Валы и оси. Классификация. Расчет на прочность. Материалы

Для поддержания вращающихся деталей и передачи вращающе- го момента от одной детали к другой (в осевом направлении) в кон- струкциях используют прямые валы в форме тел вращения, уста- навливаемые в подшипниковых опорах.

В зависимости от воспринимаемых сил различают простые валы, торсионные валы и оси.

Расчет на прочность. Этот расчет является основным для валов приводов, поэтому его выполняют в три этапа.

На первом этапе (предварительный расчет) при отсутствии дан- ных об изгибающих моментах диаметр вала (в миллиметрах) при- ближенно может быть найден по известному вращающему момен- ту Т из условия прочности по заниженным значениям допускаемых напряжений при кручении:

где Т – вращающий момент, Н∙м;

τк – допускаемое напряжение на кручение (12–20 МПа для

стальных валов);

Р – передаваемая мощность, кВт;

n – частота вращения вала, мин–1.

На втором этапе разрабатывают конструкцию вала, обеспечи- вая условия технологичности изготовления и сборки.

На третьем этапе производят проверочный расчет – оценку статической прочности и сопротивления усталости. Здесь же вы- полняют расчеты на жесткость, устойчивость и колебания.

На статическую прочность валы рассчитывают по наибольшей воз- можной кратковременной нагрузке (с учетом динамических и ударных воздействий), повторяемость которой мала и не может вызвать уста- лостного разрушения (например, по нагрузке в момент пуска установ- ки). Валы могут быть нагружены постоянными напряжениями, напри- мер, от неуравновешенности вращающихся деталей.

Так как валы работают в основном в условиях изгиба и круче- ния, а напряжения от осевых сил малы, то эквивалентное напря- жение в точке наружного волокна по энергетической теории проч- ности определяют по формуле

σэкв

где σи и τк – соответственно наибольшее напряжение в расчетном

сечении вала от изгиба моментом Mи и кручения моментом Mк.

Напряжения

σи

Wx Wp

где Wxи Wp– соответственно осевой и полярный момента сопро- тивления сечения вала.

Моменты сопротивления сечений валов

Форма сечения	Эскиз	Момент сопротивления
Круглое		πd 3 Wи 32 Wк 2Wи

Форма се- чения	Эскиз	Момент сопротивления
Кольцевое		πd 3 W 1 ξ4 и 32 Wк 2Wи ξ d0 d
Co шпо- ночной канавкой		πd 3 bh 2d h Wи 32 16d πd 3 bh 2d h 2 Wк 16 16d
Co шлица- ми		πd 4 bZ D d D d 2 Wи 32D Wк 2Wи

Так как Wp

, то можно записать

σ

экв

где d – диаметр вала.

Обычно крутящий момент Mz(внутренний силовой фактор) в расчетном сечении вала равен вращающему моменту T (внешней нагрузке на вал).

Запас прочности по пределу текучести

n σт n .

экв

Обычно принимают

nт = 1,2–1,8.

Сечение (сечения), в котором следует определить запас nт, нахо- дят после построения эпюр изгибающих и крутящих моментов. Ес-

ли нагрузки действуют на вал в разных плоскостях, то сначала силы проецируют на координатные оси и строят эпюры моментов в коор- динатных плоскостях. Далее производят геометрическое суммиро- вание изгибающих моментов.

Если угол между плоскостями действия сил не более 30º, то для простоты считают, что все силы действуют в одной плоскости.

Технические условия на изготовление валов зависят от требова- ний к конструкции. Обработку валов обычно производят в центрах.

Наиболее жесткие требования по точности и шероховатости по- верхности предъявляются к шейкам валов, на которые устанавли- вают подшипники качения. Шероховатость Ra шеек назначают рав- ной 0,32–1,25 мкм. Овальность и конусность мест посадки опреде- ляются допуском на диаметр шейки.

Для изготовления валов используют углеродистые стали марок 20, 30, 40, 45 и 50, легированные стали марок 20Х, 40Х, 40ХН, 18X2H4A, 40XH2MA и др., титановые сплавы BT3-1, ВТ6 и ВТ9.

Выбор материала, термической и химико-термической обработки определяется конструкцией вала и опор, условиями эксплуатации. Так, например, быстроходные валы, вращающиеся в подшипниках скольже- ния, требуют высокой твердости цапф (посадочных хвостовиков валов), поэтому такие валы изготовляют из цементуемых сталей 12X2H4A, 18ХГТ или азотируемых сталей 38Х2МЮА и др. Валы-шестерни по этой же причине выполняют из цементуемых сталей 12XH3A, 12X2H4A и т. п. Валы под насадные зубчатые колеса серийных редукторов изго- товляют из улучшенной стали 45 (255–285 НВ) и 40Х (269–302 НВ). Участки валов, контактирующие с уплотнительными манжетами, долж- ны иметь твердость поверхности не менее 30 HRC.

Длинные полые валы иногда выполняют (намоткой) из компози- ционных материалов.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: