Валы и оси

Основы расчета на прочность

Фрикционные передачи

Это передачи, в которых движение от ведущего к ведомому звену осуществляется за счет сил трения в контакте.

Условие передачи движения: Fтр>Ft

Следовательно

-коэффициент запаса сцепления

f-коэффициент трения материалов контактных поверхностей

Ft – полезная нагрузка

Fтр – сила трения, создаваемая на поверхности контакта.

Передаточные отношения

E – коэффициент потери скорости

В контакте двух фрикционных тел всегда имеет место скольжение, т.е. всегда есть потеря скорости, связанная с упругим скольжением, геометрическим скольжением.

Преимущества:

1. Простота конструкции

2. Плавность работы

3. Возможность безударного включения в процесс работы

4. Возможность простого выполнения вариантов обеспечивающих бесступенчатое регулирование при постоянной частоте вращения ведущего вала.

Недостатки:

1. Значительные нагрузки на валы и подшипники

2. Необходимость применения нажимных устройств, обеспечивающих постоянство радиальной нагрузки

3. Опасность повреждения при буксовании

4. Невозможность передачи точных движений из-за скольжения

Причина выхода из строя:

1.Усталостное выкрашивание поверхностных слоев тел контакта

В основе расчета лежит теория Герца (см. расчет прямозубых цилиндрических передач на контактную прочность). Начальные напряжения при первоначальном контакте по линии.

Eпр – приведенный модуль упругости

– приведенный радиус кривизны поверхности

2. Износ

См. расчет на контактную прочность прямозубых цилиндрических передач.

Для практических расчетов применяют зависимость:

Для передач с начальным контактом по линии,

Где Епр –приведенный модуль упругости

E₁,E₂- модули упругости материалов колес

-кривизна поверхности

r₁ и r₂ –радиусы колес.

Вращающиеся детали машин зубчатые колеса, барабаны, шкивы и др. устанавливают на валах и осях. Валы и оси обеспечивают определенное (постоянное) положение в пространстве вращающихся деталей и положения их геометрических осей. Валы передают крутящий момент, воспринимающий изгибающий моменты и поперечные нагрузки. Их всегда выполняют вращающимися. Оси имеют такое же назначение как и валы, но оси не передают крутящий момент.

Оси - детали, предназначенные для установки на них вращающихся деталей и не передающие полезного крутящего момента. Они подвержены действиям только изгибающего момента, т. е. работают только на изгиб.

Типы осей:

1. вращающиеся

2. неподвижные

Валы - служат для установки вращающихся деталей и для передачи крутящего момента вдоль геометрии вала.

Валы передают крутящий момент и воспринимают изгибающий момент и поперечные нагрузки. Их всегда выполняют вращающимися.

Принципы конструирования валов и осей одинаковы.

Типы валов:

1. По назначению:

- Валы передач,

- Коренные валы (несут рабочие органы машины)

2. По форме геометрии осей:

- Прямые,

- Коленчатые- в поршневых машинах

- Гибкие-в зубоврачебной практике(бормашина) передает врщение при больших перегибах

3. По конструкции:

- Гладкие (постоянного диаметра),

- Ступенчатые,

- Вал – шестерня-валы с нарезной шестерней

4. По форме сечения:

- цилиндрические,

- профильные,

- шлицевые,

- кольцевые (полые ),

- сплошные.

Полые валы имеют одинаковую прочность, как и сплошные, но легче на 50%, и дороже.

Форма вала по длине определяется распределением нагрузок по длине, действующих на вал, условиями технологии изготовления и сборки.

По условию прочности целесообразны конструкции валов переменного сечения по длине сечения, т.к. нагрузка по длине распределяется неравномерно, но технология изготовления сложна.

Поэтому условию равнопрочности удовлетворяют ступенчатые валы (балки равного сопротивления).

Опорные части вала (на которые устанавливают подшипники) называются цапфами. Промежуточные цапфы называются шейками вала. Концевые называют шпилями. Цапфы выполняют цилиндрическими, коническими и сферическими.

В ступенчатых валах различны по длине. Для уменьшения концентрации напряжений переходные участки валов выполняют с галтелями, а также выполняют канавки.

Выбор материала зависит от условия эксплуатации: Материал : Сталь.

1. В зависимости от назначения вала применяют сталь Ст 5 и 6 без термообработки, для неответственных валов.

2. Качественные среднеуглеродистые и легированные углеродистые стали (сталь 40 или 40Х) подвергают термообработке, применяют для валов с незначительными ударными нагрузками.(термообработка- улучшение)

3. Низкоуглеродистые стали, низколегированные, цементируемые стали с высокой твердостью поверхности и вязкой сердцевиной. Хорошо воспринимают ударные и вибрационные нагрузки (20Х, 18ХГТ, 12ХНСА). Цементируют для повышения износостойкости, (для быстроходных валов на подшипниках скольжения, требуется весьма высокая твердость цапф)

Расчет валов:

Валы рассчитывают по трем критериям:

1. Прочность

2. Жесткость

3. Вибрационная устойчивость

I.Расчет валов на прочность

Есть два вида расчета на прочность:

1. Проектный расчет – расчет на статическую прочность

2. Проверочный расчет – на усталостную прочность (выносливость).