Валы и оси кратко
Обновлено: 03.07.2024
Валы – детали машин, предназначенные для обеспечения взаимодействия размещенных на них деталей механических передач. Взаимодействовать могут подвижные детали с подвижными, например, шестерни в зубчатой передаче, а также подвижные детали с неподвижными. Например, опоры с подшипниками качения, которые воспринимают нагрузку от валов, передают ее неподвижному корпусу и таким образом дают возможность работать передаче. Это взаимодействие обеспечивает передачу крутящего момента вдоль осевой линии вала.
Валы машин, которые кроме деталей передач несут рабочие органы машины, называются коренными. Коренной вал станков с вращательным движением инструмента или изделия называется шпинделем. Вал, распределяющий механическую энергию по отдельным рабочим машинам, называется трансмиссионным. В отдельных случаях валы изготовляют как одно целое с цилиндрической или конической шестерней (вал-шестерня) или с червяком (вал-червяк).
По форме геометрической оси валы бывают прямые и гибкие (с изменяемой формой оси). Простейшие прямые валы имеют форму тел вращения.
На рис. 1 показаны прямые валы: гладкий (а), ступенчатый (б) и коленчатый (в). Ступенчатые валы являются наиболее распространенными. Для уменьшения массы или для размещения внутри них других деталей валы иногда делают с каналом по оси. В отличие от сплошных такие валы называют полыми.
Рис. 1. Валы
2. Оси
Ось – деталь машин и механизмов, служащая для поддержания вращающихся частей, но не передающая полезный крутящий момент. Оси (рис. 2) бывают вращающиеся (а) и неподвижные (б). Вращающаяся ось устанавливается в подшипниках. Примером вращающихся осей могут служить оси железнодорожного подвижного состава, примером невращающихся – оси передних колес автомобиля.
Рис. 2. Оси
Из определений видно, что при работе валы всегда вращаются и испытывают деформации кручения или изгиба и кручения, а оси – только деформацию изгиба (возникающими в отдельных случаях деформациями растяжения и сжатия чаще всего пренебрегают).
Опорная часть вала или оси называется цапфой. Концевая цапфа называется шипом, а промежуточная – шейкой (рис. 3, а). Опорой для них служат радиальные или радиально-упорные подшипники скольжения или качения. Шейка в отличие от шипа, который несет только радиальную нагрузку FA, несет радиальную нагрузку FB и передает крутящий момент с концевой головки на промежуточную и, следовательно, работает еще и на кручение. Поэтому диаметр этой шейки должен быть больше диаметра головки d В, размер которого определяется расчетом, и диаметра шипа. Участки вала и оси, на диаметрах поверхностей которых закрепляются детали, воспринимающие или передающие нагрузку, называют головками или подступицами.
Рис. 3. Элементы валов
Концевая цапфа, предназначенная нести преимущественно осевую нагрузку, называется пятой (рис. 3, б). Опорами для пят служат подпятники – упорные подшипники скольжения или качения.
По форме цапфы могут быть цилиндрическими, коническими, шаровыми и плоскими (пяты).
Кольцевое утолщение вала (между шипом и головкой) (рис. 3, а), составляющее с ним одно целое, называется буртиком. Переходная поверхность от одного сечения вала к другому, служащая для упора насаживаемых на вал деталей (от шипа к буртику для упора подшипника), называется заплечиком (рис. 3, а).
3. Материалы валов и осей
Требованиям работоспособности валов и осей наиболее полно удовлетворяют углеродистые и легированные стали, а в ряде случаев – высокопрочные чугуны. Выбор материала, термической и химико-термической обработки определяется конструкцией вала и опор, техническими условиями на изделие и условиями его эксплуатации. Для большинства валов применяют стали марок Сталь 45, Сталь 40Х и др., а для ответственных конструкций – Сталь 40ХН, Сталь З0ХГТ и др. Рабочие поверхности валов из этих сталей подвергают термической обработке (улучшению, поверхностной закалке ТВЧ и др.).
Быстроходные валы, вращающиеся в подшипниках скольжения, требуют высокой твердости цапф, поэтому их изготовляют из цементируемых сталей марок Сталь 20Х, 12Х2Н4А, 18ХГТ или азотируемых сталей марок Сталь 38Х2МЮА и др.
Обычно валы подвергают токарной обработке, термической обработке с последующим шлифованием и отделочной обработке посадочных поверхностей и цапф. Для этого посадочные поверхности и галтели подвергают суперфинишной обработке или полировке.
Концевые участки валов выполняют цилиндрическими (рис. 4) или коническими (рис. 5). Посадка деталей на конус обеспечивает легкость сборки и разборки, высокую точность базирования, возможность создания любого натяга. Поэтому консольные концы валов редукторов серийного производства, как правило, делают конусными. Поскольку цилиндрические концы валов проще в изготовлении, то при единичном и мелкосерийном производствах они имеют преимущественное распространение.
Рис. 4. Концы валов цилиндрические: а – шейка; б – шейка с наружной резьбой
Рис. 5. Концы валов конические с конусностью 1:10: а – с наружной; б – с внутренней резьбой
На торцах валов располагают центровые отверстия с углом конуса α=60° (рис. 6), которые используют в качестве технологических баз при изготовлении валов и осей и при проверке погрешностей, которые образуются при обработке и эксплуатации валов и осей (а), а также применяют для монтажных работ, транспортирования и хранения в вертикальном положении (б). Фаска под углом 120° защищает резьбу и конусную поверхность центрового отверстия от забоин (см. в конце табл. 1).
Рис. 6. Центровые отверстия на торцах валов
Форма вала по длине определяется конструктивно с учетом распределения нагрузок, т. е. эпюрами изгибающих и крутящих моментов, условиями сборки и технологией изготовления. Однако следует стремиться к форме профиля вала, приближающегося к форме бруса с равнопрочными сечениями или равного сопротивления изгибу.
Поверхности валов, предназначенные для установки деталей, передающих вращающий момент в машинах, механизмах и приборах, выполняют по форме и по размерам с допусками, которые обеспечивают сопряжение валов с этими деталями.
Требования к шероховатости поверхности деталей и посадки деталей на валах приведены в табл. 1 и 2.
Таблица 1. Рекомендуемая шероховатость на различных участках вала
Таблица 2. Посадки деталей на валах
Валы и оси конструктивно связывают через подшипники вращающиеся детали с корпусными деталями. Предварительные размеры шеек валов определяют расчетом, затем после определения способа соединения вращающихся деталей с валом (шпоночным, шлицевым или др.) уточняют размеры посадочных мест и конструкцию валов.
В местах изменения диаметра вала или оси делают переходы. Конструктивно они должны быть выполнены так, чтобы прилегание детали к буртику или торцу переходной поверхности было плотным, без зазора. Если переход от цилиндрической поверхности к вертикальной торцевой поверхности буртика или к торцу переходной поверхности выполнен по радиусу, то такой переход называют галтелью (рис. 7, а), а если с проточкой, в виде канавки, то называют поднутрением (рис. 7; б, в).
Рис. 7. Конструктивные переходы в местах изменения диаметров вала
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.
Вал
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 к содержанию ↑
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.
В различных узлах машин (в том числе в механических передачах) содержится ряд деталей, предназначенных для поддерживания вращающихся элементов - зубчатых и червячных колёс, шкивов, звёздочек и т.д. Такие детали называются валами и осями. По конструкции оси и прямые валы мало отличаются друг от друга, но характер их работы существенно отличается: оси являются поддерживающими деталями и воспринимают только изгибающие нагрузки; валы представляют собой звенья механизмов, передающие крутящие моменты и, помимо изгиба, испытывают кручение.
Форма валов и осей разнообразна и зависит от выполняемых ими функций. Иногда, валы изготавливаются совместно с другими деталями, например, шестернями, кривошипами, эксцентриками.
Оси. Осью называют деталь, предназначенную только для поддержания установленных на ней деталей. Они могут быть либо неподвижными относительно насаженных на них деталей (рис. 1, а), либо вращающимися (в этом случае ось может быть изготовлена заодно с ними) (рис. 1, б).
В отличие от вала ось не передает вращающего момента и работает только на изгиб. В машинах оси могут быть неподвижными или же могут вращаться вместе с сидящими на них деталями (подвижные оси).
Не следует путать понятия "ось колеса" (это деталь) и "ось вращения" (это геометрическая линия центров вращения).
Рис.1 - Конструкции осей: а - неподвижная ось; б - вращающаяся ось
Валы. Валом называют деталь (как правило, гладкой или ступенчатой цилиндрической формы), предназначенную для поддержания установленных на ней шкивов, зубчатых колес, звездочек, катков и т. д., и для передачи вращающего момента.
При работе вал испытывает изгиб и кручение, а в отдельных случаях помимо изгиба и кручения валы могут испытывать деформацию растяжения (сжатия). Некоторые валы не поддерживают вращающиеся детали и работают только на кручение.
Признаками для классификации валов служат их назначение, форма геометрической оси, конструктивные особенности.
1. По назначению валы делят на валы передач, на которых устанавливают детали передач (рис. 3) и коренные валы, на которых устанавливают дополнительно еще и рабочие органы машины (рис. 4).
2. По геометрической форме продольной оси валы делят на: прямые (см. рис. 2); кривошипные;коленчатые (рис.4, г); гибкие (рис.3, ж); телескопические(рис.4, е); карданные (рис.4, е).
Вал (рис.2) имеет опорные участки, называемые цапфами. Концевые цапфы именуют шипами, а промежуточные - шейками. Шипы и шейки вала опираются на подшипники. Концевая цапфа, предназначенная нести преимущественно осевую нагрузку, называется пятой. Опорная поверхность для пяты называется подпятник.
Рис.2 - Прямой ступенчатый вал
Рис.3 - Типы валов передач: а - гладкие (трансмиссионные и др.);
б - ступенчатые; в - шлицевые; г - валы-шестерни; д - валы-полумуфты;
е - карданно-телескопические; ж - гибкие; з – кулачковые
Кривошипные и коленчатые валы используют для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное (поршневые двигатели) или наоборот (компрессоры); гибкие - для передачи вращающего момента между узлами машин, меняющими свое положение в работе (строительные механизмы, зубоврачебные машины и т. п.); телескопические - при необходимости осевого перемещения одного вала относительно другого.
Гибкие валы изготавливаются многослойной навивкой стальной пружинной проволоки на тонкий центральный стержень. Они сохраняют достаточную гибкость лишь при небольших диаметрах, так как при увеличения диаметра момент инерции сечения, а, следовательно, и жесткость резко возрастают, Поэтому при всех положительных качествах и удобстве привода, такие валы не могут передавать сколько-нибудь значительной мощности и имеют сравнительно узкое применение.
Наиболее широко распространены в машиностроении прямые валы и оси. Коленчатые и криволинейные валы относятся к специальным деталям и в настоящем курсе не изучаются.
Рис.4 - Типы коренных валов: а – валы турбин; б – валы электрических двигателей; в – шпиндели станков; г – коленчатые валы; д – эксцентриковые валы
3. По конструктивным признакам: гладкие валы (см. рис. 3) и оси (см. рис.5); ступенчатые валы (см. рис. 2, 3, 4) и оси (см. рис. 5); валы-шестерни (см. рис. 3); валы-червяки (изготовлены заодно с деталью).
Для осевого фиксирования деталей на валу или оси используются уступы, буртики, конические участки, стопорные кольца, распорные втулки, которые могут монтироваться в одном комплекте с другими деталями.
Наиболее удобны для сборки узлов ступенчатые валы: уступы предохраняют детали от осевого смещения и фиксируют их положения при сборке, обеспечивают свободное продвижение детали по валу до места ее посадки. Желательно, чтобы высота уступов допускала разборку узла без вынимания шпонок из вала. Диаметры посадочных участков должны быть выполнены по ГОСТ 6636-69, поскольку на эти диаметры существуют калибры массового производства.
Для обеспечения необходимого вращения деталей вместе с осью или валом применяют шпонки, шлицы, штифты, профильные участки валов и посадки с натягом.
Рис. 5 - Разновидности осей: а – оси ремённых, зубчатых и других передач ступенчатые (неподвижная и вращающаяся); б – оси подъёмно-транспортных машин (ступенчатая вращающаяся и гладкая неподвижная); в – оси транспортных машин
4. По типу сечения валы и оси бывают сплошные,полые,комбинированные. Применение полых валов приводит к существенному снижению массы и повышению жесткости вала при той же прочности, но изготовление полых валов сложнее сплошных. Полыми валы изготовляют и в тех случаях, когда через вал пропускают другую деталь (рис. 3, е), подводят масло.
Опоры валов и осей Нагрузки, воспринимаемые валами и осями, передаются на корпуса, рамы и станины через опорные устройства - подшипники. Опорные участки валов и осей – цапфы - в зависимости от направления опорных реакций разделяют на два типа.
К первому типу относятся цапфы, опорные реакции которых перпендикулярны оси вращения (радиальные усилия), их называют шипами (концевые цапфы) или шейками (промежуточные цапфы) (рис. 2 и 6)
Рис. 6 - Участки вала
Опорами шипов и шеек служат подшипники качения и скольжения. Цапфы валов и осей с опорами скольжения бывают цилиндрическими, коническими и сферическими (рис. 7).
Рис.7 - Типы опор под подшипники скольжения: а – цилиндрическая; б – коническая; в - сферическая
Наибольшее распространение получили цилиндрические цапфы (рис.7, а), так как они наиболее просты, удобны и дешевле в изготовлении, установке и работе.
Конические (рис. 7, б) и сферические (рис. 7, в) цапфы применяют реже.
Цапфы валов и осей для подшипников качения почти всегда выполняют цилиндрическими (рис.8). Для облегчения сборки и фиксации вала в осевом направлении цапфы обычно делают несколько меньшего диаметра, чем соседний участок вала (рис. 8, а).
Рис.8 - Типы цапф под подшипники качения
На некоторых валах и осях для фиксации подшипников качения рядом с цапфами предусматривают резьбу для гаек (рис. 8, б) или кольцевые выточки для фиксации пружинных колец (рис. 8, в).
Сравнительно редко применяют конические цапфы с небольшим углом конусности для регулирования зазоров упругим деформированием колец.
Цапфы для подшипников качения характеризуются меньшей длиной, чем цапфы для подшипников скольжения.
Ко второму типу относятся цапфы, опорные реакции которых совпадают с осью вращения или параллельны ей (осевые усилия), их называют пятáми (рис.1, 6 и 9). Опорами для пят служат подпятники – упорные подшипники скольжения (рис. 9, а, б, в) или качения (рис. 6, 9, г).
Наибольшее распространение получили следующие конструкции пят:
1) сплошная пята, рабочей поверхностью которой является плоский торец вала с канавками для смазки (рис.9, а); 2) кольцевая пята, рабочей поверхностью которой является кольцо торцовой части вала с канавками для смазки (рис.9, б); 3) гребёнчатая пята, рабочей поверхностью которой являются кольцевые участки вала – гребни (или заплечики), на которых сделаны канавки для смазки (рис.9, в).
Рис. 9 - Типы пят: а – сплошная; б – кольцевая; в – гребёнчатая; г – пята с подпятником качения
Подступичными участками валов и осей (или головками) называют участки, на которых закреплены вращающиеся детали (рис. 6).
Переходные участки между двумя диаметрами выполняют: 1.) с канавкой со скруглением для выхода шлифовального круга (эти канавки повышают концентрацию напряжений, поэтому рекомендуются на концевых участках, где изгибающие моменты небольшие) (рис. 6 и 10, а); 2) с галтелью постоянного радиуса (рис. 6 и 10, б); 3) с галтелью переменного радиуса (рис. 10, в). Такая галтель снижает концентрацию напряжений и увеличивает долговечность. Применяется она на сильно нагруженных участках валов и осей.
Рис.10 - Конструктивные разновидности переходных участков вала
Торцы валов и осей делают с фасками, т. е. слегка обтачивают их на конце (см. рис. 6). Посадочные поверхности валов и осей обрабатывают на токарных и шлифовальных станках.
Эффективными средствами для снижения концентрации напряжений в переходных участках являются протачивание разгрузочных канавок (рис. 11, а), увеличение радиусов галтелей, высверливание в ступенях большого диаметра (рис. 11, б). Пластическое упрочнение (наклеп) галтелей обкаткой роликами повышает несущую способность валов и осей.
Рис 11 - Способы повышения усталостной прочности валов
Заплечики валов и осей (буртики) препятствуют сдвигу лишь в одном направлении (рис. 6). В случае возможного осевого смещения в противоположную сторону для его исключения применяют гайки, штифты, стопорные винты и т. д. Концы валов для установки муфт, шкивов и других деталей, передающих вращающие моменты, выполняют цилиндрическими или коническими, а их размеры стандартизованы. Для установки шпонок вал снабжают пазом.
Зубчатые колеса, шкивы и другие вращающиеся детали машин устанавливают на валах и осях. Вал предназначен для поддержания расположенных на нем деталей и для передачи вращающего момента.
При работе вал испытывает изгиб и кручение а в отдельных случаях дополнительно растяжение и сжатие. В отличие от вала, ось не передает вращающего момента и, следовательно, не испытывает кручения.
Вал всегда вращается, а ось может быть вращающейся или невращающейся (неподвижной).
По форме геометрической оси валы разделяют на прямые и коленчатые. Коленчатые валы применяют в поршневых машинах. Особую группу составляют гибкие валы с изменяемой формой геометрической оси. Коленчатые и гибкие валы относят к специальным деталям и не изучают в курсе деталей машин.
По конструкции различают валы и оси: гладкие и ступенчатые, а также сплошные и полые. Образование ступеней на валу связано с фиксацией деталей или самого вала в осевом направлении. Полыми валы изготавливают для уменьшения массы или в тех случаях, когда через вал пропускают другую деталь, подводят масло.
Валы и оси вращаются в опорах. Опорные части валов и осей называют цапфами. Цапфы валов, работающие в подшипниках скольжения выполняют цилиндрическими, коническими и сферическими. Цапфы для подшипников качения выполняют как правило цилиндрическими.
Для высоконапряженных валов ответственных машин применяют легированные стали: 40ХН, ЗОХГТ и др. Подвергают их закалке с высоким отпуском или поверхностной закалке с нагревом ТВЧ и низким отпуском.
Валы подвергают токарной обработке и последующему шлифованию посадочных поверхностей. Высоконапряженные валы шлифуют по всей поверхности. Шероховатость поверхности под подшипники качения Ra=1,5…2,5 мкм.
Основными критериями работоспособности валов являются:
- усталостная прочность (выносливость);
- жесткость;
- устойчивость к резонансным поперечным колебаниям.
Читайте также: