Опоры валов и осей. Валы, оси и опоры Методика выбора подшипников качения

5.1. На что опираются валы и оси в работающей машине?

Валы и вращающиеся оси монтируют на опорах, которые обеспечивают вращение, воспринимают нагрузки и передают их основанию машины. Основной частью опор являются подшипники, которые могут воспринимать радиальные, радиально-осевые и осевые нагрузки.

По принципу работы различают:

● Подшипники скольжения.

● Подшипники качения.

5.2. Что такое подшипник скольжения?

Простейшим подшипником скольжения является отверстие, расточенное непосредственно в корпусе машины, в которое обычно вставляют втулку (вкладыш) из антифрикционного материала. Цапфа вала скользит по опорной поверхности.

5.3. Достоинства и недостатки подшипников скольжения.

Достоинства:

● Малые габариты в радиальном направлении.

● Хорошая восприимчивость к ударным и вибрационным нагрузкам.

● Возможность применения при очень высоких частотах вращения вала.

● Возможность использования при работе в воде или агрессивной среде.

Недостатки:

● Большие габариты в осевом направлении.

● Значительный расход смазочного материала и необходимость систематического наблюдения за процессом смазывания.

● Необходимость применения дорогостоящих и дефицитных антифрикционных материалов для вкладышей.

5.4. Основные требования к материалам, применяемым в подшипниках скольжения.

Материалы вкладышей в паре с цапфой должны обеспечивать:

● Малый коэффициент трения.

● Высокую износостойкость.

● Хорошую прирабатываемость.

● Коррозионную стойкость.

● Малый коэффициент линейного расширения.

● Низкую стоимость.

Ни один из известных материалов всем комплексом этих свойств не обладает. Поэтому применяют различные антифрикционные материалы, наилучшим образом отвечающие конкретным условиям работы.

5.5. Основные материалы, применяемые в подшипниках скольжения.

Материалы вкладышей можно разделить на три группы.

● Металлические. Баббиты (сплавы на основе олова или свинца) обладают высокими антифрикционными свойствами, хорошей прирабатываемостью, но дороги. Хорошими антифрикционными свойствами обладают бронзы, латуни, цинковые сплавы. При невысоких скоростях применяют антифрикционные чугуны.

● Металлокерамические. Пористые бронзографитовые или железографитовые материалы пропитывают горячим маслом и применяют при невозможности обеспечения жидкой смазки. Эти материалы способны достаточно долго работать без подвода смазочного материала.

● Неметаллические. Полимерные самосмазывающиеся материалы используют при значительных скоростях скольжения. Фторопласты имеют малый коэффициент трения, но высокий коэффициент линейного расширения. Подшипники с резиновыми вкладышами применяют с водной смазкой.

5.6. Критерии работоспособности подшипников скольжения.

Основным критерием является износостойкость трущейся пары.

Работа сил трения в подшипнике преобразуется в тепло, поэтому еще одним критерием является теплостойкость .

5.7. Что такое подшипник качения?

Готовый узел, который состоит из наружного 1 и внутреннего 2 колец с дорожками качения, тел качения 3 (шариков или роликов) и сепаратора 4, разделяющего и направляющего тела качения.

5.8. Достоинства и недостатки подшипников качения.

Достоинства:

● Малые потери на трение.

● Высокий КПД.

● Незначительный нагрев.

● Высокая нагрузочная способность.

● Малые габаритные размеры в осевом направлении.

● Высокая степень взаимозаменяемости.

● Простота в эксплуатации.

● Малый расход смазки.

Недостатки:

● Чувствительность к ударным и вибрационным нагрузкам.

● Большие габариты в радиальном направлении.

● Шум при больших оборотах.

5.9. Как классифицируются подшипники качения?

● По форме тел качения – шариковые и роликовые, причем роликовые: цилиндрические, конические, бочкообразные.

● По направлению воспринимаемой нагрузки – радиальные (воспринимают радиальные нагрузки), радиально-упорные (воспринимают радиальные и осевые нагрузки) и упорные (воспринимают осевые нагрузки).

● По числу рядов тел качения – однорядные, двухрядные и многорядные.

5.10. Основные причины потери работоспособности подшипников качения.

● Усталостное выкрашивание после длительной работы.

● Износ – при недостаточной защите от абразивных частиц.

● Разрушение сепараторов, характерное для быстроходных подшипников, особенно работающих с осевыми нагрузками или с перекосом колец.

● Раскалывание колец и тел качения – при недопустимых ударных нагрузках и перекосах колец.

● Остаточные деформации на дорожках качения в виде лунок и вмятин – у тяжелонагруженных тихоходных подшипников.

5.11. Как проводится подбор подшипников качения?

При проектировании машин подшипники качения не конструируют, а подбирают из стандартных.

Различают подбор подшипников:

● По базовой статической грузоподъемности для предупреждения остаточной деформации – при частоте вращения не более 10 об/мин.

● По базовой динамической грузоподъемности для предупреждения усталостного разрушения (выкрашивания) – при частоте вращения более 10 об/мин.

Муфты

6.1. Назначение муфт.

Муфта – устройство, основное назначение которого соединение валов и передача вращающего момента с одного вала на

другой без изменения его величины и направления.

Соединение валов является общим, но не единственным назначением муфт.

Некоторые типы муфт дополнительно:

● Компенсируют монтажные неточности.

● Разъединяют и соединяют валы без остановки двигателя.

● Предохраняют машину от поломок в аварийных режимах.

● Поглощают толчки и вибрации.

6.2. Как классифицируют муфты?

● Постоянные (нерасцепляемые) муфты, обеспечивающие постоянное соединение валов.

● Муфты сцепления, обеспечивающие соединение (сцепление) или разъединение валов во время работы машины.

Управляемые муфты сцепления соединяют (разъединяют) валы по команде.

Самоуправляемые муфты сцепления срабатывают автоматически, соединяя и разъединяя валы в зависимости от специфики работы машины и принципа действия муфты.

6.3. Виды несоосности валов.

Вследствие погрешностей изготовления и монтажа имеется некоторая неточность взаимного расположения геометрических осей соединяемых валов. Различают три вида отклонений от номинального (соосного) расположения валов:

● Радиальное смещение, или эксцентриситет, D .

● Осевое (продольное) смещение l , которое может возникнуть также из-за деформации валов при изменении температуры.

● Угловое смещение, или перекос, g .

6.4. Что такое глухая муфта?

Глухая муфта образует жесткое соединение валов. Она не компенсирует ошибки изготовления и монтажа и требует точной центровки валов.

● Муфта втулочная – простейший представитель глухих муфт. Скрепление втулки с валами выполняют с помощью штифтов или шпонок.

● Муфта фланцевая – две полумуфты, соединенные болтами.

6.5. Что такое компенсирующая муфта?

Компенсирующая муфта компенсирует ошибки изготовления и монтажа, а именно несоосность валов. Компенсация обеспечивается конструктивными особенностями: вращающий момент

передается с одной полумуфты на другую через промежуточный диск или упругие элементы из резины.

6.6. Управляемые муфты.

Управляемые муфты позволяют соединять или разъединять валы с помощью механизма управления:

● Муфта, работа которой основана на зацеплении (кулачковая или зубчатая). Состоит из двух полумуфт, на торцах которых имеются выступы (кулачки). В рабочем положении выступы одной полумуфты входят во впадины другой. Для включения и выключения одну из полумуфт устанавливают на валу подвижно в осевом направлении.

● Муфта, работа которой основана на трении (фрикционная). Состоит из двух полумуфт, одна из которых перемещается вдоль вала и прижимается ко второй полумуфте с определенной силой.

6.7. Муфты самоуправляемые (самодействующие).

● Муфта предохранительная с разрушающимся элементом. Состоит из двух полумуфт, соединенных цилиндрическим предохранительным элементом (штифтом). При перегрузке предохранительный элемент срезается и полумуфты размыкаются.

● Муфта предохранительная фрикционная. При перегрузке полумуфты размыкаются. Автоматически восстанавливается работоспособность машины после прекращения действия перегрузки.

● Муфта обгонная (свободного хода). Служит для передачи вращающего момента только в одном направлении.

● Муфта центробежная (пусковая). Автоматически соединяет валы только тогда, когда угловая скорость превысит некоторое заданное значение.

Список литературы

1. Иванов М.Н., Финогенов В.А. Детали машин: Учебник. – М., Высшая школа, 2008. – 408 с.

2. Куклин Н.Г., Куклина Г.С., Житков В.К. Детали машин: Учебник. – М., Высшая школа, 2008. – 406 с.

3. Мархель И.И. Детали машин: Учебник. – М., Форум, Инфра-М, 2011. – 336 с.

4. Рощин Г.И., Самойлов Е.А. Детали машин и основы конструирования: Учебник. – М., Дрофа, 2006. – 415 с.

5. Сухих Р.Д. Детали машин и основы конструирования: Краткий толковый словарь. – СПб, Петербургский государственный университет путей сообщения, 2010. – 43 с.

1. Общие сведения о машинах и механизмах…………….…..1

2. Соединения деталей машин…………………………...…….5

2.1. Неразъемные соединения ……………………….........6

2.2. Разъемные соединения…………………………….....9

3. Механические передачи…………………………………....12

3.1. Общие сведения о механических передачах……….12

3.2. Зубчатые передачи…………………………………...13

3.3. Цепные передачи…………………………………….22

3.4. Фрикционные передачи……………………………...22

3.5. Ременные передачи …………………………….........24

4. Валы и оси…………………………………………………..25

5. Опоры валов и осей………………………………………...27

6. Муфты………………………………………………….........31

Список литературы………………………………………....35

ВАЛЫ И ОСИ

Колёса передач установлены на специальных продолговатых деталях круглого сечения. Среди таких деталей различают оси и валы .

Ось – деталь, служащая для удержания колёс и центрирования их вращения. Вал – ось, передающая вращающий момент.

Не следует путать понятия "ось колеса", это деталь и "ось вращения", это геометрическая линия центров вращения.

Формы валов и осей весьма многообразны от простейших цилиндров до сложных коленчатых конструкций. Известны конструкции гибких валов, которые предложил шведский инженер Карл де Лаваль ещё в 1889 г.

Форма вала определяется распределением изгибающих и крутящих моментов по его длине. Правильно спроектированный вал представляет собой балку равного сопротивления.

Валы и оси вращаются, а следовательно, испытывают знакопеременные нагрузки, напряжения и деформации. Поэтому поломки валов и осей имеют усталостный характер.

Причины поломок валов и осей прослеживаются на всех этапах их "жизни".

1. На стадии проектирования – неверный выбор формы, неверная оценка концентраторов напряжений.

2. На стадии изготовления – надрезы, забоины, вмятины от небрежного обращения.

3. На стадии эксплуатации – неверная регулировка подшипниковых узлов.

Для работоспособности вала или оси необходимо обеспечить:

è объёмную прочность (способность сопротивляться M изг и М крут );

è поверхностную прочность (особенно в местах соединения с другими деталями);

è жёсткость на изгиб;

è крутильную жёсткость (особенно для длинных валов).

Все валы в обязательном порядке рассчитывают на объёмную прочность .

Схемы нагружения валов и осей зависят от количества и места установки на них вращающихся деталей и направления действия сил. При сложном нагружении выбирают две ортогональные плоскости (например, фронтальную и горизонтальную) и рассматривают схему в каждой плоскости. Рассчитываются, конечно, не реальные конструкции, а упрощённые расчётные модели, представляющие собой балки на шарнирных опорах, балки с заделкой и даже статически неопределимые задачи .

При составлении расчётной схемы валы рассматривают как прямые брусья, лежащие на шарнирных опорах. При выборе типа опоры полагают, что деформации валов малы и, если подшипник допускает хотя бы небольшой наклон или перемещение цапфы, его считают шарнирно-неподвижной или шарнирно-подвижной опорой. Подшипники скольжения или качения, воспринимающие одновременно радиальные и осевые усилия, рассматривают как шарнирно-неподвижные опоры, а подшипники, воспринимающие только радиальные усилия, - как шарнирно-подвижные.

Такие задачи хорошо известны студентам из курсов теоретической механики (статики) и сопротивления материалов.

Расчёт вала на объёмную прочность выполняют в три этапа.

I. Предварительный расчёт валов

Выполняется на стадии проработки Технического Задания, когда известны только вращающие моменты на всех валах машины. При этом считается, что вал испытывает только касательные напряжения кручения

t кр = М вр / W p £ [ t ] кр ,

где W p - полярный момент сопротивления сечения.

Для круглого сечения: W p = pd 3 /16 , [ t ] кр = 15 ¸ 20 Н/мм 2 .

Условие прочности по напряжениям кручения удобно решать относительно диаметра вала

Это – минимальный диаметр вала. На всех других участках вала он может быть только больше. Вычисленный минимальный диаметр вала округляется до ближайшего большего из нормального ряда. Этот диаметр является исходным для дальнейшего проектирования.

II. Уточнённый расчёт валов

На данном этапе учитывает не только вращающий, но и изгибающие моменты. Выполняется на этапе эскизной компоновки, когда предварительно выбраны подшипники, известна длина всех участков вала, известно положение всех колёс на валу, рассчитаны силы, действующие на вал.

Чертятся расчётные схемы вала в двух плоскостях. По известным силам в зубчатых передачах и расстояниям до опор строятся эпюры изгибающих моментов в горизонтальной и фронтальной плоскостях. Затем вычисляется суммарный изгибающий момент

где α =0,75 или 1 в зависимости от принятой энергетической теории прочности , принимаемый большинством авторов равным 1 .

Вычисляется эквивалентное напряжение от совместного действия изгиба и кручения s экв = М экв / W p .

Уравнение также решается относительно минимального диаметра вала

Или то же самое для сравнения с допускаемыми нормальными напряжениями:

Полученный в уточнённом расчёте минимальный диаметр вала принимается окончательно для дальнейшего проектирования.

III. Расчёт вала на выносливость

Выполняется как проверочный на стадии рабочего проектирования, когда практически готов рабочий чертёж вала, т.е. известна его точная форма, размеры и все концентраторы напряжений: шпоночные пазы, кольцевые канавки, сквозные и глухие отверстия, посадки с натягом, галтели (плавные, скруглённые переходы диаметров).

При расчёте полагается, что напряжения изгиба изменяются по симметричному циклу, а касательные напряжения кручения – по отнулевому пульсирующему циклу.

Проверочный расчёт вала на выносливость по существу сводится к определению фактического коэффициента запаса прочности n , который сравнивается с допускаемым

Здесь n s и n t - коэффициенты запаса по нормальным и касательным напряжениям

где s -1 и τ -1 – пределы выносливости материала вала при изгибе и кручении с симметричным циклом; k σ и k τ – эффективные коэффициенты концентрации напряжений при изгибе и кручении, учитывающие галтели, шпоночные канавки, прессовые посадки и резьбу; ε α и ε τ – масштабные коэффициенты диаметра вала; s a и τ a – амплитудные значения напряжений; s m и τ m – средние напряжения цикла (s m = 0 , τ m =τ a ); ψ σ и ψ τ – коэффициенты влияния среднего напряжения цикла на усталостную прочность зависят от типа стали.

Вычисление коэффициентов запаса прочности по напряжениям подробно излагалось в курсе "Сопротивление материалов", в разделе "Циклическое напряжённое состояние".

Если коэффициент запаса оказывается меньше требуемого, то сопротивление усталости можно существенно повысить, применив поверхностное упрочнение: азотирование, поверхностную закалку токами высокой частоты, дробеструйный наклёп, обкатку роликами и т.д. При этом можно получить увеличение предела выносливости до 50% и более.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

s Чем различаются валы и оси?

s Какой динамический характер имеют напряжения изгиба в валах и осях?

s Каковы причины поломок валов и осей?

s В каком порядке выполняются этапы прочностного расчёта валов?

s Какой диаметр определяется в проектировочном расчёте валов?

ОПОРЫ ВАЛОВ И ОСЕЙ – ПОДШИПНИКИ

Валы и оси поддерживаются специальными деталями, которые являются опорами. Название "подшипник" происходит от слова "шип" (англ. shaft, нем. zappen, голл. shiffen – вал ). Так раньше называли хвостовики и шейки вала, где, собственно говоря, подшипники и устанавливаются.

Назначение подшипника состоит в том, что он должен обеспечить надёжное и точное соединение вращающейся (вал, ось) детали и неподвижного корпуса. Следовательно, главная особенность работы подшипника – трение сопряжённых деталей.

По характеру трения подшипники разделяют на две большие группы:

è подшипники скольжения (трение скольжения);

è подшипники качения (трение качения).

Валы, оси и опоры

К атегория:

Слесарно-механосборочные работы

Валы, оси и опоры

Для передачи вращательного движения наиболее характерными типовыми деталями и сборочными единицами машин являются валы, оси, цапфы, опоры валов и осей (подшипники) и муфты.

Валы - детали машин, предназначенные для передачи крутящего момента (мощности) и несущие на себе такие детали, как шкивы, зубчатые колеса, муфты, маховики. Валы могут иметь различное расположение: горизонтальное, вертикальное, наклонное. При работе валы подвергаются скручиванию, изгибу, поперечным и продольным нагрузкам. Валы могут быть цилиндрическими, гладкими, пустотелыми, ступенчатыми, коленчатыми, кривошипными и составными. Когда вал машины или механизма расположен по отношению к валу двигателя так, что осуществить их связь жесткими передачами невозможно, применяют гибкие проволочные валы, например привод дистанционного управления и контроля.

Оси - детали машин, служащие лишь опорой для вращающихся деталей (не передают крутящего момента). Оси могут быть неподвижными, когда вращающиеся детали свободно насажены, или подвижными, когда детали закреплены и вращаются вместе с осью. Форма осей цилиндрическая (прямая или ступенчатая).

Рис. 1. Валы, оси и опоры: а - вал на опорах; 6 - подшипник скольжения неразъемный, в, г - подшипник скольжения разъемный; 1 - цапфа-шип, 2 - опора (подшипник), 3 - шкив, 4 - монтажная шейка, J - опора (подшипник), 6 - зубчатое колесо, 7 - цапфа-шейка, 8 - ось, 9 - блок

Цапфы- опорные концы вала. В зависимости от положения на валу и направления нагрузки цапфы делятся на шипы, шейки и пяты.

Шип и шейка принимают радиальную нагрузку, пята- осевую. Шип располагается на конце вала или оси и через него не передается крутящий момент. Шейка ставится на участках вала, подверженных действию крутящего момента.

Шипы и шейки имеют цилиндрическую (реже коническую или шаровую) форму. Пята представляет собой торцовую часть оси или вала.

Опоры в машинах являются неподвижными частями, на которые опираются вращающиеся вал и ось. В зависимости от направления прилагаемой нагрузки опоры делятся на подшипники и подпятники.

Подшипники принимают радиальную нагрузку, а под-пятники - осевую. При комбинированной нагрузке используют радиально-упорные опоры. В зависимости от рода трения различают опоры скольжения и опоры качения.

Валы, оси и их опоры

К атегория:

Утстройство кранов на железнодорожном ходу

Валы, оси и их опоры

Каждая машина состоит из узлов, собранных из отдельных механизмов и деталей. Деталью принято называть неделимую часть машины, состоящую из монолитного куска материала или из нескольких кусков, соединенных между собой неподвижно при помощи сварки или иного неразъемного соединения.
Под механизмами условно будем понимать сочетание двух или нескольких деталей, связанных между собой и обусловливающих вполне определенное движение одной детали относительно другой.

Назначение механизмов состоит в передаче движения или усилия с вполне определенной целью. Любой механизм, какой бы сложности он ни был, состоит из отдельных узлов и деталей.

При рассмотрении механизма можно различить однотипные, однородные по своему назначению детали и соединения. Так, например во многих механизмах, имеющих различное назначение, можно встретить оси, валы, зубчатые передачи, поэтому целесообразно вначале познакомиться с этими наиболее характерными деталями и их соединениями.

Валом называют цилиндрическую деталь (длина которой значительно превосходит диаметр), предназначенную для передачи вращательного движения и крутящего момента.

Если вал по всей своей длине имеет один диаметр, то он называется гладким; если же диаметр по длине вала различен, то такой вал называют ступенчатым.
Кроме гладких и ступенчатых, валы могут быть специальными, например коленчатые валы, и их необходимо рассматривать отдельно.

Осью называют также цилиндрическую деталь, однако в отличие от вала ось не предназначена для передачи движений и усилий вращения, а служит в основном для фиксации вращающейся детали. Если вал, как правило, вращается, то ось в большинстве своем неподвижна, а вращаются детали, посаженные на эту ось. Исключение из этого общего правила составляет ось колесной пары вагона или локомотива, которая во время работы вращается.

Материалом для изготовления валов и осей служат обыкновенные углеродистые стали преимущественно марок 40 и 45 ГОСТ 1050-60 или Ст. 4 и Ст. 5 ГОСТ 380-60, а также некоторые легированные стали.

Поверхности валов и осей, работающие на трение, рекомендуется до шлифовки термически обрабатывать; в этом случае резко снижается износ и повреждение рабочих поверхностей.

В качестве опор для валов служат различного рода подшипники, которые разделяются на две основные группы: прдшипники скольжения и подшипники качения.

Подшипники скольжения предназначены для воспринятая радиальных усилий, направленных перпендикулярно осевой линии вала.

Воспринятие усилий, направленных вдоль вала, во многих случаях возможно при помощи создания рабочей поверхности не только по внутренней полости, но и на боковой стороне подшипника или при помощи постановки нового упора - так называемого подпятника.

Рис. 89. Подшипники скольжения:
а -разъемный подшипник; б-неразъемный (розеточный) подшипник; 1- корпус; 2-крышка; 3 - вкладыш (рис. а), втулка (рис. б); 4 - штифт; 5 -масленка; б -болт; 7 -гайки; 8 - фундаментный болт; 9 - гайка; 10 - шайба

Форма опорной трущейся поверхности подшипника зависит от формы шейки вала, которая чаще всего бывает цилиндрической, но может быть конической или шаровой.

Основными элементами подшипника скольжения (рис. 89) являются: корпус, прикрепляемый к машине или составляющий одно целое с ее станиной, и вкладыши - детали, закладываемые в корпус подшипника и непосредственно соприкасающиеся с рабочей поверхностью вала. Корпус подшипника может иметь различную форму и выполняется цельным или разъемным.

У подшипников с разъемным корпусом крышки с корпусом соединены болтами или шпильками. Для разгрузки болтов от поперечных усилий крышки к корпусу подшипника припасовывают не по ровной плоскости, а с уступом - с так называемым «замком». Материалом для корпуса подшипника служит чугун или сталь.

Для образования антифрикционных поверхностей подшипника, т. е. поверхностей, которые при работе не повреждали бы шеек вала и в то же время были бы сами достаточно стоики к износу, в подшипник вставляют вкладыши. В неразъемные подшипники обычно запрессовывают вкладыш в виде втулки и закрепляют его стопорным винтом. В разъемные подшипники вставляют вкладыши, состоящие в большинстве своем из двух половинок. Материалом для вкладышей служат антифрикционные сплавы - бронза и специальные чугуны или пластмасса типа «стирокрил».

Иногда взамен вкладышей внутреннюю поверхность подшипника заливают специальным антифрикционным сплавом.

Чтобы предохранить вкладыши от продольного смещения, их делают с буртиками, а для предохранения от проворачивания фиксируют штифтами.

Форма и размеры вкладышей имеют большое значение для работы подшипника. Вкладыши должны быть достаточно прочными и возможно большей поверхностью соприкасаться с корпусом подшипника, благодаря чему улучшаются условия отвода тепла. Чрезмерно слабый вкладыш или малая опорная поверхность его в корпусе может вызывать прогиб вкладыша и защемление вала. Большое значение для нормальной работы подшипника имеет смазка, для чего на валу или на вкладышах выполняют смазочные канавки, обеспечивающие смазывание всей рабочей поверхности вкладыша.

Подшипники качения представляют собой наиболее совершенный вид опор и в современном машиностроении находят все более широкое применение. Подшипники качения разделяются на две основные группы по форме элементов качения: шариковые подшипники и подшипники роликовые, которые в свою очередь могут быть с цилиндрическими роликами, с коническими, витыми, бочкообразными и игольчатыми.

По способу воспринятия нагрузки подшипники качения различаются: на подшипники радиальные, воспринимающие усилия, направленные лишь перпендикулярно оси вала; упорные, воспринимающие усилия, направленные вдоль оси вала, и радиально-упорные, воспринимающие как перпендикулярные, так и продольные усилия.

По способности самоустанавливаться при перекосе вала или корпуса подшипники разделяют на самоустанавливающиеся и несамо-устанавливающиеся. В самоустанавливающихся подшипниках внутренняя обойма имеет возможность смещаться, изменять наклон по отношению к наружной обойме подшипника и тем самым выравнивать перекос, допущенный при монтаже оси или вала.

Преимущество подшипников качения перед подшипниками скольжения заключается в том, что в них трение скольжения заменено трением качения, имеющим меньший коэффициент трения. Следовательно, при подшипниках качения меньшая часть энергии затрачивается на преодоление сил трения и в конечном счете на нагрев подшипника.

Хорошо подобранный и правильно установленный подшипник качения способен работать дольше. Он надежнее подшипника скольжения и не требует частой проверки наличия смазки.

Вместе с тем следует отметить, что попадание в подшипник грязи или песка быстро выводит его из строя. Поэтому при установке подшипников особенно важно принять меры против их загрязнения; подшипник должен быть установлен в хорошо закрытом корпусе.

Посадка подшипника в корпус и насадка на валы могут быть выполнены различно в зависимости от характера и назначения механизма. Однако можно придерживаться одного правила: соединение подшипника с вращающимся элементом должно быть неподвижным, напряженным, а в соединении с неподвижным элементом посадка подшипника должна быть более легкой. Если, например, вал вращается, а корпус неподвижен, то подшипник на вал садится неподвижной посадкой, а в корпус входит более свободно.

Места под посадку подшипников должны протачиваться по выбранным в соответствующих таблицах допускам. При установке подшипников с неподвижной посадкой не рекомендуется напрессовывать их ударами. Для облегчения рекомендуется производить посадку подшипника с предварительным нагревом его в горячем масле. В этом случае за счет расширения металла увеличивается внутренний диаметр подшипника и последний легко может быть надет на вал. Точно так же допустима посадка подшипника в предварительно нагретый до температуры 80-90 °С корпус.

К атегория: - Утстройство кранов на железнодорожном ходу

	Лекция № 23
	5. Валы и оси
	5.1. Общиесведения
	Валы предназначены для поддержания вращающихся частей ма-
	шины и для передачи вращающего момента от одной вращающейся де-
	тали машины к другой. Валы несут на себе детали механизма и поэтому,
	в зависимости от конструкции, работают или при совместном действии
	изгиба и кручения, или только при кручении.
	Достаточно часто используются частные варианты валов , выде-
	ленные в отдельные группы – торсионные валы (торсионы ) и оси .
	Торсионы передают только вращающие моменты.
	Ось является деталью, предназначенной только для поддержания
	вращающихся частей, и в передаче энергии непосредственно не участвует.
	Оси работают только на изгиб , так как не пере-
	дают вращающего момента. Наиболее широко
	распространены в технике прямые валы и оси.
	Коленчатые валы (рис. 5.1.1) применяют
	в поршневых двигателях и компрессорах.
	Гибкие валы выпускаются трех типов:
	ВС (гибкие проволочные валы),
	ВС-Б (гибкие проволочные валы сброней),
	В (гибкие валы).
	Такие валы обладают высокой жесткостью при кручении и малой
	жесткостью при изгибе.
	Валы первых двух типов используются в силовых цепях передачи
	энергии, а валы последнего типа – в приводах управления, в приводах ав-
	томобильных приборов и т.п.
	Гибкий вал (рис. 5.1.2) состоит из сердечника 1, вокруг которого
	попеременно крестовой свивкой навиты (по винтовой линии) несколько
	слоев круглой стальной проволоки 2.
	Для предохранения вала от внешней среды, удержания смазки и
	безопасной эксплуатации вал размещен в защитной броне 3 (обычно ме-
	таллическом рукаве). Концы брони припаивают к наконечникам вала 4,
	а сердечник присоединяют к жестким валам узлов 5, между которыми
	гибкий вал передает движение.
	Допустимый вращающий момент для каждого размера вала уста-
	новлен стандартами. Он соответствует такому направлению вращения

вала, при котором витки наружного слоя вала будут закручиваться и уплотнять внутренние слои проволоки.

Коленчатые , гибкие и торсионные валы относятся к деталям спе-
циальных машин и не являются предметом изучения данного курса.
Прямые валы и оси в большинстве
случаев имеют круглое сплошное сече-
ние. Полые валы и оси (рис. 5.1.3) при-
меняют для облегчения конструкции, в
тех случаях, когда через них проходят
вдоль оси другие детали,
для подачи масла, для
расположения в полости
вала деталей управления.
Фиксирование
насаженных деталей
относительного поворо-
та осуществляют
		зубчатыми
(шлицевыми) соедине-
ниями и соединениями с
гарантированным
гом (рис. 5.1.4).
По условиям сборки
на одном валу деталей с
различными посадками и
	соединений,
также по требованиям к осевой фиксации деталей в большинстве случаев
принимают ступенчатую конструкцию вала (рис. 5.1.3, 5.1.4). Такая форма
вала удобна для монтажа на него вращающихся деталей, каждая из которых
должна свободно проходить по валу до места своей посадки.
Диаметры посадочных участков выбирают на основании расчета на
прочность и стандарта на предпочтительные размеры, а их длины опре-
деляют по размерам сопрягаемых деталей.

	Торцы осей и валов и их ступеней выполняют с конусными фаска-
	ми для облегчения посадки деталей и снятия заусенцев, являющихся ис-
	точником травматизма при сборке конструкций (рис. 5.1.3, 5.1.4).
	Для уменьшения концентрации напряжений в местах
	перехода отодного участка вала или оси к другомуразность
	между диаметрами ступеней должна быть минимальной.
	Плавный переход от одной ступени к другой называется
	галтелью (рис. 5.1.5).
	Для монтажа и демонтажа тяжелых деталей на кон-
	цах валов и осей посадочные места часто выполняют ко-
	ническими (рис. 5.1.6).
	Валы вращаются в опорах , в качестве которых слу-
	жат подшипники качения или скольжения. На рис. 5.1.4 показаны вари-
	анты установки подшипников качения «враспор» радиально-упорных
	подшипников.
	Опорные части валов называют цапфами , при этом концевые цап-
	фы для подшипников скольжения называют шипами , а промежуточные
	– шейками . Концевые опорные поверхности валов, предназначенные
	для восприятия осевых нагрузок, называют пятами , а подшипники
	скольжения, в которых они размещаются, – подпятниками .
	Цапфы осей и валов выполняют чаще всего цилиндрическими .
	Конические цапфы применяют при осевом фиксиро-
	вании валов и в точных механизмах, когда не допускает-
	ся отклонение осей из-за износа опор.
	Шаровые цапфы используют в тех случаях, когда
	необходимы угловые отклонения осей (рис. 5.1.7).
	Цапфы валов и осей подвергают тщательной обработ-
	ке. Для выхода шлифовального круга в местах перехода от
	меньшего диаметра цапфы к большему (рис.5.1.8) выпол-
	няют кольцевые канавки, так как в противном случае часть
	поверхности цапфы окажется недошлифованной из-за
	скругленности краев шлифовального круга и посадка дета-
	лей подшипникового узла на цапфу будетзатруднена.
	При небольшой разнице диаметров зубчатого колеса
	и вала шестерню и вал выполняют
	как одно целое (рис. 5.1.9). В этом
	случае материал для изготовления
	вала-шестерни выбирают в соответ-
	ствии с требованиями, предъявляе-
	мыми к материалу шестерни .

Шпоночные пазы, резьбы под установочные гайки, поперечные сквозные отверстия под штифты или отверстия под установочные винты, канавки, а также резкие изменения сечений вала вызывают концентрацию напряжений, уменьшающих его усталостную прочность. Поэтому, по возможности, следует избегать применения элементов, вызывающих концентрацию напряжений.

5.2. Материалы валови осей

Большинство валов и осей изготавливают из углеродистых сталей

(марок 20, 30, 40, 45, 50) и легированных сталей (марок 20Х, 40ХН, 30ХГСА, 40ХН2МА, 18Х2Н4МА) и др.

Выбор материала определяется конструкцией вала или оси, требованиями к нему предъявляемыми условиями эксплуатации, необходимым сроком гарантии безотказной работы. Например, применение легированных сталей дает возможность при необходимости ограничить массу и габаритные размеры вала, повысить стойкость шлицевых соединений. Выбор материала вала-шестерни (или червяков) определяется требованиями к поверхностной твердости и выносливости при изгибе зубьев вала-шестерни (витков червяка).

Для улучшения механических характеристик валов и осей применяют различные виды термообработки, например, их цапфы подвергают закалке при нагреве током высокой частоты или цементации для повышения их износостойкости.

5.3. Критерииработоспособности валов и осей

Валы относятся к числу наиболее ответственных деталей машин. Чрезмерное нарушение формы вала из-за высокой радиальной податливости или колебаний, а в предельных случаях и разрушение вала, влечет за собой выход из строя всей конструкции.

Неподвижные оси тихоходные валы,

работающие в условиях больших перегрузок , рассчитывают на стати-

ческую прочность.

Валы быстроходных машин часто подвергаются усталостному разрушению и их необходимо рассчитывать на усталостную проч-

ность. Характеристикой усталостной прочности является коэффициент безопасности.

Под действием приложенных сил у валов появляются деформации изгиба и кручения . Чрезмерный изгиб валов нарушает нормальную работу подшипниковых узлов, зубчатых зацеплений, фрикционных механизмов. Поэтому величина деформаций валов и осей ограничивается, а

их жесткость , характеризуемая допускаемым прогибом в местах посадки деталей, а также допускаемыми углами наклона и закручивания сечений , является одним из основных критериев работоспособности .

5.4. Расчеты на прочностьи конструирование валов

5.4.1. Общие сведения

Целью расчетов на прочность является определение основных размеров осей и валов, при которых обеспечивается их статическая проч-

ность и выносливость (усталостная прочность).

Сложившаяся практика расчета и конструирования валов подразделяет эту процедуру на три этапа:

- ориентировочный расчет;

- конструирование вала;

- уточненный (поверочный) расчет.

Ориентировочный расчет вала выполняется с целью предваритель-

ного определения величины его минимально допускаемого диаметра. На этапе конструирования разрабатывают конструкцию вала, обеспе-

чивая условия технологичности изготовления и сборки. На этом этапе определяют диаметры и осевые размеры выходного конца, посадочных мест под подшипники, зубчатые колеса и другие детали, монтируемые на вал.

Целью уточненного (проверочного ) расчета вала является определе-

ние напряжений и коэффициента безопасности (при расчете на статическую прочность) или коэффициента безопасности (при расчете на вы-

носливость ) и сравнению полученных значений с допускаемыми.

5.4.2. Ориентировочный расчет вала

На этом этапе проектирования, геометрические параметры вала не определены, поэтому расчет ведется только по касательным напряжениям, возникающим при кручении. Из-за того, что при ориентировоч-

ном расчете не учитывается влияние изгибающего момента, наличие ослабляющих факторов шпоночных канавок, колец, переходов и т.д.), то на этом этапе значение допускаемого касательного напряжения к p

принимается заниженным по сравнению с допускаемыми касательными напряжениями к p для конструкционных материалов, приводимыми в

справочниках. Значения к p при ориентировочном расчете для валов из среднеуглеродистых сталей принимаются в пределах от 20 Н / мм2

до 30 Н/мм2 в зависимости от материала вала и вида нагрузки.

Минимально допускаемый диаметр круглого сплошного вала d min без учета наличия шпоночных или шлицевых пазов определяют, основываясь на условии прочности на кручение по формуле (см. раз-

d min 3
	к p

где T – максимальный крутящий момент на валу;

к p – допускаемое касательное напряжение при ориентировоч-

ном расчете.

Для консольных участков входных или выходных валов (рис. 5.1.4)

полученное значение d min следует округлить до ближайшего большего стандартного значения выходного участка вала.

5.4.3. Конструирование вала

5.4.3.1. Определение диаметров на различных участках вала

Исходя из величины d min , назначают диаметры промежуточных несопряженных участков вала, выбирают номинальные диаметры соединений.

Перепад последовательных ступеней диаметров d i , и d i 1 валов, необходимый для свободной транспортировки деталей до мест их посадок с натягом, должен назначаться минимальным – (5-10)%, но абсолютную величину перепада не рекомендуется назначать более 10 мм.

Назначенные диаметры отдельных участков округляют до ближайшего значения из ряда стандартных размеров.

Значение диаметра посадочной шейки подшипника качения округ-

ляют в большую сторону до
значения диаметра внутрен-
него кольца выбранного
подшипника.
Для промежуточных
валов (рис. 5.4.1), мини-
мальным диаметром, оче-
видно, является диаметр по-
садочной шейки подшипни-
ка. Поэтому для таких валов
значение d min , полученное
по формуле (5.4.1), округ-

ляют до ближайшего большего значения внутреннего диаметра подшипника.

5.4.3.2. Определение осевых размеров участков вала

Осевые размеры валов и осей выявляют в процессе эскизной компоновки редуктора в соответствии с рекомендациями к определению положения подшипников и ширины зубчатых венцов, определяемых при расчете передачи. Например, расстояние между опорами червячного колеса принимают равным L 0,50 0,75 d 2 (где d 2 – делительный диаметр червячного колеса), а расстояние между опорами консольной шестерни – L 3 4 B , (где В – ширина подшипников качения).

Длина консольного участка вала должна быть согласована с длиной ступицы полумуфты, шкива или звездочки.

Длины консольных участков d к входного или выходного валов должны быть приняты в зависимости от их диаметров из соответствующего ряда стандартных размеров для цилиндрических или конических концов валов.

5.4.4. Уточненный (поверочный) расчет

5.4.4.1. Расчет валов на прочность и сопротивление усталости

5.4.4.1.1. Об щие положения

Для выполнения расчетов валов и осей по основным критериям работоспособности необходимо в первую очередь установить величину, характер и место приложения действующих на них сил. Поэтому на основании конструктивных размеров вала, полученных в результате ориентировочного проектирования, составляют расчетную схему , упрощенно рассматривая вал, как балку на шарнирных опорах , роль которых выполняют подшипники.

Подшипники, одновременно воспринимающие осевые и радиальные нагрузки, заменяют шарнирно неподвижными опорами, а подшипники, воспринимающие только радиальные силы, – шарнирно подвижными опорами (рис. 5.4.2).

Положение опоры определяют с учетом угла контакта подшипника качения. При угле контакта, равном нулю (для радиальных подшипников) положение опоры принимают в середине ширины подшипника

(рис. 5.4.2).

Нагрузки, передаваемые валу со стороны насаженных на него деталей в виде распределенных сил, действующих по ширине деталей, приводят к центру соединения в виде сосредоточенного крутящего момента T , осевой R z радиальных R x , R y сил и моментов M x , M y , действу-

ющих в двух взаимно перпендикулярных плоскостях (рис. 5.4.3).

Если нагрузки, действующие на вал и приведенные к оси вала, расположены в различных плоскостях, то их следует разложить на составляющие, лежащие в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и в каждой из этих плоскостей определить опорные реакции и внутренние силы.

При составлении расчетной схемы вес вала и деталей, расположенных на них, а также силы трения в опорах не учитывают.

Так же при расчетах на прочность вала пренебрегают напряжени-

ями , возникающими от действия растягивающих или сжимающих и перерезывающих сил.

5.4.4.1.2. Определение нагрузок, действующих на вал

Для расчета вала на прочность необходимо определить величину изгибающих и крутящих моментов в различных сечениях вала, найдя при этом наиболее опасные из сечений, используя методики построения

	F y 2
				Fa 1
			Fr 1
	Fy 2
		Fr 1
			Fa 1
	R Az A

		RBy c
x max
		F y 2 (a +b )+R Ay b
	Fy 2 a

y max M

F x 2 (a +b )-R Ax b =R Bx c

Fx 2 a

T 2 ðï T 1 ÷ï

Расчетная схема представляет собой ось вала, изображенную в виде прямой линии длиной, равной длине вала, к которой приложены все силы, действующие на вал (как внешние , так и реактивные ) на тех же расстояниях друг от друга и от торцов оси, что и на валу, и на тех же расстояниях от оси, что и от оси вала. Следует иметь в виду, что поперечные силы (силы, нормальные к оси вала) можно, как скользящие вектора, привести к оси вала.

Методика определения реакций в опорах изложена в курсе по сопротивлению материалов.

При построении эпюр следует обратить внимание на следующее: 1. Уравнения моментов, необходимые при построении эпюры, со-

ставляются относительно рассматриваемого сечения на основании си-

ловых факторов, действующих по одну сторону от данного сечения.

2. При наличии на валу сосредоточенных моментов (например, при действии осевых сил в зацеплении, приложенных на некотором расстоянии от продольной оси вала) появляется мгновенное изменение величину момента на величину сосредоточенного момента, так называемый скачок . Этот скачок может быть как положительным, так и отрицательным, в зависимости от знака сосредоточенного момента.

3. Эпюры изгибающих моментов строятся в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. При определении величины полного изгибающего момента в каком-либо сечении, определяются их составляющие и суммируются по теореме Пифагора.

Следует иметь в виду, что в тех случаях, когда в рассматриваемом сечении эпюра располагается по обе стороны от нулевой линии, то в расчет принимается большая величина момента, отсчитанная от куле-

вой линии (рис. 5.4.4, 5.4.5).

4. Для опасного сечения (рис. 5.4.5) расчетное значение изгибающего момента равно (при использовании третьей теории прочности):

M x 2 max M y 2 max .

	x max

Значение М , определенное по формуле (5.2.2), принимается положительным.

5. Для того чтобы значения M x и M y было удобно суммировать,

5.4.4.1.3. Проверочный расчет вала по статической прочности

Расчет вала на статическую прочность сводится к определению

напряжений и к определению коэффициента безопасности и сравне-

нию полученных значений с допускаемыми.

Эквивалентные напряжения в наиболее опасном сечении вала, появляющиеся при совместном действии изгиба и кручения, наиболее часто определяют по третьей теории прочности.

При совместном действии изгиба и кручения на вал круглого сплошного поперечного сечения, условие прочности по третьей теории прочности (см. разделы 2.7.2.3 и 2.7.3.2) принимает вид:

		и 2 T 2
экв

Значение осевого момента инерции W для круглого сплошного сечения, входящего в формулу, равно.