Валы и оси: назначение, конструкция, нагружение, разрушение, материалы. проектные расчеты валов и осей.

Детали, на которые насаживают вращающиеся детали машин (например, шкивы, зубчатые колеса), называют валами и осями. Различают валы и оси по условиям нагружения: валы передают крутящий момент вдоль своей оси вращения и испытывают напряжения изгиба, сжатия, растяжения и кручения; оси не передают крутящий момент и нагружаются только изгибающими напряжениями. Валы и оси имеют общую функцию поддерживать насажанные на них детали Гладкие валы более технологичны, чем ступенчатые. Валы и оси выполняют полыми как с целью снижения массы, так и с целью установки внутрь вала других деталей вра­щения. Полый вал с соотношением диаметра внутреннего отверстия к наружному диаметру вала, равным 0,75, легче сплошного равнопрочного вала почти в 2 раза.

ВАЛЫ
По условиям нагружения	По конструкции	По форме оси вала	По расположению в механизме	По частоте вращения
Валынагружены крутящими и изгибающими моментами	Гладкие   Ступенчатые	С прямой осью (трансмиссионные)	Входные	Тихоходные n<1500 об/мин Быстроходные n>1500 об/мин
Торсионные валы (нагруженные только крутящим моментом)	С ломаной осью (коленчатые валы)	Промежуточные
Оси (нагруженные только изгибающим моментом)	С криволинейной осью (гибкие валы)	Выходные

В массовом производстве иногда используют полые сварные валы из стальной ленты, намотанной по винтовой линии. При этом экономится до 60% металла

По конструкции оси делят на 2 основные группы:

1) подвижные оси, вращающиеся в опорах вместе с насажанными на них деталями

2) неподвижные оси, слу­жащие опорами для вращающихся на них деталей

Оси и валы конструируют обычно в виде брусьев состоящих из ряда цилиндрических участков различных диаметров. Насаживаемые на оси и валы детали крепят посредством шпонок либо шлицев. В осевом направлении детали относительно валов и осей фиксируют при помощи распорных колец (или втулок), а также благодаря наличию на валах буртиков и заплечиков. Ступенчатая форма вала или оси определяется также стремлением приблизить их очертания к форме балки равного соп­ротивления изгибу. В поршневых двигателях и компрессорах применяют коленчатые валы, имеющие ломаную ось вращения.

Для передачи крутящего момента между агрегатами со смещенными в пространстве осями входного и выходного валов применяют гибкие валы, имеющие криволинейную геометрическую ось при работе. Эти валы обладают высокой жесткостью на кручение и малой изгибной жесткостью. Примером служит гибкий вал бормашины в стоматологии.

Материалы валов и осей

Выбор материала, термической и химико-термической обработки определяется конструкцией вала и опор, нагружением и условиями эксплуатации вала.

Для изготовления валов используют:

· углеродистые стали марок 20, 30, 40, 45 и 50;

· легированные стали марок 20Х, 40Х, 40ХН, 12Х26ЧА, 40ХН2МА;

· титановые сплавы ВТЗ-1, ВТ6 и ВТ9 [2, с. 266].

Быстроходные валы-шестерни, требующие высокой поверхност­ной твердости, выполняют из цементируемых сталей марок 12ХНЗА, 12Х264А и др.

Валы под насадные зубчатые колеса серийных редукто­ров изготовляют из улучшенной стали 45 (Н=255... 285 НВ) и стали 40Х

(Н = 269... 302 НВ).

Для изготовления фасонных (коленчатых и с большими фланцами) и тяжелых валов применяют, как стали, так и высокопрочные (с шаровидным графитом) и модифицированные чугуны. Чугунные валы облада­ют:

· меньшей прочностью, но

· более совершенными формами (особенно коленчатые),

· меньшей чувствительностью к смещению опор; особенно в многоопорных валах: благодаря меньшему, чем у стали, модулю упругости;

· повы­шенной демпфирующей способностью благодаря структуре чугуна, поэтому эти валы лучше работают в условиях динамических нагрузок.

В качестве заготовок для стальных валов диаметром до 150 мм обычно используют круглый прокат, для валов большего диаметра и фасонных валов – поковки. Валы подвергают токарной обработке и последующему шлифованию посадочных мест (высоконапряженные валы шлифуют по всей длине).

Шероховатость поверхностей цапф валов под подшипники качения нормального класса точности назначают не менее Ra=1,6…2,5мкм. Участки валов, контактирую­щие с уплотнительными манжетами, имеют твердость поверхности не менее 30...50HRC, а шероховатость Rа = 0,25…0,40 мкм.

Торцы валов выполняют с фасками для облегчения посадки насажива­емых деталей и во избежание повреждения рук рабочих.

Расчет осей

Основными критериями работоспособности осей являются статическая прочность и жесткость. Поскольку оси работают только на изгиб, то условие их прочности следующее:

s_изг ≤ [s_изг]или

где М – изгибающий момент в опасном сечении; Н × мм; W_x – осе­вой момент сопротивления изгибу опасного сечения оси; для круга W_X = pd ³/32» 0.1d ³;s_изг, [s_изг] – фактические и допускаемые напряжения изгиба, МПа.

Расчет неподвижных осей выполняют при допущении, что напря­жения изгиба изменяются по отнулевому циклу, самому неблагоприятному из всех знакопостоянных циклов напряжений.

Для осей, изготовленных из среднеуглеродистых сталей, допускаемые напряжения изгиба [s _изг ]₀ = 100…160 МПа (меньшие значения напряжений следует выбирать для ступенчатых осей с концентраторами напряжений).

Напряжения изгиба, возникающие в материале вращающихся осей, изменяются по симметричному циклу. Для них принимают [4, с. 305]: [s_изг] _–1 = (0,5…0,6) [s_изг ] ₀.

Из ф. может быть получена зависимость для проектного расчета, т.е. определения диаметра оси, мм:

, мм (1.2)

Если ось в расчетном сечении имеет шпоночную канавку, то по­лученное значение диаметра оси увеличивают на (8…10)% и округ­ляют до ближайшего большего стандартного значения по нормальным рядам чисел.

Проверочный расчет осей на сопротивление усталости и изгибную жесткость выполняют аналогично расчету валов, но при условии, что крутящий момент равен нулю.

Расчеты валов

Валы относят к числу наиболее ответственных деталей машин. Существенное изменение формы вала, в результате его радиальной податливости или действия колебаний, а тем более – разрушение вала приводят к выходу из строя всей машины. Поэтому к валам предъявляют высокие требования как по точности изготовления и монтажа, так и по прочности, жесткости и устойчиво­сти к колебаниям.

Все расчеты валов могут бить представлены в виде классификации, приведённой в табл.

Основными критериями работоспособности валов являются:

1) сопротивление усталости, которое оцени­вается коэффициентом запаса прочности S

2) жесткость, контролируемая прогибом вала в местах посадок на него деталей “у”, а также углом наклона “ θ” или углом закручивания “φ” сечений вала.

Расчет валов на прочность

Валы испытывают напряжения изгиба и кручения, изменяющиеся соответственно по симметричному и отнулевому циклам. Поэтому валы рассчитывают на усталость по совместному действию нормальных и касательных напряжений. При наличии осевых нагрузок на вал они могут испытывать дополнительно напряжения сжатия и растяжения.

Расчеты на прочность для всех валов обязательны. Расчеты валов на жесткость, чаще всего, носят вспомогательный характер. Вместе с тем, для некоторых типов передач расчеты валов на жесткость могут иметь первостепенной важности. Например, в червячной передаче расчет червяка на изгибную жесткость обязателен.

РАСЧЕТЫ ВАЛОВ
на прочность	на жесткость	на колебания
Ориентировочный tКР ≤ [ tКР ]	Изгибную Θ^0 ≤ [ Θ^0 ], y ≤ [ y ]	n ¹ nкрит или w ¹ w крит
Приближенный sЭКВ ≤ [ sИ ]
Уточненный S ³ [S]	Крутильную j ^0 ≤ [ j ^0 ] (только для трансмиссионных валов)

Примечание. Ориентировочный и приближенный расчеты являются проектным а уточненный расчет — проверочным