Зубчасті колеса, шківи, зірочки, муфти та інші деталі, що обертаються встановлюють на валах і осях.
Вал призначений для підтримки сидячих на ньому деталей і для передачі крутного моменту. При роботі вал обов'язково відчуває деформацію крутіння, може піддаватися деформацій вигину, і в окремих випадках додатково деформацій розтягування і стиснення.
Ось - деталь, призначена тільки для підтримки сидячих на ній деталей. На відміну від вала вісь не передати крутного моменту і, отже, не відчуває деформацію кручення.
Осі можуть бути: суцільними і порожнистими, що обертаються і нерухомими, ступінчастими і гладкими.
Вали розрізняють суцільні і порожнисті, жорсткі і гнучкі. Жорсткі вали бувають: прямими, ексцентриковими, кулачковими, колінчатими. Гнучкі вали бувають: силовими, приводів управління, приводів приладів.
Практично вали і осі виготовляють ступінчастими (Рис. 1), що пов'язано із зручністю монтажу, і з наближенням до тіл рівного опору. Бажано, щоб кожна насаджують на вал деталь проходила по валу до своєї до своєї посадкової поверхні без натягу щоб уникнути пошкодження поверхонь і ослаблення посадок.
Мал. 1.Конструктівние елементи вала:
1 - шип; 2 - шийка, 3 - підшипник, 4 - завзятий бурт, 5 - заплетчік
Елементи конструкції валів і осей
Цапфами називають ділянки вала і осі, що лежать в опорах. Цапфи підрозділяються на шипи, шийки і п'яти.
Шипом (рис.1) називається цапфа, розташована на кінці вала або осі і передає в основному радіальне навантаження.
Шийкою (рис.1) називається цапфа, розташована в середній частині вала і осі. Опорами для шипів і шийок служать підшипники.
П'ятої (рис.2) називається цапфа, передає осьову навантаження. Опорами для п'ят служать підп'ятники.
Опорні ділянки колінчастого вала, розташовані в підшипниках корпусу називають корінними шийками.
Ріс.2.Шейка вала (осі) Ріс.3.Шейка вала (осі)
Опорні ділянки колінчастого вала, що з'єднують вал з шатунами, називають шатунними шийками. Перехідні ділянки називають щоками.
Мал. 4.Коленчатий вал: 1, 2 - корінна і шатунная шийки; 3 - щока
Перехідні ділянки. Перехідні ділянки між двома ступенями валів або осей виконують:
a) жолобником постійного радіуса рис.5 а);
b) з жолобником змінного радіуса рис.5 б);
c) поднутреніем постійного або змінного радіуса рис.5 в);
d) з кільцевою проточкою для виходу шліфувального круга.
а) постійного радіуса
б) змінного радіуса
Мал. 5.Галтельние переходи валів і осей
Жолобником називають поверхню плавного переходу від меншого перетину вала до більшого. Жолобники застосовують для зменшення концентрації напружень в валах, тобто підвищення їх втомної міцності.
Критерії працездатності валів
Вали розраховую на міцність, жорсткість виброустойчивость. Основним критерієм працездатності валів є міцність. Руйнування може походити від статичних навантажень (статична міцність) і від змінних в часі навантажень, які приводять до втомного руйнування.
Втома - процес поступового накопичення пошкоджень матеріалу під дією змінних напруг, що призводять до зміни його властивостей, утворення і розвитку тріщин і руйнування.
Опір втоми - властивість матеріалу протистояти втомі.
На практиці встановлено, що для валів основним видом руйнування є руйнування від втоми.
Матеріали валів і осей. Основним матеріалом для валів і осей служать вуглецеві і леговані стали завдяки високим механічним характеристикам, здатності до зміцнення і легкістю отримання прокаткою. Для валів і осей без термообробки застосовують сталі Ст5, Ст6, сталь 35, сталь 40; для валів з термообробкою - сталь 45, сталь 40Х, сталь 20Х, сталь 12ХН3А і ін.
Основні механічні характеристики матеріалів:
- sb - межа міцності матеріалу, МПа;
- SТ - межа плинності матеріалу, МПа;
- s-1. t-1 - межа витривалості матеріалу при вигині і крученні, МПа (рис. 7).
Межа витривалості - це максимальне напруження, яке може витримати матеріал, опираючись втомного руйнування, протягом довільно великого числа циклів (рис. 7).
Ріс.7.Крівие втоми в координатах s - N і t - N (криві Веллера):
SА і tа- амплітуди нормальних і дотичних напружень, N- довговічність вала (осі), s-1.Д і t-1.Д- межа витривалості валу (осі) при вигині і крученні
Залежності між меж витривалості і межею міцності
Основними силовими факторами, що діють на вал, є крутний T і вигинає моменти Mи.
Проектування валів проводять в два етапи: проектний і перевірки розрахунки.
Проектний розрахунок валів
Проектний розрахунок валів проводиться на статичну міцність для орієнтовного визначення їх розмірів. Для виконання уточненого розрахунку необхідно знати конструкцію деталі (діаметри, довжини ділянок, місця прикладання навантаження і розташування опор). Але на початку розрахунку розробка конструкції неможлива, оскільки не визначені діаметри ділянок. Спочатку відомий тільки крутний момент T. дію невідомих чинників компенсується зниженими напругою крутіння.
Умова статичної міцності вала
де T - крутний момент, Н × м;
WP - полярний момент опору перерізу, мм 3; ;
- допускалися напруги крутіння = 15 ... 20 МПа.
Звідки визначається розрахунковий діаметр валу
Уточнений розрахунок валів
Вали розраховують за двома моделями руйнування - на статичну міцність і опір втоми (міцність від утоми). Практикою експлуатації валів встановлено, що основним видом руйнування валу є втомне руйнування. Тому в якості основного прийнятий розрахунок валів на опір втоми. Розрахунок валів на статичну міцність проводиться як додатковий (перевірки) для запобігання пластичних деформацій і руйнувань під дією короткочасних перевантажень.
Розрахунок проводять як перевірки. Він полягає у визначенні розрахункових коефіцієнтів запасу міцності S в імовірно небезпечних перетинах.
При спільній дії вигину і крутіння запас міцності (запас опору втоми)
Тільки при крученні вала
S - загальний запас міцності вала;
Ss - запас міцності вала за нормальними напруженням від вигину;
St - запас міцності вала по дотичним напруженням від крутіння.
де - межа витривалості валу,
- межа витривалості матеріалу при вигині (гладкого зразка);
- коефіцієнт зниження межі витривалості валу;
- амплітуда циклу напружень вигину, - для симетричного циклу,
- коефіцієнт чутливості матеріалу до концентрації напружень;
- середня напруга циклу, - для симетричного циклу,
де - межа витривалості гладкого еталонного зразка,
- межа витривалості матеріалу при крученні (гладкого зразка);
- коефіцієнт зниження меж витривалості;
- амплітуда циклу напружень кручення, - для отнулевого циклу,
- коефіцієнт чутливості матеріалу до концентрації напружень;
- середня напруга циклу напружень кручення, - для отнулевого циклу,
Напруження, що діють в валу змінюються циклічно. Напруження згину змінюються по симетричному циклу (рис. 7 а)), напруги крутіння змінюються по отнулевому циклу (рис. 7 б)).
. - осьової і полярний момент опору перерізу, мм 3.
smax. t min - мінімальна напруга циклу, МПа;
для симетричного циклу,
для отнулевого циклу,
sm. t m - середня напруга циклу, МПа;
для симетричного циклу ,,
для отнулевого циклу.
R - коефіцієнт асиметрії циклу
для симетричного циклу, для отнулевого циклу.
Мал. 7.Цікли нормальних напруг вигину а) і дотичних напружень крутіння б)
Коефіцієнти зниження меж витривалості
де. - ефективні коефіцієнти концентрації напружень при згині і крученні.
. - коефіцієнти впливу абсолютних розмірів поперечного перерізу деталі при вигині і крученні;
- коефіцієнт шорсткості поверхні,. для шліфування та полірування;
- коефіцієнт зміцнення поверхні.
Концентраторами напружень є факторами знижують межу витривалості деталі (рис. 8). Концентрація напружень виникає при зміні розмірів, форми деталей.
До концентраторами напружень відносять галтелі, шпонкові пази, проточки, шліци, різьблення та ін. Фактори.
Ріс.8.Распределеніе напружень в валах (концентрація напружень)
Основним силовим фактором, що діють на вісь, є згинальний моменти Mи. Розрахунок осей проводять в два етапи: Проект і перевірки розрахунки валів.
Проектний розрахунок осей
Проектний розрахунок валів проводиться на статичну міцність для орієнтовного визначення розмірів. На початку розрахунку відомий тільки згинальний момент Мі. Умова статичної міцності осі
де Мі - крутний момент, Н × м;
Wo - полярний момент опору перерізу, мм 3;
- допускалися напруги крутіння. МПа;
- межа плинності матеріалу осі, МПа;
Звідки визначається розрахунковий діаметр валу
Уточнений розрахунок осей
Розрахунок проводять як перевірки. Він полягає у визначенні розрахункових коефіцієнтів запасу міцності в приблизно небезпечних перетинах.
де - межа витривалості гладкого еталонного зразка,
- коефіцієнт зниження меж витривалості;
- амплітуда циклу напружень вигину, - для симетричного циклу, - для отнулевого циклу;
- коефіцієнт чутливості матеріалу до концентрації напружень;
- середня напруга циклу, - для симетричного циклу.