Принципы проектирования систем вал-подшипник: выбор материала для элементов системы и требования к коэффициенту трения

Содержание

• 1. Валы и оси. Конструкции и назначение
• 2. Материалы, критерии работоспособности и расчет валов и осей
• 3. Подшипники скольжения
• 4. Подшипники качения
• 5. Коэффициент трения в подшипнике на различных режимах работы
• Литература

1. Валы и оси. Конструкции и назначение

Валы — предназначены для передачи крутящего момента и в большинстве случаев для поддержания вращающихся вместе с ними относительно подшипников различных деталей машин. Валы, несущие на себе детали, через которые передается крутящий момент, воспринимают от этих деталей нагрузки и, следовательно, работают одновременно на изгиб и кручение.([2], c.269) При действии на установленные на валах детали (конические зубчатые колеса, червячные колеса и т. д.) осевых нагрузок, валы дополнительно работают на растяжение или сжатие. Некоторые валы не поддерживают вращающиеся детали (карданные валы автомобилей, соединительные валки прокатных станов и т. п.), поэтому эти валы работают только на кручение. По назначению различают валы передач, на которых устанавливают зубчатые колеса, звездочки, муфты и прочие детали передач, и коренные валы, на которых устанавливают не только детали передач, но и другие детали, например маховики, кривошипы и т. д.

Оси представляют собой прямые стержни, а валы различают прямые, коленчатые и гибкие (рис.1). Широко распространены прямые валы. Коленчатые валы в кривошипно-шатунных передачах служат для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное или наоборот и применяются в поршневых машинах (двигатели, насосы). Гибкие валы, представляющие собой многозаходные витые из проволок пружины кручения, применяют для передачи момента между узлами машин, меняющими свое относительное положение в работе (механизированный инструмент, приборы дистанционного упраления и контроля, зубоврачебные бормашины и т. п.). Оси и валы в большинстве случаев бывают круглого сплошного, а иногда кольцевого поперечного сечения.

Участки осей и валов, которыми они опираются на подшипники, называют при восприятии радиальных нагрузок цапфами, при восприятии осевых нагрузок пятами. Концевые цапфы, работающие в подшипниках скольжения, называют шипами (рис. 2,а), а цапфы, расположенные на некотором расстоянии от концов осей и валов, шейками (рис. 2,б). Цапфы осей и валов, работающие в подшипниках скольжения, бывают цилиндрическими (рис. 2,а), коническими (рис. 2,в) и сферическими (рис. 2,г). ([2], c.270).Самые распространенные цилиндрические цапфы, так как они наиболее просты, удобны и дешевы в изготовлении, установке и работе. Конические и сферические цапфы применяют сравнительно редко, например для регулирования зазора в подшипниках точных машин путем перемещения вала или вкладыша подшипника, а иногда для осевого фиксирования оси или вала. Сферические цапфы применяют тогда, когда вал помимо вращательного движения должен совершать угловое перемещение в осевой плоскости. Цилиндрические цапфы, работающие в подшипниках скольжения, обычно делают несколько меньшего диаметра по сравнению с соседним участком оси или вала, чтобы благодаря заплечикам и буртикам оси и валы можно было фиксировать от осевых смещений. Цапфы осей и валов для подшипников качения почти всегда выполняют цилиндрическими. Сравнительно редко применяют конические цапфы с небольшим углом конусности для регулирования зазоров в подшипниках качения упругим деформированием колец. На некоторых осях и валах для фиксирования подшипников качения рядом с цапфами предусматривают резьбу для гаек или кольцевые выточки для фиксирующих пружинных колец.

Рисунок 1 Оси и валы: а), б), в), г) прямые валы и оси;

д) коленчатый вал; е) гибкий вал.

Рисунок 2 Цапфы осей и валов.

2. Материалы, критерии работоспособности и расчет валов и осей

Оси и валы изготовляют из углеродистых и легированных конструкционных сталей, так как они обладают высокой прочностью, способностью к поверхностному и объемному упрочнению, легкостью получения прокаткой цилиндрических заготовок и хороше обрабатываемостью на станках. Для осей и валов без термообработки используют углеродистые стали СтЗ, Ст4, Ст5, 25, 30, 35, 40 и 45. Оси и валы, к которым предъявляют повышенные требования к несущей способности и долговечности шлицев и цапф, выполняют из среднеуглеродистых или легированных сталей с улучшением 35, 40, 40Х, 40НХ и др. Для повышения износостойкости цапф валов, вращающихся в подшипниках скольжения, валы делают из сталей 20, 20Х, 12ХНЗА и других с последующей цементацией и закалкой цапф. Ответственные тяжелонагру-женные валы изготовляют из легированных сталей 40ХН, 40ХНМА, 30ХГТ и др. Тяжелонагруженные валы сложной формы, например, коленчатые валы двигателей, делают также из модифицированного или^{высокопрочного} чугуна.([4], c.336)

Основные критерии работоспособности осей и валов прочность и жесткость. Прочность осей и валов определяют размером и характером напряжений, возникающих под влиянием сил, действующих со стороны установленных на них деталей машин. Переменные по размеру или направлению силы, действующие на оси и валы, вызывают переменные напряжения. Постоянные по размеру и направлению силы вызывают в неподвижных осях постоянные напряжения, а во вращающихся осях и валах переменные напряжения. Вращающиеся вместе с осями и валами нагрузки (например, центробежные силы) вызывают постоянные напряжения.

Неподвижные оси, в которых возникают постоянные напряжения, рассчитывают на статическую прочность. Из-за опасности усталостного разрушения оси и валы быстроходных машин рассчитывают на сопротивление усталости. Тихоходные оси и валы, работающие с перегрузками, рассчитывают не только на сопротивление усталости, но и на статическую прочность. При проектировании осей и валов для предварительного определения размеров и принятия соответствующей конструкции их рассчитывают на статическую прочность, а затем окончательно на сопротивление усталости. В отдельных случаях оси и валы рассчитывают не только на прочность, но и на жесткость.

Причиной выхода из строя отдельных быстроходных валов могут быть колебания. В соответствии с этим такие валы дополнительно рассчитывают на колебания.

При расчете оси или вала на прочность, жесткость и колебания составляют расчетную схему. Силы, действующие на оси и валы со стороны расположенных на них деталей, определяют так же, как в передачах. При составлении расчетной схемы принимают, что детали передают осям и валам силы и моменты посередине своей ширины. При расчете осей и валов на прочность и жесткость собственную массу их, массу расположенных на них деталей (за исключением тяжелых маховиков и т. п.), а также силы трения, возникающие в опорах, не учитывают.

При расчете на изгиб вращающиеся оси и валы рассматривают как балки на шарнирных опорах. Наиболее распространены двухопорные оси и валы. В случае, когда в каждой опоре устанавливают по два подшипника качения, за центры шарнирных опор принимают середины внутренних подшипников. Для длинных подшипников скольжения центры условных шарнирных опор рекомендуется принимать на расстояние 0,25…0,3 длины подшипника, но не более половины его диаметра от кромки подшипника со стороны нагруженного пролета. Для неподвижных осей каждая отдельная опора принимается как заделка или как шарнир в зависимости от конструкции опоры.