Валы и вращающиеся оси монтируют на опорах, которые определяют положение вала или оси, обеспечивают вращение, воспринимают нагрузки вала и передают их основанию машины. Основной частью опор являются подшипники.
По виду трения различают: подшипники скольжения, в которых цапфа вала скользит по опорной поверхности; подшипники качения, в которых между поверхностями вращающейся детали и опорной поверхностью расположены тела качения подшипника.
От качества подшипников в значительной степени зависит работоспособность, долговечность и КПД машины.
Существует много конструкций подшипников скольжения, которые подразделяются на два вида: неразъёмные и разъёмные.
Неразъёмный подшипник (рис.3.5) состоит из корпуса и втулки (вкладыша) из антифрикционного материала, на которую непосредственно опирается цапфа вала или оси. Втулка может быть неподвижно закреплена в корпусе подшипника или свободно заложена в него ("плавающая втулка"), в конструкции подшипника предусматривается смазочное устройство. Неразъемные подшипники обычно используют в тихоходных механизмах.
Разъёмный подшипник (рис.3.6) состоит из основания и крышки корпуса, разъёмного вкладыша, смазочного устройства и болтового или шпилечного соединения основания с крышкой. Износ вкладышей в процессе работы компенсируется поджатием крышки к основанию. Разъёмные подшипники используют в общем и особенно - тяжёлом машиностроении.
Достоинства подшипников скольжения:
Высокая работоспособность при больших скоростях и ударных нагрузках;
Бесшумность и обеспечение виброустойчивости вала при работе подшипника в режиме жидкостного трения (масляный слой между поверхностями цапфы и вкладыша обладает способностью гасить колебания);
Небольшие габариты в радиальном направлении;
Достаточно высокая работоспособность в особых условиях (химически агрессивных средах, при бедной или загрязнённой смазке).
Недостатки подшипников скольжения:
Большие потери на трение (не относится к подшипникам, работающим в режиме жидкостного трения, КПД которых больше 0,99);
Значительные размеры в осевом направлении;
Необходимость применения дорогостоящих и дефицитных антифрикционных материалов для вкладышей;
Значительный расход смазочного материала и необходимость систематического наблюдения за процессом смазки;
Не обеспечивается взаимозаменяемость подшипников при ремонте, так как большинство типов подшипников не стандартизировано.
Подшипники качения в большинстве случаев состоят из наружного 4 (рис. 3.7, а) и внутреннего 1 колец с дорожками качения, тел качения 3 (шариков или роликов), сепаратора 2, разделяющего и направляющего тела качения. В некоторых подшипниках одно или оба кольца могут отсутствовать. В них тела качения обкатываются непосредственно по канавкам (цапфам) вала или корпуса.
Достоинства подшипников качения:
Значительно меньшие потери на трение, а следовательно, более высокий КПД (до 0,995) и меньший нагрев;
Экономия дефицитных цветных материалов;
Меньший расход смазочного материала;
Высокая степень взаимозаменяемости (их массовое производство).
Недостатки подшипников качения:
Чувствительность к ударным и вибрационным нагрузкам;
Большие габариты в радиальном направлении;
Малая надёжность в высокоскоростных приводах.
Классификация подшипников качения (см. рис.3.7):
По форме тел качения: шариковые (а, 6, ж, и), роликовые (с цилиндрическими (в), коническими (з), бочкообразными (г), игольчатыми (д) и витыми (е) роликами-;
По числу рядов тел качения: однорядные (а, в, ж), двухрядные (6, г), многорядные;
По направлению воспринимаемой нагрузки: радиальные (а...е), воспринимающие (в основном) радиальные нагрузки, т.е. нагрузки, направленные перпендикулярно к геометрической оси вала; упорные (и, к), воспринимающие от вала только осевые нагрузки; радиальпо-упорные (ж) и упорно-радиальные (з) могут воспринимать одновременно радиальные и осевые нагрузки, при этом упорно-радиальные подшипники предназначены для преобладающей осевой нагрузки.
По габаритным размерам. В зависимости от соотношения размеров наружного и внутреннего диаметров подшипники делят на серии - сверхлегкие, особо легкие, легкие, средние, тяжелые; по ширине на серии - узкие, нормальные, широкие, особо широкие.
3.3. ТИПОВЫЕ МЕХАНИЗМЫ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
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.
4.1. Валы и оси. Назначение, типы валов и осей и их формы поперченных сечений.
Оси и валы
В современных машинах наиболее часто используют вращательное движение. Вращающиеся детали, такие, как зубчатые колеса, шкивы, звездочки, блоки, муфты и др., направляются и поддерживаются в пространстве при помощи валов и осей. Валы и оси в большинстве случаев имеют форму тел вращения.
Вращающиеся детали и поддерживающие их валы обычно жестко соединены посадками с натягом, шпонками, шлицами и т. п., поэтому валы могут быть только вращающимися, при этом они всегда передают вращающий момент и подвержены кручению.
На осях вращающиеся детали могут быть либо закреплены неподвижно, например, с помощью посадок с натягом, и тогда оси должны вращаться, либо установлены свободно, например, по посадке с зазором, на подшипниках качения и т. п., и тогда оси могут быть неподвижными; в любом случае оси не передают вращающий момент и их можно рассматривать как частную разновидность валов, не подверженных кручению.
Ось - это брус круглого или фасонного сечения, используемый для поддержания закрепленных на нем вращающихся деталей . При этом сама ось может быть как неподвижной, так и вращающейся. На ось действуют только изгибающие нагрузки.
Вал - это ось, предназначенная не только для поддержания деталей, но и для передачи крутящего момента .
По назначению валы можно разделить на коренные, т. е. валы несущие основные рабочие органы машин (ротор турбины, коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания, шпиндель станка), и передаточные (валы передач), используемые для передачи и распределения движения и несущие на себе детали передач: зубчатые колеса, шкивы, звездочки и т. д. В ряде машин (сельскохозяйственных, дорожных) применяют валы для передачи вращающего момента к исполнительным органам; их называют трансмиссионными.
Иногда используют торсионные валы (торсионы), т. е. валы обычно малых диаметров и передающих только вращающие моменты.
Валы по форме геометрической оси разделяют на прямые (рис. 83, а, б, в, г, д, е) и коленчатые (рис. 83, ж). Последние применяют для преобразования возвратно-поступательного движения (поршней) во вращательное (коленчатого вала) или наоборот. Особую группу представляют гибкие валы с изменяемой формой геометрической оси, их применяют для привода механизированного инструмента, в зубоврачебных бормашинах и т. п.
Оси (детали) имеют прямую геометрическую ось. Коленчатые, гибкие, а также кулачковые валы относятся к специальным, и не рассмотрены в настоящем курсе.
Рис. 83. Основные типы валов и осей.
Наиболее распространены прямые валы и оси; они могут быть постоянного диаметра (рис. 83, а, б ) или ступенчатыми (рис. 83, в, г, д, е). Чаще всего валы и оси выполняют ступенчатыми, хотя валы и оси постоянного сечения более технологичны.
Форма валов и осей по длине определяется распределением действующих сил и моментов, технологией изготовления и условиями сборки. Эпюры изгибающих моментов и поперечных сил по длине валов и осей, как правило, не постоянны; вращающий момент передается обычно не по всей длине вала. Поэтому по условию равнопрочности целесообразно конструировать валы и оси ступенчатыми, близкими по форме к балкам равного сопротивления (форма балки равного сопротивления показана штриховой линией на рис. 83, в).
В поперечном сечений валы и оси могут быть сплошными (рис. 84, а ) или полыми (рис. 84, б), а по форме сечения - цилиндрическими (рис. 84, а, б), со шпоночными (рис. 84, в ) или шлицевыми (рис. 84, г )канавками, а также профильными (рис. 84, д ).
Применение полых валов и осей позволяет существенно снизить массу, например, при равной прочности сплошного и полого валов с отношением диаметра отверстия к наружному диаметру 0,75, масса полого вала будет меньше почти в 1,5 раза.
Рис. 84. Формы поперечных сечений валов и осей.
Концевые опорные участки валов и осей называют цапфами или шипами. Цапфы (шейки) валов и осей, когда в опорах установлены подшипники скольжения, выполняют: цилиндрическими (рис. 85, а, б )или коническими (рис. 85, в ). В большинстве случаев цапфы валов и осей для подшипников скольжения имеют цилиндрическую форму е закругленным переходом (галтелью) и с заплечиком (буртиком) для односторонней фиксации в осевом направлении (см. рис. 85, а ). В случае необходимости двусторонней осевой фиксации вала (оси) в одной опоре цапфа снабжается дополнительным буртиком (см. рис. 85, б ).
Цапфы валов и осей для подшипников качения выполняют цилиндрическими с заплечиком, служащим для односторонней фиксации в осевом направлении (рис. 86, а ). Для двусторонней фиксации внутреннего кольца подшипника на валу или оси дополнительно предусматривают гайки (рис. 86, б ), стопорные пружинные кольца, устанавливаемые в кольцевые канавки (рис. 86, в ), и др.
Рис. 85. Цапфы валов и осей под подшипники скольжения. Рис. 86. Цапфы валов и осей под подшипники качения.
Участки валов и осей под посадку ступиц деталей выполняют цилиндрическими или коническими. Чаще применяют цилиндрические посадочные поверхности как более технологичные. Конические посадочные поверхности, как правило, применяют для концевых участков валов.
Большое влияние на прочность, выносливость, надежность валов и осей оказывает форма переходных участков между соседними ступенями разных диаметров; Галтели должны иметь максимально возможные радиусы закруглений. Наиболее распространенная форма перехода - галтели постоянного радиуса (рис. 87, а ); желательно, чтобы радиус закругления R был больше 0,ld (d - диаметр вала). В особых случаях применяют галтели переменного радиуса кривизны ρ (рис. 87, в ).Правильным подбором кривизны галтели можно существенно снизить концентрацию напряжений и повысить несущую способность валов и осей. Снижению концентрации напряжений служит также применение разгрузочных выточек (рис. 87, а ).Канавку (рис. 87, г ) шириной 3-5 мм и глубиной 0,25-0,5 мм, удобную для выхода обрабатывающего инструмента, например шлифовального круга, используют в случае, когда определяющей является не усталостная прочность, а жесткость валов.
Рис. 87. Переходные участки валов и осей.
Наряду с концентрацией напряжений, вызванной геометрическими очертаниями деталей, на усталостную прочность влияет качество поверхностного слоя, т. е. микро-геометрия, как следствие механической обработки, и структурное состояние поверхностного слоя. Повышение усталостной прочности валов и осей достигается упрочнением материала посредством термической или химико-термической обработки, пластическим упрочнением (обкаткой роликами, обдувкой дробью), в результате которого в поверхностном слое образуются остаточные напряжения сжатия, а также шлифованием, полированием и, другими методами.
Осевые нагрузки на валы от насаженных на них, деталей передаются следующими способами:
значительные нагрузки - упором деталей в уступы (буртики, заплечики) на валу или, оси (рис, 88, а ) или посадкой деталей с соответствующим натягом (рис. 88, б );
средние нагрузки - гайками (см. рис. 88, б и88, в) или штифтами (рис. 88, г ), а также выше перечисленными способам;
легкие нагрузки -стопорными винтами (рис. 88, д )стопорными пружинными кольцами (рис. 86, в и 88, е ) и др.
Рис. 88. Средства восприятия осевых нагрузок и осевого крепления деталей на валах и осях.
Основными материалами, для валов и осей служат углеродистые и легированные стали. Для осей и валов, диаметры которых определяются, в основном, жесткостью, применяют углеродистые конструкционные стали Ст4, Ст5 без термообработки. В ответственных и тяжело нагруженных конструкциях (когда критерием является прочность) используют термически обрабатываемые среднеуглеродистые и легированные стали 40, 45, 40Х, 40ХН, 40ХН2МА, 30ХГГ, 30ХГСА и др. Валы из этих сталей в зависимости от решаемых задач подвергают улучшению (закалке с высоким отпуском) или поверхностной закалке (нагрев ТВЧ) с низким отпуском.
Быстроходные валы на опорах скольжения должны иметь весьма высокую твердость поверхности цапф; для этого их изготовляют из цементируемых сталей типа 20Х, 12ХН3А, 18ХГТ или из азотируемых сталей типа 38Х2МЮА.
Валы, работающие в коррозионной среде, изготовляют из нержавеющих сталей, титановых сплавов.
Для изготовления коленчатых валов и валов с большими фланцами наряду со сталью применяют высокопрочные (с шаровидным графитом) и модифицированные чугуны.
Прямые стальные валы и оси диаметром до 150 мм обычно изготовляют из проката; валы большего диаметра и сложной формы - из поковок. Полые валы целесообразно изготовлять из стальных труб стандартных размеров или из специально заказываемого недоката труб (с утолщенными стенками).
Валы и оси обычно подвергают токарной обработке в центрах и последующему шлифованию посадочных поверхностей (цапф, шеек, шипов) или шлифованию по всей поверхности (высоконапряженные валы).
В последнее время появилась конструкция полых валов из композитных материалов, получаемых намоткой.
Основными критериями работоспособности валов и осей являются прочность, жесткость и виброустойчивость.
4.2. Подшипники. Назначение и классификация. Подшипники скольжения: типы, области применения, достоинства и недостатки. Подшипники качения: классификация, их характеристики, области применения, достоинства и недостатки.
Подшипники
Подшипник - техническое устройство, являющееся частью опоры, которое поддерживает вал, ось или иную конструкцию, фиксирует положение в пространстве, обеспечивает вращение, качание или линейное перемещение (для линейных подшипников) с наименьшим сопротивлением, воспринимает и передаёт нагрузку на другие части конструкции.
Опора с упорным подшипником называется подпятником .
По направлению воспринимаемых нагрузок подшипник разделяют на радиальные (для восприятия нагрузок, перпендикулярных к оси вала), упорные (для восприятия нагрузок, направленных по оси вала), а также радиально-упорные (для восприятия комбинированных, преимущественно радиальных нагрузок; реже применяют упорно-радиальные - преимущественно для восприятия осевых нагрузок). По виду трения различают подшипники качения (получили наибольшее распространение) и подшипники скольжения
Основные типы подшипников, которые применяются в машиностроении:
· подшипники качения;
· подшипники скольжения;
· газодинамические подшипники;
· гидростатические подшипники;
· магнитные подшипники.
Подшипник скольжения
Подшипник скольжения - это опора или направляющая, в которой цапфа (опорная поверхность вала) скользит по поверхности вкладыша (подшипника) (рис. 90). Для уменьшения сил трения и износа подшипники смазывают. Основное применение имеют жидкие смазочные материалы, особенно при больших нагрузках и скоростях. Газообразные смазочные материалы (главным образом воздух) применяют для высокоскоростных опор. Для тихоходных опор используют пластичные смазочные материалы. Для подшипников, работающих, в экстремальных условиях, применяют самосмазывающиеся материалы, т. е. материалы, которые содержат компоненты или покрытия, обеспечивающие смазывание.
По направлению воспринимаемой нагрузки подшипники скольжения подразделяют, на две группы; радиальные и упорные (осевые). При совместном действии радиальных и осевых нагрузок применяют совмещенные опоры, в которых осевую нагрузку воспринимают торцы вкладышей (рис. 91) или специальные гребни.
По принципу образования подъемной силы в масляном слое подшипники делят на гидродинамические и гидростатические . Для разделения трущихся поверхностей слоем смазочного материала в нем необходимо создать избыточное давление. В гидродинамических подшипниках это давление возникает только при относительном движении поверхностей вследствие затягивания масла в клиновой зазор. В гидростатических подшипниках давление создается насосом. Основное распространение получили подшипники с гидродинамической смазкой как наиболее простые.
Подшипники скольжения применяют преимущественно в тех областях, в которых нецелесообразно или невозможно использовать подшипники качения:
при ударных и вибрационных нагрузках (используется хорошая демпфирующая способность масляного слоя);
при особо высоких частотах вращения;
для точных опор с постоянной жесткостью;
для опор с малыми радиальными размерами;
для разъемных опор;
для особо крупных и миниатюрных опор;
при работе в экстремальных условиях (высокие температуры, абразивные и агрессивные среды);
для неответственных и редко работающих механизмов.
Подшипники скольжения легче и проще в изготовлении, чем подшипники качения, бесшумны, обладают постоянной жесткостью и способностью работать практически без износа в режиме жидкостной и газовой смазки, хорошо демпфируют колебания.
К недостаткам подшипников скольжения можно отнести сложность системы смазки для обеспечения жидкостного трения, необходимость применения цветных металлов, повышенные пусковые моменты и увеличенные размеры в осевом направлении. При работе с жидкими и пластичными смазочными материалами температура подшипника не может превышать 150 °С. Однако некоторые самосмазывающиеся материалы допускают работу при температурах до 700 °С.
Подшипники скольжения широко применяют в двигателях внутреннего сгорания, паровых и газовых турбинах, насосах, компрессорах, центрифугах, прокатных станах, в тяжелых редукторах и других машинах.
Рис. 90. Радиальный подшипник скольжения: Рис. 91. Радиально-упорный
1 - корпус; 2 - вкладыш; 3 - отверстие для подачи подшипник скольжения
смазочного материала; 4 - цапфа; 5 - маслораздаточная канавка
Подшипник скольжения (см. рис. 90) содержит корпус 1, вкладыш 2 , смазывающие и защитные устройства. Корпус подшипника цельный или разъемный изготовляют как отдельную деталь либо деталь, присоединяемую к машине. Иногда корпус подшипника выполняют встроенным, т. е. как одно целое с корпусом машины или подвижной деталью (например, с шатуном). Вкладыши используют для того, чтобы не выполнять весь корпус из дорогих антифрикционных материалов. После износа вкладыши заменяют. В массовом производстве вкладыши штампуют из ленты с нанесенным на нее антифрикционным материалом, В мелкосерийном и единичном производстве применяют сплошные или разъемные втулки, а также биметаллические вкладыши, в которых тонкий слой антифрикционного материала наплавляют на стальную, чугунную или бронзовую основу. Для распределения смазочного материала, поступающего из канала 3, по рабочей поверхности цапфы 4 вкладыши снабжают смазочными канавками 5. Канавки располагают в ненагруженной зоне и часто совмещают с разъемом.
Износ рабочих поверхностей является основной причиной выхода из строя подшипников скольжения. Абразивное изнашивание связано с попаданием в смазочный материал абразивных частиц с размерами больше толщины масляного слоя и работой подшипника при неблагоприятных режимах трения в периоды пусков и остановок. При действии больших контактных давлений и температур возможно схватывание рабочих поверхностей подшипника.
Усталостные разрушения подшипников возникают при циклически действующих нагрузках, например, в поршневых машинах, машинах ударного и вибрационного действия. Значительное повышение температуры приводит к недопустимым изменениям необходимых свойств смазочных материалов, а иногда к выплавлению заливки вкладыша или заклиниванию вала в подшипнике. Разрушения подшипников могут быть также связаны с потерей устойчивости вращения цапфы при самовозбуждающихся колебаниях (автоколебаниях).
Подшипниковые материалы должны обеспечивать низкое значение коэффициента трения, высокую износостойкость и сопротивление усталости. Дополнительными требованиями являются хорошая теплопроводность, прирабатываемость, смачиваемость маслом, коррозионная стойкость и обрабатываемость, низкий коэффициент линейного расширения и низкая стоимость. Ни один из известных материалов одновременно всеми этими свойствами не обладает. Поэтому в технике применяют большое количество различных антифрикционных материалов, наилучшим образом отвечающих конкретным условиям.
Валы и оси, как правило, стальные, реже из высокопрочного чугуна, например, коленчатый вал двигателей ГАЗ. Цапфы должны иметь высокую твердость и шлифованную или полированную поверхность, чтобы выдержать несколько замен более дешевых, чем вал, вкладышей. Материалы вкладышей можно разделить на три группы: металлические материалы, металлокерамические и неметаллические.
Металлические материалы . Сплавы на основе олова или свинца с добавлением сурьмы, меди и других элементов, называемые баббитами (по имени американского изобретателя Баббита), обладают высокими антифрикционными качествами, хорошей прирабатываемостью, но дороги и имеют относительно невысокое сопротивление усталости. Их применяют в качестве тонкослойных покрытий или в качестве заливки. Хорошими антифрикционными свойствами обладают бронзы и латуни (сплавы на основе меди), алюминиевые и цинковые сплавы. В паре с закаленной цапфой при наличии хорошей смазки применяют антифрикционные чугуны.
Металлокерамические материалы .Пористые бронзографитовые и железографитовые материалы, получаемые методом порошковой металлургии, пропитывают горячим маслом и применяют в условиях, в которых невозможно обеспечить надежную жидкостную смазку. При небольших давлениях и скоростях эти материалы способны достаточно долго работать без внешнего подвода смазочного материала.
Неметаллические материалы. В качестве вкладышей применяют пластмассы, резину, графитовые материалы и прессованную древесину. Текстолит, ДСП (древесно-слоистый пластик) и прессованную древесину используют в подшипниках для тяжелого машиностроения. Полимерные самосмазывающиеся материалы на основе полиамидов, полиацетилена, политетрафторэтилена и различных смол используют для подшипников, работающих в температурном диапазоне −200...+280 °С при значительных скоростях скольжения. Фторопласты (полимеры и сополимеры галогенопроизводных, этилена и пропилена) обладают хорошими антифрикционными свойствами, химической инертностью, но высоким коэффициентом линейного расширения и низким коэффициентом теплопроводности. Подшипники с резиновыми вкладышами хорошо работают с водяной смазкой.
В экстремальных условиях используют графитовые вкладыши, которые обладают низким коэффициентом трения (f = 0,04...0,05) в температурном диапазоне от −200 до + 1000°C, хорошей теплопроводностью и коррозионной стойкостью. Эти материалы применяют в подшипниках с газовой смазкой, где они могут работать без смазочного материала в периоды пусков и остановок.
Основными критериями работоспособности подшипников являются износостойкость, сопротивление усталости антифрикционного слоя, теплостойкость и виброустойчивост ь.
Подшипники скольжения должны работать со смазочным материалом. Наилучшие условия для работы подшипников создаются при жидкостной смазке, когда осуществляется полное разделение трущихся поверхностей жидким смазочным материалом с объемными свойствами. При граничной смазке трение и износ определяются свойствами поверхностей и свойствами смазочного материала, отличными от объемных. При полужидкостной смазке частично осуществляется жидкостная смазка. Основной расчет подшипников скольжения - это расчет минимальной толщины масляного слоя, который при установившемся режиме работы должен обеспечивать жидкостную смазку. Тепловые расчеты проводят для определения рабочих температур подшипника. В ряде случаев проверяют подшипник на виброустойчивость путем решения дифференциальных уравнений гидродинамики. Расчеты по критерию износостойкости из-за сложности пока не нашли широкого применения.
Условные расчеты позволяют в простейшей форме оценить пригодность выбранного материала и размеров подшипника для конкретных условий работы на основании опыта конструирования и эксплуатации машин. Режим работы считают допустимым, если выполнены условия, которые ограничивают износ и тепловыделение:
р m = F r / (dl ) £ [p ]; p m v £[pv ]; v £ [v ]; t £ [ t ],
- диаметр цапфы; l - длина подшипника; v - окружная скорость цапфы; р m - среднее условное давление в подшипнике; t - температура подшипника.Этот расчет обычно используют как основной для подшипников с полужидкостной смазкой и как предварительный для подшипников с жидкостной смазкой. В табл. 14 приведены допускаемые значения [р ], [v ] и [pv ]для некоторых подшипниковых материалов.
Таблица 14.
Допускаемые режимы работы для подшипниковых материалов
