Конструирование и расчет валов (задача 3)

 

3.1 Общие сведения

 

Вращающиеся детали машины устанавливают на валах или осях, обеспечивающих постоянное положение оси вращения этих деталей.

Валы – детали, предназначенные для передачи крутящего момента вдоль своей оси и для поддержания вращающихся деталей машин. Валы вращаются в подшипниках. Так как передача крутящих моментов связана с возникновением сил, например сил на зубьях зубчатых колёс, сил натяжения ремней и т.д., валы обычно подвержены действию не только крутящих моментов, но также поперечных сил и изгибающих моментов.

По своему функциональному назначению валы весьма ответственные детали, поэтому к ним предъявляется комплекс требований: прочность, жесткость, износостойкость трущихся поверхностей, технологичность конструкций, удобство изготовления и сборки. Эти требования могут быть обеспечены при условии правильного расчета и конструирования, а также обоснованного выбора материала, технологии изготовления и упрочнения их изнашиваемых участков.

Основными критериями работоспособности валов являются усталостная прочность и жесткость. Усталостная прочность оценивается коэффи­циентом запаса прочности, а жесткость - допускаемыми прогибами и допускаемым углом закручивания сечений.

Исходя из наличия и функционального назначения деталей, располо­женных вдоль оси вала, предполагаемых эпюр изгибающих и крутящих моментов, с учетом соблюдения условия равной прочности, конструкции валов в большинстве своем выбирают ступенчатыми.

Размеры и конструкция отдельных участков вала определяются их назначением. Можно выделить следующие функциональные участки: концевые (для размещения полумуфт, шкивов, звездочек, зубчатых колес), под уплотнения подшипниковых узлов, опорные (под подшипники); для соединения с различными деталями (зубчатыми и червяч­ными колесами, разбрызгивателем масла); для обеспечения расстояния между деталями и фиксирования их вдоль оси вала.

Конструирование валов начинают на этапе эскизного проектирования (первом этапе компоновки редуктора). При эскизном проектировании определяют расположение деталей передач, расстояния между ними, ориентировочные диаметры ступеней валов, выбирают типы подшипников и схемы их установки.

Проектирование валов производится в четыре этапа: первый этап – ориентировочный расчет, в результате чего в первом приближении определяется средний диаметр вала. Второй этап – конструирование вала, в результате чего получаем все диаметральные и длинновые размеры. Третий этап – проведение проверочных расчетов. Четвертый этап – корректировка размеров вала по результатам проверок.

 

3.2 Выбор материала вала

Выбор материала и термической обработки валов и осей определяется критериями их работоспособности, в том числе критериями работоспособности цапф с опорами.

Основными материалами для валов служат углеродистые и легированные стали благодаря высоким механическим характеристикам, способности к упрочнению и лёгкости получения цилиндрических заготовок прокаткой.

Для большинства валов применяют термически обрабатываемые среднеуглеродистые и легированные стали 45, 40Х. Для высоконапряжённых валов ответственных машин применяют легированные стали: 40ХН, 40ХН2МА, 30ХГТ и др. Валы из этих сталей обычно подвергают улучшению, закалке с высоким отпуском или поверхностной закалке с нагревом ТВЧ и низким отпуском (шлицевые валы).

Быстроходные валы, вращающиеся в подшипниках скольжения, требуют весьма высокой твёрдости цапф; их изготовляют из цементируемых сталей 20Х, 12ХН3А, 18ХГТ или азотируемых сталей типа 38Х2МЮА. Высокую износостойкость имеют хромированные валы.

Для изготовления валов чаще всего применяют углеродистые и легированные стали (приложение П3) в виде проката или поковок. Для большинства валов применяют термически обработанные среднеуглеродистые и легированные стали 45, 45Х, для высоконагруженных валов отечественных машин — легированные стали 40ХН, 20Х, 12ХНЗА. Применение легированных сталей дает возможность при необходимости ограничить массу и габаритные размеры вала, повысить стойкость шлицевых соединений, а также зубцов при выполнении конструкций вал- шестерня, червячный вал.

 

3.3 Ориентировочный расчет валов

Ориентировочный расчет производится для определения приближенных диаметров ступеней вала на этапе разработки эскизного проекта.

Этот расчет обычно производится по условию прочности на кручение по пониженным допускаемым напряжениям кручения.

Средние диаметры валов редуктора определяют по следующей формуле:

( 3.1 )

где Т – крутящий момент на рассматриваемом валу;

[t] - допускаемые напряжения на кручение, которые рекомендуется принимать для быстроходных валов (ведущих валов редуктора) 12 …15 МПа и для тихоходных (ведомых) валов 20…30 МПа.

 

3.4 Конструирование вала

 

После определения d_ср можно приступить к разработке конструкции вала. На валу намечают различные диаметральные секции: под подшипники, установку зубчатых, червячных колес, шкивов, звездочек, под уплотнения (манжеты) и пр.

На рис. 3.1 представлены некоторые варианты конструкций валов двухступенчатого редуктора: быстроходного, промежуточного и тихоходного.

Входные и выходные концы валов желательно согласовывать с конструкциями сопрягаемых агрегатов. Так если быстроходный вал соединяется с ротором электродвигателя посредством муфты, то диаметр входного конца и размеры шпоночного паза берут равными размерам выходного конца ротора электродвигателя.

Шейки вала под подшипники d_п должны подходить под стандартные посадочные диаметры отверстий в подшипниках (10, 15, 20, 25, 30 … и т.д.) и иметь необходимую длину шейки.

Шейки вала под уплотнения также должны быть сконструированы таким образом, чтобы обеспечивалась возможность использования стандартных манжет.

Диаметры буртиков должны быть выбраны таким образом, чтобы обеспечивать надежную осевую фиксацию деталей (подшипников, зубчатых колес и пр.) на валу. В некоторых случаях, буртики на валах, заменяют применением специальных колец и втулок.

Сопряжение диаметральных ступеней валов должно осуществляться с помощью гантельных переходов. Если шейка требует высокой точности обработки и шероховатости, то необходимо предусматривать канавки для выхода шлифовального круга.

Размеры шпоночных пазов назначают, исходя из диаметров секций вала, используя данные приложений П15-П16. Длины шпоночных пазов определяют из расчета шпоночных соединений по напряжениям смятия и среза.

а) б) в)

Рисунок 3.1 – Варианты конструкций валов двухступенчатого редуктора а) быстроходный вал, б) промежуточный вал; в) тихоходный вал

 

3.5 Проверочный расчет вала

 

Основными нагрузками на валы являются силы от передач. Силы на валы передаются через насаженные на них детали: зубчатые или червячные колёса, звёздочки, шкивы, муфты. При расчёте принимают, что насаженные на вал детали передают силы и моменты на валу на середине своей ширины. Под действием постоянных по величине и направлению сил во вращающихся валах возникают напряжения, изменяющиеся по симметричному циклу.

Расчёт проводят в такой последовательности:

· по эскизу сборочной единицы вала составляют расчётную схему, на которую наносят все внешние силы, нагружающие вал, приводя плоскости их действия к двум взаимно перпендикулярным плоскостям (горизонтальной Х и вертикальной У).

· затем определяют реакции опор в вертикальной и горизонтальной плоскости.

· в этих же плоскостях строят эпюры изгибающих и крутящих моментов, находят эквивалентный момент.

· намечают опасные сечения, исходя из эпюр моментов, размеров сечений вала и концентраторов напряжений (галтелей, канавок, шпоночных пазов, резьбы, отверстий и пр.).

Схемы сил в различных зубчатых зацеплениях приведены на рис. 2.4, 2.8 и 2.11. Расчет численных значений компонентов сил выполнялся при проектировании соответствующих передач.

 

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться: