Раздел 4. Валы, оси и опоры
4.1. Валы и оси. Назначение, типы валов и осей и их формы поперченных сечений.
Оси и валы
В современных машинах наиболее часто используют вращательное движение. Вращающиеся детали, такие, как зубчатые колеса, шкивы, звездочки, блоки, муфты и др., направляются и поддерживаются в пространстве при помощи валов и осей. Валы и оси в большинстве случаев имеют форму тел вращения.
Вращающиеся детали и поддерживающие их валы обычно жестко соединены посадками с натягом, шпонками, шлицами и т. п., поэтому валы могут быть только вращающимися, при этом они всегда передают вращающий момент и подвержены кручению.
На осях вращающиеся детали могут быть либо закреплены неподвижно, например, с помощью посадок с натягом, и тогда оси должны вращаться, либо установлены свободно, например, по посадке с зазором, на подшипниках качения и т. п., и тогда оси могут быть неподвижными; в любом случае оси не передают вращающий момент и их можно рассматривать как частную разновидность валов, не подверженных кручению.
Ось — это брус круглого или фасонного сечения, используемый для поддержания закрепленных на нем вращающихся деталей. При этом сама ось может быть как неподвижной, так и вращающейся. На ось действуют только изгибающие нагрузки.
Вал — это ось, предназначенная не только для поддержания деталей, но и для передачи крутящего момента.
По назначению валы можно разделить на коренные, т. е. валы несущие основные рабочие органы машин (ротор турбины, коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания, шпиндель станка), и передаточные (валы передач), используемые для передачи и распределения движения и несущие на себе детали передач: зубчатые колеса, шкивы, звездочки и т. д. В ряде машин (сельскохозяйственных, дорожных) применяют валы для передачи вращающего момента к исполнительным органам; их называют трансмиссионными.
Иногда используют торсионные валы (торсионы), т. е. валы обычно малых диаметров и передающих только вращающие моменты.
Валы по форме геометрической оси разделяют на прямые (рис. 83, а, б, в, г, д, е) и коленчатые (рис. 83, ж). Последние применяют для преобразования возвратно-поступательного движения (поршней) во вращательное (коленчатого вала) или наоборот. Особую группу представляют гибкие валы с изменяемой формой геометрической оси, их применяют для привода механизированного инструмента, в зубоврачебных бормашинах и т. п.
Оси (детали) имеют прямую геометрическую ось. Коленчатые, гибкие, а также кулачковые валы относятся к специальным, и не рассмотрены в настоящем курсе.
Рис. 83. Основные типы валов и осей.
Наиболее распространены прямые валы и оси; они могут быть постоянного диаметра (рис. 83, а, б) или ступенчатыми (рис. 83, в, г, д, е). Чаще всего валы и оси выполняют ступенчатыми, хотя валы и оси постоянного сечения более технологичны.
Форма валов и осей по длине определяется распределением действующих сил и моментов, технологией изготовления и условиями сборки. Эпюры изгибающих моментов и поперечных сил по длине валов и осей, как правило, не постоянны; вращающий момент передается обычно не по всей длине вала. Поэтому по условию равнопрочности целесообразно конструировать валы и оси ступенчатыми, близкими по форме к балкам равного сопротивления (форма балки равного сопротивления показана штриховой линией на рис. 83, в).
В поперечном сечений валы и оси могут быть сплошными (рис. 84, а) или полыми (рис. 84, б), а по форме сечения — цилиндрическими (рис. 84, а, б), со шпоночными (рис. 84, в) или шлицевыми (рис. 84, г)канавками, а также профильными (рис. 84, д).
Применение полых валов и осей позволяет существенно снизить массу, например, при равной прочности сплошного и полого валов с отношением диаметра отверстия к наружному диаметру 0,75, масса полого вала будет меньше почти в 1,5 раза.
Рис. 84. Формы поперечных сечений валов и осей.
Концевые опорные участки валов и осей называют цапфами или шипами. Цапфы (шейки) валов и осей, когда в опорах установлены подшипники скольжения, выполняют: цилиндрическими (рис. 85, а, б)или коническими (рис. 85, в). В большинстве случаев цапфы валов и осей для подшипников скольжения имеют цилиндрическую форму е закругленным переходом (галтелью) и с заплечиком (буртиком) для односторонней фиксации в осевом направлении (см. рис. 85, а). В случае необходимости двусторонней осевой фиксации вала (оси) в одной опоре цапфа снабжается дополнительным буртиком (см. рис. 85, б).
Цапфы валов и осей для подшипников качения выполняют цилиндрическими с заплечиком, служащим для односторонней фиксации в осевом направлении (рис. 86, а). Для двусторонней фиксации внутреннего кольца подшипника на валу или оси дополнительно предусматривают гайки (рис. 86, б), стопорные пружинные кольца, устанавливаемые в кольцевые канавки (рис. 86, в), и др.
Рис. 85. Цапфы валов и осей под подшипники скольжения. Рис. 86. Цапфы валов и осей под подшипники качения.
Участки валов и осей под посадку ступиц деталей выполняют цилиндрическими или коническими. Чаще применяют цилиндрические посадочные поверхности как более технологичные. Конические посадочные поверхности, как правило, применяют для концевых участков валов.
Большое влияние на прочность, выносливость, надежность валов и осей оказывает форма переходных участков между соседними ступенями разных диаметров; Галтели должны иметь максимально возможные радиусы закруглений. Наиболее распространенная форма перехода - галтели постоянного радиуса (рис. 87, а); желательно, чтобы радиус закругления R был больше 0,ld(d - диаметр вала). В особых случаях применяют галтели переменного радиуса кривизны ρ (рис. 87, в).Правильным подбором кривизны галтели можно существенно снизить концентрацию напряжений и повысить несущую способность валов и осей. Снижению концентрации напряжений служит также применение разгрузочных выточек (рис. 87, а).Канавку (рис. 87, г) шириной 3-5 мм и глубиной 0,25-0,5 мм, удобную для выхода обрабатывающего инструмента, например шлифовального круга, используют в случае, когда определяющей является не усталостная прочность, а жесткость валов.
Рис. 87. Переходные участки валов и осей.
Наряду с концентрацией напряжений, вызванной геометрическими очертаниями деталей, на усталостную прочность влияет качество поверхностного слоя, т. е. микро-геометрия, как следствие механической обработки, и структурное состояние поверхностного слоя. Повышение усталостной прочности валов и осей достигается упрочнением материала посредством термической или химико-термической обработки, пластическим упрочнением (обкаткой роликами, обдувкой дробью), в результате которого в поверхностном слое образуются остаточные напряжения сжатия, а также шлифованием, полированием и, другими методами.
Осевые нагрузки на валы от насаженных на них, деталей передаются следующими способами:
значительные нагрузки — упором деталей в уступы (буртики, заплечики) на валу или, оси (рис, 88, а) или посадкой деталей с соответствующим натягом (рис. 88, б);
средние нагрузки — гайками (см. рис. 88, б и88, в) или штифтами (рис. 88, г), а также выше перечисленными способам;
легкие нагрузки —стопорными винтами (рис. 88, д)стопорными пружинными кольцами (рис. 86, в и 88, е) и др.
Рис. 88. Средства восприятия осевых нагрузок и осевого крепления деталей на валах и осях.
Основными материалами, для валов и осей служат углеродистые и легированные стали. Для осей и валов, диаметры которых определяются, в основном, жесткостью, применяют углеродистые конструкционные стали Ст4, Ст5 без термообработки. В ответственных и тяжело нагруженных конструкциях (когда критерием является прочность) используют термически обрабатываемые среднеуглеродистые и легированные стали 40, 45, 40Х, 40ХН, 40ХН2МА, 30ХГГ, 30ХГСА и др. Валы из этих сталей в зависимости от решаемых задач подвергают улучшению (закалке с высоким отпуском) или поверхностной закалке (нагрев ТВЧ) с низким отпуском.
Быстроходные валы на опорах скольжения должны иметь весьма высокую твердость поверхности цапф; для этого их изготовляют из цементируемых сталей типа 20Х, 12ХН3А, 18ХГТ или из азотируемых сталей типа 38Х2МЮА.
Валы, работающие в коррозионной среде, изготовляют из нержавеющих сталей, титановых сплавов.
Для изготовления коленчатых валов и валов с большими фланцами наряду со сталью применяют высокопрочные (с шаровидным графитом) и модифицированные чугуны.
Прямые стальные валы и оси диаметром до 150 мм обычно изготовляют из проката; валы большего диаметра и сложной формы — из поковок. Полые валы целесообразно изготовлять из стальных труб стандартных размеров или из специально заказываемого недоката труб (с утолщенными стенками).
Валы и оси обычно подвергают токарной обработке в центрах и последующему шлифованию посадочных поверхностей (цапф, шеек, шипов) или шлифованию по всей поверхности (высоконапряженные валы).
В последнее время появилась конструкция полых валов из композитных материалов, получаемых намоткой.
Основными критериями работоспособности валов и осей являются прочность, жесткость и виброустойчивость.
4.2. Подшипники. Назначение и классификация. Подшипники скольжения: типы, области применения, достоинства и недостатки. Подшипники качения: классификация, их характеристики, области применения, достоинства и недостатки.
Подшипники
Подшипник— техническое устройство, являющееся частью опоры, которое поддерживает вал, ось или иную конструкцию, фиксирует положение в пространстве, обеспечивает вращение, качание или линейное перемещение (для линейных подшипников) с наименьшим сопротивлением, воспринимает и передаёт нагрузку на другие части конструкции.
Опора с упорным подшипником называется подпятником.
По направлению воспринимаемых нагрузок подшипник разделяют на радиальные (для восприятия нагрузок, перпендикулярных к оси вала), упорные (для восприятия нагрузок, направленных по оси вала), а также радиально-упорные (для восприятия комбинированных, преимущественно радиальных нагрузок; реже применяют упорно-радиальные — преимущественно для восприятия осевых нагрузок). По виду трения различают подшипники качения (получили наибольшее распространение) и подшипники скольжения
Основные типы подшипников, которые применяются в машиностроении:
· подшипники качения;
· подшипники скольжения;
· газодинамические подшипники;
· гидростатические подшипники;
· магнитные подшипники.
Подшипник скольжения
Подшипник скольжения — это опора или направляющая, в которой цапфа (опорная поверхность вала) скользит по поверхности вкладыша (подшипника) (рис. 90). Для уменьшения сил трения и износа подшипники смазывают. Основное применение имеют жидкие смазочные материалы, особенно при больших нагрузках и скоростях. Газообразные смазочные материалы (главным образом воздух) применяют для высокоскоростных опор. Для тихоходных опор используют пластичные смазочные материалы. Для подшипников, работающих, в экстремальных условиях, применяют самосмазывающиеся материалы, т. е. материалы, которые содержат компоненты или покрытия, обеспечивающие смазывание.
По направлению воспринимаемой нагрузки подшипники скольжения подразделяют, на две группы; радиальные и упорные (осевые). При совместном действии радиальных и осевых нагрузок применяют совмещенные опоры, в которых осевую нагрузку воспринимают торцы вкладышей (рис. 91) или специальные гребни.
По принципу образования подъемной силы в масляном слое подшипники делят на гидродинамические и гидростатические. Для разделения трущихся поверхностей слоем смазочного материала в нем необходимо создать избыточное давление. В гидродинамических подшипниках это давление возникает только при относительном движении поверхностей вследствие затягивания масла в клиновой зазор. В гидростатических подшипниках давление создается насосом. Основное распространение получили подшипники с гидродинамической смазкой как наиболее простые.
Подшипники скольжения применяют преимущественно в тех областях, в которых нецелесообразно или невозможно использовать подшипники качения:
при ударных и вибрационных нагрузках (используется хорошая демпфирующая способность масляного слоя);
при особо высоких частотах вращения;
для точных опор с постоянной жесткостью;
для опор с малыми радиальными размерами;
для разъемных опор;
для особо крупных и миниатюрных опор;
при работе в экстремальных условиях (высокие температуры, абразивные и агрессивные среды);
для неответственных и редко работающих механизмов.
Подшипники скольжения легче и проще в изготовлении, чем подшипники качения, бесшумны, обладают постоянной жесткостью и способностью работать практически без износа в режиме жидкостной и газовой смазки, хорошо демпфируют колебания.
К недостаткам подшипников скольжения можно отнести сложность системы смазки для обеспечения жидкостного трения, необходимость применения цветных металлов, повышенные пусковые моменты и увеличенные размеры в осевом направлении. При работе с жидкими и пластичными смазочными материалами температура подшипника не может превышать 150 °С. Однако некоторые самосмазывающиеся материалы допускают работу при температурах до 700 °С.
Подшипники скольжения широко применяют в двигателях внутреннего сгорания, паровых и газовых турбинах, насосах, компрессорах, центрифугах, прокатных станах, в тяжелых редукторах и других машинах.
Рис. 90. Радиальный подшипник скольжения: Рис. 91. Радиально-упорный
1 — корпус; 2 — вкладыш; 3 — отверстие для подачи подшипник скольжения
смазочного материала; 4 — цапфа; 5 — маслораздаточная канавка
Подшипник скольжения (см. рис. 90) содержит корпус 1, вкладыш 2, смазывающие и защитные устройства. Корпус подшипника цельный или разъемный изготовляют как отдельную деталь либо деталь, присоединяемую к машине. Иногда корпус подшипника выполняют встроенным, т. е. как одно целое с корпусом машины или подвижной деталью (например, с шатуном). Вкладыши используют для того, чтобы не выполнять весь корпус из дорогих антифрикционных материалов. После износа вкладыши заменяют. В массовом производстве вкладыши штампуют из ленты с нанесенным на нее антифрикционным материалом, В мелкосерийном и единичном производстве применяют сплошные или разъемные втулки, а также биметаллические вкладыши, в которых тонкий слой антифрикционного материала наплавляют на стальную, чугунную или бронзовую основу. Для распределения смазочного материала, поступающего из канала 3, по рабочей поверхности цапфы 4 вкладыши снабжают смазочными канавками 5. Канавки располагают в ненагруженной зоне и часто совмещают с разъемом.
Износ рабочих поверхностей является основной причиной выхода из строя подшипников скольжения. Абразивное изнашивание связано с попаданием в смазочный материал абразивных частиц с размерами больше толщины масляного слоя и работой подшипника при неблагоприятных режимах трения в периоды пусков и остановок. При действии больших контактных давлений и температур возможно схватывание рабочих поверхностей подшипника.
Усталостные разрушения подшипников возникают при циклически действующих нагрузках, например, в поршневых машинах, машинах ударного и вибрационного действия. Значительное повышение температуры приводит к недопустимым изменениям необходимых свойств смазочных материалов, а иногда к выплавлению заливки вкладыша или заклиниванию вала в подшипнике. Разрушения подшипников могут быть также связаны с потерей устойчивости вращения цапфы при самовозбуждающихся колебаниях (автоколебаниях).
Подшипниковые материалы должны обеспечивать низкое значение коэффициента трения, высокую износостойкость и сопротивление усталости. Дополнительными требованиями являются хорошая теплопроводность, прирабатываемость, смачиваемость маслом, коррозионная стойкость и обрабатываемость, низкий коэффициент линейного расширения и низкая стоимость. Ни один из известных материалов одновременно всеми этими свойствами не обладает. Поэтому в технике применяют большое количество различных антифрикционных материалов, наилучшим образом отвечающих конкретным условиям.
Валы и оси, как правило, стальные, реже из высокопрочного чугуна, например, коленчатый вал двигателей ГАЗ. Цапфы должны иметь высокую твердость и шлифованную или полированную поверхность, чтобы выдержать несколько замен более дешевых, чем вал, вкладышей. Материалы вкладышей можно разделить на три группы: металлические материалы, металлокерамические и неметаллические.
Металлические материалы. Сплавы на основе олова или свинца с добавлением сурьмы, меди и других элементов, называемые баббитами (по имени американского изобретателя Баббита), обладают высокими антифрикционными качествами, хорошей прирабатываемостью, но дороги и имеют относительно невысокое сопротивление усталости. Их применяют в качестве тонкослойных покрытий или в качестве заливки. Хорошими антифрикционными свойствами обладают бронзы и латуни (сплавы на основе меди), алюминиевые и цинковые сплавы. В паре с закаленной цапфой при наличии хорошей смазки применяют антифрикционные чугуны.
Металлокерамические материалы.Пористые бронзографитовые и железографитовые материалы, получаемые методом порошковой металлургии, пропитывают горячим маслом и применяют в условиях, в которых невозможно обеспечить надежную жидкостную смазку. При небольших давлениях и скоростях эти материалы способны достаточно долго работать без внешнего подвода смазочного материала.
Неметаллические материалы.В качестве вкладышей применяют пластмассы, резину, графитовые материалы и прессованную древесину. Текстолит, ДСП (древесно-слоистый пластик) и прессованную древесину используют в подшипниках для тяжелого машиностроения. Полимерные самосмазывающиеся материалы на основе полиамидов, полиацетилена, политетрафторэтилена и различных смол используют для подшипников, работающих в температурном диапазоне −200...+280 °С при значительных скоростях скольжения. Фторопласты (полимеры и сополимеры галогенопроизводных, этилена и пропилена) обладают хорошими антифрикционными свойствами, химической инертностью, но высоким коэффициентом линейного расширения и низким коэффициентом теплопроводности. Подшипники с резиновыми вкладышами хорошо работают с водяной смазкой.
В экстремальных условиях используют графитовые вкладыши, которые обладают низким коэффициентом трения (f = 0,04...0,05) в температурном диапазоне от −200 до + 1000°C, хорошей теплопроводностью и коррозионной стойкостью. Эти материалы применяют в подшипниках с газовой смазкой, где они могут работать без смазочного материала в периоды пусков и остановок.
Основными критериями работоспособности подшипников являются износостойкость, сопротивление усталости антифрикционного слоя, теплостойкость и виброустойчивость.
Подшипники скольжения должны работать со смазочным материалом. Наилучшие условия для работы подшипников создаются при жидкостной смазке, когда осуществляется полное разделение трущихся поверхностей жидким смазочным материалом с объемными свойствами. При граничной смазке трение и износ определяются свойствами поверхностей и свойствами смазочного материала, отличными от объемных. При полужидкостной смазке частично осуществляется жидкостная смазка. Основной расчет подшипников скольжения — это расчет минимальной толщины масляного слоя, который при установившемся режиме работы должен обеспечивать жидкостную смазку. Тепловые расчеты проводят для определения рабочих температур подшипника. В ряде случаев проверяют подшипник на виброустойчивость путем решения дифференциальных уравнений гидродинамики. Расчеты по критерию износостойкости из-за сложности пока не нашли широкого применения.
Условные расчеты позволяют в простейшей форме оценить пригодность выбранного материала и размеров подшипника для конкретных условий работы на основании опыта конструирования и эксплуатации машин. Режим работы считают допустимым, если выполнены условия, которые ограничивают износ и тепловыделение:
рm = Fr /(dl) £ [p]; pmv £[pv]; v £ [v]; t £ [ t],
где Fr — радиальная нагрузка на подшипник; d — диаметр цапфы; l — длина подшипника; v — окружная скорость цапфы; рm — среднее условное давление в подшипнике; t — температура подшипника.
Этот расчет обычно используют как основной для подшипников с полужидкостной смазкой и как предварительный для подшипников с жидкостной смазкой. В табл. 14 приведены допускаемые значения [р], [v] и [pv]для некоторых подшипниковых материалов.
Таблица 14.
Допускаемые режимы работы для подшипниковых материалов
| Материал | [р], МПа | [v], м/с | [pv], МПа * м /с |
| АЧС-5 | |||
| АЧС-5 | 0,4 | ||
| БрО10Ф1 | |||
| АН-2.5 | |||
| ЦАМ10-5 | |||
| Баббит Б88 | |||
| Металлокерамика ЖГ-а | |||
| Текстолит |