Призначення, конструкції та матеріали

ОСІ ТА ВАЛИ

Деталі машин, що обертаються, (зубчасті колеса, шківи, барабани і т. п.) встановлюють на осях або валах, які забезпечують постійне положення осі обертання цих деталей.

Осі – це деталі, призначені для підтримки деталей, що обертаються. Вони не передають корисного крутного моменту, і зазнають впливу тільки згинальних моментів.

За способом установки осі поділяють на нерухомі та рухомі.

Нерухома вісь під час роботи не обертається, а обертаються закріплені на ній деталі, наприклад, вісь канатного блоку чи барабану, вісь візка ланцюгового конвеєра, тощо. Нерухомі осі в процесі роботи піддаються однобічному згину і напруження, що виникають у матеріалі осей, не змінюють свого знака. Нерухомі осі дешевші, але вимагають установки підшипників у деталях, які закріплені на осі, що ускладнює конструкцію.

Рис. 1.1 – Конструкції осей

Рухомі осі обертаються разом з насадженими на них деталями, наприклад, вісь залізничного вагона, і піддаються симетричному згину. У матеріалі таких осей виникають знакозмінні напруження. При однаковому зовнішньому навантаженні діаметри рухомих осей виходять більшими, ніж нерухомих. Однак з точки зору експлуатаційних показників у ряді випадків віддають перевагу рухомим осям, які забезпечують кращу роботу підшипників.

За конструкцією осі бувають гладкі (рис. 1.1, а) і ступінчасті (рис. 1.1, б), суцільні (рис. 1.1, а) і порожнисті (рис. 1.1, б). Ступінчасті осі застосо­вуються для закріплення деталей на осі або осі на корпусі машини, порожнисті осі – для зменшення маси або при необхідності пропустити через вісь іншу деталь, підвести мастило та ін.

Вали – це деталі, призначені для передачі крутних моментів вздовж своєї осі та для підтримки деталей машин, що обертаються. Крутні моменти передаються за допомогою сил, що діють на вали (наприклад, у зачепленні зубчастих або черв'ячних передач, натягу пасів і т. п.). Тому на вали діють також згинальні моменти і осьові навантаження.

За призначенням вали поділяються на вали передач та корінні вали машин. На валах передач установлюють зубчасті колеса, шківи, муфти та інші деталі передач, на корінних валах – не тільки деталі передач, але і маховики, затискні патрони, кривошипи і т. п.

За формою геометричної осі розрізняють вали прямі, колінчасті і гнучкі. Найбільш поширені прямі вали (рис. 1.2, а). Вони застосовуються в редукторах, металорізальних верстатах, підйомно-транспортних машинах, машинах легкої промисловості та ін. Колінчасті вали (рис. 1.2, б) застосовуються в кривошипно-шатунних механізмах для перетворення обертального руху в зворотно-поступальний, або навпаки. Колінчасті вали використовуються в двигунах внутрішнього згоряння, насосах, швейних та основов‘язальних машинах, пресах і т. д.

Рис. 1.2 – Конструкції валів

Гнучкі вали (рис. 1.2, в) застосовуються для передачі крутного моменту між вузлами машин, що змінюють під час роботи своє відносне положення (механізований інструмент, контролюючі прилади, зуболікарські бормашини і т. п.). Гнучкий вал складається з декількох щільно навитих шарів сталевого чи бронзового дроту 2. Внутрішній шар дроту навивається на сердечник 1, який може бути видалений з вала або залишений у нього всередині. Сусідні шари мають протилежний напрямок навивки. Гнучкий вал укладають у броню 3 (металеву або із шарами тканини і гуми), що обмежує і направляє його, захищає від ушкоджень і забруднень, зберігає на ньому консистентне змащення. Гнучкий вал приєднують до ведучого і веденого елементів привода за допомогою спеціальної арматури.

Колінчасті та гнучкі вали відносяться до спеціальних деталей і докладно розглядаються при вивченні спеціальних курсів.

Конструктивні форми прямих валів визначаються їхнім призначенням, характером і величиною прикладених до них навантажень, способом закріплення насаджених на вали деталей і умовами складання вузла, технологією виготовлення і т. д.

Прямі вали бувають постійного діаметра по всій довжині (наприклад, трансмісійні) і ступінчасті (рис. 1.2, а). Найбільше поширення одержали ступінчасті вали як більш зручні при складанні. Ступінчаста форма вала дозволяє забезпечити вільний прохід насаджуваних на вал деталей до своїх посадкових поверхонь, а уступи валів можуть сприймати великі осьові сили. Застосування ступінчастих валів виправдане також умовами рівноміцності, тому що моменти, що діють на вал, у різних перерізах мають неоднакові значення. Крутний момент, як правило, передається не по всій довжині вала. Епюри згинальних моментів до кінцевих опор чи до кінців валів найчастіше сходять до нуля. Тому за умовою міцності доцільно конструювати вали змінного поперечного перерізу, що наближаються до валів рівного опору, оскільки вони менш металомісткі.

Іноді вали виготовляють заодно з шестернями, черв'яками, тощо.

Вали можуть бути суцільними і порожнистими. Порожнисті вали відрізняються меншою масою і меншою чутливістю до концентрації напружень. Так при практично однаковій міцності суцільного вала діаметра d і порожнистого того ж зовнішнього діаметра з внутрішнім діаметром d₁ =0,5d маса останнього на 25 %менше маси суцільного вала. Порожнисті зварені вали, виготовлені зі стрічки, розташованої по гвинтовій лінії, дозволяють зменшити масу до 60 %. При малих габаритних розмірах проектованої машини в порожнинах валів можна розмістити інші деталі: вали, тяги керування і т. д. Однак вартість порожнистих валів звичайно більше вартості валів суцільного перерізу; їх застосовують у випадках, коли потрібно зменшити масу конструкції (наприклад у літаках, і т. п.).

Рис. 1.3 – Конструкції цапф

Опорні ділянки валів називають цапфами. Кінцеві цапфи називають шипами, проміжні – шийками. Цапфи, що сприймають осьові навантаження, називають п'ятами. Цапфи валів і осей, що працюють у підшипниках ковзання, виконують циліндричними, конічними та сферичними. В основному застосовуються циліндричні цапфи. Для фіксації вала в осьовому напрямку їх роблять трохи меншого діаметра, ніж сусідні ділянки вала (рис 1.3 а, б). Конічні цапфи (рис. 1.3, в) застосовуються для регулювання зазору в підшипниках і осьо­вого фіксування вала. Сферичні цапфи (рис. 1.3, г) використовуються рідко через труднощі виготовлення. Вони застосовуються при значних кутових відхиленнях геометричної осі вала.

П'ята – опорна частина вала, розташована в його торці (рис. 1.4). П'яти бувають плоскими (рис. 1.4, а, б), конічними (рис. 1.4, в) і гребінчастими (рис. 1.4, г). Найбільше поширення одержали плоскі п'яти, що бувають суцільними (рис. 1.4, а) і кільцевими (рис. 1.4, б). Гребінчасті п'яти застосовуються при дії на вали великих осьових навантажень. Посадкові поверхні валів, на які насаджують деталі, виконують циліндричними або конічними.

Рис. 1.4 – Конструкції п’ят

Рис. 1.5 – Перехідні ділянки валів

Перехідні ділянки валів між, сусідніми ступінями різних діаметрів найчастіше виконують з канавкою для виходу шліфувального круга в процесі обробки (рис. 1.5, а) чи з галтеллю (рис. 1.5, б). Для зменшення концентрації напружень радіуси заокруглень r галтелей і канавок приймають якомога більшими, а глибину канавок – меншою. Торці валів для полегшення установки на них обертових деталей машині попередження травмування роблять з фасками. Радіуси заокруглень галтелей і розміри фасок і канавок нормалізовані.

Довжина суцільних валів за умовами виготовлення, транспортування і монтажу не повинна перевищувати 6–7 м. Довгі вали роблять складеними, окремі частини їх з'єднують за допомогою муфт чи фланців.

Діаметри посадкових поверхонь (під ступиці коліс, шківів, зірочок) варто вибирати зі стандартного ряду посадкових розмірів, а діаметри посадкових поверхонь під підшипники кочення – зі стандартного ряду внутрішніх діаметрів підшипників.

Кінці валів, призначені для установки деталей, що передають крутні моменти стандартизовані. Вони можуть бути циліндричними і конічними з різьбовим кінцем або різьбовим отвором у торці для закріплення посадженої на вал деталі (рис. 1.6).

Рис. 1.6 – Кінці валів

Технічні умови на виготовлення вала залежать від вимог до конструкції. Обробку валів роблять зазвичай в центрах. Найбільш жорсткі вимоги щодо точності геометричної форми пред'являються до шийок валів, на які встановлюються підшипники кочення.Овальність і конусність місць посадки визначається допуском на діаметр шийки. Шорсткість шийок призначають R_а= 0,32...1,25 мкм.

Вибір матеріалу, термічної та хіміко-термічної обробки визначається конструкцією вала й опор, умовами експлуатації. Основними матеріалами для валів і осей є вуглецеві та леговані сталі, які мають високу міцність, здатність до зміцнення, добре обробляються на верстатах, дозволяють легко одержати необхідні циліндричні заготовки шляхом прокатки. Вали та осі, для яких основним критерієм є жорсткість, не піддають термообробці. Вони виготовляються з вуглецевих сталей Ст 4, Ст 5, Сталь 25, 30, 35, 40, 45. Осі і вали, до несучої здатності і довговічності робочих поверхонь яких пред'являються підвищені вимоги, виготовляють із середньовуглецевих чи легованих сталей 35, 40, 40Х, 40ХН та ін. Для підвищення зносостійкості цапф валів, що обертаються в підшипниках ковзання, вали виготовляють зі сталей 20, 20Х, 12ХН3А та інших з наступною цементацією і загартуванням цапф. Відповідальні важконавантажені вали виготовляють з легованих сталей 40ХН, 40ХНМА, 30ХГТ та ін. Важконавантажені вали складної форми, наприклад колінчасті вали двигунів, виготовляють також з модифікованого чи високоміцного чавуну.