Валы и оси
Валы предназначены для закрепления на них зубчатых колес, червяков, звездочек, шкивов, и передачи вращающих моментов. Оси служат только для поддержания вращающихся деталей механизмов и не передают вращающих моментов. Они могут быть вращающимися и неподвижными.
Валы делятся на прямые, коленчатые и гибкие. На рис.3.22 показаны гладкие (а) и фасонные (б, в) прямые валы. Гладкие валы используются в трансмиссиях только для передачи вращающего момента. Ступенчатые валы обеспечивают осевую фиксацию установленных на них деталей. Преимущества ступенчатых валов – уменьшение массы за счет приближения к балкам равного сопротивления. Полые валы обеспечивают снижение массы на 40…50% при уменьшении момента сопротивления на 15…20%. Коленчатые валы применяются в поршневых машинах (рис.3.22г). Они служат для преобразования поступательного движения во вращательное и наоборот.
| Рис.3.22 |
| в) |
| б) |
| а) |
| г) |
В местах изменения диаметра выполняют плавный переход – галтель. Чем больше отношение радиуса галтели к диаметру r / d и меньше перепад диаметров ступеней, тем меньше коэффициент концентрации напряжений.
На рис.3.23 показаны переходные участки между соседними ступенями вала разных диаметров. Для обеспечения упора сопряженной с валом детали радиус галтели r должен быть меньше фаски детали f, а высота заплечика t больше 2 f (рис. 3.23а).
| Рис.3.23 |
| а) |
| г) |
| б) |
| в) |
| l |
| d |
| l 1 |
| t |
| f× 45 ° |
| r |
| r |
| r |
| r 1 |
| r |
| d 1 |
| d |
| b |
| 45 ° |
| Припуск на шлифование |
Расчет валов ведут на статическую прочность и сопротивление усталости. Нагрузки, действующие на вал, возникающие в местах посадки сопряженных деталей, подшипниковых узлов заменяются эквивалентными сосредоточенными. Они переносятся к оси вала, строятся эпюры изгибающих и крутящих моментов. Расчетными являются сечения с концентраторами напряжений: галтельные переходы, поперечные отверстия, шлицы, шпоночные канавки.
Для каждого из расчетных сечений вычисляют коэффициент запаса и сравнивают его с допускаемым
.
Запасы прочности по нормальным и касательным напряжениям определяются по формулам
, 
,
где 
, 
– пределы выносливости при симметричных циклах изменения нормальных и касательных напряжений;
, 
– амплитудные значения напряжений;
, 
– средние значения напряжений;
K, 
– коэффициенты снижения пределов выносливости детали
K 
;
;
kσ, kτ – эффективные коэффициенты концентрации напряжений;
kdσ, kdτ – коэффициенты влияния размеров детали;
kFσ, kFτ – коэффициенты, учитывающие шероховатость поверхности;
kυ – коэффициент, учитывающий способ упрочнения поверхностного слоя.
Коэффициенты определяются по таблицам или графикам.
Опоры валов и осей
Опоры предназначены для поддержания вращательного или качательного движения валов и осей и передачи усилий от них на корпус. Опоры, предназначенные для восприятия радиальной или комбинированной нагрузки называются подшипниками, а осевой – подпятниками. По виду трения они делятся на опоры качения и скольжения.
Подшипники качения
Подшипник качения – это сборочный узел, состоящий из наружного 1 и внутреннего 5 колец с дорожками качения 4, тел качения 2 и сепаратора 3, удерживающего тела качения на определенных расстояниях и направляющего их вращение (рис. 3.24).
| Рис.3.24 |
На рис.3.25 показаны подшипники:
а – шариковый радиальный однорядный, воспринимает радиальную нагрузку и осевую до 70% от неиспользованной радиальной;
| Рис.3.25 |
| к) |
| а) |
| б) |
| в) |
| г) |
| д) |
| е) |
| ж) |
| з) |
| и) |
| α |
| α |
б – шариковый радиальный сферический двухрядный (самоустанавливающийся) допускает взаимный поворот колец до 3°;
в – роликовый радиальный с короткими цилиндрическими роликами, воспринимает радиальную нагрузку в 1,7 раза большую, чем шариковый, осевую не воспринимает. Одно из колец имеет направляющие буртики, другое относительно роликов не фиксируется;
г – роликовый радиальный сферический двухрядный (самоустанавливающийся), может компенсировать перекосы колец до 2,5°, воспринимает повышенную радиальную нагрузку и осевую до 25% от неиспользованной радиальной;
д – роликовый игольчатый, воспринимает большие радиальные нагрузки, используется при скоростях на валу до 5 м/с и при качательных движениях;
е – шариковый радиально-упорный, воспринимает радиальную и одностороннюю осевую нагрузку. Выполняются с углами контакта 12, 18, 26 и 36°. С увеличением угла контакта повышается воспринимаемая осевая нагрузка, но снижается быстроходность;
ж – роликовый конический, тела качения - конические ролики, воспринимает значительную радиальную и одностороннюю осевую нагрузку;
з – упорно - радиальный шариковый, предназначен для восприятия осевых и небольших радиальных нагрузок;
и – шариковый упорный для восприятия только осевой нагрузки;
к – роликовый упорный для восприятия только осевой нагрузки.
Расчет подшипников
Подшипники рассчитываются на долговечность. Критерием работоспособности подшипника является сопротивление контактно-усталостному разрушению. Долговечность L определяется с использованием зависимости
,
где C – динамическая грузоподъёмность, это постоянная радиальная нагрузка, которую подшипник с неподвижным наружным кольцом выдерживает 1 млн оборотов;
P – эквивалентная нагрузка, действующая на подшипник;
α – показатель степени, α = 3 для шарикоподшипников,, α = 10/3 для роликоподшипников.
Коэффициент a 1 зависит от вероятности P безотказной работы, при изменении P от 0,9 до 0,99 a 1 меняется от 1 до 0,21.
a 23 зависит от материала из которого изготовлены детали подшипника и условий эксплуатации. Для механизмов общего применения можно брать равным 1.
Эквивалентная нагрузка определяется зависимостью
,
где X и Y – коэффициенты радиальной и осевой нагрузок;
V – коэффициент, учитывающий какое кольцо вращается, V = 1,2, если наружное, V = 1 – если внутреннее;
Fr и Fa – радиальная и осевая нагрузки;
k б – коэффициент безопасности, учитывающий характер действующей нагрузки, k б – 1…3;
k т – температурный коэффициент, k т = 1 при t ˂ 100°С.
Статическая грузоподъемность – это нагрузка на подшипник, при которой остаточная деформация тел качения и колец не превышает допускаемую 
, где D – диаметр тел качения.