Деталі й вузли передач

1.7.1 Вали й осі.Усі обертові деталі машин установлюють на валах і осях.

Вал призначений для підтримки сидячих на ньому деталей і для передачі обертаючого моменту.

Вісь призначена тільки для підтримки сидячих на ній деталей і, на відміну від вала, ніколи не передає обертаючого моменту. Осі можуть бути нерухомими або обертовими разом із насадженими на них деталями.

Вали підрозділяються на прямі (рис. 1.15), кривошипні (рис. 1.16, а), колінчаті (рис. 1.16, б) і гнучкі.

Осі, як правило, виконуються прямими. Прямі вали й осі можуть бути гладкими, коли вони мають однаковий перетин по всій довжині, і східчастими (рис. 1.15), що мають різний перетин окремих своїх елементів.

По типу перетину вали й осі можуть бути суцільними й порожнинними.

По конструкції прямі вали й осі мало відрізняються один від одного. Основними їхніми елементами (рис. 1.15) є:

цапфи - ділянки вала й осі, що лежать в опорах. Вони підрозділяються на шипи 1, розташовані на кінці вала, шийки 2, розташовані в середній частині вала або осі, і п'яти, що є опорними елементами вертикально розташованих валів;

посадкові поверхні (маточини, головки) 3 призначені для насадки на вали й осі обертових деталей (зубчастих коліс, шківів і ін.);

перехідні ділянки 4, розташовані між двома щаблями валів.

Кривошипні й колінчасті вали застосовуються в машинах і механізмах для перетворення обертового руху у зворотно-поступальний і навпаки.

Кривошипний вал (рис. 1.16, а) має дві шийки 2, які містяться в опорах 1 і називаються корінними; один або два шипи 3, закріплених одним кінцем у щоках 4 на відстані r від осі обертання вала, що й визначило назву вала - кривошипний. До шипів приєднуються шатуни. Кривошипні вали широко застосовуються в приводах поршневих насосів.

Колінчаті вали (рис. 1.16, б) можуть мати одне або кілька колін, утворених шийкою, закріпленої обома кінцями в щоках. Ці шийки 5 з'єднуються із шатунами й називаються шатунними. Шийки 2, що лежать в опорах і перебувають на осі обертання вала, називаються корінними.

Колінчаті вали широко застосовуються у двигунах внутрішнього згоряння.

1.7.2 Шківи й зубчасті колеса. Шківи й зубчасті колеса виконують виливком із чавуну або стали, куванням або зварюванням зі сталі, а також із кольорових сплавів, пластмас і дерева.

Шків плоско-ремінної передачі (рис. 1.17, а) складається з маточини 1, обіду 2 і спиць 3, що з'єднують обід і маточину. Маточиною шків насаджується на посадкову поверхню вала. Для передачі обертаючого моменту від вала до шківа через шпонку маточина має шпонковий паз 4.

Зубчасте колесо відрізняється від шківа конструкцією обіду. На обіді зубчастих коліс нарізуються зуби (рис. 1.17, б). У деяких випадках для економії дорогих матеріалів, з яких потрібно виконати зуби, останні нарізають на вінці (бандажі), що закріплюють на обіді колеса (рис. 1.17, в), виконаного з більш дешевого матеріалу.

1.7.3 Підшипники.Підшипники є опорами валів і обертових осей. Вони сприймають навантаження, прикладені до вала або осі, і передають їх на корпус машини.

Залежно від роду тертя підшипники діляться на підшипники ковзання й підшипники кочення.

Залежно від напрямку сприйманого навантаження підшипники бувають:

радіальними, що сприймають радіальне навантаження, спрямоване перпендикулярно осі цапфи;

упорними (підп'ятники), що сприймають осьові навантаження;

радіально-упорні, що сприймають радіальні й осьові навантаження.

Підшипники ковзання. Можуть бути нероз'ємними й рознімними. Нероз'ємні підшипники, що представляють собою втулку із вкладишем, прикріплену до корпуса машини. Застосовують при малих швидкостях обертання валів. До їхніх недоліків ставиться необхідність осьового зміщення вала або підшипника при монтажі й демонтажі машини, що значно ускладнює цей процес.

Рознімні підшипники ковзання (рис. 1.18) знайшли широке застосування, особливо у важкому машинобудуванні. Рознімний підшипник складається з корпуса 1, кришки 2 і вкладишу 3. Кришка з корпусом з'єднується за допомогою болтів 4. Для підведення змащення в кришці підшипника є отвір 5.

Вкладиш підшипника зазвичай виконують із двох половинок (рис. 1.19). При монтажі вузла між половинками вкладиша закладають регулювальні прокладки. У міру зношування матеріалу вкладиша регулювальні прокладки виймають, що дозволяє підтримувати необхідний зазор між цапфою й вкладишем, без заміни останнього.

Вкладиш є основним елементом підшипника ковзання, від якого залежить довговічність і надійність вузла тертя.

До матеріалів вкладишів пред'являються наступні вимоги:

§ досить висока зносостійкість і опірність заїданню. Однак зносостійкість вкладиша повинна бути менше ніж цапфи вала або осі, бо заміна вала значно дорожче заміни вкладиша;

§ низький коефіцієнт тертя й висока теплопровідність із малим коефіцієнтом розширення;

§ висока опірність крихкому руйнуванню при дії ударних навантажень.

Для виготовлення вкладишів широко використаються олов'яні бронзи. Для тихохідних механізмів застосовують вкладиші з антифрикційного чавуну без заливання.

Одним із найкращих антифрикційних матеріалів є бабіт. Він добре притирається, стійок проти заїдання. Однак у силу невисокої міцності застосовується у вигляді тонкої плівки, нанесеної на поверхню сталевого, чавунного або бронзового вкладиша.

Виготовляють вкладиші й із неметалічних матеріалів - пластмас, деревинно-шаруватих пластиків, дерева, гуми. До переваг вкладишів із цих матеріалів ставиться можливість їхнього змащення водою, що в деяких випадках є визначальним.

Добре, практично без зношування, підшипники працюють у режимі рідинного тертя, коли між тертьовими поверхнями постійно знаходиться масляна плівка. Однак для створення режиму рідинного тертя необхідні досить високі швидкості обертання вала, можливість постійного підведення рідкого мастила, робота машини без частих зупинок. При недотриманні цих умов під час роботи підшипників ковзання спостерігається режим напіврідинного тертя, коли окремі виступи тертьових поверхонь залишаються не розділеними змащенням, і режим напівсухого тертя, коли більша частина поверхні тертя не розділена змащенням. Ці режими тертя неминучі при пуску й зупинці машини.

Область застосування. Підшипники ковзання застосовуються:

1) у машинах з ударними й вібраційними навантаженнями на вали;

2) для колінчатих валів, коли за умовами зборки потрібні рознімні підшипники;

3) для валів великих діаметрів;

4) для високошвидкісних валів, коли підшипники кочення непридатні (центрифуги й ін.);

5) при особливо високих вимогах до точності роботи вала.

Підшипники кочення. У підшипниках кочення основним елементом є тіла кочення, які розташовані між двома кільцями й відділені одне від одного обоймою, називаною сепаратором (рис. 1.20).

Підшипники кочення широко використовуються в машинобудуванні, стандартизовані й випускаються в масовому виробництві на великих спеціалізованих заводах.

До їхніх достоїнств ставляться:

§ порівняно мала вартість внаслідок масового виробництва;

§ малі втрати на тертя;

§ високий ступінь взаємозамінності, що полегшує монтаж і ремонт машин;

§ мала витрата змащення;

§ простота обслуговування,

Недоліками підшипників кочення є:

§ висока чутливість до ударних і вібраційних навантажень;

§ мала надійність при дуже високих швидкостях;

§ порівняно великі радіальні розміри;

§ шум при великих швидкостях.

Класифікація. За формою тіл кочення підшипники підрозділяються на кулькові (рис. 1.20) і роликові (рис. 1.21,а).

По напрямку сприйманого навантаження підшипники бувають радіальними (рис. 1.20), радіально-упорними (рис. 1.21, а) і упорними (рис. 1.21, б).

По кількості рядів тіл кочення вони можуть бути однорядними (рис. 1.20) і багаторядними (рис. 1.21, в).

Підшипники кочення, як і підшипники ковзання, вимагають змащення, що знижує тертя й шум, відводить тепло, захищає підшипник від корозії, забезпечує герметизацію підшипникового вузла.

Змащення підшипників. Для зменшення тертя й зношування підшипників використовують рідкі, консистентні й тверді матеріали, що змазують.

Рідкі мастила - найбільш ефективні матеріали, що змазують. Їх легко подавати до місць змащення. У процесі змазування здійснюють також охолодну дію. Рідкі мастила бувають органічні й мінеральні. Органічні мастила (касторове й ін.) дефіцитні й застосовуються в спеціальних випадках. Значно ширше застосовуються мінеральні мастила, що представляють собою продукти перегонки нафти. До них ставляться мастила індустріальні, автотракторні, авіаційні й ін.

Консистентні змащення виготовляються шляхом загущення рідких мінеральних мастил милами жирних кислот або вуглеводами. До них ставляться солідоли, консталіни й ін.

Консистентні змащення широко застосовуються у вузлах тертя, до яких по конструктивних особливостях неможливо підвести рідке мастило.

Тверді змащення — порошкоподібний графіт і ін. - застосовують в особливих умовах, наприклад при високих температурах (більше 300°С).

Змащення на твердій основі одержують змішуванням консистентного змащення із твердими заповнювачами (графітом і ін.). Застосовують для змащення досить навантажених підшипників при малій швидкості ковзання.

Водяне змащення застосовується для змазування підшипників із деревинно-шаруватих пластиків, текстоліту, гуми й ін.

Повітряне й газове змащення застосовується в мало навантажених підшипниках при дуже великих кутових швидкостях обертання вала (центрифуги й ін.).

1.7.4 Шпонкові з'єднання. Призначені для передачі обертаючого моменту між валом і маточиною зубчастого колеса, шківа й ін. Основним елементом з'єднання є шпонка, що вставляється в пази вала й маточини.

Найбільше поширення одержали призматичні (рис. 1.22, а) і клинові (рис. 1.22,б) шпонки.

При застосуванні призматичних шпонок утворюється ненапружене з'єднання, через те що при зборці не виникає попередніх напруг. Призматична шпонка передає обертаючий момент, але не втримує деталі від осьових переміщень.

Клинові шпонки утворять напружені з'єднання, бо при монтажі вузла клинова шпонка забивається в отвір, утворений пазами вала й маточини, у результаті чого відбувається розклинення деталей. Отже, клинова шпонка передає обертаючий момент і закріплює деталі від осьових переміщень. Завдяки цьому клинові шпонки широко застосовуються для закріплення обертових деталей на кінцевих ділянках валів (рис. 1.23).

1.7.5 Муфти.Муфти призначені для з'єднання кінців валів машин і механізмів, і передачі обертаючого моменту від одного вала до іншого. Однак, крім основного призначення, муфти можуть виконувати додаткові функції, такі як зм'якшення поштовхів і вібрації, компенсація радіальних, осьових і кутових зсувів валів, що з'єднують, убезпечення машин від перевантажень тощо. Різноманіття виконуваних функцій і різні умови роботи обумовили створення великої кількості конструкцій муфт. У цьому розділі розглянемо лише деякі найпоширеніші типи муфт.

По характеру роботи муфти можна підрозділити на тверді, пружні, фрикційні й запобіжні.

Тверді муфти можуть бути нероз'ємними (втулковими) і рознімними із площиною рознімання перпендикулярно осі валів, що з'єднують (фланцевими), і уздовж осі валів (подовжньо - зверненими).

Нероз'ємна муфта (рис. 1.24) являє собою втулку, що має паз для шпонок. Має малі габарити й низьку вартість. Недоліком муфти є необхідність осьового зсуву валів при монтажі або демонтажі. Застосовуються такі муфти для передачі невеликих обертаючих моментів.

Рознімна фланцева муфта (рис. 1.25) складається з лівої 1 і правої 2 напівмуфт, що з'єднують болтами 3. Для центрування валів, що з'єднують, муфти постачені кільцем, що центрує 4, яке складається із двох половинок.

Фланцеві муфти прості по конструкції, досить надійні в роботі й широко застосовуються в машинобудуванні.

Недоліками твердих муфт є:

вимога точного центрування валів, що з'єднують;

передача коливань, поштовхів, ударів від однієї машини до іншої, що скорочує термін служби агрегату.

Пружні муфти значною мірою компенсують зазначені недоліки твердих муфт.

Завдяки наявності в конструкції гумових втулок і інших пристроїв ці муфти зм'якшують удари, коливання й допускають деякі відхилення від строгої співвісності валів, що з'єднують.

Муфта пружна втулочно-пальцева (рис. 1.26) складається з лівої 1 і правої 2 напівмуфт. У лівій напівмуфті в конічних отворах закріплені з’єднувальні пальці 3. На циліндричну частину пальців одягається гумова втулка 4, що разом із пальцем вільно вставляється в отвір у правій напівмуфті. Передача обертаючого моменту від однієї напівмуфти до іншої здійснюється через гумові втулки, які завдяки своїм пружним властивостям є пристроями, що амортизують.

Муфти пружні втулочно-пальцеві широко застосовуються для з'єднання машин з електродвигунами при передачі малих і середніх обертаючих моментів. У водопровідних і каналізаційних спорудженнях вони використаються для з'єднання валів відцентрових насосів із валом електродвигуна.

Фрикційні муфти. Передача обертаючого моменту в цих муфтах здійснюється силами тертя, що виникають між тертьовими поверхнями. Вони застосовуються для плавного зчеплення валів під навантаженням без зупинки провідного вала і як запобіжні муфти.

Фрикційні муфти мають наступні достоїнства:

- їх можна включати й виключати на ходу без зупинки провідного вала;

- при включенні муфти спочатку є деяке проковзування, внаслідок чого швидкість обертання й навантаження веденого вала наростають плавно, без поштовхів і ударів;

- можна регулювати силу тертя, що забезпечує передачу обертаючого моменту, величиною натискного зусилля так, що у випадку перевантаження веденого вала виникає проковзування частин муфти, що охороняє деталі машини від поломки.

Фрикційна запобіжна муфта (рис. 1.27) складається з лівої напівмуфти 1 із широким обідом. На внутрішній поверхні правої частини обід має широкі виступи й западини, у які входить притискний диск 2. Права напівмуфта 3 має наскрізні отвори, у які вставлені колодки 4 із фрикційними накладками. Зусиллям, створюваним пружинами 5 за допомогою болтів 6 , колодки затискуються між лівою напівмуфтою й диском 2, за рахунок чого створюються сили тертя, достатні для передачі заданого обертаючого моменту. При виникненні на веденому валу моментів більших заданої величини відбувається проковзування колодок між дисками, що й убезпечує машину від поломки.

Величину граничного обертаючого моменту можна регулювати ступенем стиску пружин 5.

РОЗДІЛ 2