Виды и назначение валов и осей
1). Общее сведение.
2). Разновидности валов и осей.
3). Конструктивные элементы валов и осей.
4). Материалы валов и осей.
1). Зубчатые колёса, шкивы, звёздочки и другие вращающиеся детали машин устанавливают на валах или осях.
Вал предназначен для поддержания сидящих на нём деталей и передачи вращающегося момента. При работе вал испытывает изгиб и кручение, а в отдельных случаях дополнительно растяжение и сжатие.
Ось – это деталь, предназначена для поддержания сидящих на ней деталей. В отличие от вала ось не передаёт крутящего момента и, следовательно, не испытывает кручения. Оси могут быть неподвижными или вращаться вместе с насаженной на неё деталей.
2). По геометрической форме валы делятся на прямые, коленчатые и гибкие. Коленчатые и гибкие валы относятся к специальным деталям и в настоящем курсе не рассматривается. Оси, как правило, изготавливают прямыми. По назначению прямые валы и оси могут быть гладкими или ступенчатыми. Образование ступеней связанно с нагрузкой отдельных сечений, а так же условиями изготовления и удобства сборки. По типу сечения валы и оси бывают сплошные и полые. Полые сечения применяются для уменьшения массы или для размещения внутри себя другой детали.
3). Участки вала или оси, лежащие на опорах, называют опорными. Они подразделяются на три разновидности:
I. Шипом называется цапфа, которая расположена на конце вала или оси и передающая радиальную нагрузку.
II. Шейкой называется цапфа, которая расположена в средней части вала или оси. Опорами для опор и шеек служат подшипники. Шипы и шейки могут быть сферическими, коническими и цилиндрическими.
III. Пятой называют цапфу, которая передаёт осевую нагрузку. Опорами для пят служат подпятники. Пяты могут быть сплошными, кольцевидными и гребенчатыми. Они применяются редко.
4). Материалы валов и осей должны быть прочными, легко обрабатываться и иметь высокий модуль упругости. Прямые валы и оси изготовлены в основном из углеродистых и легированных сталей. Для валов и осей без термообработки применяют стали СТ – 5, СТ – 6, для валов с термообработкой применяют стали СТ – 45, СТ – 40Х. Быстроходные валы, работающие в подшипниках скольжения, изготавливают из стали СТ – 20, СТ – 20Х, СТ – 12Х, СТ – 3А. Цапфы этих валов цементируют для повышения износостойкости. Валы и оси обрабатывают на токарных станках с последующим шлифованием цапф и посадочных гнезд.
Портал Проза.ру предоставляет авторам возможность свободной публикации своих литературных произведений в сети Интернет на основании пользовательского договора. Все авторские права на произведения принадлежат авторам и охраняются законом. Перепечатка произведений возможна только с согласия его автора, к которому вы можете обратиться на его авторской странице. Ответственность за тексты произведений авторы несут самостоятельно на основании правил публикации и законодательства Российской Федерации. Данные пользователей обрабатываются на основании Политики обработки персональных данных. Вы также можете посмотреть более подробную информацию о портале и связаться с администрацией.
Ежедневная аудитория портала Проза.ру – порядка 100 тысяч посетителей, которые в общей сумме просматривают более полумиллиона страниц по данным счетчика посещаемости, который расположен справа от этого текста. В каждой графе указано по две цифры: количество просмотров и количество посетителей.
© Все права принадлежат авторам, 2000-2023. Портал работает под эгидой Российского союза писателей. 18+
Чем отличается вал от оси?
Вал, в том числе и коленчатый, передает вращение о чего-то к чему-то.
А на оси просто вращается какая-то фигня и всех делов.
А вот коленчатый вал преобразует вращательное движение в поступательно-обратное. На этом и стоят все двигатели автомобилей, танков, самолетов. И вообще, всей ерунды, изготовленной человеком, что нынче двигается.
И никаких щибко мудрых рассуждений вокруг этого быть не может. Ось человеческая цивилизация придумала еще около десяти тысяч лет назад. Скорее, еще раньше. На нее однажды догадались надеть колесо. И понеслась вокруг оси и колеса вся древняя механика. Чуть позже догадались эту ось коленчатой сделать. Движения однообразные, прямолинейные стали сложными и во все стороны.
Вал отличается от Оси в первую очередь своим функциональным назначением. Отсюда и различия во внешнем виде и качестве исполнения.
Ось выглядит вот так (в качестве образца ось велосипедного колеса) —
А вот это Вал (в качестве примера Приводной вал автомобиля с шарнирами равных угловых скоростей) —
Теперь подробнее о их разнице.
Вал передает крутящий момент от ведущего узла к ведомому, заставляя вращаться закрепленные на нем механизмы (шестерни, колеса, ступицы) Вал, передавая усилие, "работает" на скручивание.
Ось предназначена только для радиальной опоры вращающегося на ней узла (колеса, ролика, втулки). Ось не подвержена усилию радиального скручивания, силы действующие на ось направлены на ее поперечный изгиб.
Ось может быть подвижной и жестко закрепленной.
Вал может быть только подвижным (иначе как он может передавать крутящий момент)
На Оси вращается что либо от усилия прилагаемого не ею, а Вал сам заставляет вращаться что либо,
ВАЛ — привод, а ОСЬ — опора.
ВАЛ — "инициатор вращения", а ОСЬ — "пособница вращения"
Чем вал отличается от оси: описание и отличия
Перед ответом на вынесенный в заголовок вопрос нелишне произвести краткий этимологический экскурс в историю происхождения обоих интересующих слов.
Что есть ось?
Слово «ось» по этимологии восходит к праславянскому «ость» — то есть срединная линия (любопытно, что в ботанической среде термин так и продолжает использоваться — а ещё его до сих пор можно встретить в описании типов ворсинок натурального меха). Применительно к технике, в современном понимании ось обозначает некий стержень (причём может он быть как цельным, так и пустотелым), на который «нанизывается» стороннее тело, которому затем придаётся вращение. Отсюда сразу же следует, что ось может быть как самостоятельно вращающейся, так и неподвижной относительно «нанизанного» на неё предмета.
Попутно весьма любопытно будет отметить, что зачастую даже в технической литературе в качестве фактического синонима слову «ось» встречается использование слова «шпиндель» (восходит к немецкому Spindel, обозначающему веретено) — что по смыслу совершенно неверно (см. разъяснение ниже).
Ось переднего колеса
Что есть вал?
Слово «вал» также имеет праславянские корни (наличествует практически во всей группе славянских языков) и по смыслу относится к чему-то более крупному, округлому и перемещающемуся (катящемуся) — сравните, например, происходящую от него волну и цилиндрический валёк для отжима белья или раскатывания теста. Применительно к современному техническому пониманию термина, вал обозначает специализированную деталь машины, конструктивно предназначенную для передачи вращающего момента от/к расположенных на нём деталей и точек закрепления (опор).
Вал заднего хода
Обратите внимание, что технологически вал совершенно не обязательно «прямой и гладкий»: достаточно взглянуть на коленчатый вал (коленвал) в любом поршневом двигателе внутреннего сгорания в автомобиле. Конструкционно вал также может быть как пустотелым, так и цельным, гладким/ступенчатым и даже полностью гибким: любители раритетных авто немедля вспомнят культовые модели с гибким валом вместо карданной передачи (карданного вала), а более «приземлённые» — малоприятный зубоврачебный кабинет с бормашиной, где вращение зубному бору передаётся именно очень длинным гибким валом, вращающемся на большой скорости (вплоть до десятка тысяч оборотов в минуту!) Впрочем, ту же конструкцию можно наблюдать и у более «приятного» устройства — ручной гравировальной машинки, которой наносятся поздравительные/дарственные надписи на самые разнообразные вещи и подарки.
Особенности эксплуатации
Из сравнения вышеприведённых описаний уже видно кардинальное отличие любого используемого в технике вала от оси: вал обязательно служит для передачи крутящего момента (силового воздействия) от контактирующих с ним сопряжённых деталей — это особенно наглядно в случае гибкого вала. Исходя из этого столь же сильно различаются и конструкционно-технологические параметры этих двух типов деталей: ось противодействует изгибающему её механическому усилию, в то время как вал испытывает нагрузку на скручивание. Соответственно, сильно различаются и технологические режимы обработки и сами конструкционные материалы, используемые в обоих случаях.
Из вышесказанного также совершенно очевидно, что упомянутый ранее термин «шпиндель» никоим образом не может быть синонимом термину «ось», причём совершенно не важно, о каком именно из всех возможных технических шпинделей идёт речь:
- Шпинделе в металлообрабатывающем станке, где закрепляется обрабатываемая заготовка.
- В некоторых типах трубопроводной арматуры.
- Шпинделе компьютерного жёсткого диска, на котором закрепляется пластина (пакет пластин) для чтения-записи информации.
- Определённой вращающейся рабочей части любого станка для шлифовки — и так далее.
Резюме
Основное назначение оси — удержание в определённом месте и положении насаженной на неё другой вращающейся детали, при этом ось не служит для механической передачи силового (крутящего) момента вдоль себя, а лишь противоборствует изгибающему её внешнему усилию. Отсюда следует, что «правильная» ось во время работы — всегда прямая, а возможный остаточный прогиб — суть дефект, возникший из-за эксплуатации оси на запредельных (нерасчётных) режимах. Вал же изначально ориентирован на передачу механической энергии вдоль своей длины и поэтому должен максимально надёжно противостоять распространяющемуся по нему скручивающему усилию — для чего ему быть прямым и максимально твёрдым совершенно не обязательно.
ЛЕКЦИЯ 11 ВАЛЫ И ОСИ
3. Критерии работоспособности и расчета валов и осей.
4. Расчеты валов и осей.
Валы – это детали, служащие для передачи вращающего момента вдоль своей оси и удержания расположенных на них других деталей (колеса, шкивы, звездочки и другие вращающиеся детали машин) и восприятия действующих сил.
Оси – это детали, которые только удерживают установленные на них детали и воспринимают действующие на эти детали силы (ось не передает полезного крутящего момента).
К л а с с и ф и к а ц и я в а л о в группирует последние по ряду признаков: по назначению, по форме поперечного сечения, по форме геометрической оси, по внешнему очертанию поперечного сечения, по относительной скорости вращения и по расположению в узле .
По назначению различают:
валы передач , на которых устанавливают колеса, шкивы, звездочки, муфты, подшипники и другие детали передач. На рис. 11, а представлен трансмиссионный вал, на рис. 11, б – вал передачи;
коренные валы ( рис. 11.2 – шпиндель станка), на которых устанавливают не только детали передач, но и рабочие органы машины (шатуны, диски турбин и др.).
По форме поперечного сечения изготавливают:
полые валы обеспечивают уменьшение веса или размещение внутри другой детали. В крупносерийном производстве применяют полые сварные валы из намотанной ленты.
По форме геометрической оси выпускают:
а) постоянного диаметра ( рис. 11.3 ). Такие валы менее трудоемки в изготовлении и создают меньшую концентрацию напряжений;
б) ступенчатые ( рис. 11.4 ). Исходя из условия прочности целесообразно конструировать валы переменного сечения, приближающиеся по форме к телам равного сопротивления. Ступенчатая форма удобна для изготовления и сборки, уступы могут воспринимать большие осевые силы;
Детали машин. Конспект лекций
ЛЕКЦИЯ 11. ВАЛЫ И ОСИ
1. Общие сведения
в) с фланцами. Длинные валы являются составными, соединенными фланцами;
г) с нарезанными шестернями (вал-шестерня);
коленчатые валы ( рис. 11.5 ) в кривошипно-шатунных передачах служат для преобразования вращательного движения в возвратнопоступательное или наоборот;
гибкие валы ( рис. 11.6 ), представляющие собой многозаходные витые из проволок пружины кручения, применяют для передачи момента между узлами машин, меняющими свое относительное положение в работе (переносной инструмент, тахометр, зубоврачебные бормашины и т. п.).
По внешнему очертанию поперечного сечения валы бывают:
гладкие ; шпоночные ; шлицевые ; профильные ; эксцентриковые .
По относительной скорости вращения и по расположению в узле (редукторе) производят валы:
быстроходные и входные (ведущие) (поз. 1 рис. 11.7 ); среднескоростные и промежуточные (поз. 2 рис. 11.7 ); тихоходные и выходные (ведомые) (поз. 3 рис. 11.7 ).
Детали машин. Конспект лекций
ЛЕКЦИЯ 11. ВАЛЫ И ОСИ
1. Общие сведения
Детали машин. Конспект лекций
ЛЕКЦИЯ 11. ВАЛЫ И ОСИ
1. Общие сведения
К л а с с и ф и к а ц и я о с е й. Оси могут быть неподвижными ( рис. 11.8 )
и вращающимися вместе с насаженными на них деталями. Вращающиеся оси обеспечивают лучшие условия работы подшипников, неподвижные дешевле, но требуют встройки подшипников во вращающиеся на осях детали.
Конструкции валов и осей. наиболее распространена ступенчатая форма вала. Детали закрепляются на валах чаще всего шпонками призматическими (ГОСТ 23360–78, ГОСТ 10748–79), шлицами прямобочными (ГОСТ 1139–80) или эвольвентными (ГОСТ 6033–80) или посадками с гарантированным натягом. Опорные части валов и осей называются цапфами. Промежуточные цапфы именуются шейками, концевые – шипами. Опорные участки, воспринимающие осевую нагрузку, называют пятами. Опорами для пят служат подпятники.
На рис. 11.9 приведены конструктивные элементы валов, где 1 – шпонка призматическая, 2 – шлицы, 3 – цапфа, 4 – пята, 5 – цилиндрическая поверхность, 6 – коническая поверхность, 7 – уступ, 8 – заплечик, 9 – канавкапод стопорное кольцо, 10 – резьбовой участок, 11 – галтель, 12 – канавка, 13 – фаска, 14 – центровое отверстие.
Цапфы валов и осей, работающие в подшипниках качения, почти всегда бывают цилиндрическими, а в подшипниках скольжения – цилиндрическими, коническими или сферическими ( рис. 11.10 ).
Основное применение имеют цилиндрические цапфы ( рис. 11.10, а , б ) как более простые. Конические цапфы с малой конусностью ( рис. 11.10, в ) применяют для регулирования зазора в подшипниках и иногда для осевого фиксирования вала. Сферические цапфы ( рис. 11.10, г ) ввиду трудности их изготовления применяют при необходимости компенсации значительных угловых смещений оси вала.
Детали машин. Конспект лекций
ЛЕКЦИЯ 11. ВАЛЫ И ОСИ
1. Общие сведения
разных деталей (по
ГОСТ 6536–69 из нормального ряда), насаживаемых на вал, и концевые участки валов выполняют цилиндрическими (поз. 5 рис. 11.9 , ГОСТ 12080–72) или коническими (поз. 6 рис. 11.9 , ГОСТ 12081–72). Конические поверхности применяют для обеспечения быстросъемности и заданного натяга, повышения точности центрирования деталей.
Детали машин. Конспект лекций
ЛЕКЦИЯ 11. ВАЛЫ И ОСИ
1. Общие сведения
Для осевого фиксирования деталей и самого вала используют уступы
(поз. 7 рис. 11.9 ) и заплечики вала (поз. 8 рис. 11.9 , ГОСТ 20226–74), кони-
ческие участки вала, стопорные кольца (поз. 9 рис. 11.9 , ГОСТ 13940–86, (ГОСТ 13942–86) и резьбовые участки (поз. 10 рис. 11.9 ) под гайки
Переходные участки от одного участка вала к другому и торцы валов выполняют с канавками (поз. 12 рис. 11.9 , рис. 11.11, ГОСТ 8820–69), фас-
ками (поз. 13 рис. 11.9 , ГОСТ 10948–65) и галтелями . Радиус R галтели постоянного радиуса ( рис. 11.11, а ) выбирают меньше радиуса закругления или радиального размера фаски насаживаемых деталей. Желательно, чтобы радиус закругления в сильнонапряженных валах был больше или равен 0,1 d . Радиусы галтелей рекомендуется брать возможно большими для уменьшения концентрации нагрузки. Когда радиус галтели сильно ограничивается радиусом закругления кромок насаживаемых деталей, ставят дистанционные кольца. Галтели специальной эллиптической формы и с поднутрением или чаще галтели, очерчиваемые двумя радиусами кривизны ( рис. 11.11, б ), применяют при переходе галтели в ступень меньшего диаметра (дает возможность увеличения радиуса в зоне перехода).
Применение канавок ( рис. 11.11, в ) может быть рекомендовано для неответственных деталей, так как они вызывают значительную концентрацию напряжений и понижают прочность валов при переменных напряжениях. Канавки применяются для выхода шлифовальных кругов (существенно повышают их стойкость при обработке), а также на концах участков с резьбой для выхода резьбонарезного инструмента. Канавки должны иметь максимально возможные радиусы закруглений.
R R R
Детали машин. Конспект лекций
ЛЕКЦИЯ 11. ВАЛЫ И ОСИ
1. Общие сведения
Торцы валов, во избежание обмятий и повреждения рук рабочих, для облегчения насадки деталей выполняют с фасками.
Механическую обработку валов производят в центрах, поэтому на торцах валов следует предусмотреть центровые отверстия (поз. 14 рис. 11.9 ,
Длина осей обычно не превышает 3 м, длина цельных валов по условиям изготовления, транспортировки и монтажа не должна превышать 6 м.
Материал для валов и осей должен хорошо обрабатываться, иметь по возможности малую чувствительность к концентрации напряжений, способность к термической и химико-термической обработке, в ряде случаев быть износостойким. Учитывая эти требования, обычно используют углеродистые и легированные стали.
Для малоответственных валов и осей без термической обработки ра- цио-нально применение углеродистых сталей Ст5 и Ст6. Наиболее употреби- тель-ны стали 30, 40, 45, 50 (ГОСТ 1080–70). Обычно их подвергают улучшению. Чаще других применяют сталь 45, отличающуюся хорошей об- рабатывае-мостью.
Валы с повышенной несущей способностью изготавливают из сталей с последующей термообработкой: 45, 40Х, 45Х и др.
Для высоконагруженных валов и осей целесообразно использовать легированные многокомпонентные стали: 40ХН, 40ХН2МА, 40ХНТА, 30ХГТ, 30ХГСА. Валы из этих сталей обычно подвергают улучшению, закалке с высоким отпуском или поверхностной закалке ТВЧ с низким отпуском. Однако из-за высокой стоимости и повышенной чувствительности к концентрации напряжений их применение несколько ограничено. К тому же высокие механические свойства легированных сталей реализуются не всегда, так как при малом диаметре вала часто не гарантируется жесткость.
Быстроходные валы на подшипниках скольжения требуют высокой твердости цапф и изготавливаются из цементуемых сталей типа 20, 20Х, 12ХНЗА, 18ХГТ или азотируемых типа 38Х2МЮА.
Валы и оси обрабатывают на токарных станках с последующим шлифованием цапф и посадочных поверхностей. Шероховатость поверхности под подшипники Ra = 0,16–0,32. Высоконапряженные валы шлифуют по всей поверхности. Наибольшую износостойкость имеют хромированные валы. Хромирование увеличивает ресурс до перешлифовки почти в 5 раз.
В качестве заготовок для стальных валов диаметром до 150 мм обычно используют круглый прокат или выдавливание, для валов большого диаметра и фасонных валов – поковки. Иногда валы больших диаметров выполняют с фланцами (приварными или насадочными) или сварными из труб. Применение сварных валов позволяет уменьшить расход металла до 40 %. Выбор
Детали машин. Конспект лекций
ЛЕКЦИЯ 11. ВАЛЫ И ОСИ
2. Материалы и обработка валов и осей
заготовки зависит от масштаба производства. В крупносерийном производстве ступенчатые валы и оси изготовляют из штампованных заготовок, формы и размеры которых, приближаясь к очертаниям готовых деталей, уменьшают объем механической обработки.
Иногда тихоходные и фасонные валы выполняют из модифицированного или высокопрочного чугунов: СЧ 36–56.
Поломки валов и осей в большинстве случаев (до 50 %) носят усталостный характер. Причинами в этом случае являются циклические перегрузки, неправильная оценка влияния концентрации напряжений.
У тихоходных валов, работающих с большими перегрузками, возможны поломки из-за недостаточной статической прочности.
Обеспечение необходимой жесткости на изгиб и кручение и способности гасить колебания являются важными условиями работоспособности.
Таким образом, основными критериями работоспособности являются:
выносливость при действии переменных нагрузок; статическая прочность при перегрузках; жесткость и виброустойчивость .
Основными расчетными силовыми факторами являются крутящие Т и изгибающие М моменты. Влияние растягивающих и сжимающих сил, как правило, невелико и в большинстве случаев не учитывается.
При расчете оси или вала на прочность, жесткость и колебания составляют расчетные схемы (в виде балок на шарнирных опорах): принимают, что детали передают осям и валам силы и моменты посередине своей ширины ( рис. 11.12, а ); собственная масса и масса расположенных на них деталей, а также силы трения, возникающие в опорах, не учитываются.
На рис. 11.12 представлены условные опоры: а – радиальный шарикоподшипник качения, б – подшипник скольжения, в – роликовый радиальноупорный подшипник качения.
Детали машин. Конспект лекций
ЛЕКЦИЯ 11. ВАЛЫ И ОСИ
3. Критерии работоспособности и расчета валов и осей
При установке в опоре двух подшипников условную опору вала располагают на 1/3 суммарной ширины опоры со стороны нагруженного пролета, так как наиболее нагруженным является внутренний подшипник. При использовании подшипников скольжения опору помещают на расстоянии 0,25– 0,3 длины подшипника ( рис. 11.12, б ).
Если применяются радиально-упорные подшипники, то реакции считаются приложенными в точках, отстоящих от торца подшипника на расстоянии а :
для шариковых радиально-упорных подшипников
a = B + 0,5( D + d )tg α ;
для роликовых радиально-упорных подшипников ( рис. 11.12, в )
a = T + ( D + d ) e , 2 6
где В – ширина подшипника; D и d – наружный и внутренний диаметры подшипника; α – угол наклона тел качения; Т – монтажный размер; е – пара-метр осевого нагружения, e = 1,5tg α.
Для расчета на прочность валов и осей строят эпюры изгибающих и крутящих моментов, продольных сил. При расчете на изгиб вращающиеся оси и валы рассматривают как балки на шарнирных опорах. Для неподвижных осей каждая отдельная опора принимается как заделка или как шарнир в зависимости от конструкции опоры.
Предварительные расчеты. На ранней стадии проектирования при отсутствии данных об изгибающих моментах М приближенно диаметры валов (мм) могут быть найдены по величине крутящего момента: