Валы и оси
 Скачать 284.31 Kb.
|
|
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ МЕХАНИКА Материалы для занятий 23.03.20 и 26.03.20 Тема занятия:Валы и оси Иметь представление Оназначениях элементов конструкции валов и осей: цапф, шеек, галтелей, фасок и т.д. Ознакомиться С марками применяемых материалов, причинами выхода из строя и критериями работоспособности валов и осей С проектировочным и проверочным расчетом вала и оси Ход работы 1. Ознакомиться с видеоматериалом по ссылке https://www.youtube.com/watch?time_continue=14&v=iVLcLANHyIE&fe ature=emb_logo 2. Изучить теоретические основы темы. 3. Ответить на вопросы теста 4. Ответить на вопросы Вал (рис. 1) – деталь машины или механизма предназначенная для передачи вращающего или крутящего момента вдоль своей осевой линии. Большинство валов – это вращающиеся (подвижные) детали механизмов, на них обычно закрепляются детали, непосредственно участвующие в передаче вращающего момента (зубчатые колёса, шкивы, звёздочки цепных передач и т.п.). Рис 1 Вал редуктора Ось (рис. 18) – деталь машины или механизма, предназначенная для поддержания вращающихся частей и не участвующая в передаче вращающего или крутящего момента. Ось может быть подвижной (вращающейся, рис. 2, а) или неподвижной (рис. 2, б). Рис.2 Ось Классификация валов и осей: 1. По форме продольной геометрической оси: 1.1. прямые (продольная геометрическая ось – прямая линия), например, валы редукторов, валы коробок передач гусеничных и колёсных машин; 1.2. коленчатые (продольная геометрическая ось разделена на несколько отрезков, параллельных между собой смещённых друг относительно друга в радиальном направлении), например, коленвал двигателя внутреннего сгорания; 1.3. гибкие (продольная геометрическая ось является линией переменной кривизны, которая может меняться в процессе работы механизма или при монтажно-демонтажных мероприятиях), часто используются в приводе спидометра автомобилей. 2. По функциональному назначению: 2.1. валы передач, они несут на себе элементы, передающие вращающий момент (зубчатые или червячные колёса, шкивы, звёздочки, муфты и т.п.) и в большинстве своём снабжены концевыми частями, выступающими за габариты корпуса механизма; 2.2. трансмиссионные валы предназначены, как правило, для распределения мощности одного источника к нескольким потребителям; 2.3. коренные валы - валы, несущие на себе рабочие органы исполнительных механизмов (коренные валы станков, несущие на себе обрабатываемую деталь или инструмент, называют шпинделями). 3. Прямые валы по форме исполнения и наружной поверхности: 3.1. гладкие валы имеют одинаковый диаметр по всей длине; 3.2. ступенчатые валы отличаются наличием участков, отличающихся друг от друга диаметрами; 3.3. полыевалы снабжены сквозным или глухим отверстием, соосным наружной поверхности вала и простирающимся на большую часть длины вала; 3.4. шлицевые валы по внешней цилиндрической поверхности имеют продольные выступы – шлицы, равномерно расположенные по окружности и предназначенные для передачи моментной нагрузки от или к деталям, непосредственно участвующим в передаче вращающего момента; 3.5. валы, совмещённые с элементами, непосредственно участвующими в передаче вращающего момента (вал-шестерня, вал-червяк). Конструктивные элементы валов представлены на рис. 3. Опорные части валов и осей, через которые действующие на них нагрузки передаются корпусным деталям, называются цапфами. Цапфу, расположенную в средней части вала, обычно называют шейкой. Концевую цапфу вала, передающую корпусным деталям только радиальную нагрузку или радиальную и осевую одновременно, называют шипом, а концевую цапфу, передающую только осевую нагрузку, называют пятой. С цапфами вала взаимодействуют элементы корпусных деталей, обеспечивающие возможность вращения вала, удерживающие его в необходимом для нормальной работы положении и воспринимающие нагрузку со стороны вала. Соответственно элементы, воспринимающие радиальную нагрузку (а часто вместе с радиальной и осевую) называют подшипниками, а элементы, предназначенные для восприятия только осевой нагрузки – подпятниками. Рис 3 Основные элементы вала Кольцевое утолщение вала малой протяжённости, составляющее с ним одно целое и предназначенное для ограничения осевого перемещения самого вала или насаженных на него деталей, называют буртиком. Переходная поверхность от меньшего диаметра вала к большему, служащая для опирания насаженных на вал деталей, называется заплечиком. Переходная поверхность от цилиндрической части вала к заплечику, выполненная без удаления материала с цилиндрической и торцевой поверхности (рис. 4. б, в), называется галтелью. Галтель предназначается для снижения концентрации напряжений в переходной зоне, что в свою очередь ведёт к увеличению усталостной прочности вала. Чаще всего галтель выполняют в форме радиусной поверхности (рис. 4. б), однако в отдельных случаях галтель может быть выполнена в форме поверхности переменной двойной кривизны (рис. 4. в). Последняя форма галтели обеспечивает максимальное уменьшение концентрации напряжений, однако требует выполнения специальной фаски в отверстии насаживаемой детали. Рис 4 Различные способы оформления переходной части между цилиндрической поверхностью и заплечиком Углубление малой протяжённости на цилиндрической поверхности вала, выполненное по радиусу к оси вала, называют канавкой (рис. 4, а, г, е). Канавка, также как и галтель, очень часто используется для оформления перехода от цилиндрической поверхности вала к торцевой поверхности его заплечика. Наличие канавки в этом случае обеспечивает благоприятные условия для формирования цилиндрических посадочных поверхностей, так как канавка является пространством для выхода инструмента, формирующего цилиндрическую поверхность при механической обработке (резец, шлифовальный круг). Однако канавка не исключает возможности образования ступеньки на торцевой поверхности заплечика. Углубление малой протяжённости на торцевой поверхности заплечика вала, выполненное вдоль оси вала, называют поднутрением (рис. 4, д). Поднутрение обеспечивает благоприятные условия для формирования торцевой опорной поверхности заплечика, так как является пространством для выхода инструмента, формирующего эту поверхность при механической обработке (резец, шлифовальный круг), но не исключает возможности образования ступеньки на цилиндрической поверхности вала при её окончательной обработке. Обе указанные проблемы решает введение в конструкцию вала наклонной канавки (рис. 4, е), которая совмещает достоинства, как цилиндрической канавки, так и поднутрения. Рис 5 Разновидности конфигурации цапф Цапфы валов могут иметь форму различных тел вращения (рис. 21): цилиндрическую, коническую или сферическую. Шейки и шипы чаще всего выполняют в форме цилиндра (рис. 5, а, б). Цапфы такой формы достаточно технологичны при изготовлении и ремонте и широко применяются как с подшипниками скольжения, так и с подшипниками качения. В форме конуса выполняют концевые цапфы (шипы, рис. 5, в) валов, работающие, как правило, с подшипниками скольжения, с целью обеспечения возможности регулировки зазора и фиксации осевого положения вала. Конические шипы обеспечивают более точную фиксацию валов в радиальном направлении, что позволяет уменьшить биения вала при высоких частотах вращения. Недостатком конических шипов является склонность к заклиниванию при температурном расширении (увеличении длины) вала. Сферические цапфы (рис. 5, г) хорошо компенсируют несоосности подшипников, а также снижают влияние изгиба валов под действием рабочих нагрузок на работу подшипников. Основным недостатком сферических цапф является повышенная сложность конструкции подшипников, что увеличивает стоимость изготовления и ремонта вала и его подшипника. Пяты (рис. 6) по форме и числу поверхностей трения можно разделить на сплошные, кольцевые, гребенчатые и сегментные. Сплошная пята (рис. 6, а) наиболее проста в изготовлении, но характеризуется значительной неравномерностью распределения давления по опорной площади пяты, затруднительным выносом продуктов износа смазочными жидкостями и существенно неравномерным износом. Кольцевая пята (рис. 6, б) с этой точки зрения более благоприятна, хотя и несколько сложнее в изготовлении. При подаче смазки в приосевую область её поток движется по поверхности трения в радиальном направлении, то есть перпендикулярно направлению скольжения, и таким образом отжимает трущиеся поверхности одна от другой, создавая благоприятные условия для относительного проскальзывания поверхностей. Рис 6 Некоторые формы пят. Сегментная пята может быть получена из кольцевой посредством нанесения на рабочую поверхность последней нескольких неглубоких радиальных канавок, симметрично расположенных по кругу. Условия трения в такой пяте ещё более благоприятные по сравнению с вышеописанными. Наличие радиальных канавок способствует образованию жидкостного клина между трущимися поверхностями, что ведёт к их разделению при пониженных скоростях скольжения. Гребенчатая пята (рис. 6, в) имеет несколько опорных поясков и предназначена для восприятия осевых нагрузок значительной величины, но в этой конструкции достаточно трудно обеспечить равномерность распределения нагрузки между гребнями (требуется высокая точность изготовления, как самой пяты, так и подпятника). Сборка узлов с такими подпятниками тоже достаточно сложна. Рис 7 Вал цилиндрической передачи в сборе с шестерней и подшипниками качения Выходные концы валов (рис. 7) обычно имеют цилиндрическую или коническую формуи снабжаются шпоночными пазами или шлицами для передачи вращающего момента. Цилиндрические концы валов проще в изготовлении и особенно предпочтительны для нарезания шлицов. Конические концы лучше центрируют насаженные на них детали и в связи с этим более предпочтительны для высокоскоростных валов. Материалы валов и осей Выбор материала и термообработки валов определяется критериями их работоспособности (жесткость, объемная прочность и износостойкость при относительных микроперемещениях, которые вызывают коррозию), в том числе и критериями работоспособности цапф с опорами или шлицевых участков со ступицами размещаемых на них деталей. Значимость последних критериев в случае опор скольжения или подвижных шлицевых (шпоночных) соединений может быть даже определяющей. Основным материалом для валов служат углеродистые и легированные стали (прокат, поковка, стальные отливки), так как они обладают высокой прочностью, способностью к поверхностному и объемному упрочнению, легко получаются прокаткой цилиндрические заготовки и хорошо обрабатываются на станках, а также высокопрочный модифицированный чугун и сплавы цветных металлов (в приборостроении). Для валов и осей, подчиненных критерию жесткости и неподвергающихся термообработке применяются стали: Ст.5; Ст 6. Для большинства валов применяют термически обрабатываемые стали 45, 40Х. Быстроходные валы, вращающиеся в подшипниках скольжения, требуют весьма высокой твердости цапф. Их изготавливают из цементуемых сталей 12Х, 12ХН3А; 1ХХГТ. Лишь только для изготовления тяжелых коленчатых валов, валов с большими фланцами и продольными отверстиями применяют высокопрочные (с шаровидным графитом) и модифицированные чугуны. В автомобильной и тракторной промышленности коленчатые валы двигателей изготавливают из ковкого или высокопрочного чугуна. Так как основным критерием работоспособности валов является их усталостная прочность (выносливость), то для изготовления большинства валов применяют термоулучшенные среднеуглеродистые стали 40; 45; 50. Их используют для изготовления валов стационарных машин и механизмов. Заготовку из таких сталей перед механической обработкой подвергают улучшающей термической обработке (HRC э ≤36). Валы вытачивают на токарном станке с последующей шлифовкой посадочных мест и цапф на шлифовальном станке. При неудовлетворительной выносливости термоулучшенных валов или при наличии у них изнашиваемых участков (под манжетными уплотнениями, шлицевых и т.д.) валы, изготовленные из указанных сталей, подвергают в этих местах поверхностной закалке с нагревом ТВЧ и низким отпуском. Для неответственных малонагруженных конструкций валов и осей применяют углеродистые стали без термической обработки. Ответственные тяжело нагруженные валы изготовляют из легированной стали 40ХНМА, 25ХГТ и др. Из этих сталей изготавливают валы для ответственных передач подвижных машин (валы коробок передач гусеничных машин). Улучшающей термообработке (HRC э ≤45) чаще всего подвергают деталь уже после предварительной токарной обработки. Окончательно посадочные поверхности и цапфы шлифуют на шлифовальных станках, а в ремонтном производстве иногда на токарном станке с применением специальной шлифовальной головки. Только для высоконапряженных валов ответственных машин применяют дорогостоящие (табл. 1) легированные закаленные стали 40ХН; 40ХН2МА; 30ХГТ и др. Критерии работоспособности и виды разрушений валов и осей Валы и вращающиеся оси при работе испытывают циклически изменяющиеся напряжения (рис.5) и чаще всего выходят из строя в результате усталостных разрушений. Основными расчетными нагрузками яв- ляются крутящий момент (для валов) и изгибающий момент. Основными критериями работоспособности являются прочность и жесткость. Рис. 5, Циклы напряжений в сечении валов: а — симметричный; б — отнулевой; Т — продолжительность одного цикла (период) Полученное значение диаметра вала округляют до ближайшего большего размера из ряда чисел R40 по ГОСТ «Нормальные линейные размеры» (Нормальные линейные размеры (выборка): 26; 28; 30; 32; 34; 36; 38; 40; 42; 45; 48; 50; 53; 56). Форму и размеры вала уточняют при эскизной проработке вала после определения размеров колес, муфт и подшипников, по которым определяют длину шеек и цапф вала. Проверочный расчет спроектированного вала проводят по сопротивлению усталости и на жесткость. Предварительно определяют все конструктивные элементы вала, обработку и качество поверхности отдельных участков. Составляется расчетная схема вала и наносятся действующие нагрузки. 2. Проверочный уточненный расчет на сопротивление усталости заключается в определении расчетных коэффициентов запаса прочности в опасных сечениях, выявленных по эпюрам моментов с учетом концентрации напряжений. Принимают, что напряжение изгиба меняется по симметричному циклу (см. рис. 5, а), а напряжение кручения — по отнулевому (см. рис. 5, б). Амплитуда цикла изменения напряжений изгиба вала где W 0C , W p — момент сопротивления изгибу и кручению сечений вала соответственно. Запас прочности вала: по нормальным напряжениям где Кσ, Кτ — коэффициенты снижения предела выносливости за счет местных концентраторов — галтелей, выточек, поперечных отверстий, шпоночных пазов (эффективный коэффициент концентрации напряжений); K d — коэффициент влияния абсолютных размеров; K F — коэффициент влияния обработки поверхности; Kv — коэффициент упрочнения поверхности; значения перечисленных коэффициентов приведены в специальной литературе. Расчетный коэффициент запаса выносливости в сечении при совместном действии изгиба и кручения Минимально допустимое значение коэффициента запаса прочности 1,6...2,5. Расчет осей ведут только на изгиб: при расчете неподвижных осей принимают изменения напряжений по отнулевому циклу, при расчете подвижных — по симметричному. 3. Упрощенный проверочный расчет на усталость проводят в предпо- ложении, что нормальные напряжения (изгиба) и касательные напряжения (кручения) меняются по симметричному циклу. Одновременное действие крутящего и изгибающего моментов рассчитывается по гипотезе наибольших касательных напряжений где σ ЭКВ — эквивалентные напряжения в сечении; М ЭКВ — эквивалентный момент в сечении; d — диаметр вала в сечении; [σ -1и ] — допускаемое напряжение изгиба при симметричном цикле изменения напряжений. В большинстве случаев ограничиваются упрощенным проверочным расчетом. В специальных случаях используют коленчатые (непрямые) валы и валы с изменяемой формой геометрической оси (гибкие). Используют сплошные и полые (с осевым отверстием) валы Ход работы 1. Ответить на вопросы входного контроля 2. Изучить теоретические основы темы. 3. Выполнить схему вала, отметить конструктивные особенности, сделать описание. Перечислить по и названию назначение элементов конструкции валов и осей: цапф, шеек, галтелей, фасок. 4. Задача 1: Определить диаметр вала, если известно : Максимально крутящий момент М к = 1300 Нм; допускаемое напряжение материала [τ] = 50Мпа (1- 48 мм; 2- 51мм; 3- 5,1 мм; 4- 72 мм) 5. Задача 2: Образец вала диаметра d = 40 мм разрушился при крутящем моменте М к = 230 Нм, Определить разрушающие напряжение [τ] =? (1- 6,75 МПа; 2- 18 МПа; 3- 21,25МПа; 4- 32,75 МПа) 6. Тест-Валы и оси 1.Среди изображенных деталей определить вал 1. а, 2 б, 3. в, 4.г 2. Как называется элемент деталей 1 (см. рисунок к заданию 1)? 1. Буртик 2. Шейка 3. Шпоночный паз 4. Галтель 3.Для чего используют в технике изображенный на схеме вал? 1. Для осевой фиксации колес 2. Для центрирования колеса на валу 3. Для удобства сборки 4. Для передачи вращающего момента от вала на колесо или наоборот 4.Для чего используют выделенный элемент детали1 ? 1. Для снижения концентрации напряжений 2. Для облегчения установки детали на вал 3. Для фиксации детали на валу в осевом направлении 4. Для передачи вращающего момента с вала на колесо Контрольные вопросы 1. Классификация валов по геометрической форме. 2. Какая деталь называется валом? 3. Для чего служит ось? 4. Какие материалы применяют для изготовления валов ? 5. В чем состоит отличие вала от оси ? 6. Какая часть вала носит название галтель? Список литературы 1.Олофинская, В.П. Техническая механика: Курс лекций с вариантами практических и тестовых заданий [Текст]: учебное пособие / В.П. Олофинская.-3-е изд. – М.: Форум: Инфра-М, 2010.- 349 с. 2.Вереина, Л.И. Техническая механика [Текст]: учебник / Л.И.Вереина, М.М.Краснов.- 3-е изд.- М.: Академия, 2011.- 288 с. 3. Аркуша, А.И. Техническая механика. Теоретическая механика и сопротивление материалов [Текст]: учебник / А.И. Аркуша — М.; Высшая школа, 2008. – 352 с. |