Валы и оси. Назначение и классификация

Оглавление

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

Введение

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

Буланов, Э. А. Детали машин. Расчет механических передач. Учебное пособие / Э.А. Буланов. - М.: Юрайт, 2016. - 202 c.
Гузенков, П. Г. Детали машин / П.Г. Гузенков. - М.: Альянс, 2012. - 360 c
Детали машин [Текст]: Учеб. для вузов / Л.А.Андриенко, Б.А.Байков, И.К. Ганулин и др.; Под ред. О.А.Ряховского. – 2-е изд., перераб. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2004. – 519 с.
Дунаев П. Ф. Конструирование узлов и деталей машин [Текст] / П. Ф. Дунаев, О. П. Леликов – М.: Высш. шк., 2004 – 447 с.
Иванов М.Н., Финогенов В.А. Детали машин [Текст]: М., Высшая школа, 2007 – 499 с.
Ковчегин, Д.А., Петракова, Е.А. Детали машин[Текст]: Учебный справочник к выполнению курсового проекта. – М.: МГИУ, 2007. – 128 с.
Курмаз Л.В. Детали машин. Проектирование [Текст]: учебн.пособие / Л.В. Курмаз, Скойбеда А.Т. – Мн.: УП «Технопринт», 2002 – 290 с.
Леликов О.П. Основы расчета и проектирования деталей и узлов машин [Текст]: Конспект лекций по курсу «Детали машин». – М.: Машиностроение, 2002. – 440 с.
Механика [Текст]: Детали машин: учеб.пособие / Н.А.Дроздова, С.Х.Туман, О.Н.Рябов. – Красноярск: СФУ; ИЦМиЗ, 2007 – 128 с.
Олофинская, В. П. Детали машин. Краткий курс, практические занятия и тестовые задания. Учебное пособие / В.П. Олофинская. - М.: Форум, Инфра-М, 2014. - 240 c.
Тюняев, А. В. Детали машин / А.В. Тюняев, В.П. Звездаков, В.А. Вагнер. - М.: Лань, 2013. - 736 c.
Шейнблит А. Е. Курсовое проектирование деталей машин [Текст]: учеб. пособие / А. Е. Шейнблит. – Калининград: Янтар. сказ., 2004 – 454 с.
Эрдеди, А. А. Детали машин / А.А. Эрдеди, Н.А. Эрдеди. - М.: Академия, 2012. - 288 c.