Вал и ось. Конструктивные элементы валов и осей

1. Вал

Вал – деталь машины, предназначенная для обеспечения взаимодействия размещенных на них деталей механических передач.

Взаимодействовать могут подвижные детали с подвижными, например, шестерни в зубчатой передаче, а также подвижные детали с неподвижными. Например, опоры с подшипниками качения, которые воспринимают нагрузку от валов, передают ее неподвижному корпусу и таким образом дают возможность работать передаче. Это взаимодействие обеспечивает передачу крутящего момента вдоль осевой линии вала.

Валы машин, которые кроме деталей передач несут рабочие органы машины, называются коренными. Коренной вал станков с вращательным движением инструмента или изделия называется шпинделем. Вал, распределяющий механическую энергию по отдельным рабочим машинам, называется трансмиссионным. В отдельных случаях валы изготовляют как одно целое с цилиндрической или конической шестерней (вал-шестерня) или с червяком (вал-червяк).

По форме геометрической оси валы бывают прямые и гибкие (с изменяемой формой оси). Простейшие прямые валы имеют форму тел вращения.

На рис. 1 показаны прямые валы: гладкий (а), ступенчатый (б) и коленчатый (в). Ступенчатые валы являются наиболее распространенными. Для уменьшения массы или для размещения внутри них других деталей валы иногда делают с каналом по оси. В отличие от сплошных такие валы называют полыми.

Рис. 1. Валы

2. Ось

Ось – деталь машин и механизмов, служащая для поддержания вращающихся частей, но не передающая полезный крутящий момент.

Оси (рис. 2) бывают вращающиеся (а) и неподвижные (б). Вращающаяся ось устанавливается в подшипниках. Примером вращающихся осей могут служить оси железнодорожного подвижного состава, примером невращающихся – оси передних колес автомобиля.

Рис. 2. Оси

Из определений видно, что при работе валы всегда вращаются и испытывают деформации кручения или изгиба и кручения, а оси – только деформацию изгиба (возникающими в отдельных случаях деформациями растяжения и сжатия чаще всего пренебрегают).

Опорная часть вала или оси называется цапфой. Концевая цапфа называется шипом, а промежуточная – шейкой (рис. 3, а). Опорой для них служат радиальные или радиально-упорные подшипники скольжения или качения. Шейка в отличие от шипа, который несет только радиальную нагрузку FA, несет радиальную нагрузку FB и передает крутящий момент с концевой головки на промежуточную и, следовательно, работает еще и на кручение. Поэтому диаметр этой шейки должен быть больше диаметра головки d В, размер которого определяется расчетом, и диаметра шипа. Участки вала и оси, на диаметрах поверхностей которых закрепляются детали, воспринимающие или передающие нагрузку, называют головками или подступицами.

Рис. 3. Элементы валов

Концевая цапфа, предназначенная нести преимущественно осевую нагрузку, называется пятой (рис. 3, б). Опорами для пят служат подпятники – упорные подшипники скольжения или качения.

По форме цапфы могут быть цилиндрическими, коническими, шаровыми и плоскими (пяты).

Кольцевое утолщение вала (между шипом и головкой) (рис. 3, а), составляющее с ним одно целое, называется буртиком. Переходная поверхность от одного сечения вала к другому, служащая для упора насаживаемых на вал деталей (от шипа к буртику для упора подшипника), называется заплечиком (рис. 3, а).

3. Материалы валов и осей

Требованиям работоспособности валов и осей наиболее полно удовлетворяют углеродистые и легированные стали, а в ряде случаев – высокопрочные чугуны. Выбор материала, термической и химико-термической обработки определяется конструкцией вала и опор, техническими условиями на изделие и условиями его эксплуатации. Для большинства валов применяют стали марок Сталь 45, Сталь 40Х и др., а для ответственных конструкций – Сталь 40ХН, Сталь З0ХГТ и др. Рабочие поверхности валов из этих сталей подвергают термической обработке (улучшению, поверхностной закалке ТВЧ и др.).

Быстроходные валы, вращающиеся в подшипниках скольжения, требуют высокой твердости цапф, поэтому их изготовляют из цементируемых сталей марок Сталь 20Х, 12Х2Н4А, 18ХГТ или азотируемых сталей марок Сталь 38Х2МЮА и др.

Обычно валы подвергают токарной обработке, термической обработке с последующим шлифованием и отделочной обработке посадочных поверхностей и цапф. Для этого посадочные поверхности и галтели подвергают суперфинишной обработке или полировке.

Концевые участки валов выполняют цилиндрическими (рис. 4) или коническими (рис. 5). Посадка деталей на конус обеспечивает легкость сборки и разборки, высокую точность базирования, возможность создания любого натяга. Поэтому консольные концы валов редукторов серийного производства, как правило, делают конусными. Поскольку цилиндрические концы валов проще в изготовлении, то при единичном и мелкосерийном производствах они имеют преимущественное распространение.

Рис. 4. Концы валов цилиндрические: а – шейка; б – шейка с наружной резьбой

Рис. 5. Концы валов конические с конусностью 1:10: а – с наружной; б – с внутренней резьбой

На торцах валов располагают центровые отверстия с углом конуса α=60° (рис. 6), которые используют в качестве технологических баз при изготовлении валов и осей и при проверке погрешностей, которые образуются при обработке и эксплуатации валов и осей (а), а также применяют для монтажных работ, транспортирования и хранения в вертикальном положении (б). Фаска под углом 120° защищает резьбу и конусную поверхность центрового отверстия от забоин (см. в конце табл. 1).

Рис. 6. Центровые отверстия на торцах валов

Форма вала по длине определяется конструктивно с учетом распределения нагрузок, т. е. эпюрами изгибающих и крутящих моментов, условиями сборки и технологией изготовления. Однако следует стремиться к форме профиля вала, приближающегося к форме бруса с равнопрочными сечениями или равного сопротивления изгибу.

Поверхности валов, предназначенные для установки деталей, передающих вращающий момент в машинах, механизмах и приборах, выполняют по форме и по размерам с допусками, которые обеспечивают сопряжение валов с этими деталями.

Требования к шероховатости поверхности деталей и посадки деталей на валах приведены в табл. 1 и 2.

Таблица 1. Рекомендуемая шероховатость на различных участках вала

Таблица 2. Посадки деталей на валах

Валы и оси конструктивно связывают через подшипники вращающиеся детали с корпусными деталями. Предварительные размеры шеек валов определяют расчетом, затем после определения способа соединения вращающихся деталей с валом (шпоночным, шлицевым или др.) уточняют размеры посадочных мест и конструкцию валов.

В местах изменения диаметра вала или оси делают переходы. Конструктивно они должны быть выполнены так, чтобы прилегание детали к буртику или торцу переходной поверхности было плотным, без зазора. Если переход от цилиндрической поверхности к вертикальной торцевой поверхности буртика или к торцу переходной поверхности выполнен по радиусу, то такой переход называют галтелью (рис. 7, а), а если с проточкой, в виде канавки, то называют поднутрением (рис. 7; б, в).

Рис. 7. Конструктивные переходы в местах изменения диаметров вала