Валы и оси

или механизма предназначенная для передачи вращающего или крутящего момента и

восприятия сил, действующих со стороны расположенных на нем деталей.
Ось – деталь машины или механизма, предназначенная для поддержания вращающихся частей и не передающая полезного вращающего или крутящего момента.

Валы работают на кручение, изгиб и могут на растяжение или сжатие.
Оси работают только на изгиб.

1.1. прямые (продольная ось – прямая линия), валы редукторов, валы

коробок передач гусеничных и колёсных машин;
1.2. коленчатые (продольная геометрическая ось разделена на несколько параллельных отрезков, смещённых друг относительно друга в радиальном направлении), например, коленвал двигателя внутреннего сгорания;
1.3. гибкие (продольная геометрическая ось является линией переменной кривизны, изменяемой в процессе работы механизма или при монтажно-демонтажных мероприятиях), вал привода спидометра автомобилей.

на себе элементы, передающие вращающий момент (зубчатые или червячные колёса,

шкивы, звёздочки, муфты и т.п.) и в большинстве своём снабжены концевыми частями, выступающими за габариты корпуса механизма;
2.2. трансмиссионные валы для распределения мощности одного источника к нескольким потребителям;
2.3. коренные валы  валы, несущие на себе рабочие органы исполнительных механизмов (коренные валы станков, несущие на себе обрабатываемую деталь или инструмент называют шпинделями).

3.1. гладкие валы имеют одинаковый диаметр по всей длине;
3.2. ступенчатые

валы содержат участки, отличающиеся друг от друга диаметрами;
3.3. полые валы снабжены осевым отверстием, простирающимся на большую часть длины вала;
3.4. шлицевые валы по внешней цилиндрической поверхности имеют продольные выступы – шлицы, равномерно расположенные по окружности и предназначенные для передачи моментной нагрузки от или к деталям, непосредственно участвующим в передаче вращающего момента;
3.5. валы, совмещённые с элементами, непосредственно участвующими в передаче вращающего момента (вал-шестерня, вал-червяк).

вал в необходимом для нормальной работы положении и воспринимающие нагрузку

со стороны вала.
Подшипники  элементы, воспринимающие радиальную нагрузку (или вместе с радиальной и осевую).
Подпятники  элементы, предназначенные для восприятия только осевой нагрузки.
Буртик  кольцевое утолщение вала малой протяжённости, составляющее с ним одно целое и являющееся ограничмтелем осевого перемещения самого вала или насаженных на него деталей.
Заплечик  торцовая поверхность между меньшим и большим диаметрами вала, служащая для опирания насаженных на вал деталей.

Конструктивные элементы валов

Цапфы  опорные части валов и осей, которые передают действующие на них нагрузки корпусным деталям.
Шейка  цапфа в средней части вала.
Шип  концевая цапфа, передающая на корпус только радиальную или радиальную и осевую нагрузки вместе.
Пята  концевая цапфа, передающая только осевую нагрузку.

осей:
1) высокая усталостная прочность,
2) жесткостью,
3) хорошая обрабатываемость.

Малонагруженные

валы изготавливают из углеродистых сталей Ст5, Ст6.
1. Качественные среднеуглеродистые стали марок 40, 45, 50 используют для валов стационарных машин и механизмов. Заготовку из этих сталей подвергают улучшающей термической обработке (HRC  36) перед механической обработкой. Валы точат на токарном станке, посадочные места и цапфы шлифуют на шлифовальном станке.
2. Среднеуглеродистые легированные стали марок 40Х, 45Х, 40ХН, 40ХНМА, 35ХГСА используют для валов ответственных передач подвижных машин (валы коробок передач гусеничных машин). Улучшающей термообработке (HRC  45) обычно подвергают деталь уже после предварительной токарной обработки. Посадочные поверхности и цапфы окончательно шлифуют на шлифовальных станках.
3. Мало- и среднеуглеродистые легированные стали марок 20Х, 12ХН3А, 18ХГТ, 25ХГТ, 38Х2МЮА идут на валы нагруженных передач, работающих в реверсивном режиме (шлицевые валы коробок передач колёсных машин). Вал, изготовленный с минимальным припуском под окончательную обработку, подвергается поверхностной химико-термической обработке (цементация, азотирование и т.п.), закаливается до высокой поверхностной твердости (HRCэ 55…65). Рабочие поверхности шлицов, посадочные поверхности и поверхности цапф шлифуются после термической обработки с целью получения необходимой точности.

расчётные нагрузочные факторы: крутящий T и изгибающий M моменты. Растягивающие

и сжимающие силы обычно не учитываются.

Расчёт вала включает три этапа:
Предварительный расчёт (проектировочный)
Оформление расчетной схемы (компоновка)
Окончательный расчёт (проверочный)

В некоторых случаях к этим трём этапам расчёта добавляются и другие, например, расчёт на колебания (расчёт вибрационной стойкости), расчёт тепловых деформаций, теплостойкости и т.п.

крутящему моменту T.
При этом определяется наименьший диаметр вала, а

с целью компенсации неучтённых изгибных нагрузок, принимают заниженные значения допускаемых напряжений []к  (0,025…0,030)В.

Предварительный расчёт валов

Диаметр вала:

где к – максимальные касательные напряжения, действующие во внешних волокнах опасного сечения вала; Tк - крутящий момент, передаваемый через это сечение; Wр – полярный момент инерции рассматриваемого сечения.

Полученный расчётный диаметр вала округляют до ближайшего большего значения из рядов нормальных линейных размеров по ГОСТ 6636-69. Диаметры других ступеней вала и продольные размеры устанавливают из конструктивных соображений в процессе эскизного проектирования механизма.

оформления вала на основе проектного расчёта, эскизного проектирования, подбора подшипников

и расчёта конструктивных элементов, участвующих в передаче вращающего момента.
При формировании расчётной схемы вал обычно представляют в виде балки, лежащей на опорах (число опор обычно равно числу подшипников), одна из которых считается закреплённой в осевом направлении.
Если вал установлен в корпусе посредством радиальных или сферических подшипников, опору считают расположенной на геометрической оси вала в точке пересечения с поперечной осью симметрии подшипника.
При использовании радиально-упорных подшипников за точку опоры принимают точку продольной геометрической оси вала, лежащую на её пересечении с нормалью к поверхности качения, проведённой через центр тел качения.
Для подшипников скольжения, а также при установке сдвоенных подшипников качения за точку опоры принимают точку, лежащую на оси вращения и расположенную на расстоянии, равном 0,2…0,3 длины подшипника (суммарной длины пары подшипников качения) от его (их) внутренней кромки.
Силы, действующие на вал со стороны ступиц шкивов, шестерён, звёздочек и других элементов, считают приложенными посередине ступицы, если последняя расположена между подшипниками, и на расстоянии 0,25…0,3 длины ступицы со стороны её внутреннего края, при её консольной установке (то есть на конце вала).

и уточнения всех нагрузок, как по величине, так и по

направлению. Этот вид расчёта предусматривает проверку вала на статическую прочность по наибольшей возможной кратковременной нагрузке, на жесткость и на усталостную прочность при переменных напряжениях. В последнем случае вычисляется коэффициент фактического запаса прочности в предположительно опасных сечениях, намечаемых предварительно по эпюре моментов с учётом размеров поперечного сечения и зон концентрации напряжений.

На статическую прочность валы рассчитывают по наибольшей возможной кратковременной нагрузке с учётом динамических и ударных воздействий. В этом случае эквивалентное напряжение в наружном волокне вала

где и – максимальное напряжение от изгиба; к – наибольшее напряжение кручения.

Допускаемое напряжение принимают:

Наиболее часто при этом виде расчёта определяются:
1) прогиб вала

в определённых сечениях (например, под зубчатым или червячным колесом);
2) максимальный прогиб вала;
3) поворот отдельных сечений вала, вызванный его изгибом (чаще всего в местах установки подшипников);
4) закручивание вала под действием рабочих моментов.

Условия жесткости вала:
прогиб под элементами зацепления : ………………………………..... y  [y];
полная стрела прогиба: …………………………………………………….f  [f];
угол поворота сечения: …………………………………………………....  [];
удельный угол закручивания вала:………………………………………..0  [0];
Допустимые значения прогибов и углов составляют:
в месте установки зубчатых колёс
цилиндрических …………………………………………………………..[y] = 0,01m;
конических, гипоидных, глобоидных, червячных ………………..... [y] = 0,005m;
стрела прогиба …………………………………………………………..[f] = 310-4l,
допустимый удельный угол закручивания вала …………………….0,025  [0]  1,0 градус/м

Для осей полный прогиб [f]  (2…3)10-3l,

Проверочный расчёт валов

действующей нагрузке без учета пиковых нагрузок (учитываются отдельным расчетом).
Вычисляется

коэффициент фактического запаса прочности в предположительно опасных сечениях, намечаемых предварительно по эпюре моментов с учётом размеров поперечного сечения и зон концентрации напряжений.
Условие сопротивления усталости:

где sσ , sτ - коэффициенты запаса прочности по нормальным и касательным напряжениям;
[s]- допустимый коэффициент запаса прочности: для валов передач [s] ≥ 1,3