Общие сведения и классификация

Оси предназначены для поддержания вращающихся вместе с ними или на них различных деталей и узлов машин. Оси воспринимают нагрузки от расположенных на них деталей и работают только на изгиб.

Валы в отличие от осей передают крутящие моменты и работают на изгиб и кручение. При действии на валы осевых нагрузок (косозубые цилиндрические, конические зубчатые колёса и т. д.) они дополнительно работают на растяжение или сжатие. Отдельные валы не поддерживают вращающихся деталей (карданные валы и др.) и поэтому работают только на кручение.

Валы классифицируются по следующим признакам:

По назначению. Различают валы передач и коренные валы. Валы передач несут на себе различные детали и узлы передач (зубчатые колёса, шкивы, звёздочки и т. д.). Коренные валы несут на себе другие детали.

По форме продольного сечения. Различают прямолинейные (рис. 11.1, а, б); непрямолинейные (рис. 11.1, в) и криволинейные, гибкие или торсионные (рис. 11.1, г).

По форме поперечного сечения. Валы различаются: сплошного круглого (рис. 11.2, а); кольцевого (рис. 11.2, б); со шпоночной канавкой (рис. 11.2, в); со шлицами (рис. 11.2, г); фасонные (треугольные, квадратные, овальные) – (рис. 11.2, д).

Опорный участок вала для восприятия радиальной нагрузки называется цапфой. Цапфа, расположенная на конце вала, – шип. Цапфа, расположенная на некотором расстоянии от конца вала, – шейка. Поверхность плавного перехода от одного диаметра к другому называется галтелью. Концы валов выполняются по конической поверхности ограниченной длины – фаске.

 

Рис. 11.1. Форма продольного сечения валов:

а – прямолинейная гладкая; б – ступенчатая;
в – непрямолинейная; г – криволинейная

а) б) в) г) д)

Рис. 11.2. Форма поперечного сечения валов:

а – сплошная круглая; б – кольцевая; в – со шпоночной канавкой; г – со шлицами; д – фасонная

Рис. 11.3. Элементы вала

Фаски предназначены для облегчения установки деталей на валы,
а также для защиты рук от повреждения. Опорный участок вала, предназначенный для восприятия осевой нагрузки называется пятой. Пята опирается на подпятник (рис. 11.4). Цапфы по форме могут быть кольцевыми (рис. 11.4, а) или гребенчатыми (рис. 11.4, б).

а) б)

Рис. 11.4. Осевые опоры

Длина осей не превышает 2…3 м. Валы могут быть длиннее – до 6…7 м. Диаметры посадочных участков осей и валов нормализованы по СТ СЭВ 514–77.

Материалами для изготовления осей и валов могут быть все виды углеродистых и легированных сталей, а также модифицированный чугун.

Критерии работоспособности и расчёта валов и осей

Основные критерии работоспособности осей и валов – прочность и жёсткость. Прочность осей и валов определяется их размерами (диаметром и длиной), а также характером действующих напряжений, который может быть постоянным или переменным.

Неподвижные оси рассчитывают на статическую прочность, а быстроходные оси и валы дополнительно рассчитывают на сопротивление усталости. Тихоходные оси и валы, работающие с переменными нагрузками, рассчитывают не только на сопротивление усталости, но и на статическую прочность. В отдельных случаях оси и валы рассчитывают на жёсткость.

Проектировочный расчёт валов и осей состоит из расчёта на статическую прочность и окончательного расчёта на сопротивление усталости.

При расчёте на прочность и жёсткость составляют расчётную схему. Силы, действующие на валы и оси, определяются при расчёте передач. При составлении расчётной схемы полагают, что детали и узлы передают нагрузки на оси и валы посередине своей ширины. При этом массу деталей и силы инерции не учитывают.

Расчёт осей и валов на статистическую прочность

Расчёт осей на изгиб

Расчёт осей на изгиб производится в следующей последовательности: составление расчётной схемы; определение сил и моментов; построение эпюры изгибающего момента; определение опасного сечения. После этого выполняются проверочный – формула (4.1) и проектировочный (4.2) расчёты:

, (11.1)

, (11.2)

где – расчётное напряжение в опасном сечении; М – изгибающий момент в опасном сечении; – диаметр оси; [ ] – допускаемое напряжение при изгибе.

Расчёт вала на кручение

Этот расчёт отличается от предыдущего построением эпюры крутящего момента. После этого выполняются проверочный – формула (11.3) и проектировочный (11.4) расчёты:

, (11.3)

, (11.4)

где – расчётное напряжение кручения в опасном сечении вала;

Т – крутящий момент в этом же сечении; d – диаметр вала;
[ ] – допускаемое напряжение на кручение. Для стальных валов можно принимать [ ] = 15…20 МПа.