Валы и оси, опоры валов, муфты

Механика 1.3
Лекция 8
Валы и оси
Вал - деталь (как правило, гладкой или ступенчатой цилиндрической формы),
предназначенная для поддержания установленных на ней шкивов, зубчатых
колес, звездочек, катков и т. д., и для передачи вращающего момента.
Ось - деталь, предназначенная только для поддержания установленных на ней
вращающихся деталей
Классификация валов и осей
По форме геометрической оси
Прямые (гладкие и ступенчатые), коленчатые (только валы) и
гибкие (только валы).
Классификация валов и осей
По форме поперечного сечения
сплошные и полые (с осевым отверстием). Полые валы применяют для
уменьшения массы или для размещения внутри другой детали
По внешнему очертанию поперечного сечения
шлицевые и шпоночные, имеющие на некоторой длине шлицевой профиль
или профиль со шпоночным пазом.
Конструктивные элементы валов и осей
Цапфы — опорные участки вала или оси.
Их подразделяют на шипы, шейки и пяты.
Шипом называют цапфу, расположенную на конце вала или оси и
передающую преимущественно радиальную силу
Шейкой называют цапфу в средней части вала или оси.
Опорами для шипов и шеек валов служат подшипники.
Пятой называют цапфу, передающую осевую силу.
Опорами для пят служат подпятники.
Переходные участки
Переходные участки валов и осей между двумя ступенями разных
диаметров являются концентраторами напряжений.
Принимаются меры по снижению концентрации напряжений
Проточка (канавка)
со скруглением
Галтель переменного
радиуса
Галтель постоянного
радиуса
Разгрузочная
канавка
Материалы валов и осей
Требование к валам и осям: должны хорошо обрабатываться, быть
прочными ииметь высокий модуль упругости
Сталь
• Ст5, Ст6 – для валов и осей без упрочняющей термообработки
• 45, 40Х – для валов с термообработкой
• 20, 20Х – для быстроходных валов
Критерий работоспособности
Прочность и жесткость
Статическая прочность
На изгиб
Сопротивление усталости
На кручение
На изгиб
На кручение
Расчет валов
Проектировочный
Определяется по пониженному напряжению на кручение [τ]=20…30 МПа
d
3
16T
  [ ]
Проверочный расчет на сопротивление усталости
M и  M 2x  M 2y
Mк
32 M и  1
 a  и 

3
[ s ]
d
8M к  1
a  к / 2 

3
[ s ]
d
a , a
 1 ,  1
[ s]
Амплитуда циклов при изгибе и кручении
Предел выносливости при симметричном цикле
Коэффициент запаса прочности (1,5-2,5)
Опоры валов и осей
Fм
Fr
Подшипники (подпятники)
 Радиальные
 Упорные (осевые)
 Радиально-упорные
 Скольжения
 Качения
Подшипники скольжения
1 – канал подачи смазочного материала;
2 – вкладыш;
3 – корпус;
4 – зазор, заполненный смазочным материалом;
5 – цапфа вала
Виды подшипников скольжения
Неразъемный подшипник
Упорный с сегментным
вкладышем
Разъемный подшипник
Радиальный
самоустанавливающийся
Радиально-упорный
Материалы изготовления
Корпус – СЧ15, СЧ18, СЧ20
Вкладыши - должны обладать достаточной износостойкостью, высокой
сопротивляемостью заеданию, низким коэффициентом трения, высокой
теплопроводностью.
• Оловянистые бронзы БрО10Ф1, БрО4Ц4С17
• Алюминиевые (БрА9Ж3Л) и свинцовые (БрС30) бронзы
(необходимы закаленные цапфы)
• Баббиты Б88, Б83
• Чугун АЧС-1
• Металлокерамика
• Антифрикционные самосмазывающие пластмассы, текстолит,
резину.
Режим работы по трению
Жидкостное трение – слой масла между трущимися поверхностями
превышает высоту неровностей поверхностей (коэф. трения 0.001-0.005)
Полужидкостное – преобладает жидкостное трение над сухим
Полусухое – преобладает сухое трение
Смазка
 Жидкие смазочные материалы (наиболее
предпочтительны)
 Консистентные (густые) смазочные
материалы
 Твердые смазочные материалы
Подшипники скольжения
Достоинства
Недостатки
малые радиальные габариты
большие осевые габариты
бесшумная работа
значительный расход смазочного
материала
Отсутствие проскальзывания
потери на трение в период пуска и при
несовершенной смазке
возможность работы на высоких
частотах вращения
Необходимость использования дорогих
и труднодоступных вкладышей
большая долговечность в условиях
жидкостного трения
Необходимость систематического
контроля смазки
Устойчивость к ударным и
вибрационным нагрузкам
Нестандартизованность
Подшипники качения
Основа – тела качения
Устройство подшипника качения
5
1. Наружное кольцо;
2. Внутреннее кольцо;
3. Сепаратор;
4. Дорожка качения на
внутреннем кольце;
5. Дорожка качения на наружном
кольце;
10.Тела качения (шарики)
10
Подшипники качения
Достоинства
Недостатки
небольшие потери на трение
чувствительность к ударам и вибрациям
вследствие большой жесткости
подшипника
взаимозаменяемость, облегчающая
монтаж и ремонт подшипниковых
узлов
сравнительно большие радиальные
габаритные размеры
малые пусковые моменты
шум при работе с высокой частотой
вращения
Стандартизованность = массовое
производство = невысокая
стоимость
нетребовательность к смазке и
уходу
Классификация подшипников качения
По форме тел качения
 шариковые;
 роликовые;
 цилиндрические
 конические
 игольчатые
 бочкообразные
 витые
По числу рядов тел качения:
 однорядные;
 двухрядные;
 многорядные;
По радиальным габаритам
 сверхлегкие;
 особо легкие;
 легкие;
 средние;
 тяжелые
По направлению действия
воспринимаемой нагрузки:
 радиальные;
 радиально-упорные
 упорные
 упорно-радиальные
По условиям эксплуатации
 самоустанавливающиеся;
 несамоустанавливающиеся;
По классу точности
0
6
5
4
2
По ширине
 узкие;
 нормальные;
 широкие;
 особо широкие;
Подшипник шариковый однорядный
Наиболее распространенный
Регламентируется ГОСТ 8338-75
Предназначен для восприятия радиальной нагрузки
Может воспринимать осевую нагрузку, до 70% от
неиспользованной радиальной
Шарикоподшипник упорный
Регламентируется ГОСТ 7872-89
Одинарные и двойные
Предназначен для восприятия осевой нагрузки,
одинарный – одностороннюю, двойной двухстороннюю
Применяется при низких окружных скоростях
Шарикоподшипник радиально-упорный однорядный
Регламентируется ГОСТ 831-75
Предназначен для восприятия одновременно
радиальной и односторонней осевой нагрузки
Повышенная грузоподъемность по сравнению с
радиальным однорядным шарикоподшипником
Два встречных подшипника обеспечивают
двухстороннюю осевую нагрузку и повышенную
радиальную
Роликоподшипник радиальный
Регламентируется ГОСТ 8328-75
Имеет 8 типов конструкции, без бортов и с бортами на
наружном и внутреннем кольцах
Повышенная грузоподъемность по сравнению с
шарикоподшипником
Конструкция без бортов легко разбирается в осевом
направлении
Роликоподшипник конический однорядный
(радиально-упорный)
Регламентируется ГОСТ 333-79
Предназначен для восприятия одновременно
значительных радиальной и односторонней осевой
нагрузок
Повышенная грузоподъемность (+90%) по
сравнению с радиально-упорным
шарикоподшипником
Широко распространен как опора в редукторах со
значительными осевыми нагрузками (червячные,
конические)
Установка подшипников качения
С одной плавающей опорой
Фиксированные опоры
Установка подшипников качения на вал
(фиксация внутреннего кольца )
Со стопорным
кольцом
Упорной гайкой
Торцовой шайбой
Внатяг (выбором посадки)
Дополнительно уступом
вала
Конической
втулкой и
упорной гайкой
Установка подшипников качения на вал
(фиксация наружного кольца )
Уступом в
крышке
подшипника
Посадкой и дополнительно
уступом в корпусе
Уступами к
корпусе и крышке
Уступами в
стакане и крышке
Уплотнения
Алгоритм расчета при выборе подшипников при n>1об/мин
C  Pm L
C – динамическая грузоподъемность подшипника, это нагрузка, которую выдерживает
группа идентичных подшипников при неподвижном наружном кольце в течение срока
службы, исчисляемого в 1 млн. об.
P – эквивалентная динамическая нагрузка, нагрузка, соответствующая реальным
условиям эксплуатации (при неподвижном наружном кольце)
m=3 – для шарикоподшипников, m=10/3 – для роликоподшипников
Предварительный выбор подшипника по диаметру вала
(первоначально выбирается из легкой серии)
Расчет P, L
Проверочный расчет на динамическую грузоподъемность или
долговечность выбранного подшипника
Муфты
Муфтами приводов называют устройства, соединяющие валы
совместно работающих агрегатов и передающие вращающий момент.
Основное назначение муфт — передача вращающего момента без
изменения его значения и направления.
Дополнительные функции муфт: поглощение вибраций и толчков, защита
машины от перегрузок, включение и выключение рабочего механизма
машины без остановки двигателя и т.п.
Классификация муфт
Классификация муфт
Жесткие (глухие) муфты
Втулочная, неразъемная
Фланцевая, разъемная
Простые, дешевые
Не компенсируют несоосность валов, динамические нагрузки
Используются в легких машинах со спокойной нагрузкой
Компенсирующие жесткие муфты
Упругие муфты
Неметаллические упругие элементы
Металлические упругие элементы
Упругие муфты
Упругие муфты
Спасибо за внимание!
До встречи на зачете