4. Оси и валы

4.1. Общие сведения

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

ОСИ — детали машин, которые служат для поддержания вращаю­щихся вместе с ними или на них различных деталей. Вращение оси вместе с установленной на ней деталью производится относительно ее опор, называемых подшипниками. Оси не передают крутящего момента. В любом случае оси работают только на ИЗГИБ.

ВАЛЫ — детали машин, которые не только поддерживают вращаю­щиеся детали, но и передают по всей длине или на отдельных его участках КРУТЯЩИЙ МОМЕНТ. В связи с тем, что передача крутящего момента связана с возникновением сил, передающихся на валы (например, сил на зубьях зубчатых колес, сил натяжения ремней и др.), то они подвержены действию не только КРУТЯЩИХ МОМЕНТОВ, но также ПОПЕРЕЧНЫХ СИЛ и ИЗГИБАЮЩИХ МОМЕНТОВ.

Некоторые валы НЕ ПОДДЕРЖИВАЮТ вращающиеся детали (кардан­ные валы автомобилей, валки прокатных станов и др.) и поэто­му работают только на КРУЧЕНИЕ.

4.2. Классификация

Оси бывают вращающиеся и неподвижные и представляют собой прямые стержни.

Валы разделяются:

- по назначению — ВАЛЫ ПЕРЕДАЧ, на которых устанавливаются зубчатые колеса, звездочки, муфты и др. детали передач и КОРЕННЫЕ ВАЛЫ, несущие кроме деталей и передач рабочие органы машин — колеса или диски турбин, кривошипы, маховики и др.;

- по форме геометрической оси — ПРЯМЫЕ и КОЛЕНЧАТЫЕ.

- по форме сечения — ГЛАДКИЕ, ШЛИЦЕВЫЕ и ПРОФИЛЬНЫЕ.

Прямые валы разделяются на валы постоянного диаметра (трансмиссионные, судовые, многопролетные, а также передающие только крутящий момент); валы ступенчатые (большинство валов); валы с фланцами для соединений по длине, а также валы с нарезан­ными шестернями или червяками.

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 сборки. Эпюры моментов по длине вала неравномерны. Крутящий момент обычно передается не на всей длине вала, изгибающие мо­менты на опорах равны нулю. Поэтому по условию прочности допус­тимо и целесообразно конструировать валы переменного сечения приближающимися к телам равного сопротивления. Практически валы выполняют ступенчатыми. Эта форма удобна в изготовлении и сборке, уступы валов воспринимают большие осевые силы.

- Валы могут быть ПОЛЫМИ.

Полый вал с отношением при рав­ной прочности и жесткости получается легче сплошного примерно на 50 %. Полые валы применяются при жестких требованиях к весу, при необходимости пропуска сквозь валы или размещения внутри валов других деталей.

4.3. Материалы валов и осей

Выбор материала и термической обработки валов и осей опреде­ляется их критериями работоспособности, в том числе критериями работо­способности цапф с опорами. Основными материалами для изготовле­ния валов и осей служат углеродистые и легированные стали благо­даря их прочности, большому модулю упругости, хорошей способнос­ти к упрочнению.

Для валов и осей, подчиненных критерию жесткости и не подвер­гающихся термообработке, применяют стали Ст. 5, Ст. 6. Для большинства валов применяют термически обрабатываемые углеродис­тые и легированные стали 45; 40Х.

Для ВЫСОКОНАПРЯЖЕННЫХ валов ответственных машин применяют легированные стали 40ХН; 40ХН2МА; 30ХГТ и др.

БЫСТРОХОДНЫЕ валы, вращающиеся в подшипниках скольжения, требуют весьма высокой твердости цапф. Их изготавливают из цемен­тируемых сталей I2X, 12ХВЗА, 18ХГТ. Заготовками для стальных валов диаметром до 150 мм служит круглый прокат, а для валов большего диаметра — поковки.

Шероховатость поверхностей под подшипники качения назначают от 6 до 9 класса шероховатости, преимущественно — 7...8, а под подшипники скольжения в зависимости от условий работы от 7 до 9 и выше. Торцы валов выполняют с фасками.