Глава 8. ВАЛЫ

В машиностроении наиболее распространены прямые валы в форме тел вращения, устанавливаемые в подшипниковых опорах.

Валы, передающие только крутящий момент от одной детали к другой, называют торсионными (рессорами).

Часто передача крутящего момента связана с появлением осевых и радиальных сил. Валы обычно подвержены действию крутящего и изгибающего моментов, а также перерезывающих и продольных сил.

Реже встречаются валы, используемые лишь для поддержания вращающихся деталей и не передающие полезного крутящего момента. Такие валы называют осями.

Для обеспечения работоспособности валы и оси должны удовлетворять условиям прочности, жесткости и технологичности.

В специальных конструкциях к валам предъявляют дополнительные требования: износостойкости, устойчивости, минимальной массы и т. п.

КОНСТРУКТИВНЫЕ ФОРМЫ И МАТЕРИАЛЫ ВАЛОВ

В зависимости от распределения нагрузок вдоль оси вала и условий сборки прямые валы выполняют ступенчатыми (рис. 1, а) или гладкими (рис. 1, б).

Расчет на прочность паяиых соединений проводят так же, как и расчет сварных соединений. Контроль качества паяиых соединений аналогичен контролю сварных соединений.

Более распространены валы ступенчатые, близкие по форме к балкам равного сопротивления изгибу. Такие валы удобны при сборке, а уступы используют обычно для упора деталей, насаживаемых на вал, и передачи осевых усилий. При конструировании ступенчатых валов необходимо иметь в виду, что любая насаживаемая неразъемная деталь должна проходить до своего места посадки на валу без натяга (во избежание ослабления посадок из-за повреждения поверхностей).

Диаметры посадочных поверхностей (под ступицы колес, звездочек и др.) следует выбирать из стандартного ряда посадочных размеров, а диаметры посадочных поверхностей под подшипники качения — из стандартного ряда внутренних диаметров подшипников.

Конструктивная форма зависит от нагрузок на вал и, как следствие, от способа соединения вала с насаживаемыми на него деталями.

При больших крутящих моментах и повышенных требованиях к центрированию применяют шлицевые соединения (см. гл. 5). Для снижения напряжений на шлицевых участках валов целесообразно увеличивать внутренний диаметр шлицев на 15—20% по сравнению с диаметром вала (рис. 2). Входные кромки шлицев на валу должны иметь фаски для облегчения монтажа и снижения коитактиых давлений при работе.

Если соединение передает (помимо крутящего момента) осевое усилие, то

Рис. 1. Прямые валы

осуществляют затяжку соединения, фиксируя его в осевом направлении с помощью упорного буртика, который выполняют обычно на гладкой части вала.

При средних значениях крутящего момента и менее высоких требованиях к точности центрирования применяют шпоночные соединения (см. гл. 5). При действии осевых усилий соединяемые детали также фиксируются в осевом направлении затяжкой (рис. 3). Для зубчатых колес 7-й степени точности и выше рекомендуется применять шлицевые соединения независимо от крутящего момента.

Если шпоночное соединение собирается с гарантированным иатягом, то необходямо предусмотреть возможность направления паза ступицы на шпонку до начала участка с натягом (например, за счет удлиненной направляющей фаски и т. д.).

Соединение валов и ступиц (шкивов, колес и др.) часто осуществляют с гарантированным натягом (см. гл. 6). В таких соединениях имеется довольно высокая концентрация напряжений (см. с. 103). При конструировании валов следует предусмотреть меры по снижению концентрации напряжений вблизи кромок ступиц. Диаметр подступичной части вала для этих же Целей следует увеличивать на 5—10% по отиошению к соседним участкам. Для повышения сопротивления усталости подступичную часть вала желательно упрочнить поверхностным пластическим деформированием.

Для посадки подшипников на валах Делают заплечники или упорные буртики (рис. 4), их высота должна находиться в соответствии с размерами скруглений на кольцах подшипников и условиями демонтажа подшипников.

Переходные участки валов между соседними ступенями разных диаметров выполняют с полукруглой канавкой для выхода шлифовального круга (рис. 5, а), галтелью постоянного радиуса (рис. 5, б) и галтелями специальной формы (см. рис. 4).

Сопряжение шейки подшипника с соседним участком вала обычно осуществляют галтелью постоянного радиуса

Рис. 2. Шлицевое соединение

Рис. 3. Соединение шпоикой

Рис. 4. Сопряжения ступеней вала

Рис. 5. Галтели на валах

Рис. 6. Шлнцевое соединение валов

Рис. 7 Фланцевое соединении валов

В ряде конструкций применяют прямые полые валы. Каал уменьшает массу вала, его используют для размещения соосного вала, деталей управления, подачи масла и охлаждающего воздуха и т. п.

Часто для подвода масла к подшипникам или других целей вал изготовляют со сквозным поперечным отверстием, создающим высокую концентрацию напряжений. Для повышения прочности валов отверстия подвергаются дорновакию (шариком или дорном, см. гл. 34), края отверстий скругляют.

Длинные валы выполняют составными. Соосные валы соединяют с помощью шлицевых соединений (шлицевых муфт, рис. 6), или фланцевых соединений (рис. 7). Для передачи больших крутящих моментов и при ограниченных осевых габаритах используют соединения с торцовыми радиальными шлицами эвольвентного или, реже, треугольного профиля (рис. 8). Протяженность торцовых шлицев иногда сокращают, выполняя их секторами на участках между болтами. Подобным образом осуществляют соединения валов с дисками компрессоров и турбин.

Для изготовления валов в основном используют углеродистые стали марок также легированные стали марок и др. (табл. I).

Рис. 8. Соединение с помощью торцовых шлицев

1. Механические характеристики основных материалов валов

(см. скан)

Выбор материала, термической и химико-термической обработки определяется конструкцией вала (например, валы-шестерни изготовляют из низкоуглеродистых легированных сталей марок и других с последующей цементацией) и опор, требованиями к конструкции и условиями эксплуатации.

Быстроходные валы, вращающиеся в подшипниках скольжения, требуют высокой твердости цапф, поэтому их изготовляют из цементуемых сталей или азотируемых сталей и др.