Валы и оси: роль, движение и нагрузки Вращающиеся детали, такие как шестерни, шкивы и барабаны, установлены на валах и осях. Оси не передают крутящий момент и могут вращаться вместе с деталью или оставаться неподвижными; они работают только при изгибе. Валы передают крутящий момент и одновременно подвергаются кручению и изгибу, иногда растяжению или сжатию. Классическим примером невращающейся оси является передняя ось заднеприводного автомобиля.
Функциональные и геометрические типы валов По назначению трансмиссионные валы являются приводными элементами, а главные валы также являются рабочими органами машин. По геометрии осей валы бывают прямыми или кривошипно‑шатунными (используются в кривошипно-ползунных механизмах для преобразования возвратно-поступательного и вращательного движения). Прямые валы могут быть гладкими постоянного сечения или ступенчатыми. Гибкие валы образуют отдельную группу, которая передает крутящий момент только между узлами, изменяющими взаимное положение.
Ступенчатый диаметр по сравнению с постоянным: преимущества при сборке и прочности Ступенчатые (профилированные) валы имеют разные диаметры и выступы, в отличие от валов постоянного диаметра. Их форма облегчает сборку: каждая деталь скользит на свое место и останавливается на выступе, а выступающие ступени могут выдерживать более высокие осевые нагрузки. Переменные сечения соответствуют неоднородным диаграммам изгибающих моментов и позволяют рассчитывать практически постоянные напряжения. Производство является более сложным, но функционально выгодным процессом.
Полые валы для экономии веса Чаще всего используются цельнолитые валы, в то время как полые валы снижают вес при более высокой стоимости. Преимущество в весе имеет значение там, где масса имеет решающее значение. Полые валы находят особое применение, например, в конструкциях самолетов.
Коленчатые валы и их форма зависят от назначения В качестве примеров можно привести прямые валы постоянного сечения, ступенчатые валы различного диаметра и коленчатые валы‑трансформеры. Коленчатые валы преобразуют возвратно-поступательное движение во вращательное и обратно. Общая форма зависит от назначения, характера и величины нагрузки, установки детали, условий сборки и технологичности. Ступенчатые конструкции остаются наиболее распространенными.
Цапфы, шейки и геометрия опор Зоны вала состоят из опорных цапф, посадочных (подшипниковых) секций и переходов. Цапфа, воспринимающая нагрузку на конце, называется торцевой цапфой, а нагруженная секция в середине пролета ‑ шейкой вала. Форма цапф выбирается в зависимости от направления нагрузки, фиксации, регулировки зазора и технологических требований. Цилиндрические цапфы несут радиальную нагрузку, конические цапфы также могут передавать осевую нагрузку и обеспечивать регулировку осевого зазора, а сферические выпуклые цапфы допускают угловое смещение.
Посадочные секции, крепление и передача крутящего момента Посадочные места могут быть цилиндрическими или коническими. Конические посадочные места обеспечивают точное центрирование и посадку без люфтов для больших, сильно нагруженных колес на концах вала, но их сложнее изготовить. Для осевого крепления используются выступы, посадка с натягом, гайки, установочные винты, пружинные шайбы или стопорные кольца. Крутящий момент передается с помощью натяга, шпонок, шлицев или профилированных соединений; для получения небольших крутящих моментов достаточно штифтов и установочных винтов. Диаметры посадочных мест для различных деталей различаются, торцы имеют фаски или закругления, а шпоночные пазы выровнены для упрощения процесса.
Конструкция, обеспечивающая удобство изготовления и сборки Сведите к минимуму количество ступеней и перепад диаметров. Убедитесь, что каждая установленная деталь, часто неразъемная, свободно проходит к своему посадочному месту и останавливается. Для нескольких деталей изменяйте посадочные диаметры, чтобы упростить последовательную сборку. Создайте фаски и радиусы на торцах, а также выровняйте шпоночные пазы по одной линии, чтобы упростить обработку и балансировку.
Переходы и контроль концентрации напряжений Простой инструмент ‑канавки для биения являются узкими и неглубокими, но создают высокую концентрацию напряжений и подходят только для зон с небольшой нагрузкой. Скругления с плавными радиусными переходами между участками снижают концентрацию напряжений и подходят для зон с высокой нагрузкой. Дополнительные меры включают в себя облегчение отверстий с увеличенными ступенями, увеличение радиусов скругления и закругления кромок, а также упрочнение материала в области надреза с помощью холодной обработки или термической/химико‑термической обработки.
Прочность, жесткость и вибрация как критерии проектирования Проектными показателями являются прочность, жесткость и виброустойчивость. Предварительный диаметр часто определяется исходя из прочности на кручение τ = T/W ≤ [τ], при этом используется уменьшенный допустимый сдвиг, поскольку изгиб еще не учитывается; для быстрой оценки можно также использовать диаметр присоединенного вала, передающего крутящий момент. Затем при проектировании фиксируются геометрия и длина сегментов, назначаются местные диаметры и проводятся проверки. Окончательная проверка включает статическую прочность, усталостные характеристики и, при необходимости, жесткость и вибрацию.
Комбинированная прочность на изгиб и кручение и диаметр Постройте диаграммы изгибающего и крутящего моментов с компонентами изгиба в ортогональных плоскостях и вычислите эквивалентный изгибающий момент. Определите опасный участок и примените критерий эквивалентного напряжения √(σb2 + 3τ2) ≤ [σ]. Перестановка позволяет получить значения диаметра для каждой секции, что позволяет производить калибровку по всему валу. Полученный набор определяет геометрию, пригодную для изготовления.
Проверка на усталость и влияющие факторы В ходе тщательной проверки на усталость учитываются временные характеристики напряжений, усталостные свойства материала, концентрация напряжений, влияние абсолютных размеров и качество обработки поверхности. При расчете используется соотношение взаимодействия, объединяющее пределы прочности для нормальных и сдвиговых напряжений, для получения общего коэффициента прочности на усталость. Коэффициент должен соответствовать допустимому значению или превышать его. Учитываются эффективные коэффициенты концентрации и пределы выносливости при изгибе в симметричных циклах.
Пределы жесткости: Прогиб и наклон Избыточное смещение вала повреждает связанные с ним детали, поэтому прогиб и угол наклона должны оставаться в пределах допустимого. Прогиб и угол наклона рассчитываются по формулам прочности материалов, а допустимые значения берутся из справочных данных. Типичные ограничения включают максимальное отклонение в 0,5 мм в сальниковой коробке и около 0,01 рад в радиальных шарикоподшипниках.
Критическая скорость и виброустойчивость Силы дисбаланса вызывают колебания; резонанс при совпадении частот возбуждения и собственных колебаний вызывает завихрение и быстрый рост амплитуды, что приводит к поломке. Критическая скорость соответствует пороговому значению. Для надежной работы требуется ω ≤ 0,7·wcrit для жестких валов. Гибкие валы должны удовлетворять wcrit ≥ 1,3·ом.
Подшипники скольжения: Конструкция и центровка Подшипники соединяют вращающиеся валы или оси с корпусом, минимизируя трение. Подшипники скольжения состоят из корпуса и вкладышей; неразъемные корпуса просты, но не поддаются регулировке, в то время как разъемные корпуса облегчают сборку и регулирование зазора. Самоустанавливающиеся версии со сферическими опорными поверхностями или узкими дисковыми шарнирами позволяют регулировать деформацию вала или устанавливать его на различных основаниях. Возможности смазки варьируются от простого отверстия до полноценной системы трубопроводов или каналов.
Материалы и режимы смазки подшипников скольжения Преобладают металлические антифрикционные материалы с мягкими пластиковыми матрицами, содержащими более твердые включения: баббиты различных марок, серебро и освинцованные бронзы. Сухое трение напрямую связано с неровностями и нежелательно из-за износа и заедания. Граничное трение основано на очень тонких адсорбированных пленках; предпочтительнее гидродинамическое жидкостное трение с достаточно толстой масляной пленкой, регулируемой гидромеханикой. Чисто жидкостное трение требует достаточной толщины пленки и давления, однако часто используются смешанные режимы полусухого/полужидкого трения.
Проектирование подшипников скольжения с учетом нагрузки, износа и высокой температуры Гидродинамическая конструкция гарантирует, что масляная пленка выдержит всю нагрузку, а ее толщина превысит суммарную шероховатость цапфы и вкладыша. При работе в полусухом или полужидком состоянии размер зависит от допустимого давления, износостойкости и термостойкости. Среднее давление на проектируемую поверхность не должно превышать допустимых значений, а материал p·v должен соответствовать допустимому пределу, чтобы избежать нагревания и образования царапин. Предварительные размеры соответствуют этим критериям и уточняются после проверки на износ и нагрев.
Подшипники качения: типы, нагрузки и характеристики Подшипники качения состоят из внутреннего и наружного колец с дорожками качения, элементов качения (шариков или роликов) и сепаратора, который разделяет элементы. По нагрузке они бывают радиальными, радиально‑осевыми и упорными. Радиальные шарикоподшипники с глубокими канавками являются наиболее распространенными, выдерживают в основном радиальные и небольшие осевые нагрузки, обеспечивают высокие скорости вращения и допускают небольшие перекосы. Радиально‑упорные конструкции включают в себя радиально‑упорные шарики и конические ролики для комбинированных и ударных нагрузок; упорные шариковые и роликоподшипники переносят односторонние осевые нагрузки на вертикальные валы и нуждаются в отдельных радиальных подшипниках при наличии радиальных нагрузок.
Рулоны, ряды, Самовыравнивание, серии, коды и срок службы Формы роликов включают короткие/длинные цилиндрические, бочкообразные (сферические), конические и игольчатые; цилиндрические и игольчатые конструкции выдерживают высокие радиальные нагрузки, но не допускают осевой нагрузки или перекоса, а игольчатые подшипники имеют минимальный радиальный размер и иногда не имеют внутреннего кольца. Подшипники бывают однорядными или многорядными и могут быть самоустанавливающимися со сферическими дорожками качения и цилиндрическими роликами или сферическими шариками, допускающими смещение примерно на 2-3°. Размерные ряды варьируются от сверхлегких до тяжелых, ширина ‑ от очень узкой до очень широкой, а классы точности ‑ от 0 (обычный) до 2; стандартная маркировка читается справа налево: последние две цифры указывают внутренний диаметр в мм (×5), где 00=10, 01=12, 02=15, 03=17, предыдущая цифра указывает серию, следующая - тип, а цифры исполнения указывают на такие особенности, как удерживающая канавка. Срок службы оценивается по формуле L = a1·(C/P)^p, где p=3 для шариков и 3,33 для роликов, где P ‑ эквивалентная динамическая нагрузка, полученная с использованием коэффициентов X и Y, коэффициента вращения V, коэффициента эксплуатации Ks и температурного фактора t, и где конструкции с угловым контактом создавайте дополнительную осевую силу, пропорциональную радиальной нагрузке.