Призначення, конструкції і матеріали осей і валів

Призначення осей і валів.

Осі служать для підтримки обертових разом з ними або на них різних деталей машин і механізмів. Обертання осі разом з встановленими на ній деталями здійснюється щодо її опор, званих підшипниками. Прикладом невращающейся осі може служити вісь блоку вантажопідйомної машини (рис. 1, а), а обертається осі - вагонна вісь (рис. 1, б). Осі сприймають навантаження від розташованих на них деталей і працюють на вигин.

Конструкції осей і валів.

Вали на відміну від осей призначені для передачі крутних моментів і в більшості випадків для підтримки обертових разом з ними щодо підшипників різних деталей машин. Вали, що несуть на собі деталі, через які передається крутний момент, сприймають від цих деталей навантаження і, отже, працюють одночасно на вигин і кручення. При дії на встановлені на валах деталі (конічні зубчасті колеса, черв'ячні колеса і т. Д.) Осьових нагрузок.вали додатково працюють на розтягнення або стиснення. Деякі вали не підтримують деталі, що обертаються (карданні вали автомобілів, з'єднувальні валки прокатних станів і т. П.), Тому ці вали працюють тільки на крутіння. За призначенням розрізняють вали передач, на яких встановлюють зубчасті колеса, зірочки, муфти та інші деталі передач, і корінні вали, на яких встановлюють не тільки деталі передач, а й інші деталі, наприклад маховики, кривошипи і т. Д.

Осі являють собою прямі стрижні (рис 1, а, б), а вали розрізняють прямі (рис. 1, в, г), колінчаті (рис. 1, д) і гнучкі (рис. 1, е). Широко поширені прямі вали. Колінчасті вали в кривошипно-шатунних передачах служать для перетворення зворотно-поступального руху в обертальний або навпаки і застосовуються в поршневих машинах (двигуни, насоси). Гнучкі вали, що представляють собою багатозахідні кручені з дротів пружини кручення, застосовують для передачі моменту між вузлами машин, міняють своє відносне положення в роботі (механізований інструмент, прилади дистанційного керування і контролю, стоматологічні бормашини і т. П.). Колінчаті і гнучкі вали відносяться до спеціальних деталей, їх вивчають у відповідних спеціальних курсах. Осі і вали в більшості випадків бувають круглого суцільного, а іноді кільцевого поперечного перерізу. Окремі ділянки валів мають круглий суцільне або кільцевий переріз із шпоночною канавкою (рис. 1, в, г) або зі шліцами, а іноді профільне перетин. Вартість осей і валів кільцевого перетину звичайно більше, ніж суцільного перетину; їх застосовують у випадках, коли потрібно зменшити масу конструкції, наприклад в літаках (див. також осі сателітів планетарного редуктора на рис. 4), або розмістити всередині іншу деталь. Порожні зварні осі і вали, виготовлені зі стрічки, розташованої по гвинтовій лінії, дозволяють знижувати масу до 60%.

Осі невеликої довжини виготовляють однакового діаметра по всій довжині (рис. 1, а), а довгі і сильно навантажені - фасонними (рис. 1, б). Прямі вали в залежності від призначення роблять або постійного діаметра по всій довжині (трансмісійні вали, рис. 1, в), або ступінчастими (рис. 1, г), тобто різного діаметру на окремих ділянках. Найбільш поширені ступінчасті вали, так як їх форма зручна для установки на них деталей, кожна з яких має до свого місця проходити вільно (вали редукторів см. В статті "Зубчасті редуктори" рис. 2, 3, і "Черв'ячна передача" рис. 2 ; 3). Іноді вали виготовляють заодно з шестернями (див. Рис. 2) або черв'яками (див. Рис. 2, 3).

Ділянки осей і валів, якими вони спираються на підшипники. називають при сприйнятті радіальних навантажень цапфами, при сприйнятті осьових навантажень - п'ятами. Кінцеві цапфи, що працюють в підшипниках ковзання. називають шипами (рис. 2, а), а цапфи, розташовані на деякій відстані від кінців осей і валів, - шийками (рис. 2, б). Цапфи осей і валів, що працюють в підшипниках ковзання, бувають циліндричними (рис. 2, а), конічними (рис. 2, в) і сферичними (рис. 2, г). Найпоширеніші - циліндричні щшфи, так як вони найбільш прості, зручні і дешеві у виготовленні, встановленні та роботі. Конічні і сферичні цапфи застосовують порівняно рідко, наприклад для регулювання зазору в підшипниках точних машин шляхом переміщення вала або вкладиша підшипника, а іноді для осьового фіксування осі або валу. Сферичні цапфи застосовують тоді, коли вал крім обертального руху повинен здійснювати кутове переміщення в осьовій площині. Циліндричні цапфи, що працюють в підшипниках ковзання, зазвичай роблять трохи меншого діаметру в порівнянні з сусідньою ділянкою осі або вала, щоб завдяки заплічок і буртиком (рис. 2, б) осі і вали можна було фіксувати від осьових зсувів. Цапфи осей і валів для підшипників кочення майже завжди виконують циліндричними (рис. 3, а, б). Порівняно рідко застосовують конічні цапфи з невеликим кутом конусності для регулювання зазорів в підшипниках кочення пружною деформацією кілець. На деяких осях і валах для фіксування підшипників кочення поруч з цапфами передбачають різьблення для гайок (рис. 3, б;) або кільцеві виточки для фіксуючих пружинних кілець.

П'яти, що працюють в підшипниках ковзання, званих підп'ятниками, роблять зазвичай кільцевими (рис. 4, а), а в деяких випадках - гребінчастими (рис. 4, б). Гребінчасті п'яти застосовують при дії на вали великих осьових навантажень; в сучасному машинобудуванні вони зустрічаються рідко.

Посадочні поверхні осей і валів, на яких встановлюють рухомі деталі машин і механізмів, виконують циліндричними і набагато рідше конічними. Останні застосовують, наприклад, для полегшення постановки на вал і зняття з нього важких деталей при підвищеної точності центрування деталей.

Поверхня плавного переходу від одного ступеня осі або вала до іншого називається жолобником (див. Рис. 2, а, б). Перехід від ступенів меншого діаметра до ступені більшого діаметра виконують з округленій канавкою для виходу шліфувального круга (див. Рис 3). Для зниження концентрації напружень радіуси заокруглень галтелів і канавок приймають можливо великими, а глибину канавок - меншою (ГОСТ 10948-64 і 8820-69).

Різниця між діаметрами сусідніх ступенів осей і валів для зниження концентрації напружень повинна бути мінімальною. Торці осей і валів для полегшення установки на них деталями, які обертаються і упередження травмування рук роблять з фасками, т. Е. Злегка обточують на конус (див. Рис. 1. 3). Радіуси заокруглень галтелів і розміри фасок нормалізовані ГОСТ 10948-64.

Довжина осей зазвичай не перевищує 2. 3 м, вали можуть бути довшими. За умовами виготовлення, транспортування і монтажу довжина цільних валів не повинна перевищувати 6. 7 м. Довші вали роблять складовими і окремі частини їх з'єднують муфтами або за допомогою фланців. Діаметри посадочних ділянок осей і валів, на яких встановлюються обертові деталі машин і механізмів, повинні бути узгоджені з ГОСТ 6636-69 (СТ РЕВ 514-77).

Матеріали осей і валів.

Осі і вали виготовляють з вуглецевих і легованих конструкційних сталей, так як вони мають високу міцність, здатність до поверхневого і об'ємного зміцнення, легкістю отримання прокаткою циліндричних заготовок і хорошою оброблюваністю на верстатах. Для осей і валів без термообробки використовують вуглецеві стали Ст3, Ст4, Ст5, 25, 30, 35, 40 і 45. Осі і вали, до яких висувають підвищені вимоги до несучої здатності і довговічності шліців і цапф, виконують з середньовуглецевих або легованих сталей з поліпшенням 35, 40, 40Х, 40НХ і ін. Для підвищення зносостійкості цапф валів, що обертаються в підшипниках ковзання, вали роблять із сталей 20, 20Х, 12ХНЗА і інших з подальшою цементацією і загартуванням цапф. Відповідальні важко навантажених вали виготовляють з легованих сталей 40ХН, 40ХНМА, 30ХГТ і ін. Важконавантажених вали складної форми, наприклад, колінчаті вали двигунів, роблять також з модифікованого або високоміцного чавуну.