Конструкции и материалы валов и осей

Размеры участков (ступеней) валов зависят от их назначения, т. е. от размеров деталей, с которыми они сопрягаются (контактируют) или от размеров элементов деталей, которые выполняются заодно с валом, например шестерни зубчатой передачи или ходового винта передачи винт—гайка. Опорные участки валов называются цапфами. Концевую цапфу называют шипом, расположенную в средней части вала — шейкой, торцевую цапфу — пятой. Шины и шейки выполняются цилиндрическими (реже коническими), пяты — кольцевыми. Отклонения формы и размеров цапф от заданных существенно влияют на работу механизма, поэтому они изготовляются с большой точностью.

Диаметры и длины гладких участков для ограничения номенклатуры режущего и мерительного инструмента следует назначать из стандартных рядов. Это участки под подшипники, зубчатые колеса, уплотнения, дистанционные втулки и свободные участки. При этом размеры участков под подшипники и уплотнения должны быть согласованы с их размерами. Размеры участков под зубчатые колеса и полумуфты зависят от размеров соединяющих элементов (шпонок, шлицов, штифтов) с проверкой этих элементов на прочность при передаче ими вращающих моментов.

Соотношение длины I и диаметра d участка сопряжения влияет на точность установки детали на валу. Необходимая точность установки, исключающая перекос, достигается при длине центрирования I = (0,8) 1,0…1,2(1,5)<2 (в скобках — менее предпочтительные соотношения). Длину центрирования I > 1,5d применять нецелесообразно, так как при этом точность центрирования увеличивается незначительно.

При длине центрирования I < 0,8d точность установки детали на валу определяется не сопряжением их по цилиндрической поверхности, являющейся базовой, а прилеганием детали к торцевой поверхности вала, что достигается упором в осевом направлении с помощью подшипника, а лучше силовым прижатием (например, с помощью гайки 9 на рис. 13.4, ё). При I < 0,8d для точности центрирования решающее значение имеет перпендикулярность торцевых поверхностей детали и вала относительно оси.

В процессе проектирования вала при выборе длин его участков для уменьшения массы и величины изгибающих моментов следует стремиться к уменьшению общей длины вала, особенно консольной его части, если на ней установлено зубчатое колесо или другая деталь. Консольное расположение деталей передач ухудшает компоновку всего узла вала и приводит к большой неравномерности распределения нагрузки между опорами, значительно больше нагружая ближайший к консоли подшипник. Наибольшее выравнивание нагрузки в этом случае достигается при расстоянии между центрами опор, равном удвоенному расстоянию от точки приложения консольной нагрузки до ближайшей опоры.

Переходные участки валов и осей. Форма и размеры переходных участков (галтелей, фасок, буртиков, канавок и проточек) определяются технологическими требованиями и требованиями прочности.

Переходные участки валов и осей для уменьшения концентрации напряжений в месте изменения диаметров выполняются по радиусу г в виде галтельного перехода (рис. 13.5), причем с увеличением радиуса концентрация уменьшается и прочность возрастает. На свободных переходных участках (при отсутствии насаживаемой детали, упирающейся в уступ вала) принимают г > 0,1 d> где d — наименьший диаметр в месте перехода. При таких значениях г концентрация напряжений будет незначительной. Однако при наличии сопрягаемой детали приходится назначать значение г меньше, что уменьшает прочность вала.

Для облегчения монтажа насаживаемых деталей на ступенях валов выполняются фаски под углом 45° с катетом с = 0,03…0,05d (меньшие значения при d > 50 мм, большие — при d < 20 мм). Выбранные по рекомендациям величины г и с округляются до стандартных значений 0,1; 0,12; 0,16; 0,2; 0,25; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,8; 1; 1,2; 1,6; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6; 8. На несопрягающихся ступенях при изготовлении вала выполняются малые фаски 0,1…0,2 мм (притупляются кромки).

При наличии насаживаемой детали, например ступицы зубчатого колеса или кольца подшипника, радиус галтели г вала или оси должен быть меньше радиуса скругления R или фаски с насаживаемой детали (рис. 13.5, а, б), иначе не будет обеспечено соприкосновение торцов сопрягаемых деталей или произойдет их защемление. Радиус галтели вала или оси вы;

d				г.	Я, с.
Свыше.		ДО.		0,4.	0,6.
		*.		0,6.	1,0.
".		*.		1,0.	1,6.
".		*.		1.6.	2,0.
*.		".		2,0.	2,5.
".		".		2,5.	3,0.
".		*.		3,0.	4,0.
*.		*.		4,0.	5,0.

бирается в соответствии с рекомендациями табл. 13.1. В случае малого размера радиуса скругления или фаски насаживаемой детали и необходимостью для снижения концентрации напряжений выполнить галтель вала с большим радиусом ставят кольцо с большой фаской (рис. 13.5, в) или применяют галтель с поднутрением (рис. 13.5, г). Для уменьшения концентрации напряжений на цилиндрической поверхности выполняются разгрузочные канавки (рис. 13.5, д).

Если на вал устанавливается подшипник качения с упором в буртик или уступ вала, то для плотного прилегания торца подшипника радиус галтели должен быть не более 0,8Д, где R — радиус скругления кольца подшипника, величина которого зависит от типоразмера подшипника и указана в соответствующем стандарте. Приближенно можно считать, что R = = 0,05(?> - d)_y где Dud — наружный и внутренний диаметры подшипника.

При необходимости шлифования участков вала предусматривается стандартная канавка для выхода шлифовального круга (табл. 13.2). Если центрирование сопряженной детали осуществляется только по цилиндрической поверхности, шлифуют только се. Этому отвечает канавка формы 1 или более упрощенная канавка формы 2. Если отношение длины центрирующей цилиндрической поверхности к ее диаметру меньше 0,8, необходимо шлифовать торец ступеньки вала, чтобы за счет принудительного поджима детали к торцу вала обеспечить более устойчивое положение детали. В этом случае используется канавка формы 3.

Наличие канавки для выхода шлифовального круга вызывает большую концентрацию напряжений, чем простая гал;

d	Ь	di	h	г.	Tj.
До 10.		d — 0,3.	0,2.	0,3.	0,2.
	1,6.	d — 0,3.	0,2.	0,5.	0,3.
		d — 0,5.	0,3.	0,5.	0,3.
Св. 10 до 50.		d — 0,5.	0,3.	1,0.	0,5.
Св. 50 до 100.		d- 1.	0,5.	i, 6.	0,5.

тель, что снижает прочность вала. Недостаточность запаса прочности в переходном сечении побуждает к выполнению простого радиусного перехода и обработке его соответствующим галтельным шлифовальным кругом, заправленным под нужный стандартный радиус. Однако в этом случае следует опасаться появления прижогов при шлифовании в зоне концентрации напряжений. При шлифовании на одном валу нескольких ступеней с различными диаметрами рекомендуется применять канавки одного размера.

Осевое фиксирование деталей на валу обеспечивается выполнением валов ступенчатыми и наличием у них буртиков. При этом деталь упирается в уступ или буртик.

Высота уступа или буртика на валу для осевого фиксирования насаживаемых деталей при отсутствии осевой нагрузки зависит только от размера фаски насаживаемой детали и должна превышать ее на 0,5…2 мм. При передаче осевых усилий эта высота выбирается из условия прочности на смятие. При установке на вал подшипников качения высота буртика или уступа определяется возможностью демонтажа подшипника. Подшипники качения монтируют и демонтируют с приложением усилия только к кольцу, поставленному с натягом (для вала с установленным на нем зубчатым колесом это внутреннее кольцо). Воздействовать на другое кольцо нельзя, так как в этом случае усилие будет действовать на тела качения и дорожки, которые при этом могут быть повреждены. Поэтому высота буртика или уступа h (рис. 13.6, а) должна быть меньше толщины кольца на величину а, достаточную для упора демонтажной втулки или лап съемника непосредственно в кольцо подшипника. Эта величина h зависит от типоразмера применяемого подшипника и регламентируется стандартом.

Если подшипник упирается не в буртик или уступ вала, а в другую деталь, то она может быть использована в качестве демонтажной втулки. В противном случае для захвата кольца съемником следует изменить форму детали (рис. 13.6, б). При высоте буртика или уступа больше необходимой, должны быть предусмотрены элементы, позволяющие применить съемник: прорези (рис. 13.6, в) или отверстия (рис. 13.6, г). Использование буртиков для осевого фиксирования деталей ведет к излишней потере материала и времени при обработке валов, поэтому по возможности буртики следует уменьшать по высоте, например путем применения распорных колец (рис. 13.7, а), или исключать совсем, например применяя пружинные упорные кольца (рис. 13.7, б). Однако использование пружинных упорных колец приводит к уменьшению сечения вала и к значительной концентрации напряжений, поэтому их не рекомендуется ставить в наиболее напряженной части вала.

Если на валу выполняются зубья шлицевого соединения, то желательно, чтобы диаметры ступеней вала с обеих сторон зубьев были меньше внутреннего диаметра зубьев. Тогда можно применить наиболее производительное и точное изготовление зубьев протягиванием. В противном случае применяется обработка долблением или фрезерованием. При долблении должна быть предусмотрена стандартная канавка для выхода долбяка (рис. 13.8, а). Ее размеры зависят от шири;

ны зубчатого венца Ь. Например, ширина b от 10 до 120 мм соответствует ширине канавки А от 3 до 20 мм. При фрезеровании также должен быть предусмотрен выход инструмента, зависящий от диаметра фрезы (рис. 13.8, б, в). Диаметры фрез для нарезания зубьев эвольвентного соединения изменяются от 50 мм (для модулей 0,5…1,25 мм) до 90 мм (для модулей.

4…5 мм). Примерно такой же диапазон диаметров имеют фрезы для выполнения прямобочных зубьев. Если длина нерабочего участка зубьев (участка выхода инструмента) не имеет значения, то на чертеже вала кроме длины участка с полным профилем I обозначают /?_инстр без указания величины, как показано на рис. 13.8, б. Но если длина участка должна быть ограничена, то на чертеже указывают размер l_l9 вычисленный с учетом диаметра фрезы (рис. 13.8, в). При желании увеличить длину I участка с полным профилем участок выхода фрезы может быть распространен на упорный буртик или цапфу вала, предназначенную для размещения подшипника качения (рис. 13.8, в). Для удобства сборки на начальном участке выполняется фаска высотой больше высоты зуба. Чтобы наличие фаски минимально уменьшало рабочую длину соединения, фаску делают под углом 30° (рис. 13.8, б).

Отверстия в валах и осях. Полые валы и оси выполняются с отношением диаметра отверстия к диаметру наружной поверхности С = 0,7…0,8 (меньшие значения — при меньших диаметрах). У валов большого диаметра это отношение может быть больше, но следует учитывать, что во избежание деформаций стенки при механической обработке она должна быть достаточно жесткой. Для достижения большей равнопрочности вала отверстия часто выполняются ступенчатыми, причем у высоконапряженных валов переход между ступенями делается плавным (см. рис. 13.1, б). Отверстия полых валов для герметизации закрываются заглушками, которые фиксируются в отверстиях посадкой с натягом, деформацией заглушки путем обжатия или обкатки, а также врезанием краев расплющиваемой заглушки.

В некоторых случаях в валах выполняются отверстия и полости для размещения деталей управления и регулирования, например деталей муфт, а также отверстия, служащие каналами для подвода смазочного вещества к трущимся поверхностям. Последние особенно часто делаются в неподвижных осях (см. рис. 13.2, а).

Материалы валов и осей. При выборе материала учитываются условия работы вала или оси и напряженное состояние. При выполнении вала или оси со шлицами или заодно с зубчатым колесом материал выбирается с учетом получения необходимой твердости поверхности зубьев.

В кинематических механизмах для валов используются углеродистые стали, а в некоторых случаях — даже алюминиевые сплавы и пластмассы. В малонагруженных силовых механизмах используются конструкционные стали, например сталь 45, а для среднеили тяжелонагруженных валов — легированные стали, например стали 40Х и 40ХН2МА соответственно. Материалы валов и осей чаще всего подвергаются улучшению (закалке с высоким отпуском), отдельные места (участки под уплотнения, цапфы подшипников скольжения и участки с зубьями) — поверхностной закалке токами высокой частоты (сталь 40ХН) или цементации (сталь 12Х2Н4А или 18Х2Н4МА). В некоторых случаях цементируют и цапфы под подшипники качения.

Валы и оси вытачивают из проката (валы и оси малого диаметра) или из поковок (валы большого диаметра или выполняемые совместно с колесом). У средненагруженных валов посадочные места часто дополнительно шлифуются. Тяжелонагруженные валы шлифуются по всей поверхности, а некоторые участки полируются. В ответственных случаях высоконагруженные участки подвергаются поверхностно-пластическому деформированию, например дробеструйному наклепу, обкатке роликами или алмазному выглаживанию. Следует учитывать, что дробеструйная обработка увеличивает шероховатость, а другие указанные обработки — уменьшают ее в 2…4 раза.