Часть 3. Валы, муфты, опоры и корпуса

Валы, муфты, опоры и корпуса являются поддерживающими, соединительными и несущими частями механических передач. Их прочность и жесткость часто существенно влияют на рабо­тоспособность передач.

Эти детали являются наиболее металлоемкими в объеме узла или машины в целом и от правильного конструиро­вания их в значительной степени зависят масса и габариты проектируемой машины.

Глава 24

ВАЛЫ И ОСИ

§ 1. Общие сведения

Для поддержания вращающихся деталей и для пе­редачи вращающего момента от одной детали к другой (в осевом направлении) в конструкциях используют прямые валы в форме тел вращения, устанавливаемые в подшипни­ковых опорах (рис. 24.1).

Валы, передающие лишь вращающий момент от одной де­тали к другой, называют торсионными.

Обычно в передачах (зубчатых, ременных и др.) валы передают вращающий момент и воспринимают осевые и ра­диальные (поперечные) силы, вызывающие изгиб.

В зависимости от распределения нагрузок вдоль оси вала и условий сборки прямые валы выполняют гладкими (рис. 24.1, а) или ступенчатыми (рис. 24.1,6), близкими по форме к балкам равного сопротивления изгибу. Гладкие валы более технологичны и получают большое распространение в послед­ние годы.

Реже встречаются валы, используемые лишь для поддер­жания вращающихся деталей и не передающие полезного вра­щающего момента. Такие валы называют осями.

Рис. 24.2. Гибкий вал

В поршневых двигателях и компрессорах используют ко­ленчатые валы, имеющие «ломаную» ось.

Для передачи вращающего момента между агрегатами со смещенными в пространстве осями входного и выходного валов применяют гибкие валы (рис. 24.2), имеющие криволи­нейную геометрическую ось при работе. Такие валы имеют высокую жесткость при кручении и малую жесткость при изгибе.

§ 2. Конструкции и материалы валов и осей

Прямые валы и оси. Конструктивная форма зави­сит от нагрузок на вал и способа соединения вала с насаживаемыми деталями.

При высоких вращающих моментах и повышенных требо­ваниях к центрированию применяют шлицевые соединения (см. гл. 33).

Для снижения напряжений на шлицевых участках валов целесообразно увеличивать внутренний диаметр шлицев на 15 - 20% по сравнению с диаметром вала (рис. 24.3, а).

Рис. 24.Э. Шлицевое (а) и шпоночное (б) соединения

Рис. 24.4. Сопряжения ступеней вала

При средних значениях вращающего момента и менее высоких требованиях к точности центрирования применяют шпоночные соединения (рис. 24.3,5). Если соединение (шлицевое или шпоночное) передает также осевое усилие, то наса­женную на вал деталь (например, зубчатое колесо) фиксируют в осевом направлении с помощью буртика и резьбового сое­динения. Чаще буртик выполняют на гладкой части вала (см. рис. 24.3,6).

Соединение валов и насаживаемых деталей (колес, шкивов и др.) часто осуществляют с натягом (см. гл. 31). В таких соединениях диаметр подступичной части вала следует увели­чивать на 5—10% против соседних участков для снижения напряжений в зонах концентрации (на краях соединения). Для посадки подшипников на валах делают упорные буртики или заплечики (рис. 24.4), их высота должна обеспечивать демон­таж подшипника и подвод смазочного материала. Переходные участки валов между соседними ступенями разных диаметров выполняют с полукруглой канавкой (для выхода шлифоваль­ного круга в процессе обработки, рис. 24.5, а) или радиусной галтелью (рис. 24.5, в).

а) б)

Рис. 24.5. Переходные участки валов

Рис. 24.6. Фланцевые соединения валов с помощью срезных болтов (а) и торцовых шлицев и болтов (б)

Диаметры посадочных поверхностей (под ступицы колес, шкивов, звездочек и т. п.) следует выбирать из стандартного ряда посадочных размеров, а диаметры посадочных поверх­ностей под подшипники качения — из стандартного ряда внут­ренних диаметров подшипников.

В некоторых конструкциях применяют полые валы (см. рис. 24.1, в). Канал уменьшает массу вала, его часто исполь­зуют для размещения соосного вала, деталей управления, по­дачи масла, охлаждающего воздуха и т. п.

Длинные валы выполняют составными. Соосные валы сое­диняют с помощью фланцев (рис. 24.6) или муфт (см. с. 419).

Технические условия на изготовление валов зависят от требований к конструкции. Обработку валов производят обыч­но в центрах.

Наиболее жесткие требования по точности геометрической формы предъявляются к шейкам валов, на которые уста­навливают подшипники качения. Параметр шероховатости шеек назначают Ra = 0,32 1,25 мкм. Овальность и конус­ность мест посадки определяются допуском на диаметр шейки.

Для изготовления валов используют углеродистые стали марок 20, 30, 40, 45 и 50, легированные стали марок 20Х, 40Х, 40ХН, 18Х2Н4МА, 40ХН2МА и др., титановые сплавы ВТЗ-1, ВТ6 и ВТ9.

Выбор материала, термической и химико-термической обра­ботки определяются конструкцией вала и опор, условиями эксплуатации.

Так, быстроходные валы, вращающиеся в подшипниках скольжения, требуют высокой твердости цапф (посадочных хвостовиков валов), поэтому такие валы изготовляют из цемен­тируемых сталей 12Х2Н4А, 18ХГТ или азотируемых сталей 38Х2МЮА и др. Валы-шестерни по этой же причине изго­товляют из цементируемых легированных сталей марок 12ХНЗА, 12Х2Н4А и др.

Гибкие валы. Гибкий вал (см. рис. 24.2) состоит из сер­дечника 1, вокруг которого попеременно крестовой свивкой наматывают несколько слоев круглой стальной проволоки 2. Для защиты вала от внешней среды, удержания масла и бе­зопасной эксплуатации вал размещен в металлическом рукаве 3. Концы гибкого вала соединены пайкой со специальной арматурой, имеющей резьбовые хвостовики. Эти хвостовики используют для соединения гибкого вала с жестким валом.