Детали машин и основы конструктирования

132

однако упрощается сборка и повышается точность такого узла.

Валы в поперечном сечении могут выполняться сплошными и полыми. Внутренние полости получают удалением материала из малонагруженных зон валов, как правило располагающихся вдоль оси. Полые валы легче сплошных, передающих те же нагрузки, но более трудоемки при изготовлении. В ряде случаев в полостях (или в углублениях с торцев валов) удается разместить другие детали и сделать изделие в более компактным.

Всилу технологичности наиболее распространена цилиндрическая форма участков валов

иштоков. Их основные геометрические параметры – диаметры и длины участков (рис.8.28). Обычно эти величины округляют до значений из рядов нормальных линейных размеров. На выбор величин диаметров также существенно влияет способ осевой фиксации посаженных деталей (рис. 8.29):

•при использовании гладкого вала одно из колес фиксируется в осевом направлении посадкой с натягом (аналогично как на рис. 8.29а). Осевое положение остальных колес определяется дистанционными (распорными) втулками, которые также и фиксируют (но односторонне) эти колеса;

•на ступенчатых валах осевая фиксация колес достигается посадкой одного из них на коническую поверхность или упором его торца в буртик вала (на рис. 8.29б он обозначен как А).

Высота буртика tб должна превышать сумму размеров фасок на отверстие в колесе и грань буртика так, чтобы создавалась достаточная по прочности опорная поверхность. И, следовательно, перепад диаметров соседних участков вала составляет (рис. 8.29б, второй и третий справа участки): (d3 –d2) / 2 = tб ;

•при осевой фиксации колес, расположенных на соседних участках разных диаметров, длину участка вала большего диаметра выполняют несколько меньше ширины колеса, распо-

ложенного на этом участке (d1 и d2, рис. 8.29б, упор колес через распорную втулку). Это гарантирует поджатие самих деталей (распорной втулкой – левого торца Б детали, как на ри-

сунке), а не возможный упор одной из них в буртик вала. Перепад данных диаметров tо выполняется незначительным, чтобы лишь удовлетворялось условие удобства сборки;

•распорная втулка может отсутствовать. Тогда при установке колес на ступенчатом валу (рис. 8.29в) осевая фиксация каждого колеса обеспечивается упором в соответствующие буртики вала (в одном направлении) и посадкой с натягом или упором в иные детали (в

другом направлении). В этом случае перепады диаметров, равные tб, на каждом участке вала значительны;

•распорная втулка может располагаться как на меньшем (рис. 8.29б), так и большем по диа-

метру участках (рис. 8.29г). В последнем случае втулка будет тоньше.

Во всех случаях, посадки колес и допуски на линейные размеры должны обеспечивать требуемые точность расположения и характер сопряжения.

Конические поверхности характеризуются углом конуса 2α или углом уклона α (углом

колесо втулка колесо

в) г)

Рис.8.29 – Способы осевой фиксации деталей на валу

133

между образующей конуса и его осью). Эти углы связаны с конусностью формулой k = 2 tg α . Конусность стандартизована (ГОСТ 8593). Конические поверхности применяют в целях:

•создания плавного перехода от одного цилиндрического участка к другому;

•облегчения посадки (особенно – при запрессовке), как направляющая поверхность;

•облегчения разборки деталей, так как даже незначительное их взаимное смещение приводит к появлению зазора между контактирующими поверхностями;

•получения разной степени запрессовки (при посадке на конус, величина натяга пропорциональна приложенной осевой силе). При малом угле конуса посаженная деталь вследствие самоторможения может заклиниться. Однако нужно учитывать и то, что при малых углах неконтролируемая осевая сила может создать огромное распорное усилие и вызвать разрушение запрессовываемой детали.

Эксцентриковые валы дополнительно характеризуются величиной несовпадения осей смещенных участков – эксцентриситетом е.

В отдельных случаях могут назначать криволинейную форму поверхности участков вала. Обычно это является следствием особых требований, предъявляемых к конструкции, удовлетворение которых иными способами неэффективно.

Для фиксации деталей на отдельных участках валов и штоков могут нарезать резьбу, протачивать канавки под кольца или выполнять сечения некруглыми (профильными).

Основная форма торцов валов – плоская. Но иногда концевые участки, особенно штоков, могут изготавливать закругленными.

Некоторые части валов имеют свои названия. Так, опорные участки валов и осей называют цапфами. Промежуточные цапфы называют шейками, а концевые – шипами.

Валы и штоки в основном изготавливают точением либо используют готовый прокат (если валы гладкие и их диаметры согласованы с диаметром труб и прутков).

Для удобства сборки и безопасности работы (из-за острых кромок и заусенцев) на торцах и уступах валов делают фаски (рис. 8.30а).

Для облегчения запрессовки фаски выполняют увеличенными или соседние участки вала сопрягают конической поверхностью (направляющими конусами, рис. 8.30б, 8.28г) с уклоном

15°...30°.

Если при запрессовке необходима еще и состыковка детали с каким-то иным элементом вала или с находящейся на нем другой деталью (например, попасть пазом втулки на шпонку), то в начале прессового участка вала выполняют посадочный поясок. При том же номинальном диаметре он должен образовывать посадку с зазором, чтобы можно было вставить и повернуть деталь нужным образом. Ширина пояска должна позволять вводить сажаемую деталь в начальный контакт. Наличие посадочного пояска делает необязательным выполнение посадочного конуса.

Соседние участки разных диаметров, с целью уменьшения концентрации напряжений в углах, сопрягают с помощью галтелей. Галтели могут быть круговые (рис. 8.30в), эллиптические, гиперболические, и выбор формы определяется эффективностью уменьшения концентрации и затратами на изготовление. Чем радиус галтели больше (чем плавнее переход), тем концентрация напряжений меньше, но и уменьшается ширина упорного торца буртика. С дру-

Рис.8.30 – Элементы форм поверхностей: а – фаска, б – конус, в – галтель, г – проточка (один из вариантов)

134

гой стороны, радиус галтели должен быть меньше величины фаски в отверстии насаживаемого колеса (иначе колесо своим торцем не сможет упереться в буртик вала). Галтели стандартизованы.

Применение проточек необходимо для выхода инструмента при чистовой обработке поверхности (например, для выхода шлифовального круга). Проточки подразделяются на цилиндрические и торцевые. Они стандартизованы, технологичны, но создают повышенную концентрацию напряжений.

Галтели, проточки и фаски относятся к технологическим элементам форм валов и штоков и на чертежах обычно не изображаются. На рабочих чертежах допускается не показывать фаски, притупляющие кромки: они назначаются технологом автоматически.

Отказы валов и штоков, в основном, вызываются:

•усталостным разрушением от действия, главным образом, изгибающих и крутящего моментов;

•недостаточной жесткостью или потерей устойчивости (при работе штоков на сжатие);

•недостаточной вибропрочностью и виброустойчивостью.

8.3 Опоры подвижных деталей

Опоры предназначены для поддержания подвижных частей механических систем. Вместе, опоры (например, корпуса, рамы) и удерживаемые ими детали (например, валы, штоки), образуют опорный узел, части которого геометрически и функционально взаимосвязаны. В реальной конструкции подвижной может быть любая из этих частей. Но для удобства изложения условимся считать относительно подвижной – опирающуюся деталь, а неподвижной – опору.

8.3.1 Общая характеристика опор

Общая классификация опор представлена на рис. 8.31.

Вид относительного движения опираемых деталей является основным, функциональным признаком опор. Он задается условиями работы. Возможны два вида движения и соответствующих им типа опор.

1.Опоры поступательного движения, направляющие. Обеспечивают линейное перемещение деталей (например, штоков) в заданном направлении.

2.Опоры вращательного движения. Подразделяются на сферические и цилиндрические и обычно называются подшипниками. Сферические подшипники создают пространственную шарнирную опору. Цилиндрические подшипники обеспечивают свободу движения в окружном

(по ϕ ) направлении, но фиксируют в радиальном (по r). При этом в осевом направлении (по z) детали могут быть либо подвижны (опоры с двумя степенями свободы, плавающие), либо зафиксированы (с одной степенью свободы, фиксированные).

Плавающие опоры (рис. 8.32а) применяют в случаях, когда осевая фиксация деталей создается другими средствами и необходимо избежать образования статически неопределимой системы.

Например, установка вала одного из колес шевронной передачи. В этой передаче относительная осевая фиксация шестерни и колеса обеспечивается V-образной формой линии зуба. И при осевой фиксации одного из колес, установка второго на валу с плавающими опорами не только не накладывает избыточных осевых связей, но и компенсирует (благодаря осевой подвижности) погрешности зацепления, т.е. делает возможной равномерную передачу потоков мощности по полушевронам.

136

жение более податливо, а ближайшая к консоли опора (на рисунке б – правая) испытывает существенные радиальные нагрузки.

По способу обеспечения осевой фиксации различают три вида статически определимых схем установки опор: “враспор”, “врастяг”, “с одной фиксированной и другой – плавающей опорами”.

Схема “враспор” (рис. 8.32б). Здесь каждая из опор фиксирует вал только в одном осевом направлении: правая – вправо, левая – влево (например, упором буртиков вала в торцы опор, как показано на рисунке). Схема конструктивно проста, но допускает заклинивание опор при осевом тепловом удлинении вала, превышающем удлинение опорно-корпусных деталей. Во избежание этого при сборке в опорах оставляют начальный зазор ∆ , такой чтобы при выходе изделия на стационарный температурный режим работы этот зазор выбирался без образования излишнего осевого натяга. Зазор выставляют либо посредством точного изготовления осевых линейных размеров деталей подшипникового узла, либо регулировкой. Схему “враспор” рекомендуют применять при коротких валах и небольшом перепаде температуры (при малых тепловых удлинениях), либо где не требуется высокой точности осевого позиционирования звеньев и допустим люфт.

Рис.8.33 – Разнесенное (а) и консольное (б) расположение опор

Схема “врастяг” (рис. 8.32в). Здесь каждая из опор тоже фиксирует вал только в одном осевом направлении, но правая – влево, а левая – вправо (например, упором буртиков вала в торцы опор, как показано на рисунке). Схема считается более сложной при монтаже и регули-

а)

б)

в)

г)

д)

е) ж)

Рис.8.32 – Схемы установки опор (а – плавающие, б,в,г – статически определимые, д – статически неопределимые) и воспринимаемые ими нагрузки (е). Схема самоустанавливающейся опоры (ж)

137

ровке, однако даже начально затянутые подшипники не заклиниваются при тепловом удлинении вала (при удлинении вала относительно опорно-корпусных деталей осевые люфты увеличиваются). Однако заклинивание возможно при охлаждении подшипникового узла.

Схема “с одной фиксированной и другой – плавающей опорами” (рис. 8.32г, где левая опора – фиксирующая вал в обоих осевых направлениях, а правая – плавающая). Тепловое удлинения вала, установленного по этой схеме, не вызывает заклинивание опор даже при отсутствии начальных осевых зазоров: вал свободно удлиняется в сторону плавающей опоры. Однако такая схема конструктивно сложнее.

Основная характеристика опор – их нагрузочная способность, т.е. способность воспринимать радиальную Fr и осевую Fa составляющие усилия – реакции (рис. 8.32е). Они возникают вследствие действия инерционных, гравитационных и рабочих нагрузок. По виду этих реакций опоры (подшипники) подразделяются на следующие группы:

•радиальные (опорные), предназначенные для восприятия радиальных реакций, т.е. поддержания детали в радиальном направлении;

•упорные (осевые), предназначенные для восприятия осевых реакций;

•радиально-упорные, предназначенные для одновременного восприятия радиальных и осевых реакций. Если необходимо подчеркнуть преимущественное восприятие подшипником

осевой нагрузки по сравнению с радиальной, то его называют упорно-радиальным. Условием хорошей работы цилиндрической опоры служит отсутствие перекоса оси вала

относительно оси отверстия опоры. Это достигается точностью изготовления, выбором соответствующей схемы, уменьшением до предела расстояния между опорами, увеличением жесткости вала, самоуравновешиванием внешних нагрузок. В случае, если требуемая соосность все же не обеспечивается, то применяют самоустанавливающиеся опоры: подшипник выполняют составным с подвижной внутренней частью, которая позволяет валу поворачиваться относительно основной опоры (например, благодаря промежуточной сферической опоре, рис. 8.32ж), не нарушая соосности опорных цилиндрических поверхностей.

По принципу действия опоры подразделяются на опоры скольжения и опоры качения. Опоры в виде катков и полозьев использовались людьми уже в давние времена. В конструкциях более распространенными были опоры скольжения. С 18 века н.э. опоры начали выполнять разъемными, с вставными вкладышами. В 1839 г. И.Баббит (США) предложил изготавливать вкладыши из прочного металла, а поверхность контакта заливать антифрикционным сплавом. Массовое производство подшипников качения и вытеснение ими опор скольжения началось с 1883 г., когда в Германии приступили к широкому заводскому производству вело-

сипедов с шариковыми опорами качения.

8.3.2Опоры скольжения

Вопорах скольжения опирающиеся детали скользят по поверхности подшипника. Качество опоры характеризуется коэффициентом трения скольжения между контактирующими поверхностями деталей. Он влияет не только на потери энергии в опорах (оцениваемые КПД), но

иизнос деталей и, следовательно, их преждевременный выход из строя. Наилучшие условия работы, с наименьшим трением, достигаются в опорах из антифрикционных материалов и/или при разделения трущихся поверхностей слоем смазки. В особых случаях применяют опоры с иным принципом действия – на магнитной подушке.

Разделяющая способность смазки основывается на расклинивающем эффекте жидкости, находящейся под давлением. Давление может возникать либо в процессе относительного движения самих деталей (в динамике, это – гидродинамические подшипники), либо создаваться принудительно (гидростатические подшипники).

Наиболее благоприятен случай, когда слой смазки так разделяет трущиеся поверхности, что они не касаются друг друга (опирающаяся деталь "плавает"). Это – режим жидкостного

139

рующий с подвижной деталью, – из подшипникового материала. В целях экономии антифрикционного материала и повышения жесткости вкладыша (как опоры) его, в свою очередь, также могут выполнять составным, биметаллическим: тонкий антифрикционный слой наносят на жесткую основу (на внутреннюю поверхность втулки, рис. 8.35в). Если же антифрикционный слой наносить непосредственно на опорную поверхность, то не смотря на простоту конструкции усложняется ремонт: требуется значительная разборка подшипникового узла с восстановлением изношенного слоя.

Опорные поверхности валов и штоков могут иметь коническую и сферическую формы, но наиболее распространены цилиндрическая и плоская торцевая. На рис. 8.35 показаны примеры установки валов на опорах скольжения с использованием вкладышей: по схеме “враспор” (а) и по схеме “с одной фиксированной (левая) и другой (правая) плавающей опорами” (б). Радиальная нагрузка воспринимается цилиндрической (опорной) частью вкладыша, а осевая – его торцами или торцами выступов. Посадка вала во вкладыш должна обеспечивать свободу движения, а вкладыша в отверстие опоры – его хорошую центровку и фиксацию (хотя зафиксировать еще можно и другими способами). При проектировании опор жидкостного трения величина зазора в посадке рассчитывается и оптимизируется.

По условиям сборки узла возможны вкладыши в виде цельных втулок, либо разъемные. Так, на рис. 8.35б разъемным является вкладыш левой опоры, что видно по разному направлению штриховки его верхней и нижней половинок. Это связано с особенностью расположения вкладыша на валу, недопускающего его осевой сборки.

На рис. 8.35в показан пример самоустанавливающейся опоры: благодаря контакту вкладыша с основной опорой по сферической поверхности радиуса R, вкладыш может поворачиваться, оставаясь соосным расположенному в нем валу. Для удобства монтажа такой опоры корпус выполнен разъемным, поэтому направление штриховки его верхней и нижней частей различно.

а)

б)

вкладыши

в)

Рис.8.35 – Установка валов на опорах скольжения Основные геометрические параметры опор скольжения (рис. 8.35а):

•диаметр шейки (опорного участка) вала d;

•длина опорной части l. Изменение ее величины неоднозначно влияет на работоспособность опоры: с увеличением длины снижается средняя величина контактного давления и умень-

140

шаются утечки смазки через торцы подшипника, но возрастает неравномерность распределения этого давления, и в том числе – кромочное давление, связанное с перекосом опирающихся деталей (валов, штоков) относительно оси отверстия. К опорной поверхности подшипника предъявляются высокие требования по соосности и цилиндричности, а также чистоте шероховатости;

•наружный Dн и внутренний d диаметры кольцевой упорной части подшипника. К упорному кольцу, особенно у детали, выполненной из твердого (и плохо прирабатываемого) материала, предъявляют высокие требования по перпендикулярности и торцевому биению, чистоте шероховатости.

Отказы опор скольжения вызываются:

•перегревом опор;

•изнашиванием из-за загрязненной смазки, недостаточности толщины масляного слоя в опоре жидкостного трения, кромочного давления и других причин;

•схватыванием (в опоре полужидкостного трения) и усталостным выкрашиванием антифрикционного слоя.

Смазка в опорах скольжения имеет очень важное значение:

•уменьшает потери на трение;

•отводит тепло, выделяющееся вследствие трения (при наличии системы циркуляции);

•предотвращает схватывание рабочих поверхностей;

•предохраняет от износа и коррозии.

Выбор вида смазки зависит от конкретных условий и режима эксплуатации, материалов контактирующих деталей и состояния их поверхностей. Это могут быть следующие виды смазки (подробнее – в разделе "Смазывание"):

•твердая. Эффективна в экстремальных условиях (вакуум, очень высокие и низкие температуры и т.п.) и при редких перемещениях;

•пластичная. Удерживается на вертикальных валах, хорошо герметизирует узлы и упрощает их обслуживание;

•жидкая. Позволяет значительно уменьшить величину коэффициента трения в опоре (особенно – жидкостного трения), эффективно отводит тепло;

•газовая (в аэродинамических и аэростатических опорах). Позволяет максимально снизить величину коэффициента трения в опоре, имеет неограниченный ресурс, экологически чистая.

8.3.3Опоры качения

Вопорах качения между поверхностями относительно подвижных деталей действует трение качения. Оно возникает благодаря разделению этих поверхностей промежуточным слоем тел качения: шариками или роликами. В точке контакта тело качения и опорная поверхность относительно неподвижны, т.е. отсутствует относительное скольжение, и, следовательно, износ. На практике в чистом виде качение не существует: ему всегда сопутствует пусть незначительное проскальзывание, связанное с пробуксовкой, юзом и контактной микродеформацией.

Качество опоры характеризуется коэффициентом трения качения. В частности, он тем меньше, чем меньше площадка контакта и, следовательно, тверже и прочнее контактирующие поверхности. Но выполнять детали подшипникового узла целиком из материалов с такими свойствами (а это – высокопрочные, закаленные до высокой твердости специальные подшипниковые стали) экономически и технологически не всегда оправдано. Большое распространение получили подшипниковые узлы с промежуточной опорой – подшипником качения. Такой подшипник, в общем случае, включает тела качения (обязательный элемент), наружное и внутреннее кольца (по дорожкам которых катятся тела качения) и сепаратор.