21Валы и оси

21.1Общие вопросы

Вращающиеся детали (шкивы, зубчатые колеса) машин устанавливаются на осях или валах, которые обеспечивают постоянное положение их оси вращения (рисунок 20.1).

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.

Рис. 21.99 – Типовая конструкция вала в сборе

Валы подразделяются (рисунок 20.2):

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; полые валы.

Рис. 21.100 – 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 20.3).

а

б

в

Рис. 21.101 – 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].

Рис. 21.102 – 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%.