, меняющими свое относительное положение в работе (переносной инструмент, тахометр, зубоврачебные бормашины и т. п.).
По внешнему очертанию поперечного сечения валы бывают:
гладкие ;
шпоночные ;
шлицевые ;
профильные ;
эксцентриковые .
По относительной скорости вращения и по расположению в узле (редукторе) производят валы:
быстроходные и входные (ведущие) (поз. 1 рис. 11.7);
среднескоростные и промежуточные (поз. 2 рис. 11.7);
тихоходные и выходные (ведомые) (поз. 3 рис. 11.7).
Рис. 11.2 Рис. 11.3
| |
|||||
| |
|||||
| |
|||||
Рис. 11.7 Рис. 11.8
К л а с с и ф и к а ц и я о с е й. Оси могут быть неподвижными (рис. 11.8) и вращающимися вместе с насаженными на них деталями. Вращающиеся оси обеспечивают лучшие условия работы подшипников, неподвижные дешевле, но требуют встройки подшипников во вращающиеся на осях детали.
Конструкции валов и осей. наиболее распространена ступенчатая форма вала. Детали закрепляются на валах чаще всего шпонками призма-тическими (ГОСТ 23360–78, ГОСТ 10748–79), шлицами прямобочными (ГОСТ 1139–80) или эвольвентными (ГОСТ 6033–80) или посадками с гаран-тированным натягом. Опорные части валов и осей называются цапфами. Промежуточные цапфы именуются шейками, концевые – шипами. Опорные участки, воспринимающие осевую нагрузку, называют пятами. Опорами для пят служат подпятники.
На рис. 11.9 приведены конструктивные элементы валов, где 1 – шпонка призматическая, 2 – шлицы, 3 – цапфа, 4 – пята, 5 – цилиндрическая поверх-ность, 6 – коническая поверхность, 7 – уступ, 8 – заплечик, 9 – канавка под сто-порное кольцо, 10 – резьбовой участок, 11 – галтель, 12 – канавка, 13 – фаска, 14 – центровое отверстие.
Цапфы валов и осей, работающие в подшипниках качения, почти всегда бывают цилиндрическими, а в подшипниках скольжения – цилиндрическими, коническими или сферическими (рис. 11.10.)
Основное применение имеют цилиндрические цапфы (рис. 11.10, а , б ) как более простые. Конические цапфы с малой конусностью (рис. 11.10, в ) применяют для регулирования зазора в подшипниках и иногда для осевого фиксирования вала. Сферические цапфы (рис. 11.10, г ) ввиду трудности их изготовления применяют при необходимости компенсации значительных угловых смещений оси вала.
а б в г
Посадочные поверхности под ступицы разных деталей (по ГОСТ 6536–69 из нормального ряда), насаживаемых на вал, и концевые участки валов выполняют цилиндрическими (поз. 5 рис. 11.9, ГОСТ 12080–72) или коничес-кими (поз. 6 рис. 1.9, ГОСТ 12081–72). Конические поверхности применяют для обеспечения быстросъемности и заданного натяга, повышения точности центрирования деталей.
Для осевого фиксирования деталей и самого вала используют уступы (поз. 7 рис. 11.9) и заплечики вала (поз. 8 рис. 11.9, ГОСТ 20226–74), кони-ческие участки вала, стопорные кольца (поз. 9 рис. 11.9, ГОСТ 13940–86, ГОСТ 13942–86) и резьбовые участки (поз. 10 рис. 11.9) под гайки (ГОСТ 11871–80).
Переходные участки от одного участка вала к другому и торцы валов выполняют с канавками (поз. 12 рис. 11.9, рис. 11.11, ГОСТ 8820–69), фасками (поз. 13 рис. 11.9, ГОСТ 10948–65) и галтелями . Радиус R галтели постоянного радиуса (рис. 11.11, а ) выбирают меньше радиуса закругления или радиального размера фаски насаживаемых деталей. Желательно, чтобы радиус закругления в сильнонапряженных валах был больше или равен 0,1d . Радиусы галтелей рекомендуется брать возможно большими для уменьшения концентрации нагрузки. Когда радиус галтели сильно ограничивается радиу-сом закругления кромок насаживаемых деталей, ставят дистанционные кольца. Галтели специальной эллиптической формы и с поднутрением или чаще галтели, очерчиваемые двумя радиусами кривизны (рис. 11.11, б ), применяют при переходе галтели в ступень меньшего диаметра (дает возможность увеличения радиуса в зоне перехода).
Применение канавок (рис. 11.11, в ) может быть рекомендовано для неответственных деталей, так как они вызывают значительную концентрацию напряжений и понижают прочность валов при переменных напряжениях. Канавки применяются для выхода шлифовальных кругов (существенно повышают их стойкость при обработке), а также на концах участков с резьбой для выхода резьбонарезного инструмента. Канавки должны иметь максимально возможные радиусы закруглений.
а б в
Торцы валов, во избежание обмятий и повреждения рук рабочих, для облегчения насадки деталей выполняют с фасками.
Механическую обработку валов производят в центрах, поэтому на торцах валов следует предусмотреть центровые отверстия (поз. 14 рис. 11.9, ГОСТ 14034–74).
Длина осей обычно не превышает 3 м, длина цельных валов по усло-виям изготовления, транспортировки и монтажа не должна превышать 6 м.
Вращающиеся детали машин устанавливают на валах или осях, обеспечивающих постоянное положение оси вращения этих деталей.
Валы - детали, предназначенные для передачи крутящего момента вдоль своей оси и для поддержания вращающихся деталей машин.
Валы по назначению можно разделить на валы передач , несущие детали передач – зубчатые колеса, шкивы, звездочки, муфты (рис. ,а и 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. (рис. ,в и д )
По форме геометрической оси валы разделяют на прямые и коленчатые.
Оси – детали, предназначенные для поддержания вращающихся деталей и не передающие полезного крутящего момента.
Рис. 12.1 Основные типы валов и осей:
а – гладкий трансмиссионный вал; б – ступенчатый вал;
в – шпиндель станка; г - вал паровой турбины; д – коленчатый вал;
е – ось вращающегося вагонная; ж – ось невращающаяся вагонетки.
Опорные части валов и осей называют цапфами . Промежуточные цапфы называют шейками , концевые – шипами .
Прямые валы по форме разделяют на валы постоянного диаметра (валы трансмиссионные и судовые многопролетные, рис. ,а, а также валы, передающие только крутящий момент); валы ступенчатые (большинство валов, рис. б-г ); валы с фланцами для соединения по длине, а также валы с нарезанными шестернями или червяками. По форме сечения валы разделяются на гладкие, шлицевые, имеющие на некоторой длине профиль зубчатого (шлицевого) соединения, и профильные.
Форма вала по длине определяется распределением нагрузок по длине.
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. Практически валы выполняю ступенчатыми. Эта форма удобна в изготовлении и сборке; уступы валов могут воспринимать большие осевые силы.
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 сборок.
Цапфы (шейки) валов, работающие в подшипниках скольжения, выполняют: а) цилиндрическими; б) коническими; в) сферическими (рис.). 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 (рис.).
Цапфы валов для подшипников качения (рис.) характеризуются меньшей длиной, чем цапфы для подшипников скольжения.
Цапфы для подшипников качения нередко выполняют с резьбой или другими средствами для закрепления колец.
Рис. 12.4 Конструктивные средства повышения выносливости
валов в местах посадок: а – утолщение подступичной чвсти вала;
б – закругление кромок ступицы; в – утонение ступицы; г – разгрузочные
канавки; д – втулки или заливки в ступице из материала с низким модулем
упругости.
Выносливость валов определяется относительно малыми объемами металла в зонах значительной концентрации напряжений. Поэтому особо эффективны специальные конструкторские и технологические мероприятия по повышению выносливости валов.
Конструктивные средства повышения выносливости валов в местах посадок путем уменьшения кромочных давлений показаны на рис. .
Упрочнением подступичных частей поверхностным наклепом (обкаткой роликами или шариками) можно повысить предел выносливости валов на 80 – 100%, причем этот эффект распростра- няется на валы диаметром до 500 – 600 мм.
Прочность валов в местах шпоночных, зубчатых (шлицевых) и других разъемных соединений со ступицей может быть повышена: применением эвольвентных шлицевых соединений; шлицевых соединений с внутренним диаметром, равным диаметру вала на соседних участках, или с плавным выходом шлицев на поверхность, обеспечивающим минимум концентрации напряжений; шпоночных канавок, изготовляемых дисковой фрезой и имеющих плавный выход на поверхность; бесшпоночных соединений.
Осевые нагрузки и на валы от насаженных на них деталей передаются следующими способами. (рис.)
1) тяжелые нагрузки – упором деталей в уступы на валу, посадкой деталей или установочных колец с натягом (рис. ,а и б)
2) средние нагрузки – гайками, штифтами непосредственно или через установочные кольца, клеммовыми соединениями (рис. ,в – д);
3) легкие нагрузки и предохранение от перемещений случайными силами – стопорными винтами непосредственно или через установочные кольца, клеммовыми соединениями, пружинными кольцами (рис. ,д – ж).
ВАЛЫ и ОСИ НАЗНАЧЕНИЕ Валы и оси предназначены для направления и поддерживания в пространстве вращающихся деталей (зубчатые колеса, шкивы, блоки, звездочки и др.). Они различаются между собой по условиям работы. ОСЬ не передает вращающего момента и работает только на изгиб. Она может быть вращающейся или неподвижной. ВАЛ всегда вращается и всегда передает вращающий момент, работает в основном на изгиб и кручение. Некоторые валы не поддерживают вращающиеся детали и работают только на кручение. Например карданные валы автомобилей, гибкие валы в приводах механизированного инструмента и т. д.
ОСИ Конструкция узла с вращающейся осью: Конструкция узла с неподвижной осью: 1 – ходовое колесо; 2 – шпонка; 3 – ось; 4 – конические роликоподшипники 1 – канатный блок; 2 – ось; 3 – стопорные планки; 4 – обойма блока
КОНСТРУКЦИИ ХОДОВЫХ КОЛЕС КРАНОВ б а а – на неподвижной оси: 1 – колесо; 2 – ось; 3 – зубчатая передача б – на вращающейся оси
ВАЛЫ Механизм передвижения крана с тихоходным трансмиссионным валом: 1 – электродвигатель; 2 – муфта; 3 – редуктор; 4 – трансмиссионный вал; 5 – тормоз. Карданный вал Вал редуктора
КЛАССИФИКАЦИЯ ВАЛОВ По форме поперечных сечений валов а – цилиндрическое сплошное б – цилиндрическое полое в – со шпоночной канавкой г – с шлицевыми канавками д – профильное
По назначению Ø Валы передач – несущие зубчатые колеса, шкивы, звездочки и другие детали. Ø Коренные валы – кроме деталей передач несут еще рабочие органы машин или орудий (диски турбин, зажимные патроны токарных и расточных станков др.) По форме геометрической оси Ø Прямые Ø Коленчатые – используются не только для передач вращающегося момента, но и для преобразования возвратнопоступательного движения во вращательное Ø Гибкие, с изменяемой формой геометрической оси. Применяются в приводах, приборах, зубоврачебных бурмашинах и др.
ОПОРНЫЕ УЧАСТКИ ВАЛОВ Вал 1 имеет большое число опор называемых подшипниками 2. Часть вала, охватываемую опорой, называют цапфой. Концевые цапфы называют шипами 3, а промежуточные шейками 4.
ТРЕБОВАНИЯ К МАТЕРИАЛАМ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВАЛОВ ü Высокие прочностные характеристики. ü Малая чувствительность к концентрации напряжений ü Способность подвергаться термической и химико-термической обработке ü Хорошая обрабатываемость
МАТЕРИАЛЫ И ТЕРМООБРАБОТКА ВАЛОВ Назначение вала Марка стали Вид термообработки Малонагруженные валы и оси, диаметры которых в основном определяются жесткостью Углеродистые стали: Ст. 3, Ст. 4, Ст. 5 Без термообработки Валы и оси с повышенными требованиями к несущей способности шлицев и цапф Среднеуглеродистые и легированные стали: 35, 40, 45, 40 Х, 40 Н и др. Улучшение до твердости Н=250… 320 НВ Валы и оси при требовании высокой износостойкости: - опоры скольжения; - вал-шестерни Малоуглеродистые конструкционные стали: - качественные 15, 20; - легированные 15 Х, 20 Х, 18 ХГТ, 12 ХНЗА и др. Цементация и закалка до твердости Н=58… 63 НRc Тяжелонагруженные валы Легированные стали: 40 ХНМА, 18 ХГТ, 38 Х 2 МЮА и др.
ВИДЫ ПОВРЕЖДЕНИЙ ВАЛОВ Поломки валов в зоне концентраций напряжений. Возникают из-за понижения усталостной прочности вследствие действия переменных напряжений. Причины – неправильный выбор конструктивной формы деталей (галтель), нарушение технологии изготовления (надрезы, следы обработки и т. д.), нарушение норм технической эксплуатации (неправильная регулировка подшипников, уменьшение необходимых зазоров). Чаще всего поломки происходят в зоне расположения концентраторов напряжений (шпоночные пазы, галтели, отверстия, напрессовки и др.). Смятие рабочих поверхностей (пазов, шпонок, шлицев, износ шлицев в подвижных соединениях и другие виды поверхностных повреждений). Фрикционная коррозия и концентрация давления на участках, расположенных около торцов ступицы (возникают предпосылки к возникновению очагов усталостного разрушения. Недостаточная жесткость валов и осей на изгиб и кручение. Разрушения в следствие поперечных или крутильных колебаний.
КРИТЕРИИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ВАЛОВ Прочность Жесткость Виброустойчивость Износостойкость Основным критерием работоспособности тихоходных валов является статическая прочность
ТОЧКИ ОПОРЫ ВАЛА а – на радиальном подшипнике; б – на радиально-упорном подшипнике; в – на двух подшипниках в одной опоре; г – на подшипнике скольжения
СХЕМЫ НАГРУЖЕНИЯ ВАЛА. ЭПЮРЫ ИЗГИБАЮЩИХ И ВРАЩАЮЩЕГО МОМЕНТОВ По ГОСТ 16162 -85 для входных и выходных валов одноступенчатых цилиндрических и конических редукторов и для быстроходных валов редукторов любого типа Для тихоходных валов двух- и трехступенчатых редукторов, а также червячных передач где Т – вращающий момент на валу.
ПОРЯДОК РАСЧЕТА ВАЛОВ НА СТАТИЧЕСКУЮ ПРОЧНОСТЬ Составляют расчетную схему Определяют реакции опор в горизонтальной и вертикальной плоскостях Строят эпюры изгибающих моментов и эпюры крутящего момента Геометрически суммируют моменты Для опасных сечений (где наибольшие суммарные моменты) рассчитывают диаметры и окончательно разрабатывают конструкцию вала. Так как валы работают в условиях изгиба и кручения, а напряжения от осевых сил малы, то эквивалентное напряжение в точке наружного волокна согласно энергетической теории прочности определяют по формуле где; - расчетные напряжения на изгиб и кручение - осевой и полярный моменты сечения вала
РАСЧЕТ ВАЛОВ НА УСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ Выполняют как проверочный в форме определения коэффициентов запасов прочности где S , S - коэффициенты запаса прочности соответственно по напряжениям изгиба и кручения; [s] = 2… 2, 5 - допустимый коэффициент запаса прочности. где σ-1 , -1 - пределы выносливости материала при изгибе и кручении; К D , K D - коэффициенты концентрации напряжений, учитывающие влияние всех факторов на сопротивление усталости; σа, а - амплитуды напряжений; , - коэффициенты, характеризирующие чувствительность материала к ассиметрии цикла напряжений; σm , m - постоянные составляющие цикла изменения напряжений.
ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В ВАЛАХ Симметричный цикл напряжений Отнулевой цикл напряжений Постоянные по величине и направлению нагрузки вызывают во вращающихся валах переменные напряжения изгиба, меняющиеся по симметричному циклу с амплитудой σа и средним напряжением σm Изменение напряжений кручения в расчетах принимают по отнулевому циклу
