Материалы валов и их термообработка

Р.А. Жилин Ю.Б. Рукин И.Ю. Кирпичёв

ВАЛЫ ПРИВОДОВ:
ОСНОВЫ РАСЧЁТА

Учебное пособие

ГОУВПО «Воронежский государственный
технический университет»

Р.А. Жилин Ю.Б. Рукин И.Ю. Кирпичёв

ВАЛЫ ПРИВОДОВ:
ОСНОВЫ РАСЧЁТА

Утверждено Редакционно-издательским
советом университета в качестве
учебного пособия

УДК 621.81.001.66

Жилин Р.А. Валы приводов: основы расчёта: учеб. пособие / Р.А. Жилин, Ю.Б. Рукин, И.Ю. Кирпичёв. – Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2009. 226 с.

Учебное пособие содержит задания на курсовой проект по дисциплине «Детали машин и основы конструирования». В пособии приведены необходимые для выполнения расчетов теоретические материалы.

Издание соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования для студентов механических специальностей 151001 «Технология машиностроения», 151002 «Металлообрабатывающие станки и комплексы», 150201 «Машины и технология обработки металлов давлением, 150202 «Оборудование и технология сварочного производства», 220402 «Роботы и робототехнические системы» всех форм обучения.

Предназначено для студентов второго курса очной формы обучения.

Курсовой проект оформляется согласно требованиям СТП ВГТУ 62-2007.

Учебное пособие подготовлено на магнитном носителе в текстовом редакторе MS WORD 2000 и содержится в файле Валы_основы_расчёта.doc.

Табл. 36. Ил. 113. Библиогр.: 8 назв.

Научный редактор д-р техн. наук, проф. В.А. Нилов

Рецензенты: кафедра технической механики ВГТА
(зам. зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. В.Г. Егоров);
канд. техн. наук, доц. Б.Б. Еськов

Введение

Вращающиеся детали (шкивы, зубчатые колеса) машин устанавливаются на осях или валах, которые обеспечивают постоянное положение их оси вращения (рисунок 1).

Оси – детали машин, которые служат лишь для поддержания вращающихся на них деталей. Они не передают полезного крутящего момента и работают только на изгиб.

Валы в отличие от осей не только поддерживают вращающиеся детали, но и передают по всей длине или на отдельных участках крутящий момент.

Как и оси, валы передают на опоры силы, возникающие в передачах (например, силы в зацеплении зубчатых колес и т.д.), при этом они подвержены действию изгибающих моментов.

Некоторые валы не поддерживают вращающиеся детали (карданные валы автомобилей, валки прокатных станков и др.) поэтому работают только на кручение.

Рисунок 1 – Типовая конструкция вала в сборе

Валы подразделяются (рисунок 2):

а) по назначению – валы передач, на которых устанавливаются зубчатые колеса, звездочки, муфты и др. детали передач и коренные валы, несущие кроме деталей передач рабочие органы машин – колеса или диски турбин, кривошипы, маховики и др.;

б) по форме геометрической оси – прямые и коленчатые;

в) по форме сечений – гладкие, шлицевые и профильные.

Прямые валы подразделяются на валы постоянного диаметра (трансмиссионные, судовые); валы ступенчатые (большинство валов); валы с фланцами для соединения по длине, а также валы с нарезанными шестернями или червяками; полыевалы.

Рисунок 2 – Типы осей и валов: прямая ось (а), ступенчатый вал (б), коленчатый вал (в), гибкий вал (г), полый вал (д)

Форма вала по длине определяется распределением нагрузок по длине, т.е. эпюрами изгибающих и крутящих моментов; условиями восприятия осевых нагрузок и условиями технологии изготовления и сборов.

Форма вала по длине определяется распределением нагрузок по длине, т.е. эпюрами изгибающих и крутящих моментов, а также условиями восприятия осевых нагрузок и технологией изготовления и сборки. Эпюры моментов по длине вала неравномерны, крутящий момент обычно передается не на всей длине, изгибающие моменты на опорах вала равны нулю. Поэтому целесообразно конструировать валы переменного сечения, приближающимися к телам равного сопротивления. Помимо этого ступенчатая форма валов значительно облегчает изготовление и сборку.

В авиа- и вертолетостроении при жестких требованиях к массе конструкции очень широко применяют полые валы (рисунок 3).

а

б

в

Рисунок 3 – Полые вала летательных аппаратов

На рисунке 4 приведен график зависимости момента сопротивления W равнопрочных на изгиб и кручение цилиндрических деталей от толщины стенок (с – отношение внутреннего и наружного диаметров ) и постоянно заданной массы детали [19].

Рисунок 4 – Моменты сопротивления полых валов

График свидетельствует о преимуществах пустотелых тонкостенных конструкций. При с = 0,9 момент сопротивления детали увеличивается в 4,5 раза, а при с = 0,95 – в 6 раз по сравнению с цельной, массивной деталью. Увеличение относительного размера наружных диаметров с одновременным введением внутренних полостей и отверстий (полые валы) приводит к резкому возрастанию показателей прочности и жесткости при одновременном уменьшении массы детали.

Полый вал с отношением внутреннего и наружного диаметров c = 0,75 при равной прочности и жесткости получается легче сплошного на 50%.

Конструкция валов

Элементы вала

Посадочные поверхности (под ступицы зубчатых колес, шкивов, звездочек и т.п.) характеризуются шероховатостью и величиной диаметра. Диаметры выбираются из стандартного ряда посадочных размеров. Переход диаметров ступеней определяется: стандартными диаметрами посадочных поверхностей под ступицы и подшипники, возможностью восприятия осевых сил и условиями сборки. Перепад диаметров смежных посадочных поверхностей назначается обычно в пределах 4…7 мм в диапазоне диаметров 20…90 мм.

Шпонкина валах, по возможности следует располагать в одной плоскости.

Цапфы (шейки) вала – участок вала, которым он опирается на подшипник и воспринимает радиальную нагрузку, называется цапфой. Цапфы валов для подшипников качения выполняют цилиндрическими малой длины. Диаметры вала под подшипники качения – из стандартного ряда внутренних диаметров подшипников.

Устройства для передачи осевых нагрузок (рисунок 5).

Тяжелые нагрузки передаются упором деталей в ступы на валу или посадкой этих деталей с натягом.

Средние осевые нагрузки передают гайками, штифтами и другими устройствами.

Легкие осевые нагрузки передаются стопорными винтами или пружинными кольцами.

Канавки для выхода шлифовальных кругов (рисунок 6, а) обычно выполняются для валов Ø 10…50 мм, шириной в = 3 мм и глубиной е = 0,25 мм, а для валов Ø 50…100 мм в = 5 мм; е = 0,5 мм. Канавки должны иметь максимальные радиусы. Канавки существенно повышают стойкость шлифовальных кругов, но вызывают значительную концентрацию напряжений и понижают прочность валов при переменных напряжениях. Канавки также необходимы на концах участков с резьбой для выхода резьбонарезного инструмента.

Рисунок 5 Устройства для передачи осевых нагрузок
посадка детали с натягом (a); упор детали в уступ (b);
передача нагрузки гайкой (c); передача нагрузки штифтом (d);
передача нагрузки стопорным винтом (e); передача нагрузки
пружинными кольцами (f)

Галтель постоянного радиуса (рисунок 4, б). Радиус «r» галтели выбирают меньше радиуса закругления (r₁) насаживаемых деталей.

Разгрузочная канавка выполняется путем удаления малонапряженного материала (рисунок 4, в). При этом напряжения распределяются более равномерно и концентрация их снижается.

Рисунок 6. Переходные участки валов
канавка (а); галтель (б); разгрузочная канавка (в)

Материалы валов и их термообработка

Выбор материала и термообработки валов и осей определяется их критериями работоспособности, в том числе критериями работоспособности цапф с опорами. Основными материалами для изготовления валов и осей служат углеродистые и легированные стали, благодаря их прочности, большому модулю упругости, хорошей способности к упрочнению.

Прямые валы и оси для средних нагрузок изготавливаются без термообработки из углеродистых сталей 25, 30, 35, Ст 3, Ст 4, Ст 5. Для большинства валов применяют термически обрабатываемые стали 45, 40Х (термообработка – улучшение).

Тяжело нагруженные валы и оси изготавливаются из легированных стали: 40ХН, 40ХНМА, 30ХГС и др.

Быстроходные валы, вращающиеся в подшипниках скольжения, требуют весьма высокой твердости цапф. Их изготавливают из цементируемых сталей 12Х, 20Х, 12ХН3А или азотированной стали типа 38МЮА.

Для изготовления вал-шестерен применяют материал шестерни, выбранный при расчёте зубчатого зацепления.

Участок вала в месте установки уплотнений рекомендуется термообработать на глубину h 0,3÷0,4 мм, 45÷48 HRC.

Заготовками для стальных валов Ø до 150 мм служит круглый прокат, а для валов большего диаметра – поковки.

Поиск по сайту: