Приближенный расчет валов на прочность

Введение

Цель курсового проектирования – систематизация, углубление, закрепление и практическое применение знаний, полученных студентами при изучении материаловедения и технологии конструкционных материалов.

Разрабатывая проект по выбору марки стали и технологического процесса термической и упрочняющей обработки металла одной из деталей машины или механизма, фрагмента конструкции я ознакомился со многими вещами, государственными стандартами (ГОСТ), различными нормативами и решил конкретные задачи в области технологии изготовления и обработки деталей.

.

Строение вала

Валом называется деталь привода, передающая крутящий момент. Вал, как правило, также воспринимает и поперечные нагрузки.

На валы устанавливают подшипники, зубчатые колеса, шкивы, звездочки и другие детали. Для каждой из этих деталей на валу имеется особая цилиндрическая поверхность, называемая шейкой. На вал крутящий момент передается зубчатыми колесами, шкивами, звездочками, полумуфтами при помощи шпоночных или шлицевых соединений этих деталей с валом. Шпоночные и шлицевые соединения служат также для передачи вращения от данного вала к другому. На валы надеваются подшипники, которые вставляют в корпус механизма, например, шпиндель с подшипниками устанавливается в шпиндельную бабку станка.

Вал (рис.1) имеет опоры 2, называемые подшипниками. Часть вала, охватываемую опорой, называют цапфой. Концевые цапфы именуют ши­пами 3, а промежуточные — шейками 4.

Рис.1. Прямой вал: 1 — вал; 2 — опоры вала; 3 — цапфы; 4 — шейка

Материалы валов

Основными критериями работоспособности валов являются жесткость, объемная прочность и износостойкость при относительных микроперемещениях, которые вызывают коррозию.

В качестве материала для валов чаще всего применяют углеродистые и легированные стали (прокат, поков­ка и реже стальные отливки), так как они обладают высокой прочностью, способностью к поверхностному и объемному упрочнению, легко получаются прокаткой цилиндрические заготовки и хорошо обрабатываются на станках, а также высокопрочный модифицированный чугун и сплавы цветных металлов (в приборостроении). Для неответствен­ных малонагруженных конструкций валов и осей применяют углеродистые стали без термической обработки. Ответственные тяжело нагруженные валы изготовляют из легированной стали 40ХНМА, 25ХГТ и др. Без терми­ческой обработки применяют стали 35 и 40, Ст5, Стб, 40Х, 40ХН, ЗОХНЗА, с термической обработкой — стали 45, 50 и др.

Шейки валов, работающие на трение в подшипниках скольжения, должны иметь более твердую поверхность (НRС=50-60), что может быть достигнуто применением закалки TBЧ или це­ментации и закалки.

При небольших диаметрах зубчатых колес вал и шестерню выполняют как одно целое. В этом случае материал для изготовления вала-шестерни выбирают в соответствии с требованиями, предъявляемыми к материалу шестерни.

Механическую обработку валов обычно производят в центрах, для чего заготовки валов снабжают центровыми отверстиями. Канавки, галтели, шпоночные пазы на одном валу желательно иметь одинаковых размеров, чтобы обработать их одним и тем же инструментом.

В автомобильной и тракторной промышленности коленчатые валы двигателей изготавливают из ковкого или высокопрочного чугуна.

Приближенный расчет валов на прочность

Основными расчетными силовыми факторами для валов явля­ются изгибающие М_н и крутящие М_к моменты.

Влияние растягивающих и сжимающих сил незначительно, поэтому, как правило, в расчетах не учитывается.

Методом оценки прочности осей и валов является сравнение расчетных напряжений с допускаемыми по следующим условиям прочности:

; , (1)

где , — возникающие (расчетные) напряжения изгиба и кручения в опасном сечении вала, оси; и — допускаемые напряжения на изгиб и на кручение.

Спроектированные валы и оси с учетом обеспечения статической или усталостной прочности иногда выходят из строя вследствие недоста­точной их жесткости или из-за вибрации. Кроме того, малая жесткость на­рушает нормальную работу зубчатых передач и подшипников. Валы и оси дополнительно рассчитывают на жесткость и колебания.

При этом методе расчета различие характера циклов изменения нор­мальных и касательных напряжений и их влияние на прочность не учиты­вают.

В зависимости от действия нагрузок возможны два случая приближен­ного расчета валов на прочность: расчет только на кручение и расчет на со­вместное действие кручения и изгиба.

Приближенный расчет выполняют как проектировочный, на основе которого ориентировочно устанавливают диаметры характерных сечений вала с последующим уточнением коэффициентов запаса прочности по выносливости (уточненный расчет см. ниже).

Расчет валов на кручение.

При этом расчете обычно определяют диаметр выходного конца вала или диаметр вала под подшипником (под опорой), который испытывает только кручение.

Исходя из условия прочности (1) выполняют проектировочный рас­чет

(5)

и проверочный расчет

(6)

где d — расчетный диаметр вала; М_к — крутящий момент вопасном сече­нии вала; и — расчетное и допускаемое напряжения кручения в опасном сечении вала (для сталей 45 и Ст5 = 25 ÷ 35 МПа).

Расчет валов на совместное действие кручения и изгиба.

Участок вала между опорами (под шестерней, колесом и т.п.) рассчи­тывают на совместное действие кручения и изгиба по эквивалентному мо­менту М_экв.

Эквивалентный момент вычисляют обычно по формуле (при расчете по теории максимальных касательных напряжений):

(7)

где М_и и М_к — изгибающий и крутящий моменты.

По аналогии с рассмотренными выше случаями расчета выполняют:

проектировочный расчет

(8)

и проверочный расчет

(9)

где — эквивалентное напряжение для расчетного сечения вала.

Получив расчетным путем размеры, с учетом технологии изготовления проектируют конструктивную форму вала.

Приближенный расчет на совместное действие кручения и изгиба для неответственных конструкций валов можно считать основным. Уточнен­ный расчет на выносливость можно не производить, если соблю­дается условие

(9а)

где — предел выносливости материала при изгибе (симметричный цикл); K_d — масштабный коэффициент; — эффективный коэффициент концентрации напряжений в опасном сечении; — допускаемый коэф­фициент запаса прочности по выносливости.

Расчёт вала

Для расчёта вала на изгиб вал рассмат­ривают как балку на шарнирных опорах. На расчетных схемах силы и вра­щающие моменты условно принимают как сосредоточенные.

Схемы нагружения валов зависят от количества и места установки на них вращающихся деталей и направления действия сил. При сложном нагружении выбирают две ортогональные плоскости (например, фронтальную и горизонтальную) и рассматривают схему в каждой плоскости. Рассчитываются, конечно, не реальные конструкции, а упрощённые расчётные модели, представляющие собой балки на шарнирных опорах, балки с заделкой и даже статически неопределимые задачи.

Расчёты проведём со следующими параметрами:

Изготовление

Сталь 45 является одной из самых стойких конструкционных качественных сталей. "сталь 45" означает, что в сталь 45 содержит 0,45 % углерода. Сталь 45 приобретает свою повышенную прочность благодаря различным приемам термической обработки. Так сталь 45 может подвергаться двойной термообработке с высоким температурным отпуском, многофазовой обработке термическим методом. Возможно также легирование стили 45 азотом. Сталь 45 теряет свою прочность при нагревании ее до 200 градусов.

Поэтому для изготовления вала используется среднеуглеродистая сталь 45.

В качестве заготовки принимаем прокат - калиброванная круглая сталь (ГОСТ 7417-57). Диаметр проката D = 170 мм. Так как возможна погрешность изготовления детали проката. Далее нам необходимо проточить деталь до требуемого номинального размера - 166 мм., длиной 4000_-0,5 мм.

Обтачивание вала выполняется на многорезцовых станках. Многорезцовое обтачивание обеспечивает повышение производительности по сравнению с обычной токарной обработкой благодаря совмещению переходов и автоматическому получению операционных размеров. Установка резцов производится по эталонной детали или вне станка, применяя сменные блоки. Обработка валов на многорезцовых станках требует относительно длительной их наладки, поэтому этот метод применяется в серийном производстве.

При черновой обработке мощность станка необходимо использовать по максимуму, поэтому подача назначается самая максимальная. Резцы в этом случае используем проходные отогнутые, но тогда после окончания точения ступени останется конусная поверхность. Во избежание этого перед черновым точении необходимо нарезать канавки. Чистовая обработка производится проходными упорными резцами.

Получение шпоночных пазов. Так как пазы глухие, то они обрабатываются торцевой (пальцевой) фрезой. При изготовлении закрытых шпоночных пазов в серийном производстве применяют шпоночно-фрезерные полуавтоматы.

Следующая операция - шлифование. Оно производится в две операции: предварительное и чистовое шлифование. При обработке на круглошлифовальных станках технологической базой являются центровые отверстия на торцах заготовки. От качества центровых отверстий зависит точность обработки, поэтому перед шлифованием центровые отверстия подвергаются исправлению путем шлифования конусным кругом. Обработка производится методом врезного шлифования, применяемое при обработке шеек незначительной длины. В серийном производстве шлифование этим методом выполняется по автоматическому циклу, что обеспечивает лучшее качество обработки и повышает производительность.

Поиск по сайту: