Wały i osie. Informacje ogólne
Zaprojektowano część maszyny wałudo przenoszenia momentu obrotowegowzdłuż jego linii środkowej. W większości przypadków wały podtrzymują obracające się wraz z nimi części (koła zębate, koła pasowe, koła łańcuchowe itp.). Niektóre wały (np. giętki, kardanowy, skrętny) nie podtrzymują części wirujących. Wały maszyn, które oprócz części przekładni podtrzymują korpusy robocze maszyny, nazywane są wałami głównymi. Wał główny maszyn z ruchem obrotowym narzędzia lub produktu nazywa się wrzecionem. Wał przekazujący energię mechaniczną na poszczególne maszyny robocze nazywa się przekładnią. W niektórych przypadkach wały są wykonane jako jedna część z przekładnią zębatą czołową lub stożkową (wał zębaty) lub ze ślimakiem (ślimak wału).
Zgodnie z kształtem osi geometrycznej, wały sąproste, wygięte i elastyczne (ze zmiennym kształtem osi). Najprostsze wały proste mają postać korpusów obrotowych. Rysunek pokazuje gładka (a) i schodkowa (b) wały proste. Najczęściej spotykane są wały schodkowe. Aby zmniejszyć masę lub umieścić je w innych częściach, czasami wykonuje się wały z kanałem wzdłuż osi; w przeciwieństwie do wałów pełnych, takie wały nazywane są dziurawy.
Oś - część maszyn i mechanizmów służąca do podtrzymywania części obrotowych, alenie przenosi użytecznego momentu obrotowego. Osie są obrotowe (a) i nieruchome (b). Oś obrotowa osadzona jest w łożyskach. Przykładem osi obrotowych są osie taboru kolejowego, przykładem osi nieobrotowych są osie przednich kół samochodu.
Z definicji wynika, że wały podczas pracy zawsze się obracają i ulegają odkształceniom skrętnym lub zginająco-skrętnym, a osie tylko odkształceniom zginającym (najczęściej zaniedbuje się odkształcenia rozciągające i ściskające, które występują w indywidualnych przypadkach).
Elementy konstrukcyjne wałów i osi
Część nośna wału lub osi nazywana jest czopem. Sworzeń końcowy nazywany jest kolcem, a sworzeń pośredni nazywany jest szyjką. Sworzeń końcowy, zaprojektowany do przenoszenia przeważającego obciążenia osiowego, nazywany jest piątym. Kolce i szyjki wału są podparte łożyskami, częścią nośną pięty jest łożysko oporowe. Kształt czopa może być cylindryczny, stożkowy, kulisty i płaski (obcasy).
Pierścieniowe zgrubienie wału, które stanowi z nim jedność, nazywane jest kołnierzem. Powierzchnia przejściowa z jednej sekcji do drugiej, która służy do zatrzymania części zamontowanych na wale, nazywa się kołnierzem.
Aby zmniejszyć koncentrację naprężeń i zwiększyć wytrzymałość, przejścia w miejscach zmian średnicy wału lub osi są wygładzane. Zakrzywiona powierzchnia płynnego przejścia z mniejszej sekcji do większej nazywa się zaokrągleniem. Filety mają stałą i zmienną krzywiznę. Zaokrąglenie wału, pogłębione poza płaską część barku, nazywa się podcięciem.
O kształcie wału na długości decyduje rozkład obciążeń, tj. wykresy zginania i momentu obrotowego, warunki montażu i technologia wykonania. Sekcje przejściowe wałów pomiędzy sąsiednimi stopniami o różnych średnicach są często wykonane z półkolistym rowkiem na wyjściu ściernicy.
Końcówki do lądowania wałów, przeznaczone do montażu części przenoszących moment obrotowy w maszynach, mechanizmach i urządzeniach, są znormalizowane. GOST 1208066* określa nominalne wymiary cylindrycznych końców wałów dwóch konstrukcji (długiej i krótkiej) o średnicach od 0,8 do 630 mm, a także zalecane rozmiary gwintowanych końcówek wałów. GOST 1208172 * ustala główne wymiary stożkowych końcówek wałów o stożku 1:10, również w dwóch wersjach (długiej i krótkiej) oraz dwóch typach (z gwintem zewnętrznym i wewnętrznym) o średnicach od 3 do 630 mm.
Materiały wałów i osi.Wymagania eksploatacyjne wałów i osi najlepiej spełniają stale węglowe i stopowe, a w niektórych przypadkach żeliwo o wysokiej wytrzymałości. Wybór materiału, obróbki cieplnej i chemiczno-termicznej zależy od konstrukcji wału i podpór, specyfikacji technicznych produktu i warunków jego pracy.
Do większości wałów stosuje się stale ulepszane cieplnie 45 i 40X, a do konstrukcji krytycznych stal 40XH, ZOHGT itp. Wały wykonane z tych stali poddawane są ulepszaniu lub utwardzaniu powierzchniowemu prądem o wysokiej częstotliwości.
Wały szybkoobrotowe obracające się w łożyskach ślizgowych wymagają dużej twardości sworzni, dlatego wykonuje się je ze stali nawęglanych 20Kh, 12Kh2N4A, 18KhGT lub stali azotowanych np. 38Kh2MYuA itp. Wały chromowane charakteryzują się najwyższą odpornością na zużycie.
Zazwyczaj wały poddawane są toczeniu, a następnie szlifowaniu powierzchni gniazdowych i czopów. Czasami powierzchnie gniazd i filety są polerowane lub utwardzane poprzez utwardzanie powierzchniowe (obróbka za pomocą kulek lub wałków).
Obliczanie wałów i osi
Podczas pracy wały i osie obrotowe, nawet przy stałym obciążeniu zewnętrznym, podlegają naprzemiennym naprężeniom zginającym o cyklu symetrycznym, dlatego możliwe jest uszkodzenie zmęczeniowe wałów i osi obrotowych. Nadmierne odkształcenie wałów może zakłócać normalną pracę przekładni i łożysk, dlategoGłównymi kryteriami wydajności wałów i osi są odporność na zmęczenie materiału i sztywność.Praktyka pokazuje, że zniszczenie wałów maszyn szybkoobrotowych następuje najczęściej na skutek zmęczenia materiału.
Do ostatecznego obliczenia wału konieczna jest znajomość jego konstrukcji, rodzaju i umiejscowienia podpór oraz miejsc przyłożenia obciążeń zewnętrznych. Jednakże doboru łożysk można dokonać tylko wtedy, gdy znana jest średnica wału. Dlategoobliczenia wału przeprowadza się w dwóch etapach: wstępnym(projekt) i ostateczny (weryfikacja) (drugiego etapu nie będziemy rozważać).
Wstępne obliczenia wałów.Wykonywane są obliczenia projektowetylko do skręcaniaponadto, aby skompensować naprężenia zginające i inne nieuwzględnione czynniki, przyjmuje się znacznie obniżone wartości dopuszczalnych naprężeń skrętnych, np. dla odcinków wylotowych wałów skrzyni biegów = (0,025 ... 0,03), gdzie jest tymczasowy opór materiał wału. Następnie na podstawie stanu wytrzymałościowego określa się średnicę wału
Gdzie
Wynikową wartość średnicy zaokrągla się w górę do najbliższego rozmiaru standardowego zgodnie z GOST 663669 * „Normalne wymiary liniowe”, który ustanawia cztery rzędy wymiarów podstawowych i szereg dodatkowych wymiarów; z tego ostatniego można skorzystać jedynie w uzasadnionych przypadkach.
Projektując skrzynie biegów, średnicę wyjściowego końca wału napędowego można przyjąć równą średnicy wału silnika, z którym wał skrzyni biegów będzie połączony sprzęgłem.
Po ustaleniu średnicy końca wyjściowego wału wyznacza się średnicę czopów wału (nieco większą niż średnica końca wyjściowego) i dobiera łożyska. Średnica powierzchni osadzenia wału dla piast montowanych części, dla ułatwienia montażu, jest większa niż średnice sąsiednich sekcji. W rezultacie wał schodkowy ma kształt zbliżony do pręta o równym oporze.
Koła zębate, koła pasowe, koła łańcuchowe i inne obracające się części maszyn są montowane na wałach lub osiach.
Wał zaprojektowany do przenoszenia momentu obrotowego wzdłuż swojej osi, do podtrzymywania znajdujących się na nim części i percepcji działających na nie sił. Podczas pracy wał doświadcza schylać się I skręcić i w niektórych przypadkach - dodatkowe rozciąganie lub ściskanie.
Oś podtrzymuje jedynie zamontowane na nim części i odbiera działające na nie siły. W przeciwieństwie do wału oś nie przenosi momentu obrotowego i dlatego nie ulega skręcaniu. Osie mogą być bez ruchumi Lub może się obracać wraz z dołączonymi do nich częściami.
Zgodnie z kształtem osi geometrycznej wały dzielą się na prosty(rys.2) I pośredni- przegubowy i ekscentryczny. Wały pośrednie zaliczane są do części specjalnych.
osie, zazwyczaj, izgosprzedawać bezpośrednio(patrz rys. 1). Z założenia proste wały i osie niewiele się od siebie różnią.
Ryż. 1. Oś wózka
Mogą być proste wały i osie gładki Lub stupienisty(patrz ryc. 2).
R 
Jest. 2. Prosty wał schodkowy:
1 - cierń; 2 - szyja; 3 - łożysko; 4 - pierścień z poprzecznym rowkiem do umieszczenia drążków ściągających łożyska
Stopniowy kształt przyczynia się do równomiernego napięcia poszczególnych sekcji, upraszcza produkcję i montaż części na wale.
Według kształtu przekroju są wały i osie solidny i pusty(z otworem osiowym). Wały drążone służą do zmniejszenia ciężaru lub umieszczenia wewnątrz innej części.
Zgodnie z zewnętrznym obrysem przekroju wały dzielą się na szczelinowe i wpustowe, posiadające profil szczelinowy lub profil z rowkiem wpustowym na określonej długości.
2. Elementy konstrukcyjne. Materiały wału i osi
czopy- sekcje podporowe wału lub osi. Dzielą się na kolce, szyje i pięty.
W 
yipom nazywany sworzniem umieszczonym na końcu wału lub osi i przenoszącym głównie siłę promieniową (patrz rys. 2). Szejka zwany czopem w środkowej części wału lub osi. Podpory dla kolców i szyjek wałów sąpodkolce. Kolce i szyje mogą mieć kształt cylindrykaliczny, stożkowy lub kulisty. W większości przypadków zastosuj kołki cylindryczne.
Ryc.3. Obcasy
Piąty zwany sworzniem przenoszącym siłę osiową (ryc. 3). Podpórki na pięty sąŁożyska oporowe. Obcasy są w formie ciągłymi (ryc. 3,A), pierścieńna zewnątrz (ryc. 3,B) I grena ławce(ryc. 3, V). Obcasy grzebieniowe są obecnie rzadko używane.Powierzchnie lądowania wały i osie pod piastami zamontowane części działają cylindryczne i stożkowekimi(patrz ryc. 2). Podczas lądowania z pasowaniem ciasnym średnica tych powierzchni jest przyjmowana większa niż średnica sąsiednich sekcji dla wygody wciskania i zmniejszania koncentracji naprężeń (patrz ryc. 2). Średnice powierzchni uszczelniających i średnice łożysk ślizgowych dobierane są spośród szeregu normalnych wymiarów liniowych, średnice łożysk tocznych – zgodnie z normami łożyskowymi.
Stożkowe końce wałów (patrz ryc. 2) są wykonane zzwężenie 1:10. Służą do ułatwienia montażu. części zamontowane na wale.
obszary przejściowe wały i osie pomiędzy dwoma stopniami o różnych średnicach wykonują:
A)z zaokrąglonym rowkiem na wyjście ściernicy (ryc. 4, A);
B)z zaokrągleniem o stałym promieniu, Ryż. 4, B(zaokrąglenie - powierzchnia płynnego przejścia z odcinka mniejszego do większego);
V 
)
z zaokrągleniem o zmiennym promieniu(Ryż. 4,
V).
Ryż. 4. Przejścia wałów
Sekcje przejściowe są koncentratorami napięciażeń. Skutecznym narzędziem zmniejszającym koncentrację naprężeń w obszarach przejściowych jest awans
zgodność wykonując rowki reliefowe (ryc. 5, A), zwiększenie promieni zaokrągleń, wykonanie otworów w stopniach o większej średnicy (ryc. 5, B). Utwardzanie przez odkształcenie (włnitowanie) filetów zwiększa nośnośćwłaściwości wałów i osi.
Ryż. 5. Sposoby zwiększania dopuszczalnej wytrzymałości wałów
Materiały wału i osipowinno dobrzebyć przetwarzane, być trwałe imają wysoki moduł sprężystości.Ten wymagania najpełniej spełniają stale węglowe i stopowe, z których wykonane są głównie wały i osie. Do wałów i osi bez obróbki cieplnej polegającej na hartowaniu stosuje się stale St5, St6; do wałów poddanych obróbce cieplnej - stal 45, 40X. Wały szybkoobrotowe pracujące w łożyskach ślizgowych wykonane są ze stali 20, 20X, 12XNZA.Czopy tych wałów są cementowanew celu poprawy odporności na zużycie.
Wały i osie poddawane są obróbce na tokarkach, a następnie trzpienie szlifierskie i powierzchnie uszczelniające.
Wały i osie służą do podparcia części wirujących (koła zębate, sprzęgła, koła pasowe, koła łańcuchowe, wirniki itp.) i przenoszenia obciążeń z tych części poprzez podpory na obudowę. Osie są zarówno obrotowe, jak i nieruchome, odbierają działanie momentów zginających i sił wzdłużnych. Wały, w przeciwieństwie do osi, mogą się tylko obracać. Poddawane są działaniu sił wzdłużnych, momentów zginających i skręcających.
Kształt konstrukcyjny wałów i osi zależy od wielu czynników – przeznaczenia mechanizmu, przeznaczenia i kształtu części współpracujących z wałem lub osią, charakteru obciążeń, technologii produkcji i montażu.
Wały są prosty, łukowaty I elastyczny. W tym samouczku omówiono tylko najpopularniejsze wały proste. Osie dostępne są wyłącznie z prostą osią geometryczną.
Wały i osie mogą być ciągły I dziurawy. Stosując drążone wały i osie, można znacznie zmniejszyć masę konstrukcji. Na przykład wał drążony ze stosunkiem średnicy otworu do średnicy zewnętrznej wału wynoszącym 0,75 przy prawie równej wytrzymałości z wałem pełnym ma masę o 50% mniejszą. Pod tym względem w mechanizmach lotniczych wały i osie o dużej średnicy (ponad 10 ... 12 mm) są zwykle puste. Wały wejściowy i wyjściowy posiadają otwory nieprzelotowe służące do uszczelnienia wewnętrznej wnęki mechanizmu lub otwory zamykane zatyczkami.
Wały i osie różnią się kształtem: gładki I wkroczył. Wybierając trudniejszy w wykonaniu kształt schodkowy, można zapewnić równomierny rozkład naprężeń na długości wału oraz niezbędną wytrzymałość i sztywność pod działaniem czynników siły wewnętrznej. Ponadto dzięki schodkowemu kształtowi powstają lepsze warunki do montażu części z wałem i mocowania ich względem wału w kierunku osiowym i promieniowym. Osie, ze względu na większą prostotę, są często gładkie, a wały z reguły są stopniowane, a każda część ma swój własny stopień na wale, obrobiony z wymaganą dokładnością i chropowatością.
Wały wykonane są w postaci oddzielnej części (ryc. 13.1, a) lub w jednym kawałku z kołami cylindrycznymi (ryc. 13.1, b, d) przekładnia stożkowa (ryc. 13.1, c).
W mechanizmach lotniczych wały często wykonywane są w jednym kawałku z częściami przekładni, co ze względu na brak elementów łączących zmniejsza masę całkowitą konstrukcji i zwiększa jej niezawodność. Jednak monolityczna konstrukcja wału nie zawsze jest odpowiednia, ponieważ nie zawsze jest konieczne wykonanie wału i części z tego samego materiału. Ponadto przy tej opcji wykluczona jest możliwość wymiany wału lub części podczas pracy. Przy wytwarzaniu konstrukcji monolitycznej z przedmiotu obrabianego o dużej średnicy należy wziąć pod uwagę fakt, że właściwości wytrzymałościowe materiału maleją wraz ze wzrostem średnicy przedmiotu obrabianego. Konstrukcja monolityczna jest ekonomicznie korzystna, jeśli średnica części jest nieco większa niż średnica własnego wału, a także w warunkach produkcji jednoczęściowej lub uzyskiwania przedmiotu obrabianego przez kucie (na przykład tworzenie elementów części znajdujących się w koniec wału poprzez spęczanie).
Wały mogą być wykonane z zębami (ryc. 13.1.6), z rowkami wpustowymi (ryc. 13.1, a), z pierścieniowymi rowkami na pierścienie nośne (ryc. 13.1, a), z sekcjami gwintowanymi (ryc. 13.1, 6, V) i rowki do blokowania części gwintowanych (ryc. 13.1, V). Wały mogą mieć osiowe (ryc. 13.1, B) i promieniowy (ryc. 13.1, V) otwory, a także rowki do wyjścia
ściernica (ryc. 13.1, a, c), obszary wyjścia frezu podczas cięcia zębów (ryc. 13.1, B), a także rowki na wyjściu narzędzia podczas gwintowania (ryc. 13.1, c).
Osie są nieruchome (ryc. 13.2, a) i obrotowe (ryc. 13.2, gwizd gładki (ryc. 13.2, A) i schodkowy (ryc. 13.2, B). Osie, podobnie jak wały, mogą mieć zęby (wypusty), rowki, rowki, rowki, gwinty i otwory. Gładkie osie są znormalizowane. Najczęściej stosuje się mocowanie tych osi w kierunku osiowym
przeprowadzone za pomocą zawleczki (ryc. 13.3, a). W przypadku osi (w większości stałych) stosuje się mocowanie za pomocą kołka cylindrycznego lub stożkowego (ryc. 13.3, B), śruba ustalająca (ryc. 13.3, V) lub uchwyt nasion ze śrubą (ryc. 13.3, G). Osie stałe są instalowane z pasowaniem przejściowym (na przykład K7/I6) lub pasowaniem wciskowym (na przykład R7/h6).
Ruchome osie i wały, zarówno w kierunku promieniowym, jak i osiowym, osadzone są w łożyskach, które z kolei osadzone są w obudowie. Precyzyjne mocowanie wałów i osi w kierunku promieniowym odbywa się poprzez osadzenie ich w łożyskach, a łożysk oporowych w oprawie. W kierunku osiowym wały i osie wraz z zamontowanymi na nich częściami są połączone z łożyskami w jeden ze sposobów pokazanych na ryc. 13.4. Największe zastosowanie znajduje proste i tanie mocowanie za pomocą pierścieni sprężystych (ryc. 13.4, A): ekscentryczny 1 lub koncentryczny 2 . Obecność szczeliny 5 pomiędzy pierścieniem a łożyskiem prowadzi do niedokładności montażu części oraz do ślizgania się powierzchni części i wału, czyli do ich zużycia. Korzystanie z pierścienia pośredniego 3 (ryc. 13.4, B) z regulacją grubości poprzez szlifowanie czoła lub zestawu podkładek 4 z folii (ryc. 13.4, V) pozwala na zmniejszenie rozmiaru szczeliny 5 do minimum. Podkładek regulacyjnych nie umieszcza się obok pierścienia sprężystego, aby zapobiec wpadnięciu podkładek regulacyjnych w rowek pierścienia. Podczas mocowania na końcu wału wygodnie jest użyć standardowej podkładki końcowej 5 (ryc. 13.4, d)> przykręcany 6 i zabezpieczona przed obrotem sworzniem 7. Śruba zabezpieczona jest przed odkręceniem za pomocą podkładki 8. Przy znacznym obciążeniu osiowym stosuje się podkładkę mocowaną dwiema śrubami (ryc. 13.4, mi).
CEL I KLASYFIKACJA WAŁÓW.WAŁKI I OSIE
Obracające się części maszyn (koła zębate, koła pasowe, koła zębate itp.) są umieszczone na wałach i osiach. Wały są zaprojektowane tak, aby przenosić moment obrotowy wzdłuż własnej osi. Siły powstające podczas przenoszenia momentu obrotowego powodują naprężenia skręcające i zginające, a czasami naprężenia rozciągające lub ściskające.
Osie nie przenoszą momentu obrotowego; działające w nich siły powodują jedynie naprężenia zginające (nie są uwzględniane drobne momenty od sił tarcia). Wały obracają się w łożyskach. Oś może być obrotowa lub nieruchoma.
Celowo wyróżnia się wały przekładniowe i wały główne, które przenoszą obciążenie nie tylko z części przekładni, ale także z korpusów roboczych maszyn (tarcze, frezy, bębny itp.).
Z założenia wały można podzielić na proste, wygięte i elastyczne (ryc. 4.1). Powszechnie stosowane wały prostoliniowe o konstrukcji schodkowej. Ten kształt wału jest wygodny podczas montażu, ponieważ pozwala na montaż części z pasowaniem wciskowym bez uszkadzania sąsiednich sekcji i zapewnia jej osiowe zamocowanie. Półki wałów mogą przenosić znaczne obciążenia osiowe. Jednakże w miejscach łączenia odcinków o różnych średnicach następuje koncentracja naprężeń, co zmniejsza wytrzymałość wału.
Wały drążone służą do zmniejszenia masy wału i zapewnienia dopływu oleju, chłodziwa lub powietrza.
Do szczególnej grupy zaliczają się wały elastyczne służące do przenoszenia momentu obrotowego pomiędzy wałami, których osie obrotu są przesunięte w przestrzeni.
W maszynach rolniczych, dźwigowo-transportowych i innych często stosuje się wały napędowe, których długość sięga kilku metrów. Wykonywane są zespolone, łączące się za pomocą kołnierzy lub złączy.
Kryteria wydajności wału.
Konstrukcja, wymiary i materiał wału w znacznym stopniu zależą od kryteriów określających jego działanie. Wydajność wałów charakteryzuje się głównie wytrzymałością i sztywnością, a w niektórych przypadkach odpornością na wibracje i zużycie.
Większość wałów napędowych ulega awariom z powodu niskiej wytrzymałości zmęczeniowej. Awarie wałów w strefie koncentracji naprężeń powstają na skutek działania naprężeń zmiennych. W przypadku wałów wolnoobrotowych pracujących z przeciążeniami głównym kryterium wydajności jest wytrzymałość statyczna. Sztywność wałów podczas zginania i skręcania zależy od wartości ugięć, kątów obrotu linii sprężystej i kątów skręcenia. Ruchy sprężyste wałów niekorzystnie wpływają na pracę przekładni i przekładni ślimakowych, łożysk, sprzęgieł i innych elementów napędowych, zmniejszając dokładność mechanizmów, zwiększając koncentrację obciążeń i zużycie części.
W przypadku wałów szybkoobrotowych niebezpieczne jest występowanie rezonansu - zjawiska, gdy częstotliwość drgań własnych pokrywa się lub jest wielokrotnością częstotliwości sił zakłócających. Aby zapobiec rezonansowi, obliczana jest odporność na wibracje. Podczas montażu wałów na łożyskach ślizgowych wymiary czopów wałów określa się na podstawie stanu odporności na zużycie podpory ślizgowej.
Ryż. 4.1 Rodzaje wałów i osi:
a - oś prosta; b - stopniowany wał pełny; c - schodkowywał drążony; g - wał korbowy; d - wał elastyczny
Projektowanie wału odbywa się etapami.
Na pierwszym etapie określić obciążenia obliczeniowe, opracować schemat obliczeniowy wału, wykreślić wykresy momentów. Etap ten poprzedzony jest szkicem układu mechanizmu, podczas którego wstępnie określane są główne wymiary wału i względne położenie części biorących udział w przenoszeniu obciążeń.
Obciążenia prądowe przenoszone na wał z boku części (koło pasowe, koło zębate, przekładnia itp.) lub z wału na część obejmują:
Siły załączające przekładnie i przekładnie ślimakowe;
Obciążenia na wałach napędów pasowych i łańcuchowych;
Obciążenia powstałe podczas montażu złączek na skutek niedokładności montażu i innych błędów.
Wyznaczanie sił i obciążeń sprzęgających na wałach napędów pasowych i łańcuchowych omówiono powyżej.
Po zainstalowaniu na końcach wejścia; wały wyjściowe sprzęgieł uwzględniają promieniowe obciążenie wspornika, które powoduje wyginanie się wału. Zaleca się określenie tego obciążenia zgodnie z GOST 16162-85.
W przypadku wałów wejściowych i wyjściowych jednostopniowych przekładni walcowo-stożkowych oraz wałów szybkoobrotowych dowolnego typu skrzyń biegów obciążenie wspornika można w przybliżeniu obliczyć ze wzoru
; (4.1)
do wałów wolnoobrotowych przekładni dwu- i trzystopniowych oraz przekładni ślimakowych
; (4.2.)
gdzie T jest momentem obrotowym na wale, N. m.
Zakłada się, że siły i momenty przenoszone przez piastę na część są skupione i przyłożone w środku jej długości.
Podczas wykonywania schematu projektowego wał jest uważany za belkę przegubową. Położenie punktu podparcia wału zależy od rodzaju łożyska (rys. 4.2).
Ryż. 4.2. Punkty podparcia wału:
A - na łożysku promieniowym; B - na łożysku promieniowym;
V - na dwóch łożyskach w jednym suporcie; G - na łożysku ślizgowym.
Siły działające w dwóch wzajemnie prostopadłych płaszczyznach (pionowej i poziomej) przenoszone są na punkty na osi wału. Wykresy zginania i momentów zbudowane są w dwóch płaszczyznach (rys. 4.3).
Moment od siły obwodowej przedstawiono na wykresie momentów, od siły osiowej w płaszczyźnie pionowej – w postaci skoku M′ z na wykresie momentów zginających. Działki budowane są według metodyki określonej w trakcie wytrzymałości materiałów.
Wykresy określają całkowite momenty zginające w dowolnym przekroju. Zatem w sekcji 1-1 największy całkowity moment
gdzie М z 1 — moment zginający w niebezpiecznym przekroju w płaszczyźnie ZY ; M x1 – moment zginający w niebezpiecznym przekroju w płaszczyźnie XY; M k1 - moment zginający w płaszczyźnie działania obciążenia wspornika. Porównując uzyskane wartości wyodrębniono najbardziej niebezpieczne odcinki szybu.
Na drugim etapie opracować projekt wału. Wstępnie określ średnicę odcinka wylotowego zgodnie z warunkowym dopuszczalnym naprężeniem skręcającym [τ], przyjmując je jako równe 15-25 MPa.
Średnica wału, mm,
W przypadku wybrania konstrukcji wału schodkowego średnice i długości jego przekrojów określa się za pomocą schematu obliczeniowego lub układu szkicu (patrz wyżej)
Ryż. 4.3. Schematy obciążenia wału. Wykresy momentów zginających i momentów skręcających Zaleca się określenie przyjętych wymiarów zgodnie z GOST 6636-69 *.
Preferowany jest schodkowy kształt wału, ponieważ upraszcza montaż połączeń z pasowaniem wciskowym, zapobiega uszkodzeniom obszarów o powierzchniach o zwiększonej czystości, kształt wału zbliża się do belki o jednakowej wytrzymałości. Jednak w punktach łączenia odcinków o różnych średnicach następuje koncentracja naprężeń, co zmniejsza wytrzymałość wału, a gdy jako przedmiot obrabiany stosuje się pręt lub odkuwkę, technologia produkcji staje się bardziej skomplikowana, a zużycie metalu wzrasta . Aby zmniejszyć koncentrację naprężeń, a co za tym idzie zwiększyć wytrzymałość zmęczeniową wału, odcinki przejściowe wykonuje się najczęściej za pomocą zaokrągleń (rys. 4.4). Promień zaokrąglenia r i wysokość występu (półki) dobiera się w zależności od średnicy wału d, siły osiowej, wymiarów R, c 1 i kształtu montowanej części (tabela 4.1).
Ryż. 4.4. Sekcje przejściowe wału w postaci zaokrągleń
Tabela 4.1 Wymiary filetów, mm. (Patrz rys. 4.4.)
Jeżeli występ służy do osiowego mocowania łożyska, wówczas wysokość h. (tabela 4.2) powinna być mniejsza od grubości pierścienia wewnętrznego łożyska o wielkość t wystarczającą do pomieszczenia goleni ściągacza podczas demontażu.
Rowki wylotowe ściernicy (rys. 4.5) powodują większą koncentrację naprężeń niż filety. Przejścia z takimi rowkami wykonywane są ze znacznym marginesem bezpieczeństwa wału. Wymiary rowków podano w tabeli 4.3.
Aby uniknąć luzów osiowych, długość gniazda wału powinna być nieco mniejsza niż długość piasty montowanej części. Aby ułatwić montaż, odcinek wału do pasowania wciskowego musi mieć skosy i fazowania (ryc. 4.6, a, b, tabela 4.4).
Ryż. 4,5. Rowki na wyjściu ściernicy:
a, b - do szlifowania cylindrycznej powierzchni wału;
c - do szlifowania powierzchni cylindrycznej i końca półki
Jeżeli odcinek wału nie ma trwałych występów, zaleca się, aby jego średnica była o 5% mniejsza niż średnica otworu (ryc. 4.6, c).
Kształt sekcji wyjściowej wału (ryc. 4.7) może być cylindryczny (GOST 12080-66 *) lub stożkowy (GOST 12081-72 *). Stożkowy koniec wału jest trudniejszy do wykonania. Jednakże połączenia stożkowe charakteryzują się dużą nośnością, są łatwiejsze w montażu i demontażu. Siła osiowa jest generowana przez dokręcenie nakrętki. W tym celu na końcu trzonu znajduje się gwint mocujący.
Ryż. 4.6. Fazowania (a), skosy (b) i przekroje przejściowe (c)
Ryż. 4.7. Sekcje wyjściowe wałów: a - cylindryczny, b - stożkowy
Kształt i wymiary rowków wpustowych na wale zależą od rodzaju wpustu i narzędzia skrawającego. Rowki wpustowe wykonane za pomocą frezu tarczowego powodują mniejszą koncentrację naprężeń. Jednak mocowanie klucza tutaj jest mniej niezawodne, a rowek jest dłuższy ze względu na sekcje wyjścia frezu (ryc. 4.8). Jeżeli istnieją rowki na wpusty piórowe, konieczne jest zapewnienie takich wymiarów odcinków wałów schodkowych, aby demontaż części nastąpił bez usuwania wpustów, ponieważ wpusty są instalowane w rowkach z pasowaniem wtłaczanym, a ich usunięcie jest niepożądany.
Dlatego średnicę d 2 sąsiedniego miejsca lądowania określa się, biorąc pod uwagę wysokość hKlucze:
gdzie t 2 to głębokość rowka w piaście, mm
Ryż. 4.8. Wpusty:
a - wykonane obcinakiem do palców; b - obcinak dyskowy.
Oznaczenia: l - długość robocza klucza; b - szerokość klucza;
lout - długość odcinka wyjścia noża; Dfr - średnica frezu tarczowego
Jeżeli na wyjściowych odcinkach wałów taki warunek nie jest możliwy, wówczas wpust jest frezowany „na przejściu”. Instalując kilka kluczy na wale, należy je umieścić w tej samej płaszczyźnie i zapewnić im, jeśli to możliwe, tę samą szerokość rowków, z zastrzeżeniem warunków wytrzymałości połączeń wpustowych. Pozwala to na obróbkę rowków bez zmiany położenia wału i za pomocą jednego narzędzia.
Wymiary zębów odcinków wielowypustowych dobiera się z uwzględnieniem średnic sąsiadujących odcinków osadzania wału. W przypadku wyjścia narzędzia tnącego wewnętrzna średnica d zębów odcinka wielowypustowego znajdującego się pomiędzy łożyskami musi być większa niż średnica otworu łożyska. W przeciwnym razie na wyjściu noża zostanie przekrojony odcinek o długości l wyjście (rys. 4.9, tabela 4.5).
Na tej samej zasadzie gwintowane sekcje wałów są przeznaczone do okrągłych nakrętek rowkowych. W sekcjach znajdują się rowki na wyjściu narzędzia do nacinania gwintów (ryc. 4.10, tabela 4.6) i pod wypustem wieloostrzowej podkładki zabezpieczającej.
Ryż. 4.9. Wielowypustowe sekcje wałów
Tabela 4.5. Średnica frezu dla prostych wielowypustów (patrz rys. 4.9)
Tabela 4.6. Wymiary rowków różnych typów, mm (patrz ryc. 4.11.)
Notatka. Rowki typu I mają promień fazowania r1= 0,5 mm.
Przy produkcji wału stanowiącego jedną część z kołem zębatym (ryc. 4.11) materiał wału i metodę obróbki cieplnej dobiera się w zależności od wytrzymałości zębów koła zębatego.
Do produkcji wałów stosuje się stale konstrukcyjne węglowe 40, 45, 50 i stal stopową 40X o twardości. HB≤ 300. Na wały mocno obciążone stosuje się stale stopowe 40KhN, 30KhGSA, 30KhGT i inne gatunki z późniejszym hartowaniem HDTV. Wały szybkoobrotowe obracające się w łożyskach ślizgowych wykonane są ze stali nawęglanej 20Kh, 12KhNZA, 18KhGT lub stali azotowanej 38Kh2MYUA w celu zwiększenia odporności sworzni na zużycie. Jeśli wymiary wału są określone przez warunki sztywności, jest to możliwe
użyj stali St. 5, art. 6. Jest to dozwolone, jeśli na wale nie ma powierzchni ścieralnych (czopów, wielowypustów itp.), które wymagają mocnej stali poddanej obróbce cieplnej. Wały kształtowe (na przykład wały korbowe) są wykonane z żeliwa o wysokiej wytrzymałości i modyfikowanego.
Charakterystyki mechaniczne wałów podano w tabeli 4.7.
Na trzecim etapie projektując wykonać obliczenia weryfikacyjne wału, określając naprężenia zastępcze lub margines bezpieczeństwa w najbardziej niebezpiecznych odcinkach.
Dla wałów pracujących w warunkach krótkotrwałych przeciążeń, w celu uniknięcia odkształceń plastycznych, przeprowadza się obliczenia sprawdzające wytrzymałość statyczną. Naprężenie równoważne w przekroju niebezpiecznym, MPa,
; (4.6)
gdzie d jest średnicą wału, mm; M - największy moment zginający, N. m; T - największy moment obrotowy, N. m.
Dopuszczalne naprężenie, MPa,
gdzie σ t jest granicą plastyczności, MPa; S T - margines bezpieczeństwa pod względem granicy plastyczności: S T \u003d 1,2-1,8.
Obliczenia weryfikacyjne osi przeprowadza się według wzoru (4.6) przy T = 0.
W przypadku obciążeń długotrwałych przeprowadza się obliczenia weryfikacyjne pod kątem wytrzymałości zmęczeniowej. Współczynnik bezpieczeństwa zmęczenia
; (4.8)
gdzie S σ ; Sτ - współczynniki bezpieczeństwa odpowiednio dla naprężeń zginających i skręcających; [S] - dopuszczalny współczynnik bezpieczeństwa: [S] = 2-2,5.
Współczynnik bezpieczeństwa dla naprężeń zginających
; (4.9)
Ryż. 4.11. Konstrukcja wału - koła zębate.
Oznaczenia: da1 - średnica koła zębatego; dB to średnica wału;
dП - średnica wału dla łożyska zgodnie z naprężeniami skręcającymi
; (4.10)
gdzie σ -1, -1 to odpowiednio granice wytrzymałości materiału wału na zginanie i skręcanie z symetrycznym cyklem zmiany znaku, MPa (patrz tabela 4.7); K σ D , K D – współczynniki koncentracji naprężeń, uwzględniające wpływ wszystkich czynników na wytrzymałość zmęczeniową; σ a, D – zmienne składowe cyklu naprężenia (amplituda), MPa; ψ σ ψ - współczynniki charakteryzujące wrażliwość materiału na asymetrię cyklu naprężeń (patrz tabela 4.7); σ m ; m - stałe składniki cyklu zmian naprężeń, MPa.
Składniki cyklu zmian naprężeń zginających:
; (4.11)
gdzie M Σ jest całkowitym momentem zginającym, N. m; W o - moment oporu przekroju zginającego wału-bu) mm 3; Fa - siła osiowa. H; A - powierzchnia przekroju wału, mm 2: A \u003d nd 2/4.
Osie służą do podparcia różnych części maszyn i mechanizmów obracających się wraz z nimi lub na nich. Obrót osi wraz z zamontowanymi na niej częściami odbywa się względem jej podpór, zwanych łożyskami. Przykładem osi nieobrotowej jest oś bloku maszyny wyciągowej (ryc. 1, a), a osią obrotową jest oś wagonu (ryc. 1, b). Osie odbierają obciążenie z znajdujących się na nich części i pracują przy zginaniu.
Ryż. 1Projekty osi i wałów.
Wały, w przeciwieństwie do osi, są przeznaczone do przenoszenia momentu obrotowego i, w większości przypadków, do utrzymywania różnych części maszyn obracających się wraz z nimi względem łożysk. Wały przenoszące części, przez które przenoszony jest moment obrotowy, otrzymują obciążenia od tych części i dlatego pracują jednocześnie przy zginaniu i skręcaniu. Gdy części osadzone na wałach (przekładnie stożkowe, koła ślimakowe itp.) poddawane są obciążeniom osiowym, wały dodatkowo pracują przy rozciąganiu lub ściskaniu. Niektóre wały nie podtrzymują części obrotowych (wały napędowe samochodów, walce łączące walcowni itp.), dlatego wały te pracują tylko przy skręcaniu. Celowo rozróżnia się wały przekładniowe, na których montowane są koła zębate, koła łańcuchowe, sprzęgła i inne części przekładni, oraz wały główne, na których montowane są nie tylko części przekładni, ale także inne części, takie jak koła zamachowe, korby itp.
Osie są proste pręty(Rys. 1, a, b) i rozróżnia się wały prosty(ryc. 1, c, d), łukowaty(ryc. 1, e) i elastyczny(ryc. 1, f). Wały proste są szeroko rozpowszechnione. Wały korbowe w przekładniach korbowych służą do zamiany ruchu posuwisto-zwrotnego na obrotowy i odwrotnie oraz znajdują zastosowanie w maszynach tłokowych (silniki, pompy). Wały giętkie, czyli wielodrutowe sprężyny skrętowe skręcone z drutów, służą do przenoszenia momentu obrotowego pomiędzy węzłami maszyn, które podczas pracy zmieniają swoje względne położenie (narzędzia napędzane, urządzenia do zdalnego sterowania i monitorowania, wiertarki dentystyczne itp.). Wały korbowe i wały elastyczne są częściami specjalnymi, są badane na odpowiednich kursach specjalnych. Osie i wały w większości przypadków są okrągłe, a czasami mają przekrój pierścieniowy. Oddzielne sekcje wałów mają okrągły przekrój pełny lub pierścieniowy z wpustem (ryc. 1, c, d) lub wypustami, a czasami przekrój profilowy. Koszt osi i wałów przekroju pierścieniowego jest zwykle większy niż przekroju pełnego; stosuje się je w przypadkach, gdy wymagane jest zmniejszenie masy konstrukcji, np. w samolocie (patrz także oś satelitów przekładni planetarnej na rys. 4) lub umieszczenie w środku innej części. Puste, spawane osie i wały wykonane z taśmy ułożonej po linii śrubowej pozwalają na redukcję masy nawet o 60%.
Osie o małej długości wykonane są z tej samej średnicy na całej długości (ryc. 1, a) oraz długie i mocno obciążone - ukształtowane (ryc. 1, b). Wały proste, w zależności od przeznaczenia, wykonane są albo o stałej średnicy na całej długości (wały transmisyjne, ryc. 1, c), albo schodkowe (ryc. 1, d), tj. różne średnice w niektórych obszarach. Najczęściej spotykane są wały schodkowe, ponieważ ich kształt jest wygodny do montażu na nich części, z których każda musi swobodnie przechodzić na swoje miejsce (wały skrzyni biegów można znaleźć w artykule „Przekładnie zębate” ryc. 2, 3 oraz „Przekładnia ślimakowa” Ryc. 2; 3). Czasami wały wykonuje się w połączeniu z przekładniami (patrz ryc. 2) lub ślimakami (patrz ryc. 2; 3).
Ryż. 2
Sekcje osi i wałów, z którymi opierają się na łożyskach, nazywane są czopami, gdy odbierają obciążenia promieniowe, i piętami, gdy odbierają obciążenia osiowe. Nazywa się kołki końcowe pracujące w łożyskach ślizgowych kolczasty(ryc. 2, a) oraz czopy umieszczone w pewnej odległości od końców osi i wałów - szyje(ryc. 2b). Czopy osi i wały pracujące w łożyskach ślizgowych są cylindryczne (ryc. 2, a), stożkowy(ryc. 2, c) i kulisty(ryc. 2d). Najpopularniejsze są szafki cylindryczne, ponieważ są najprostsze, najwygodniejsze i tanie w produkcji, montażu i obsłudze. Kołki stożkowe i kuliste stosowane są stosunkowo rzadko, na przykład do kontroli luzów w łożyskach maszyn precyzyjnych poprzez przesuwanie wału lub panewki łożyska, a czasami do osiowego mocowania osi lub wału. Sworznie sferyczne stosuje się wtedy, gdy wał oprócz ruchu obrotowego musi wykonywać ruch kątowy w płaszczyźnie osiowej. Czopy walcowe pracujące w łożyskach ślizgowych mają zwykle nieco mniejszą średnicę w porównaniu do sąsiedniego odcinka osi lub wału, dzięki czemu dzięki występom i odsaniom (rys. 2, b) można ustalać osie i wały od osiowo przemieszczenia. Czopy osi i wały łożysk tocznych są prawie zawsze cylindryczne (ryc. 3, a, b). Stosunkowo rzadko stosuje się sworznie stożkowe o małym kącie zbieżności do kontroli luzów w łożyskach tocznych poprzez sprężyste odkształcenie pierścieni. Na niektórych osiach i wałach do mocowania łożysk tocznych w pobliżu sworzni przewidziano gwinty na nakrętki (ryc. 3, b;) lub pierścieniowe rowki do mocowania pierścieni sprężystych.
Ryż. 3
Pięty pracujące w łożyskach ślizgowych, zwane łożyskami wzdłużnymi, są zwykle wykonane jako pierścieniowe (ryc. 4, a), aw niektórych przypadkach - grzebieniowe (ryc. 4, b). Pięty grzebieniowe stosuje się, gdy na wały działają duże obciążenia osiowe; we współczesnej inżynierii są rzadkie.
Ryż. 4
Powierzchnie osadzenia osi i wałów, na których osadzone są wirujące części maszyn i mechanizmów, mają charakter cylindryczny, znacznie rzadziej stożkowy. Te ostatnie służą na przykład do ułatwienia montażu ciężkich części na wale i demontażu z niego ze zwiększoną dokładnością centrowania części.
Powierzchnia płynnego przejścia z jednego etapu osi lub wału do drugiego nazywa się zaokrągleniem (patrz ryc. 2, a, b). Przejście ze stopni o mniejszej średnicy do stopnia o większej średnicy wykonuje się za pomocą zaokrąglonego rowka na wyjściu ściernicy (patrz ryc. 3). Aby zmniejszyć koncentrację naprężeń, promienie zaokrągleń i rowków są przyjmowane tak duże, jak to możliwe, a głębokość rowków jest mniejsza (GOST 10948-64 i 8820-69).
Różnica średnic sąsiednich stopni osi i wałów, aby zmniejszyć koncentrację naprężeń, powinna być minimalna. Końce osi i wałów, aby ułatwić montaż na nich obracających się części maszyn i uniknąć obrażeń rąk, są wykonane ze skosami, to znaczy lekko zamienionymi w stożek (patrz ryc. 1 ... 3). Promienie zaokrągleń i rozmiary faz są znormalizowane przez GOST 10948-64.
Długość osi zwykle nie przekracza 2 ... 3 m, wały mogą być dłuższe. Zgodnie z warunkami produkcji, transportu i montażu długość wałów pełnych nie powinna przekraczać 6 ... 7 m. Dłuższe wały wykonywane są zespolone, a ich poszczególne części łączone są za pomocą sprzęgieł lub za pomocą kołnierzy. Średnice gniazd osi i wałów, na których montowane są obrotowe części maszyn i mechanizmów, muszą być zgodne z GOST 6636-69 (ST SEV 514-77).
Materiały osi i wałów.
Osie i wały wykonywane są ze stali konstrukcyjnych węglowych i stopowych, gdyż charakteryzują się dużą wytrzymałością, zdolnością do utwardzania powierzchniowego i objętościowego, łatwością otrzymywania wlewków cylindrycznych poprzez walcowanie oraz dobrą obrabialnością na obrabiarkach. Do osi i wałów bez obróbki cieplnej stosuje się stale węglowe St3, St4, St5, 25, 30, 35, 40 i 45. Ulepszenia 35, 40, 40X, 40HX itp. W celu zwiększenia odporności na zużycie czopów czopów wały obracające się w łożyskach ślizgowych, wały wykonywane są ze stali 20, 20X, 12KhNZA i innych, z późniejszym nawęglaniem i hartowaniem czopów. Odpowiedzialne, mocno obciążone wały wykonane są ze stali stopowych 40KhN, 40KhNMA, 30KhGT itp. Mocno obciążone wały o złożonym kształcie, na przykład wały korbowe silników, są również wykonane z żeliwa modyfikowanego lub o wysokiej wytrzymałości.