Реферат валы и оси

Обновлено: 05.07.2024

Введение 4
1. Классификация валов и осей 6
2. Конструктивные элементы осей и валов 10
3. Материалы валов и осей 13
4. Критерии работоспособности валов и осей 14
Заключение 16
Библиографический список 17

Создание машин и их звеньев из различных деталей вызывает необходимость соединения последних между собой. Этой цели служит целая группа соединительных деталей (соединения), которые, в свою очередь, делятся на 3:
неразъемные - заклепочные, сварные, клеевые; с натягом;
разъемные – резьбовые; шпоночные; шлицевые.
Любая машина состоит из двигательного, передаточного и исполнительного механизмов. Наиболее общими для всех машин являются передаточные механизмы. Передачу энергии удобнее всего производить при вращательном движении. Для передачи энергии во вращательном движении служат передачи, валы и муфты.
Передачи вращательного движения являются механизмами, предназначенными передавать энергию с одного вала на другой, как правило, с преобразованием (уменьшением или увеличением) угловых скоростей и соответствующим изменением крутящих моментов.
Передачи подразделяют на передачи зацеплением (зубчатые, червячные, цепные) и трением (ременные, фрикционные). 4
Вращательные детали передачи - зубчатые колеса, шкивы, звездочки устанавливают на валах и осях. Валы служат для передачи крутящего момента вдоль своей оси и для поддержания указанных выше деталей. Для поддержания вращающихся деталей без передачи крутящего момента служат оси.
Валы соединяют с помощью муфт. Различают муфты постоянные и сцепные.
Валы предназначены для передачи вращающего момента и, как правило, поддержания установленных на них деталей. Кроме вращающих моментов валы нагружены обычно поперечными силами и изгибающими моментами. Оси обеспечивают вращательное движение закрепленных на них деталей, нагружены обычно поперечными силами и изгибающими моментами, а вращающих моментов не передают. Оси бывают вращающимися и не подвижными.
Объектом данного реферата является – валы и оси.
Целью данного реферата является изучение валов и осей.
В соответствии с поставленной целью выделим следующие задачи данного реферата:
изучить классификацию осей и валов;
описать конструктивные элементы осей и валов;
проанализировать материалы из которых изготавливаются оси и валы;
рассмотреть критерии работоспособности.
Классификация валов и осейПо назначению валы делят на валы передач (на них устанавливают детали передач) и коренные валы (на них устанавливают дополнительно еще и рабочие органы машины).
Рисунок 1 - Типы валов: а — кривошипный вал: б — коленчатый вал; в — гибкий вал; г — телескопический вал; д — карданный вал
Форма валов и осей разнообразна и зависит от выполняемых ими функций. Иногда, валы изготавливаются совместно с другими деталями, например, шестернями, кривошипами, эксцентриками. 1
По геометрической форме валы делят на: прямые; кривошипные (рис.1, а); коленчатые (рис.1, б); гибкие (рис.1, в); телескопические (рис.1, г); карданные (рис.1, д). Кривошипные и коленчатые валы используют для преобразования возвратнопоступательного 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. 8
Оси обычно изготовляют прямыми. Наиболее широко распространены в машиностроении прямые валы и оси. Коленчатые и криволинейные валы относятся к специальным деталям и в настоящем курсе не изучаются.
По конструктивным признакам: гладкие валы и оси; ступенчатые валы и оси; валы-шестерни; валы-червяки.
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. 1
Для обеспечения необходимого вращения деталей вместе с осью или валом применяют шпонки, шлицы, штифты, профильные участки валов и посадки с натягом.
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, подводят масло.
Участки осей и валов (рис.2), которыми они опираются на подшипники при восприятии осевых нагрузок, называют пятами. Опорами для пят служат подпятники 2. Посадочные поверхности валов и осей под ступицы насаживаемых деталей называют цапфами и выполняют цилиндрическими, коническими или шаровыми. При этом принято называть промежуточные цапфы шейками, концевые — шипами. Широкое распространение в машиностроении получили цилиндрические цапфы; конические и шаровые цапфы применяют редко.
Рисунок 2 - Опора вертикального вала: 1 — пята; 2 — подпятник
Рисунок 3 - Цапфы: цилиндрические - а; конические – б; шаровые – в
Переходные участки между двумя диаметрами выполняют 5:
с галтелью постоянного радиуса;
с галтелью переменного радиуса.
Такая галтель снижает концентрацию напряжений и увеличивает долговечность. Применяется она на сильно нагруженных участках валов и осей.
Конструктивные разновидности переходных участков между ступенями валов и осей: канавка со скруглением для выхода шлифовального круга (рис. 4, а); галтель постоянного радиуса (рис. 4, б); галтель переменного радиуса (рис. 4, в).
Рисунок 4 - Конструктивные разновидности переходных участков вала: а — канавка; б — галтель; в — галтель переменного радиуса; г — фаска
Торцы валов и осей делают с фасками, т. е. слегка обтачивают их на конце. Посадочные поверхности валов и осей обрабатывают на токарных и шлифовальных станках.
Заплечики валов и осей препятствуют сдвигом лишь в одном направлении. 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. 7
Конструктивные элементы осей и валовВалы – 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. 11
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.
Рисунок 5 - Валы
На рисунке 5 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.
Ось – деталь машин и механизмов, служащая для поддержания вращающихся частей, но не передающая полезный крутящий момент. Оси (Рис. 6) 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.
Рисунок 6 - 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). 10
Опорная часть вала или оси называется цапфой. Концевая цапфа называется шипом, а промежуточная – шейкой (Рис. 7, 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.
Рисунок 7 - Элементы валов
Концевая цапфа, предназначенная нести преимущественно осевую нагрузку, называется пятой (Рис. 7, 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. 7, 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. 7, а).
Материалы валов и осей
В качестве материала для осей и валов чаще всего применяют углеродистые и легированные стали (прокат, поковка и реже стальные отливки), так как они обладают высокой прочностью, способностью к поверхностному и объемному упрочнению, легко получаются прокаткой цилиндрические заготовки и хорошо обрабатываются на станках, а также высокопрочный модифицированный чугун и сплавы цветных металлов (в приборостроении). Для неответственных малонагруженных конструкций валов и осей применяют углеродистые стали без термической обработки. Ответственные тяжело нагруженные валы изготовляют из легированной стали 40ХНМА, 25ХГТ и др. Без термической обработки применяют стали 35 и 40, Ст5, Стб, 40Х, 40ХН, ЗОХНЗА, с термической обработкой — стали 45, 50 и др.
Шейки валов, работающие на трение в подшипниках скольжения, должны иметь более твердую поверхность (НRС=50-60), что может быть достигнуто применением закалки TBЧ или цементации и закалки. 2
При небольших диаметрах зубчатых колес вал и шестерню выполняют как одно целое. В этом случае материал для изготовления вала-шестерни выбирают в соответствии с требованиями, предъявляемыми к материалу шестерни.
Механическую обработку валов обычно производят в центрах, для чего заготовки валов снабжают центровыми отверстиями. Канавки, галтели, шпоночные пазы на одном валу желательно иметь одинаковых размеров, чтобы обработать их одним и тем же инструментом.
В автомобильной и тракторной промышленности коленчатые валы двигателей изготавливают из ковкого или высокопрочного чугуна. 8
Критерии работоспособности валов и осей
В процессе работы валы и оси испытывают постоянные или переменные по величине и направлению нагрузки. Прочность валов и осей определяется величиной и характером напряжений, возникающих в них под действием нагрузок. Постоянные по величине и направлению нагрузки вызывают в неподвижных осях постоянные напряжения, а во вращающихся осях (и валах) — переменные.
Характерной особенностью валов является то, что они работают при циклическом изгибе наиболее опасного симметричного цикла, который возникает вследствие того, что вал, вращаясь, поворачивается к действующим изгибающим нагрузкам то одной, то другой стороной. При разработке конструкции вала должно быть обращено самое пристальное внимание на выбор правильной его формы, чтобы избежать концентрации напряжений в местах переходов, причиной которых могут быть усталостные разрушения. С этой целью следует избегать:
резких переходов сечений;
канавок и малых радиусов скруглений;
некруглых отверстий;
грубой обработки поверхности.
Для оценки правильного выбора геометрической формы вала пользуются гидравлической аналогией, которая гласит: "Если контур детали представить как трубу, в которой движется жидкость, то там, где поток турбулентный, возникнет концентрация напряжений".
Причины поломок валов и осей прослеживаются на всех этапах их "жизни".
На стадии проектирования – неверный выбор формы, неверная оценка концентраторов напряжений. 4
На стадии изготовления – надрезы, забоины, вмятины от небрежного обращения. 9
На стадии эксплуатации – неверная регулировка подшипниковых узлов.
Для работоспособности вала или оси необходимо обеспечить 13:
объёмную прочность (способность сопротивляться Mизг и Мкрут);
поверхностную прочность (особенно в местах соединения с другими деталями);
жёсткость на изгиб;
крутильную жёсткость (особенно для длинных валов).
Все валы в обязательном порядке рассчитывают на объёмную прочность.
Из изложенного выше следует, что в зависимости от характера напряжений, возникающих в валах и осях, возможны два случая расчета их на прочность: на статическую прочность и на усталостную прочность.
Валы и оси в основном испытывают циклически меняющиеся напряжения. Отсюда следует, что основным критерием работоспособности валов и осей является усталостная прочность. Статическое разрушение встречается очень редко. Оно происходит под действием случайных кратковременных перегрузок. Для валов расчет на сопротивление усталости (уточненный расчет) считается основным. Расчет на статическую прочность выполняют как проверочный.
Усталостная прочность (выносливость) валов и осей оценивается коэффициентом запаса прочности.
Неподвижные оси при действии постоянных нагрузок рассчитывают только на статическую прочность.
Подвижные быстроходные оси и валы рассчитывают на выносливость.
Тихоходные валы и оси, нагруженные переменной нагрузкой, рассчитывают на статическую прочность и выносливость.
Заключение

При работе валы и вращающиеся оси даже при постоянной внешней нагрузке испытывают знакопеременные напряжения изгиба симметричного цикла, следовательно, возможно усталостное разрушение валов и вращающихся осей. Чрезмерная деформация валов может нарушить нормальную работу зубчатых колес и подшипников, следовательно, основными критериями работоспособности валов и осей являются сопротивление усталости материала и жесткость. Практика показывает, что разрушение валов быстроходных машин обычно происходит в результате усталости материала. 12
Для окончательного расчета вала необходимо знать его конструкцию, тип и расположение опор, места приложения внешних нагрузок. Вместе с тем подбор подшипников можно осуществить только когда известен диаметр вала. Поэтому расчет валов выполняется в два этапа: предварительный (проектный) и окончательный (проверочный).
В результате написания данного реферата, можно сделать следующий вывод, что по назначению валы можно разделить на коренные, т. е. валы несущие основные рабочие органы машин (ротор турбины, коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания, шпиндель станка), и передаточные (валы передач), используемые для передачи и распределения движения и несущие на себе детали передач: зубчатые колеса, шкивы, звездочки и т. д. В ряде машин (сельскохозяйственных, дорожных) применяют валы для передачи вращающего момента к исполнительным органам; их называют трансмиссионными.
Иногда используют торсионные валы (торсионы), т. е. валы обычно малых диаметров и передающих только вращающие моменты. 7
Библиографический список

В механизмах имеются звенья, передающие вращающее движение. Валы (валики) и оси предназначены для поддержания, установки и крепления на них вращающихся деталей механизмов типа зубчатых колес, шкивов, полумуфт, муфт, маховичков, указателей и т.д.

При работе валы нагружены поперечными, а иногда и продольными силами, всегда передают вращающий момент, т.е. подвижны, и испытывают деформацию кручения и изгиба. Оси, в отличие от валов, не передают вращающий момент, т.е. не испытывают кручения, они могут быть подвижными и неподвижными. Нагрузки, действующие на оси, вызывают в них деформацию изгиба.

В зависимости от положения геометрической оси валы могут быть с прямолинейной (прямые), ступенчатой (коленчатые) и изменяющейся (гибкие) осью. Наибольшее распространение получили прямые валы и оси. Коленчатые валы применяют для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное или наоборот, они совмещают функции вала и кривошипа. Гибкие валы состоят из нескольких плотно навитых на сердечник слоев стальных проволок с чередующимся направлением навивки. Их подбирают по допустимому крутящему моменту и частоте вращения. Они стандартизированы. С их помощью можно передавать вращение под любым углом. Используют гибкие валики в приводах измерительных приборов и дистанционного контроля, например спидометров, тахометров, роботов. Долговечность и КПД (0,85 … 0,9) гибких валов зависят от величины радиуса кривизны их оси, который рекомендуют принимать равным 15 … 20 диаметрам вала.

В зависимости от изменения сечения вдоль геометрической оси валы могут быть гладкие, ступенчатые с цилиндрическими и коническими участками, валы – зубчатые колеса, валы – червяки (рис. 1). Гладкие валы и оси встречаются сравнительно редко, например, при использовании калиброванных прутков и соответственно посадок в системе вала или при отсутствии продольных сил. Ступенчатые валы обеспечивают равнопрочность по длине, более удобны при сборке, установке сопряженных деталей, но менее технологичны. Число и расположение ступеней вала зависят от числа закрепленных на нем деталей (зубчатых колес и т.д.) и от принятого способа сборки, фиксации вала в осевом направлении. Посадочные поверхности под ступицы насаживаемых на вал деталей выполняют цилиндрическими, реже коническими. Конические поверхности сложнее в изготовлении, но позволяют повысить точность центрирования и соосности соединяемых деталей.

Опорные части валов и осей называют цапфами. Цапфы, передающие на опоры радиальную нагрузку, называют шипами, а осевую нагрузку – пятами. По форме шипы могут быть цилиндрическими, коническими и сферическими, а пяты – плоскими и шаровыми. Если ось неподвижна, ее опорные части необязательно должны иметь форму тел вращения. Обычно цапфы валов и осей выполняют цилиндрическими. Конические цапфы используют при осевом фиксировании валов. Шаровые цапфы применяют, когда необходимы угловые отклонения осей. Опоры, на которых лежат шипы, называют подшипниками, а опоры пят – подпятниками.

Диаметры посадочных поверхностей валов и осей под ступицы насаживаемых деталей выбирают по ГОСТу из стандартного ряда линейных размеров, а диаметры цапф под подшипники качения – из стандартного ряда диаметров внутреннего кольца подшипников качения.

Для уменьшения концентрации напряжений изменение диаметра ступенчатого вала выполняют плавным переходом – галтелью – по возможно большему радиусу r , r ³ 0,1d. Радиус галтели r должен быть меньше радиуса закругления r₁ или радиального размера фаски насаживаемой детали (рис. 2, а). Участок перехода диаметров может выполняться и в виде кольцевой проточки глубиной 0,15 … 0,25 мм и шириной 1 … 2 мм для выхода шлифовального круга при обработке (рис. 2, б). Но проточки снижают прочность, их рекомендуют выполнять на концевых участках валов и осей в местах наименьших напряжений.

Длина каждой ступени вала определяется шириной насаженных на него деталей: ступиц зубчатых колес, муфт, подшипников, крышек подшипников и т.д. Она должна обеспечивать возможности точной обработки, сборки и съема деталей.

Детали на валах и осях крепятся с помощью цилиндрических или конических штифтов при d ³ 6 мм, – с помощью призматических или сегментных шпонок. Размеры штифтов, шпонок должны соответствовать размерам вала, например диаметр штифта d_ш £ (0,2 … 0,25)d.

Торцы осей и валов и их ступеней выполняют с конусными фасками для облегчения посадки деталей и снятия заусенцев, которые могут быть причиной травматизма при сборке.

Сопряжение вала с насаженными на него деталями осуществляется, как правило, в системе отверстия по переходным посадкам или посадкам с минимальным зазором (H/h), обеспечивающим точное центрирование и допускающим разборку и повторную сборку узла.

Размеры посадочных поверхностей вала выполняются по шестому квалитету, в особо точных узлах – по пятому, при соответствии требуемой точности параметров шероховатости. Точность отверстия насаженных деталей принимается, как правило, на один квалитет грубее, т.е. квалитет отверстия больше квалитета вала.

Валы и оси по назначению являются ответственными деталями механизмов. Материал валов и осей должен хорошо обрабатываться и быть прочным. Чаще всего в качестве материалов применяют следующие углеродистые и легированные стали: качественные стали 40, 45, 50, сталь 40Х – для валов с термообработкой; стали 20, 20Х – для быстроходных валов на подшипниках скольжения с поверхностной цементацией цапф; углеродистые стали обыкновенного качества Ст4, Ст5 – для неответственных валов без термообработки; сталь Х18Н10Т – для коррозионно-стойких, немагнитных валов. Для уменьшения массы валов и осей применяют дюралюминий, для обеспечения электроизоляционных свойств – пластмассы или керамические материалы. Для валов – червяков, валов – зубчатых колес материал выбирают в соответствии с требованиями, предъявляемыми к материалу червяка, зубчатого колеса.

Расчет валов и осей

Целью расчета на прочность является определение диаметра вала или оси в наиболее нагруженном сечении. При расчете необходимо учитывать выточки, отверстия под штифты, шпоночные пазы, резьбы, которые понижают прочность.

Диаметр оси, исходя из условия ее работы только на изгиб, равен

d³, [м] (1)

где М_и – изгибающий момент, Н´м; s_adm – допускаемое напряжение материала оси на изгиб, МПа.

Значение d округляют до ближайшей большей стандартной величины из нормального ряда линейных размеров.

Различают предварительный и проверочный расчеты валов.

В начальной стадии проектирования размеры вала по длине еще не известны, поэтому диаметр вала приближенно определяют из расчета только на кручение при пониженных допускаемых напряжениях материала

d³ , (2)

где Т – крутящий момент, Н´м; t _adm – допускаемое напряжение при кручении, МПа.

Диаметр вала округляют до ближайшей большей стандартной величины из нормального ряда линейных размеров, а диаметры различных ступеней вала назначают из условий сборки, фиксации.

Иногда диаметр вала при предварительном расчете берется на основании данных практики проектирования.

Например, в кинематических передачах диаметр вала связывают с диаметром внутреннего кольца используемого подшипника качения или диаметр ведущего вала редуктора принимают равным 0,8 … 1,2 диаметра вала электродвигателя привода.

Проверочные расчеты валов проводят при необходимости на статическую и усталостную прочность, жесткость и антирезонансные свойства.

Расчеты проводятся только после окончательного назначения диаметральных и осевых размеров всех элементов вала с учетом внешних сил и моментов, действующих на вал, включая реакции опор. Нагрузки, распределенные по длине подшипника или ступицы, рассматриваются как сосредоточенные.

Усилия, возникающие в зубчатом или червячном зацеплении, представляют в виде радиальной, окружной и осевой составляющих, величины которых зависят от геометрии зацепления и от крутящего момента на валу.

Проверочный расчет вала на статическую прочность – это расчет на изгиб и кручение. Он сводится к расчету на изгиб по приведенному моменту

, (3)

где М_и _z , М_иу – изгибающий момент соответственно в горизонтальной и вертикальной плоскостях, Н∙м.

Учитывая условия прочности σ = M_red / W ≤ ≤ σ_adm , где W = 0,1 d 3 – момент сопротивления поперечного сечения вала диаметром d относительно нейтральной оси, определим диаметр вала, который будет равен

. (4)

Для валов и осей, работающих в условиях длительных переменных нагрузок, проводят расчет на усталостную прочность.

Нормальные напряжения от изгиба изменяются по симметричному циклу.

Цикл изменения касательных напряжений от крутящего момента принимают отнулевым для нереверсивного движения (пуск-остановка) и симметричным – для реверсивного движения.

Расчет заключается в определении коэффициентов запаса прочности по нормальным n _s и по касательным n_t напряжениям, величина которых зависит от размеров поперечного сечения, поверхностного упрочнения вала, наличия концентраторов напряжений, параметров циклов нагружения. При этом

где n_adm – допускаемый коэффициент запаса прочности, обычно равный 1,5 … 2,0.

Условия усталостной прочности по нормальным и касательным напряжениям будут соответственно равны

n_s = ³ n_adm , (6)

n_t = ³ n_adm , (7)

где s _–1 , t _–1 – пределы выносливости материала вала соответственно при действии нормальных и касательных напряжений. Их можно определить через величину предела прочности при растяжении s_ut :

При необходимости, когда упругие деформации валов и осей влияют на работу связанных с ними деталей, например зубчатых колес, фрикционных катков, подшипников, валы и оси рассчитывают на жесткость. По условию жесткости максимальная деформация не должна превышать допускаемого значения. Различают жесткость валов при изгибе и кручении. Жесткость при изгибе оценивают прогибом y вала и углом поворота q сечения вала, которые определяют по формулам сопротивления материалов для конкретной конструкции и схемы нагружения вала. При этом

F £ y_adm =(0,0002 … 0,0003)ℓ, (10)

где y _adm , q_adm – допустимые значения прогиба и угла поворота сечения вала; ℓ – расстояние между опорами.

Допустимый угол поворота сечения вала определяется типом опоры:

q_adm = 0,001 рад – при подшипниках скольжения;

q_adm = 0,01 рад – при однорядных радиальных шарикоподшипниках;

q_adm = 0,05 рад – при двухрядных сферических радиальных шарикоподшипниках.

Жесткость при кручении оценивается углом закручивания j₀ на единицу длины вала

, (12)

где d_min – минимальное значение диаметра вала по его длине; G – модуль упругости материала вала при сдвиге (для стали G = 8×10 4 МПа); j ₀ _adm – допустимое значение угла закручивания (j₀ _adm = 1,5×10 –3 рад/м).

Расчет на антирезонансные свойства предполагает определение резонансной (критической) частоты вращения вала, которая не должна совпадать с рабочей частотой n_р .

Он производится для валов с высокими скоростями вращения (n > 20 000 об/мин).

Длительная работа вала в резонансной области даже при небольшой неуравновешенности может привести к разрушению вала и опор. Если вал под тяжестью деталей, закрепленных на нем, имеет статический прогиб y , то критическая частота вращения определится как

Желательно, чтобы рабочая частота вращения вала лежала вне диапазона частот резонансной полосы (0,7 … 1,5) n_кр . В диапазонах частот n_р £ 0,7 n_кр (квазистатический режим) и n_р ³ 1,5 n_кр (квазиамортизационный режим) прогиб вала не превышает значения статического прогиба y.

Красковский Е.Я., Дружинин Ю.А., Филатова Е.М. Расчет и конструирование механизмов приборов и вычислительных систем: Учебное пособие. М.: – Высш. шк., 2001. – 480 с.

Сурин В.М. Техническая механика: Учебное пособие. – Мн.: БГУИР, 2004. – 292 с.

Ванторин В.Д. Механизмы приборных и вычислительных систем: Учебное пособие. – М.: Высш. шк., 1999. – 415 с.

Особенность вращения оси вместе с установленными на ней деталями. Сущность предназначения валов для передачи крутящих моментов. Изготовление волн из углеродистых и легированных конструкционных сталей. Характеристика зубчатых редукторов и подшипников.

Рубрика	Производство и технологии
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	20.02.2015
Размер файла	507,7 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Введение

Валы предназначены для передачи вращающего момента и, как правило, поддержания установленных на них деталей. Кроме вращающих моментов валы нагружены обычно поперечными силами и изгибающими моментами. Оси обеспечивают вращательное движение закрепленных на них деталей, нагружены обычно поперечными силами и изгибающими моментами, а вращающих моментов не передают. Оси бывают вращающимися и не подвижными.

Основными рабочими характеристиками подшипника в процессе эксплуатации являются шумы подшипника, вибрации, температура и состояние смазочного материала.

Объектом данного реферата является - валы и оси, подшипники.

Целью является изучение валов и осей, а также подшипников.

Задачи: - изучить назначение осей и валов, - описать материалы валов и осей,

- рассмотреть виды подшипников.

1. Назначение конструкции осей и валов

Оси служат для поддержания вращающихся вместе с ними или на них различных деталей машин и механизмов. Вращение оси вместе с установленными на ней деталями осуществляется относительно ее опор, называемых подшипниками. Примером невращающейся оси может служить ось блока грузоподъемной машины (рис. 1, а), а вращающейся оси -- вагонная ось (рис. 1, б). Оси воспринимают нагрузку от расположенных на них деталей и работают на изгиб.

Рис. 1

Валы в отличие от осей предназначены для передачи крутящих моментов и в большинстве случаев для поддержания вращающихся вместе с ними относительно подшипников различных деталей машин. Валы, несущие на себе детали, через которые передается крутящий момент, воспринимают от этих деталей нагрузки и, следовательно, работают одновременно на изгиб и кручение. При действии на установленные на валах детали (конические зубчатые колеса, червячные колеса и т. д.) осевых нагрузок, валы дополнительно работают на растяжение или сжатие. Некоторые валы не поддерживают вращающиеся детали (карданные валы автомобилей, соединительные валки прокатных станов и т. п.), поэтому эти валы работают только на кручение. По назначению различают валы передач, на которых устанавливают зубчатые колеса, звездочки, муфты и прочие детали передач, коренные валы, на которых устанавливают не только детали передач, но и другие детали, например маховики, кривошипы и т. д.

Оси представляют собой прямые стержни (рис 1, а, б), а валы различают прямые (рис. 1, в, г), коленчатые (рис. 1, д) и гибкие (рис. 1, е). Широко распространены прямые валы. Коленчатые валы в кривошипно-шатунных передачах служат для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное или наоборот и применяются в поршневых машинах (двигатели, насосы). Гибкие валы, представляющие собой многозаходные витые из проволок пружины кручения, применяют для передачи момента между узлами машин, меняющими свое относительное положение в работе (механизированный инструмент, приборы дистанционного управления и контроля, зубоврачебные бормашины и т. п.). Коленчатые и гибкие валы относятся к специальным деталям.

Оси и валы в большинстве случаев бывают круглого сплошного, а иногда кольцевого поперечного сечения. Отдельные участки валов имеют круглое сплошное или кольцевое сечение со шпоночной канавкой (рис. 1, в, г) или со шлицами, а иногда профильное сечение. Стоимость осей и валов кольцевого сечения обычно больше, чем сплошного сечения; их применяют в случаях, когда требуется уменьшить массу конструкции, например в самолетах (см. также оси сателлитов планетарного редуктора на рис. 4), или разместить внутри другую деталь. Гулиа Н. В., Клоков В. Г., Юрков С. А. Детали машин. -- М.: Издательский центр "Академия", 2004. -- С. 416 Полые сварные оси и валы, изготовляемые из ленты, расположенной по винтовой линии, позволяют снижать массу до 60%.

Оси небольшой длины изготовляют одинакового диаметра по всей длине (рис. 1, а), а длинные и сильно нагруженные - фасонными (рис. 1, б). Прямые валы в зависимости от назначения делают либо постоянного диаметра по всей длине (трансмиссионные валы, рис. 1, в), либо ступенчатыми (рис. 1, г), т.е. различного диаметра на отдельных участках. Наиболее распространены ступенчатые валы, так как их форма удобна для установки на них деталей, каждая из которых должна к своему месту проходить свободно. Иногда валы изготовляют заодно с шестернями (см. рис. 2) или червяками (см. рис. 2; 3).

Участки осей и валов, которыми они опираются на подшипники, называют при восприятии радиальных нагрузок цапфами, при восприятии осевых нагрузок -- пятами. Концевые цапфы, работающие в подшипниках скольжения, называют шипами (рис. 2, а), а цапфы, расположенные на некотором расстоянии от концов осей и валов, - шейками (рис. 2, б). Цапфы осей и валов, работающие в подшипниках скольжения, бывают цилиндрическими (рис. 2, а), коническими (рис. 2, в) и сферическими (рис. 2, г). Самые распространенные - цилиндрические цапфы, так как они наиболее просты, удобны и дешевы в изготовлении, установке и работе. Конические и сферические цапфы применяют сравнительно редко, например для регулирования зазора в подшипниках точных машин путем перемещения вала или вкладыша подшипника, а иногда для осевого фиксирования оси или вала. Сферические цапфы применяют тогда, когда вал помимо вращательного движения должен совершать угловое перемещение в осевой плоскости. Цилиндрические цапфы, работающие в подшипниках скольжения, обычно делают несколько меньшего диаметра по сравнению с соседним участком оси или вала, чтобы благодаря заплечикам и буртикам (рис. 2, б) оси и валы можно было фиксировать от осевых смещений. Цапфы осей и валов для подшипников качения почти всегда выполняют цилиндрическими (рис. 3, а, б). Сравнительно редко применяют конические цапфы с небольшим углом конусности для регулирования зазоров в подшипниках качения упругим деформированием колец. На некоторых осях и валах для фиксирования подшипников качения рядом с цапфами предусматривают резьбу для гаек (рис. 3, б;) или кольцевые выточки для фиксирующих пружинных колец.

Пяты, работающие в подшипниках скольжения, называемых подпятниками, делают обычно кольцевыми (рис. 4, а), а в некоторых случаях - гребенчатыми (рис. 4, б). Гребенчатые пяты применяют при действии на валы больших осевых нагрузок; в современном машиностроении они встречаются редко.

Длина осей обычно не превышает 2-3 м, валы могут быть длиннее. По условиям изготовления, транспортировки и монтажа длина цельных валов не должна превышать 6-7 м. Более длинные валы делают составными и отдельные части их соединяют муфтами или с помощью фланцев. Диаметры посадочных участков осей и валов, на которых устанавливаются вращающиеся детали машин и механизмов, должны быть согласованы с ГОСТ 6636-69 (СТ СЭВ 514-77).

2. Материалы осей и валов

Оси и валы изготовляют из углеродистых и легированных конструкционных сталей, так как они обладают высокой прочностью, способностью к поверхностному и объемному упрочнению, легкостью получения прокаткой цилиндрических заготовок и хорошей обрабатываемостью на станках. Для осей и валов без термообработки используют углеродистые стали Ст3, Ст4, Ст5, 25, 30, 35, 40 и 45. Оси и валы, к которым предъявляют повышенные требования к несущей способности и долговечности шлицев и цапф, выполняют из среднеуглеродистых или легированных сталей с улучшением 35, 40, 40Х, 40НХ и др. Для повышения износостойкости цапф валов, вращающихся в подшипниках скольжения, валы делают из сталей 20, 20Х, 12ХНЗА и других, с последующей цементацией и закалкой цапф. Ответственные тяжело нагруженные валы изготовляют из легированных сталей 40ХН, 40ХНМА, 30ХГТ и др. Тяжело нагруженные валы сложной формы, например, коленчатые валы двигателей, делают также из модифицированного или высокопрочного чугуна. (рис. 5)

Неответственные валы или валы, габариты которых не играют существенной роли, изготовляют из стали Ст. 5. Для более ответственных валов, в том числе и большинства валов редукторов общего назначения, применяют стали 45, 50, 40X подвергнутые термическому улучшению (закалка с высоким отпуском). Для ответственных тяжело нагруженных валов, которые должны иметь небольшие габариты, применяют легированные стали 40ХН, 30ХГС и др. Термообработка -улучшение, закалка ТВЧ. Наконец, для весьма ответственных валов, работающих в подшипниках скольжения, используют также цементируемые стали -- 20Х, 20ХН, 12ХН3А, 18ХГТ и т. д.

3. Зубчатые редукторы

Редуктором называется передача, установленная в закрытом корпусе и служащая для снижения угловой скорости и повышения вращающегося момента на ведомом валу. Передача, помещенная в отдельном корпусе и предназначенная для повышения угловой скорости ведомого вала, называется ускорителем или мультипликатором. Установка передачи в отдельном корпусе гарантирует точность сборки, лучшую смазку, более высокий к. п. д., меньший износ, а также защиту от попадания в нее пыли и грязи. Поэтому вместо открытых передач во всех ответственных установках применяют редукторы. Открытые передачи используют при ручном и механическом тихоходном приводе. Зубчатые редукторы благодаря указанным выше достоинствам зубчатых передач нашли широкое применение.

Для удобства сборки корпуса редукторов выполняют составными (Приложение № 1, приложение №2, , приложение № 3). Отдельные детали корпуса скрепляют между собой болтами (винтами, шпильками). В обыкновенных зубчатых редукторах (Приложение № 1 и 2) корпус состоит из двух основных деталей -- основания 1, закрепляемого на фундаменте или на установочной раме, и крышки 2. Для осмотра передач и заливки масла в крышке корпуса предусматривают смотровое отверстие, закрываемое крышкой 3 (Приложение № 2), в которой для редукторов с большим тепловыделением закрепляется отдушина 4; по концам крышки корпуса имеются два грузовых винта 5, петли (Приложение № 3) или крюки для захвата крошки при подъеме грузоподъемной машиной; в основании корпуса находится маслоспускное отверстие, закрываемое пробкой 6; в нем же расположен масло указатель 7; в тяжелых редукторах предусмотрены крюки 8 для захвата редуктора при подъеме грузоподъемной машиной. Для точной установки крышки на основание корпуса редуктора (Приложение № 2) используют конические штифты 9. Для облегчения снятия крышки с основания корпуса применяют отжимные винты.

Корпус редуктора должен быть прочным и жестким, так как его деформации могут вызвать перекос валов и, следовательно, неравномерное распределение нагрузки по длине зубьев. Жесткость корпуса усиливают наружными (Приложение № 2) или внутренними (Приложение № 1) ребрами, расположенными у приливов под подшипниками. Форма крышек для подшипников редукторов определяется типом подшипников и способом их установки.

Корпуса редукторов изготовляют обычно из чугунного литья СЧ15, СЧ18 и СЧ20. Корпуса редукторов, передающих большие мощности при ударных нагрузках, отливают из высокопрочного чугуна и из стали. Иногда при единичном или мелкосерийном производстве корпуса редукторов изготовляют сварными из листовой стали. Основные габаритные размеры корпуса редуктора зависят от размеров зубчатых колес, остальные размеры определяют по эмпирическим формулам в соответствующих справочниках. Валы передач редукторов обычно устанавливают на подшипниках качения. Подшипники скольжения применяют только для очень быстроходных передач (в мультипликаторах) и редукторов большой мощности.

Смазка зубчатых колес редукторов при окружных скоростях до v=12. 15 м/с осуществляется окунанием колес в масляную ванну. Такой способ смазки зубьев называется смазкой окунанием или картерной смазкой. Вместимость масляной ванны принимается из расчета 0,35. 0,7 л на 1 кВт передаваемой мощности (меньшее значение - при меньшей вязкости масла, и наоборот). Масло должно покрывать рабочие поверхности зубьев, а потери передаваемой мощности на сопротивление масла вращению зубчатых колес и соответственно на нагрев масла должны быть минимальными. Так как во время работы редуктора происходят колебания уровня масла, то рекомендуется зубчатые колеса погружать в масляную ванну для цилиндрических передач на глубину не менее 0,75 высоты зубьев, а для конических передач вся длина нижнего зуба должна находиться в масле. Тихоходные зубчатые колеса второй и третьей ступеней редуктора при необходимости допускается погружать в масло на глубину до ? радиуса делительной окружности. Чтобы избежать глубокого окунания колес в ванну, колеса первой ступени смазывают с помощью смазочной текстолитовой шестерни (рис. 7, а) или другого подобного устройства. Иногда для колес разных ступеней предусматривают раздельные ванны. В редукторах с быстроходными передачами применяют струйную или циркуляционную смазку под, давлением. Масло, прокачиваемое насосом через фильтр, а при необходимости и охладитель, поступает к зубьям через трубопровод и сопла. При окружной скорости до v=20 м/с для прямозубых передач и до v=50 м/с для косозубых масло подается непосредственно в зону зацепления (рис. 7, б), а при более высоких скоростях во избежание гидравлических ударов масло подается на зубья шестерни и колеса отдельно на некотором расстоянии от зоны зацепления. ось вал сталь подшипник

Смазку подшипников редукторов при окружной скорости зубчатых передач v>4 м/с часто осуществляют тем же маслом, что и зубчатых колес, путем разбрызгивания. При окружной скорости передач v

Назначение и конструкции валов и осей, их классификация и характеристика. Цапфы - их опорные части. Передача на опоры радиальной и осевой нагрузки. Концентрация напряжения и изменение диаметров вала. Сопряжение вала с насаженными на него деталями.

. БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДРАСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра инженерной графики

Назначение, конструкции и материалы валов и осей

В зависимости от изменения сечения вдоль геометрической оси валы могут быть гладкие, ступенчатые с цилиндрическими и коническими участками, валы - зубчатые колеса, валы - червяки (рис. 1). Гладкие валы и оси встречаются сравнительно редко, например, при использовании калиброванных прутков и соответственно посадок в системе вала или при отсутствии продольных сил. Ступенчатые валы обеспечивают равнопрочность по длине, более удобны при сборке, установке сопряженных деталей, но менее технологичны. Число и расположение ступеней вала зависят от числа закрепленных на нем деталей (зубчатых колес и т.д.) и от принятого способа сборки, фиксации вала в осевом направлении. Посадочные поверхности под ступицы насаживаемых на вал деталей выполняют цилиндрическими, реже коническими. Конические поверхности сложнее в изготовлении, но позволяют повысить точность центрирования и соосности соединяемых деталей.

Опорные части валов и осей называют цапфами. Цапфы, передающие на опоры радиальную нагрузку, называют шипами, а осевую нагрузку - пятами. По форме шипы могут быть цилиндрическими, коническими и сферическими, а пяты - плоскими и шаровыми. Если ось неподвижна, ее опорные части необязательно должны иметь форму тел вращения. Обычно цапфы валов и осей выполняют цилиндрическими. Конические цапфы используют при осевом фиксировании валов. Шаровые цапфы применяют, когда необходимы угловые отклонения осей. Опоры, на которых лежат шипы, называют подшипниками, а опоры пят - подпятниками.

Диаметры посадочных поверхностей валов и осей под ступицы насаживаемых деталей выбирают по ГОСТу из стандартного ряда линейных размеров, а диаметры цапф под подшипники качения - из стандартного ряда диаметров внутреннего кольца подшипников качения.

Для уменьшения концентрации напряжений изменение диаметра ступенчатого вала выполняют плавным переходом - галтелью - по возможно большему радиусу r, r 0,1d. Радиус галтели r должен быть меньше радиуса закругления r₁ или радиального размера фаски насаживаемой детали (рис. 2, а). Участок перехода диаметров может выполняться и в виде кольцевой проточки глубиной 0,15 … 0,25 мм и шириной 1 … 2 мм для выхода шлифовального круга при обработке (рис. 2, б). Но проточки снижают прочность, их рекомендуют выполнять на концевых участках валов и осей в местах наименьших напряжений.

Детали на валах и осях крепятся с помощью цилиндрических или конических штифтов при d 6 мм, - с помощью призматических или сегментных шпонок. Размеры штифтов, шпонок должны соответствовать размерам вала, например диаметр штифта d_ш (0,2 … 0,25)d.

Размеры посадочных поверхностей вала выполняются по шестому квалитету, в особо точных узлах - по пятому, при соответствии требуемой точности параметров шероховатости. Точность отверстия насаженных деталей принимается, как правило, на один квалитет грубее, т.е. квалитет отверстия больше квалитета вала.

Валы и оси по назначению являются ответственными деталями механизмов. Материал валов и осей должен хорошо обрабатываться и быть прочным. Чаще всего в качестве материалов применяют следующие углеродистые и легированные стали: качественные стали 40, 45, 50, сталь 40Х - для валов с термообработкой; стали 20, 20Х - для быстроходных валов на подшипниках скольжения с поверхностной цементацией цапф; углеродистые стали обыкновенного качества Ст4, Ст5 - для неответственных валов без термообработки; сталь Х18Н10Т - для коррозионно-стойких, немагнитных валов. Для уменьшения массы валов и осей применяют дюралюминий, для обеспечения электроизоляционных свойств - пластмассы или керамические материалы. Для валов - червяков, валов - зубчатых колес материал выбирают в соответствии с требованиями, предъявляемыми к материалу червяка, зубчатого колеса.

Расчет валов и осей

Целью расчета на прочность является определение диаметра вала или оси в в наибольшей меренагруженном сечении. При расчете необходимо учитывать выточки, отверстия под штифты, шпоночные пазы, резьбы, которые понижают прочность.

Диаметр оси, исходя из условия ее работы только на изгиб, равен

где М_и - изгибающий момент, Нм; _adm - допускаемое напряжение материала оси на изгиб, МПа.

Значение d округляют до ближайшей большей стандартной величины из нормального ряда линейных размеров.

Различают предварительный и проверочный расчеты валов.

где Т - крутящий момент, Нм; _adm - допускаемое напряжение при кручении, МПа.

Иногда диаметр вала при предварительном расчете берется на основании данных практики проектирования.

Проверочный расчет вала на статическую прочность - это расчет на изгиб и кручение. Он сводится к расчету на изгиб по приведенному моменту

где М_и_z, М_иу - изгибающий момент соответственно в горизонтальной и вертикальной плоскостях, Н•м.

Учитывая условия прочности ? = M_red/ W ? ? ?_adm, где W = 0,1 d 3 - момент сопротивления поперечного сечения вала диаметром d относительно нейтральной оси, определим диаметр вала, который будет равен

Нормальные напряжения от изгиба изменяются по симметричному циклу.

Цикл изменения касательных напряжений от крутящего момента принимают отнулевым для нереверсивного движения (пуск-остановка) и симметричным - для реверсивного движения.

Расчет заключается в определении коэффициентов запаса прочности по нормальным n и по касательным n напряжениям, величина которых зависит от размеров поперечного сечения, поверхностного упрочнения вала, наличия концентраторов напряжений, параметров циклов нагружения. При этом

где n_adm - допускаемый коэффициент запаса прочности, обычно равный 1,5 … 2,0.

Условия усталостной прочности по нормальным и касательным напряжениям будут соответственно равны

где -₁, -₁ - пределы выносливости материала вала соответственно при действии нормальных и касательных напряжений. Их можно определить через величину предела прочности при растяжении _ut:

При необходимости, когда упругие деформации валов и осей влияют на работу связанных с ними деталей, например зубчатых колес, фрикционных катков, подшипников, валы и оси рассчитывают на жесткость. По условию жесткости максимальная деформация не должна превышать допускаемого значения. Различают жесткость валов при изгибе и кручении. Жесткость при изгибе оценивают прогибом y вала и углом поворота сечения вала, которые определяют по формулам сопротивления материалов для конкретной конструкции и схемы нагружения вала. При этом

где y_adm, _adm - допустимые значения прогиба и угла поворота сечения вала; ? - расстояние между опорами.

Допустимый угол поворота сечения вала определяется типом опоры:

_adm = 0,001 рад - при подшипниках скольжения;

_adm = 0,01 рад - при однорядных радиальных шарикоподшипниках;

_adm = 0,05 рад - при двухрядных сферических радиальных шарикоподшипниках.

Жесткость при кручении оценивается углом закручивания ₀ на единицу длины вала

где d_min - минимальное значение диаметра вала по его длине; G - модуль упругости материала вала при сдвиге (для стали G = 810 4 МПа); ₀ _adm - допустимое значение угла закручивания (₀ _adm = 1,510- 3 рад/м).

Он производится для валов с высокими скоростями вращения (n > 20 000 об/мин).

Длительная работа вала в резонансной области даже при небольшой неуравновешенности может привести к разрушению вала и опор. Если вал под тяжестью деталей, закрепленных на нем, имеет статический прогиб y, то критическая частота вращения определится как

Желательно, чтобы рабочая частота вращения вала лежала вне диапазона частот резонансной полосы (0,7 … 1,5) n_кр . В диапазонах частот n_р 0,7 n_кр (квазистатический режим) и n_р 1,5 n_кр (квазиамортизационный режим) прогиб вала не превышает значения статического прогиба y.

ЛИТЕРАТУРА

Красковский Е.Я., Дружинин Ю.А., Филатова Е.М. Ра с чет и конструирование механизмов приборов и вычислительных систем: Учебное пособие. М.: - Высш. шк., 2001. - 480 с.

Сурин В.М. Техническая механика: Учебное пособие. - Мн.: БГУИР, 2004. - 292 с.

Ванторин В.Д. Механизмы приборных и вычисл и тельных систем: Учебное пособие. - М.: Высш. шк., 1999. - 415 с.

Читайте также: