Валы и оси

Детали и сборочные единицы передач

Валы и оси поддерживают вращающиеся детали машин (зубчатые колёса, шкивы и т.п.), при этом валыпередают вращающий момент.

Нагрузки валов

Деформация изгиба валов происходит под действием внешней нагрузки, масс самого вала и насаженных на нем деталей. В передачах технологических машин роль масс обычно невелика, поэтому их влиянием пренебрегают, ограничиваясь анализом сил, возникающих в процессе работы (рис.3.14).

При известных величинах вращающих моментов на валах и значениях диаметров делительных окружностей колес можно найти силы, действующие в зацеплении. На рис.5 показана картина прямозубого зацепления и действующие в нем силы.

Рис.3.15. Силы, девствующие в прямозубом зацеплении

Нормальная сила F_n, действующая по линии зацепления перпендикулярно рабочим профилям зубьев, переносится в полюс зацепления р, где делительные окружности колес касаются друг друга. Эта сила раскладывается на окружную силу F_t и радиальную силу F_r , равные

(3.36)

где Т₁ – вращающий момент на ведущем колесе; d₁ – диаметр делительной окружности этого колеса; a = 20⁰ – угол зацепления передачи.

В цилиндрической косозубой передаче силу в зацеплении раскладывают на три составляющие (рис. 3.14,б):

· окружное усилие F_t, определяемое по формуле (3.36);

· радиальное усилие

(3.37)

· осевое

(3.38)

здесь α— угол зацепления в нормальном сечении; β— угол наклона зубьев.

В цилиндрической шевронной передаче осевые усилия, действующие на каждую половину шеврона, уравновешиваются. Окружное и радиальное усилия определяют так же, как и для косозубых колес.

Ременная передача нагружает валы поперечным усилием F_p, равным геометрической сумме натяжений F₁ и F₂ ветвей ремня; при угле охвата меньшего шкива а_p > 150° принимают

(3.12)

и считают его направленным по линии центров шкивов; где F₀ — нагрузка от предварительного натяжения ремня.

В цепной передаче нагрузка на валы звездочек (в Н)

(3.13)

где F_t — окружное усилие на звездочке; k_f — коэффициент, учитывающий влияние провисания цепи, значения его даны в таблицах; q — масса 1 м цепи, кг/м; а — межосевое расстояние, м; направление F_ц — по линии центров.

Расчёт валов

Проектирование вала начинают с ориентировочного определения диаметра выходного конца его из расчета на чистое кручение по пониженному допускаемому напряжению без учета влияния изгиба

, (3.14)

где Т — крутящий момент, Н-мм; [τ]_к—допускаемое напряжение на кручение; для валов из сталей 40, 45, Ст 6 принимают пониженное значение [τ]_к = 20-25 МПа (Н/мм²). Полученный результат округляют по ГОСТ до ближайшего значения из ряда R40: 10; 10,5; 11; 11,5; 12; 13; 14; 15; 16; 17; 18; 19; 20; 21; 22; 24; 25; 26; 28; 30; 32; 34; 36; 38; 40; 42; 45; 48; 50; 52; 55; 60; 63; 65; 70; 75; 80; 85; 90; 95; 100; 105; ПО; 120; 125; 130; 140; 150; 160.

Примечание. В случае необходимости допускаются размеры: в интервале 12 до 26 мм — кратные 0,5; в интервале 26 до 30 — целые числа; в интервале 50 до 120 — размер 115 и размеры, оканчивающиеся на 2 и 8; в интервале 120 до 160 — кратные 5.

Для редукторов общего назначения рекомендуется изготовлять валы одинакового диаметра по всей длине; допуски на отдельных участках назначают в соответствии с требуемыми посадками деталей. Однако применяют и ступенчатую конструкцию вала для облегчения монтажа подшипников, зубчатых колес и других деталей. Диаметр выходного конца вала редуктора не должен отличаться от диаметра вала электродвигателя больше чем на 20%. При выполнении этого условия соединение валов осуществляют стандартной муфтой.

Диаметр промежуточного вала определяют в опасном сечении в месте посадки шестерни, принимая [τ]_к = 10-20 Н/мм².

К концам вала диаметр под подшипники снижают, предусматривая в случае необходимости заплечики для фиксации в осевом направлении.

Наметив конструкцию вала и установив основные размеры его (диаметры участков, расстояния между серединами опор и плечи нагрузок), выполняют уточненный проверочный расчет, определяя расчетные коэффициенты запаса прочности п для опасных сечений (с использованием САПР АПМ WinMachine).

Полученное значение n должно быть не ниже [n]_к = 2,5. В случае необходимости допускается снижение [n] до 1,7 при условии выполнения специального расчета вала на жесткость.

Конструирование валов

Простые по конструкции гладкие валы выполняют одинакового номинального диаметра по всей длине; для обеспечения требуемых посадок деталей предусматриваются на участках вала соответствующие отклонения диаметра. Но если места посадок отдалены от конца вала, то установка деталей затрудняется. Поэтому для удобства сборки и разборки узла вала, замены подшипников и других насаживаемых деталей валы выполняют ступенчатыми.