Лекция 8 Детали, обеспечивающие вращательное движение. Валы
Вопросы, рассматриваемые на лекции:
1. Классификация валов и их конструктивные элементы;
2. Проектирование валов.
3. Выбор и расчет подшипников качения
4. Монтаж подшипников качения
Классификация валов и их конструктивные элементы
Вал – тело вращения, передающее вращающий момент от привода к рабочему органу. Устанавливается в опорах вращения относительно своей оси.
Ось – тело вращения, устанавливаемое в опорах вращения с закрепленными на нем деталями (колеса, шкивы, звездочки и т.п.) и не передающее вращающий момент.
Цапфа – тело вращения, неподвижно закрепленное в корпусе, относительно которого может вращаться какая-либо деталь.
Скалка – тело вращения, неподвижно закрепленное в корпусе, относительно которого может возвратно-поступательно перемещаться какая-либо деталь.
Штифт – цилиндрическое или коническое тело, служащее для предотвращения смещения двух деталей друг относительно друга в горизонтальной плоскости (плоскости соединения).
Болт – тело вращения, имеющее на одном окончании резьбу, для соединения деталей при помощи гаек с целью предотвращения их отделения друг от друга.
Винт – тело вращения для соединения деталей при помощи завинчивания в резьбу, выполненную в одной из соединяемых деталей (резьба нарезается до головки винта на всю его длину).
Шпилька – тело вращения для неподвижного соединения деталей при помощи хотя бы одной гайки, имеющее участки с крепежной резьбой на обоих концах.
Ходовой винт – вал, имеющий на одном конце резьбу специального профиля и служащий для преобразования вращающего движения в возвратно-поступательное, а также для создания осевых усилий в различных механизмах (механизмы подач станков, прессы, домкраты, тиски).
|
|
Шпиндель – вал, служащий для передачи крутящего момента к специальному устройству, в котором закрепляется режущий инструмент или деталь при ее обработке.
Вал состоит из следующих основных элементов:
1 – шейка (цилиндрическая, коническая), служит для посадки на нее подшипников, зубчатых колес и других деталей;
2 – центровые отверстия, служат для базирования вала при его изготовлении;
3 – шпоночные или шлицевые пазы, служат для размещения в них конструктивных элементов, передающих крутящий элемент;
4 – наружная резьба, предназначена для закрепления деталей, размещенных на шейках вала, от осевого смещения;
5 – специальная канавка, служит для выхода режущего инструмента при нарезании резьбы;
6 – канавка для обеспечения плотного и точного прилегания надеваемой на шейку детали к торцу шейки большого диаметра;
7 – специальная канавка для установки стопорных колец (пружинных);
8 – отверстие для размещения стопорного винта, служащего для передачи небольших крутящих моментов и фиксации надетой детали от осевого смещения.
Наружные кромки всех шеек должны иметь фаски – 9, либо должны выполняться скругленными с каким-либо радиусом, о чем в технических условиях над основным штампом делается запись: «острые кромки притупить R 0,1 мм».
Места сопряжения элементов вала разного диаметра (двух шеек, если на одной из них не устанавливается деталь, или в канавках) должны быть радиусными для предотвращения концентрации напряжений, которые могут привести к разрушению вала при работе. Эти радиусные сопряжения называются галтелями.
|
|
На чертеже вала обязательно указываются требования к шероховатости обработки шеек, на которые устанавливается какая-либо деталь, и к торцовым поверхностям, к которым они прилегают. Устанавливаются требования к погрешности формы этих шеек и предельное их отклонение относительно центров или друг относительно друга, а также допуск на размер.
Примечание: для скоростных и длинных валов требования к погрешности формы, расположению и шероховатости указывается для всех шеек.
В технических условиях обязательно указываются требования к твердости материала вала.
Валы изготавливаются в большинстве случаев из хромистых, легированных сталей.
Проектирование валов
Проектирование валов складывается из двух этапов: конструирования и поверочного расчета. Проектирование производится после того, как рассчитаны зубчатые и другие передачи и механизмы.
Конструирование вала производится на этапе компоновки машины. Это эскизная наброска на чертеж основных частей конструкции (рис. 2).
A 
Рис. 1. Основные конструктивные элементы вала
Рис. 2 Схема узла на основе вала
Исходными данными для размеров валов являются диаметры выходных концов, которые определяются предварительно расчетом на кручение по допускаемым напряжениям.
- угловое пониженное допускаемое напряжение.
Это напряжение берется порядка 200 кг/см2
Для редукторов установлены более конкретные рекомендации:
- диаметр быстроходного вала редуктора 
,
|
|
- диаметр тихоходного вала редуктора 
Исходя из этого диаметра, определяются другие диаметры валов. Следует руководствоваться рекомендациями:
- перепад диаметров должен быть наименьшим, он диктуется стандартизованными значениями упорных буртиков, фасок, переходных галтелей;
- посадочные размеры валов (диаметры в местах посадок) должны соответствовать значениям предпочтительных чисел (диаметр должны оканчиваться на 2, 4, 5, 6, 8, 0);
- тщательно прорабатываются фаски и гантели.
Типовая конструкция переходной части вала представлена на рис. 11.3
Рис. 3 Конструкция переходного участка вала
Благодаря такой конструкции переходной части уменьшается концентрация напряжений.
При проверочном расчете нужно определить нагрузки, действующие на вал. На вал действуют: крутящий момент, осевые и другие усилия на шестернях.
1. Определяются силы, действующие на вал, с учетом истинных точек их приложения.
2. Определяется расчетная схема вала.
Вал рассматривается как балка. Если стоит одинарный подшипник – то опора шариковая. Если стоят два подшипника с напрягом, то опора частично, или полностью защемленная. Балка нагружена поперечными силами и крутящим моментом. Балка нагружена силами в различных плоскостях.
3. По методике сопротивления материалов находятся реакции опор, эпюры изгибающих моментов и деформации в двух взаимно перпендикулярных сечениях. Находятся суммарные моменты и деформации в нужных сечениях. Находятся значения приведенных моментов в нужных сечениях.
4. Определяются напряжения в опасных сечениях.
Опасные сечения располагаются:
- в местах действия наибольших изгибающих моментов,
- в местах перехода сечений.
Наибольший момент определяется по эпюре и располагается под какой-то из сил.
В общем случае, опасные сечения устанавливаются по виду эпюр моментов и конструкции вала.
Расчет на прочность производится в зависимости от того, насколько напряженно работает вал. При этом различают два случая.
- Расчет на статическую прочность (для тихоходных валов, с числом нагружений, значительно меньших базового).
В этом случае: в опасном сечении определяются нормальные напряжения
М∑ - суммарный изгибающий момент в данном сечении
Касательные напряжения
Эквивалентные напряжения
Это условие прочности при расчете на статическую прочность.
Критерий допустимости – предел текучести σТ,
n – запас прочности.
Это напряжение сопоставляется с допускаемым.
Выбор и расчет подшипников качения
Различают два случая – медленно вращающиеся подшипники с частотой вращения меньше 1 об/мин, n < 1 об/мин, N < NБ. Они рассчитываются на статическую грузоподъемность.
Подшипники с n > 1 об/мин за срок службы испытывают значительное число нагружений и рассчитываются на динамическую грузоподъемность.
Рассмотрим расчет на статическую грузоподъемность.
Статическая грузоподъемность – статическая нагрузка, вызывающая остаточную деформацию, равную 0,0001dk.
dk – диаметр тела качения.
Как показали исследования, статическая грузоподъемность рассчитывается следующим образом:
dk – диаметр тела качения
z – число тел качения
I – число рядов шариков (роликов)
f0 – коэффициент, зависящий от величины К
Статическая грузоподъемность приводится в каталогах подшипников.
Чтобы выбрать подшипники по статической и динамической грузоподъемности, надо рассчитать эквивалентную нагрузку.
Р ≤ с – условие выбора подшипника
Fr – радиальная нагрузка
Fa – аксиальная нагрузка
X и Y – учитывают чувствительность подшипника к восприятию аксиальной и радиальной нагрузки.