ВАЛЫ И ОСИ
Колёса передач установлены на специальных продолговатых деталях круглого сечения. Среди таких деталей различают оси и валы .
Ось – деталь, служащая для удержания колёс и центрирования их вращения. Вал – ось, передающая вращающий момент.
Не следует путать понятия "ось колеса", это деталь и "ось вращения", это геометрическая линия центров вращения.
Формы валов и осей весьма многообразны от простейших цилиндров до сложных коленчатых конструкций. Известны конструкции гибких валов, которые предложил шведский инженер Карл де Лаваль ещё в 1889 г.
Форма вала определяется распределением изгибающих и крутящих моментов по его длине. Правильно спроектированный вал представляет собой балку равного сопротивления.
 |
Валы и оси вращаются, а следовательно, испытывают знакопеременные нагрузки, напряжения и деформации. Поэтому поломки валов и осей имеют усталостный характер.
Причины поломок валов и осей прослеживаются на всех этапах их "жизни".
1. На стадии проектирования – неверный выбор формы, неверная оценка концентраторов напряжений.
2. На стадии изготовления – надрезы, забоины, вмятины от небрежного обращения.
3. На стадии эксплуатации – неверная регулировка подшипниковых узлов.
Для работоспособности вала или оси необходимо обеспечить:
è объёмную прочность (способность сопротивляться M изг и М крут );
è поверхностную прочность (особенно в местах соединения с другими деталями);
è жёсткость на изгиб;
è крутильную жёсткость (особенно для длинных валов).
Все валы в обязательном порядке рассчитывают на объёмную прочность .
Схемы нагружения валов и осей зависят от количества и места установки на них вращающихся деталей и направления действия сил. При сложном нагружении выбирают две ортогональные плоскости (например, фронтальную и горизонтальную) и рассматривают схему в каждой плоскости. Рассчитываются, конечно, не реальные конструкции, а упрощённые расчётные модели, представляющие собой балки на шарнирных опорах, балки с заделкой и даже статически неопределимые задачи .
При составлении расчётной схемы валы рассматривают как прямые брусья, лежащие на шарнирных опорах. При выборе типа опоры полагают, что деформации валов малы и, если подшипник допускает хотя бы небольшой наклон или перемещение цапфы, его считают шарнирно-неподвижной или шарнирно-подвижной опорой. Подшипники скольжения или качения, воспринимающие одновременно радиальные и осевые усилия, рассматривают как шарнирно-неподвижные опоры, а подшипники, воспринимающие только радиальные усилия, - как шарнирно-подвижные.
Такие задачи хорошо известны студентам из курсов теоретической механики (статики) и сопротивления материалов.
Расчёт вала на объёмную прочность выполняют в три этапа.
I. Предварительный расчёт валов
Выполняется на стадии проработки Технического Задания, когда известны только вращающие моменты на всех валах машины. При этом считается, что вал испытывает только касательные напряжения кручения
t кр = М вр / W p £ [ t ] кр ,
где W p - полярный момент сопротивления сечения.
Для круглого сечения: W p = pd 3 /16 , [ t ] кр = 15 ¸ 20 Н/мм 2 .
Условие прочности по напряжениям кручения удобно решать относительно диаметра вала
Это – минимальный диаметр вала. На всех других участках вала он может быть только больше. Вычисленный минимальный диаметр вала округляется до ближайшего большего из нормального ряда. Этот диаметр является исходным для дальнейшего проектирования.
II. Уточнённый расчёт валов
На данном этапе учитывает не только вращающий, но и изгибающие моменты. Выполняется на этапе эскизной компоновки, когда предварительно выбраны подшипники, известна длина всех участков вала, известно положение всех колёс на валу, рассчитаны силы, действующие на вал.
Чертятся расчётные схемы вала в двух плоскостях. По известным силам в зубчатых передачах и расстояниям до опор строятся эпюры изгибающих моментов в горизонтальной и фронтальной плоскостях. Затем вычисляется суммарный изгибающий момент
где α =0,75 или 1 в зависимости от принятой энергетической теории прочности , принимаемый большинством авторов равным 1 .
Вычисляется эквивалентное напряжение от совместного действия изгиба и кручения s экв = М экв / W p .
Уравнение также решается относительно минимального диаметра вала
Или то же самое для сравнения с допускаемыми нормальными напряжениями:
Полученный в уточнённом расчёте минимальный диаметр вала принимается окончательно для дальнейшего проектирования.
III. Расчёт вала на выносливость
Выполняется как проверочный на стадии рабочего проектирования, когда практически готов рабочий чертёж вала, т.е. известна его точная форма, размеры и все концентраторы напряжений: шпоночные пазы, кольцевые канавки, сквозные и глухие отверстия, посадки с натягом, галтели (плавные, скруглённые переходы диаметров).
При расчёте полагается, что напряжения изгиба изменяются по симметричному циклу, а касательные напряжения кручения – по отнулевому пульсирующему циклу.
Проверочный расчёт вала на выносливость по существу сводится к определению фактического коэффициента запаса прочности n , который сравнивается с допускаемым
Здесь n s и n t - коэффициенты запаса по нормальным и касательным напряжениям
где s -1 и τ -1 – пределы выносливости материала вала при изгибе и кручении с симметричным циклом; k σ и k τ – эффективные коэффициенты концентрации напряжений при изгибе и кручении, учитывающие галтели, шпоночные канавки, прессовые посадки и резьбу; ε α и ε τ – масштабные коэффициенты диаметра вала; s a и τ a – амплитудные значения напряжений; s m и τ m – средние напряжения цикла (s m = 0 , τ m =τ a ); ψ σ и ψ τ – коэффициенты влияния среднего напряжения цикла на усталостную прочность зависят от типа стали.
Вычисление коэффициентов запаса прочности по напряжениям подробно излагалось в курсе "Сопротивление материалов", в разделе "Циклическое напряжённое состояние".
Если коэффициент запаса оказывается меньше требуемого, то сопротивление усталости можно существенно повысить, применив поверхностное упрочнение: азотирование, поверхностную закалку токами высокой частоты, дробеструйный наклёп, обкатку роликами и т.д. При этом можно получить увеличение предела выносливости до 50% и более.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
s Чем различаются валы и оси?
s Какой динамический характер имеют напряжения изгиба в валах и осях?
s Каковы причины поломок валов и осей?
s В каком порядке выполняются этапы прочностного расчёта валов?
s Какой диаметр определяется в проектировочном расчёте валов?
ОПОРЫ ВАЛОВ И ОСЕЙ – ПОДШИПНИКИ
Валы и оси поддерживаются специальными деталями, которые являются опорами. Название "подшипник" происходит от слова "шип" (англ. shaft, нем. zappen, голл. shiffen – вал ). Так раньше называли хвостовики и шейки вала, где, собственно говоря, подшипники и устанавливаются.
Назначение подшипника состоит в том, что он должен обеспечить надёжное и точное соединение вращающейся (вал, ось) детали и неподвижного корпуса. Следовательно, главная особенность работы подшипника – трение сопряжённых деталей.
По характеру трения подшипники разделяют на две большие группы:
è подшипники скольжения (трение скольжения);
è подшипники качения (трение качения).
ПОДШИПНИКИ СКОЛЬЖЕНИЯ
Основным элементом таких подшипников является вкладыш из антифрикционного материала или, по крайней мере, c антифрикционным покрытием. Вкладыш устанавливают (вкладывают) между валом и корпусом подшипника .
Трение скольжения безусловно больше трения качения, тем не менее, достоинства подшипников скольжения заключаются в многообразных областях использования:
В разъёмных конструкциях (см. рисунок);
При больших скоростях вращения (газодинамические подшипники в турбореактивных двигателях при n > 10 000 об/мин );
При необходимости точного центрирования осей;
В машинах очень больших и очень малых габаритов;
В воде и других агрессивных средах.
Недостатки таких подшипников – трение и потребность в дорогих антифрикционных материалах.
Кроме того, подшипники скольжения применяют во вспомогательных, тихоходных, малоответственных механизмах.
Характерные дефекты и поломки подшипников скольжения вызваны трением :
r температурные дефекты (заедание и выплавление вкладыша);
r абразивный износ;
r усталостные разрушения вследствие пульсации нагрузок.
При всём многообразии и сложности конструктивных вариантов подшипниковых узлов скольжения принцип их устройства состоит в том, что между корпусом и валом устанавливается тонкостенная втулка из антифрикционного материала, как правило, бронзы или бронзовых сплавов, а для малонагруженных механизмов из пластмасс. Имеется успешный опыт эксплуатации в тепловозных дизелях М753 и М756 тонкостенных биметаллических вкладышей толщиной не более 4 мм, выполненных из стальной полосы и алюминиево-оловянного сплава АО 20-1.
Большинство радиальных подшипников имеет цилиндрический вкладыш, который, однако, может воспринимать и осевые нагрузки за счёт галтелей на валу и закругления кромок вкладыша. Подшипники с коническим вкладышем применяются редко, их используют при небольших нагрузках, когда необходимо систематически устранять ("отслеживать") зазор от износа подшипника для сохранения точности механизма.
Для правильной работы подшипников без износа поверхности цапфы и втулки должны быть разделены слоем смазки достаточной толщины. В зависимости от режима работы подшипника в нём может быть:
è жидкостное трение , когда рабочие поверхности вала и вкладыша разделены слоем масла, толщина которого больше суммы высот шероховатости поверхностей; при этом масло воспринимает внешнюю нагрузку, изолируя вал от вкладыша, предотвращая их износ. Сопротивление движению очень мало;
è полужидкостное трение , когда неровности вала и вкладыша могут касаться друг друга и в этих местах происходит их схватывание и отрыв частиц вкладыша. Такое трение приводит к абразивному износу даже без попадания пыли извне.
Обеспечение режима жидкостного трения является основным критерием расчёта большинства подшипников скольжения. При этом одновременно обеспечивается работоспособность по критериям износа и заедания.
Критерием прочности, а следовательно, и работоспособности подшипника скольжения являются контактные напряжения в зоне трения или, что, в принципе, то же самое – контактное давление. Расчётное контактное давление сравнивают с допускаемым p
= N /
(l d
)
£ [
p
]
. Здесь N
– сила нормального давления вала на втулку (реакция опоры), l
- рабочая длина втулки подшипника, d
– диаметр цапфы вала.
Иногда удобнее сравнивать расчётное и допускаемое произведение давления на скорость скольжения. Скорость скольжения легко рассчитать, зная диаметр и частоту вращения вала.
Произведение давления на скорость скольжения характеризует тепловыделение и износ подшипника. Наиболее опасным является момент пуска механизма, т.к. в покое вал опускается ("ложится") на вкладыш и при начале движения неизбежно сухое трение.
ПОДШИПНИКИ КАЧЕНИЯ
Принцип их конструкции заключается в наличии между валом и корпусом группы одинаковых круглых тел, называемых телами качения .
Это могут быть или шарики, или ролики (короткие толстые либо длинные иглообразные), или конические ролики, или бочкообразные, или даже спиралевидные пружины. Обычно подшипник выполняется как самостоятельная сборочная единица, состоящая из наружного и внутреннего колец, между которыми и помещены тела качения.
Тела качения во избежание ненужного контакта друг с другом и равномерного распределения по окружности заключены в специальную кольцеобразную обойму – сепаратор (лат. Separatum – разделять ).
В некоторых конструкциях, где приходится бороться за уменьшение радиальных габаритов, применяются т.н. "бескольцевые" подшипники, когда тела качения установлены непосредственно между валом и корпусом. Однако нетрудно догадаться, что такие конструкции требуют сложной, индивидуальной, а, следовательно, и дорогой сборки-разборки.
Достоинства подшипников качения:
Низкое трение, низкий нагрев;
Экономия смазки;
Высокий уровень стандартизации;
Экономия дорогих антифрикционных материалов.
Недостатки подшипников качения:
` высокие габариты (особенно радиальные) и вес;
` высокие требования к оптимизации выбора типоразмера;
` слабая виброзащита, более того, подшипники сами являются генераторами вибрации за счёт даже очень малой неизбежной разноразмерности тел качения.
Подшипники качения классифицируются по следующим основным признакам:
è форма тел качения;
è габариты (осевые и радиальные);
è точность выполнения размеров;
è направление воспринимаемых сил.
По форме тел качения подшипники делятся на:
è 
Шариковые
(быстроходны, способны к самоустановке за счёт возможности некоторого отклонения оси вращения);
è Роликовые
– конические, цилиндрические, игольчатые (более грузоподъёмны, но из-за точно фиксированного положения оси вращения не способны самоустанавливаться, кроме бочкообразных роликов). 
По радиальным габаритам подшипники сгруппированы в семь серий:
 |
По осевым габаритам подшипники сгруппированы в четыре серии:
 |
По классам точности подшипники различают следующим образом:
è "0" – нормального класса;
è "6" – повышенной точности;
è "5" – высокой точности;
è "4" – особовысокой точности;
è "2" – сверхвысокой точности.
При выборе класса точности подшипника необходимо помнить о том, что "чем точнее, тем дороже".
По воспринимаемым силам все подшипники делятся на четыре группы. Вычислив радиальную F r и осевую F a реакции опор вала, конструктор может выбрать:
è Радиальные подшипники (если F r << F a ), воспринимающие только радиальную нагрузку и незначительную осевую. Это цилиндрические роликовые (если F a = 0 ) и радиальные шариковые подшипники.
è Радиально-упорные подшипники (если F r > F a ), воспринимающие большую радиальную и меньшую осевую нагрузки. Это радиально-упорные шариковые и конические роликовые с малым углом конуса.
è Упорно-радиальные подшипники (если F r < F a ), воспринимающие большую осевую и меньшую радиальную нагрузки. Это конические роликовые подшипники с большим углом конуса.
è Упорные подшипники , "подпятники" (если F r << F a ), воспринимающие только осевую нагрузку. Это упорные шариковые и упорные роликовые подшипники. Они не могут центрировать вал и применяются только в сочетании с радиальными подшипниками.
Материалы подшипников качения назначаются с учётом высоких требований к твёрдости и износостойкости колец и тел качения.
Здесь используются шарикоподшипниковые высокоуглеродистые хромистые стали ШХ15 и ШХ15СГ, а также цементируемые легированные стали 18ХГТ и 20Х2Н4А.
Твёрдость колец и роликов обычно HRC 60 ¸ 65 , а у шариков немного больше – HRC 62 ¸ 66 , поскольку площадка контактного давления у шарика меньше. Сепараторы изготавливают из мягких углеродистых сталей либо из антифрикционных бронз для высокоскоростных подшипников. Широко внедряются сепараторы из дюралюминия, металлокерамики, текстолита, пластмасс.
Валы и вращающиеся оси монтируют на опорах, которые определяют положение вала или оси, обеспечивают вращение, воспринимают нагрузки и передают их основанию машины. Основной частью опор являются подшипники, которые могут воспринимать радиальные, радиально-осевые и осевые нагрузки; в последнем случае опора называется подпятником, а подшипник носит название упорного.
По принципу работы различают подшипники скольжения, в которых цапфа вала скользит по опорной поверхности, и подшипники качения, в которых между поверхностью вращающейся детали и опорной поверхностью расположены тела качения.
От качества подшипников в значительной степени зависит работоспособность, долговечность и КПД машин.
Подшипники, работающие по принципу трения скольжения, называются подшипниками скольжения .
Простейшим подшипником скольжения является отверстие, расточенное непосредственно в корпусе машины, в которое обычно вставляют втулку (вкладыш) из антифрикционного материала.
Достоинства подшипников скольжения˸ малые габариты в радиальном направлении, хорошая восприимчивость ударных и вибрационных нагрузок, возможность применения при очень высоких частотах вращения вала и в прецизионных машинах, большая долговечность в условиях жидкостного трения, возможность использования при работе в воде или агрессивной среде.
Недостатки подшипников скольжения˸ большие габариты в осевом направлении, значительный расход смазочного материала и необходимость систематического наблюдения за процессом смазывания, необходимость применения дорогостоящих и дефицитных антифрикционных материалов для вкладышей. Вышеперечисленные достоинства и недостатки определяют применение подшипников скольжения, например в молотах, поршневых машинах, турбинах, центрифугах, координатно-расточных станках, для валов очень больших диаметров, а также для валов тихоходных машин. КПД подшипников скольжения h=0,95...0,99.
Существует очень много конструкций подшипников скольжения, которые подразделяются на два вида˸ неразъемные и разъемные. Неразъемный подшипник (рис. 38) состоит из корпуса и втулки, которая должна быть неподвижно закреплена в корпусе подшипника или свободно заложена в него (ʼʼплавающая втулкаʼʼ). Неразъемные подшипники используют главным образом в тихоходных машинах, приборах и т. д. Их основное преимущество – простота конструкции и низкая стоимость.
Разъемный подшипник (рис. 39) состоит из основания и крышки корпуса, разъемного вкладыша, смазочного устройства и болтового или шпилечного соединения основания с крышкой. Износ вкладышей в процессе работы компенсируется поджатием крышки к основанию. Разъемные подшипники значительно облегчают сборку и незаменимы для конструкций с коленчатыми валами. Разъемные подшипники широко применяются в общем и особенно тяжелом машиностроении.
Для передачи вращательного движения наиболее характерными типовыми деталями и сборочными единицами машин являются валы, оси, цапфы, опоры валов и осей (подшипники) и муфты (рис. 37, а - г).
Рис. 37.
Валы, оси и опоры:
а - вал на опорах; б - подшипник скольжения неразъемный, в, г - подшипник скольжения разъемный; 1 - цапфа-шип; 2 - опора (подшипник), 3 - шкив, 4 - монтажная шейка, 5 - опора (подшипник), 6 - зубчатое колесо, 7 - цапфа-шейка, 8 - ось, 9 - блок
Валы - детали машин, предназначенные для передачи крутящего момента (мощности) и несущие на себе такие детали, как шкивы, зубчатые колеса, муфты, маховики. Валы могут иметь различное расположение: горизонтальное, вертикальное, наклонное. При работе валы подвергаются скручиванию, изгибу, поперечным и продольным нагрузкам. Валы могут быть цилиндрическими, гладкими, пустотелыми, ступенчатыми, коленчатыми, кривошипными и составными. Когда вал машины или механизма расположен по отношению к валу двигателя так, что осуществить их связь жесткими передачами невозможно, применяют гибкие проволочные валы, например привод дистанционного управления и контроля.
Оси - детали машин, служащие лишь опорой для вращающихся деталей (не передают крутящего момента). Оси могут быть неподвижными, когда вращающиеся детали свободно насажены, или подвижными, когда детали закреплены и вращаются вместе с осью. Форма осей цилиндрическая (прямая или ступенчатая).
Цапфы - опорные концы вала. В зависимости от положения на валу и направления нагрузки цапфы делятся на шипы, шейки и пяты.
Шип и шейка принимают радиальную нагрузку, пята - осевую. Шип располагается на конце вала или оси и через него не передается крутящий момент. Шейка ставится на участках вала, подверженных действию крутящего момента.
Шипы и шейки имеют цилиндрическую (реже коническую или шаровую) форму. Пята представляет собой торцовую часть оси или вала.
Опоры в машинах являются неподвижными частями, на которые опираются вращающиеся вал и ось. В зависимости от направления прилагаемой нагрузки опоры делятся на подшипники и подпятники.
Подшипники принимают радиальную нагрузку, а подпятники - осевую. При комбинированной нагрузке используют радиально-упорные опоры. В зависимости от рода трения различают опоры скольжения и опоры качения.
Применяемые материалы.
Валы и оси вращаются в опорах, в качестве которых служат подшипники качения и скольжения. Опорные части валов и осей называют цапфами , при этом концевые цапфы для подшипников скольжения называют шипами , а промежуточные – шейками (рис. 27 а). Концевые опорные поверхности валов и осей, предназначенных для восприятия осевых нагрузок, называют пятами , а подшипники скольжения, в которых они размещаются, - подпятниками (рис. 27 б).
Конструктивная форма вала или оси во многом определяется видом их соединения с насаженными на них деталями. Виды этих соединений весьма разнообразны и выбираются в соответствии с величиной и родом передаваемых нагрузок, а также требуемой точностью центрирования насаженных деталей. Чаще всего детали закрепляются на валу или оси шпонками или шлицами, либо посадкой с гарантированным натягом.
Для осевого фиксирования деталей (зубчатых колёс, подшипников и др.) на валах выполняют упорные буртики
или заплечики (рис. 28).
Переходные участки валов между соседними ступенями разных диаметров выполняют радиусной галтелью (рис. 28 а)
или в форме канавки (рис. 28 б).
Для изготовления валов и осей используют углеродистые стали марок 20, 30, 45 и 50, легированные стали марок 20Х, 40Х 40ХН и др.
Выбор материала, термической и химико-термической обработки определяется конструкцией вала и опор, условиями эксплуатации.
Общие сведения об опорах валов и осей
Опорами называют устройства, обеспечивающие вращение подвижных частей механизма и непосредственное восприятие давления со стороны вала или оси. В зависимости от вида трения опоры (подшипники) бывают с трением скольжения и трением качения .
Опоры с трением скольжения имеют следующие преимущества :
– они могут работать при высоких скоростях и нагрузках в агрессивных средах;
– они малочувствительны к ударным и вибрационным нагрузкам;
– их можно устанавливать в местах, недоступных для установки подшипников качения, например на шейках коленчатых валов.
К основным недостаткам опор с трением скольженияотносятся:
– более высокие потери на трение при обычных условиях;
– усложнённые системы смазки тяжело нагруженных, быстроходных подшипников;
– необходимость постоянного контроля смазки (исключение представляют приборные подшипники из фторопласта и капрона, а также металлокерамические подшипники);
– необходимость применения дефицитных материалов и высокой твёрдости поверхности цапф;
– большие осевые габариты;
К достоинствам опор с трением качения относятся:
– малые потери на трение и моменты сопротивления при трогании с места;
– относительная простота сборки и ремонта механизмов;
– малые габариты в осевом направлении.
Недостатками этих опор являются:
– повышенная чувствительность к ударным и вибрационным нагрузкам,
– повышенные радиальные габариты.
Надёжность работы подшипников в значительной мере определяет работоспособность и долговечность машин.
Подшипники скольжения
Общие сведения
Подшипник скольжения (рис. 29 ) – это пара вращения, состоящая из опорного участка вала (цапфы ) 1 и самого подшипника 2 , в котором скользит цапфа.
Благодаря указанным выше достоинствам, а также по конструктивным и экономическим соображениям опоры скольжения находят широкое применение в паровых и газовых турбинах, двигателях внутреннего сгорания, центробежных насосах, центрифугах, металлообрабатывающих станках, швейном оборудовании. Они отличаются большим разнообразием конструктивных форм составных частей.
По виду трения скольжения различают подшипники: сухого трения , работающие на твёрдых смазочных материалах или без смазочного материала; граничного трения , при котором слой смазки, разделяющий подшипник и цапфу вала, составляет не более 0,1 мкм; жидкостного трения и с газовой смазкой .
По виду воспринимаемой нагрузки подшипники подразделяют на: радиальные , воспринимающие радиальную нагрузку (рис. 30 а); радиально-упорные , если подшипник может кроме радиальной нагрузки воспринимать частично и осевую (рис. 30 б, в); упорные , воспринимающие осевую нагрузку (рис. 30 г).
Форма рабочей поверхности подшипников и цапф может быть цилиндрической (рис. 30 а),
конической (рис. 30 б),
шаровой (рис. 30 в)
и плоской (рис. 30 г).
Конические и шаровые подшипники применяются редко. Условия работы подшипников скольжения определяются основными параметрами режима работы: удельной нагрузкой р
и угловой скоростью ω.
3.4.2. Конструкции подшипников скольжения
Подшипники скольжения состоят из двух основных частей: корпуса и подшипниковой втулки (вкладыша), контактирующей с цапфой вала. Применение вкладышей позволяет изготовлять детали корпусов из дешёвых материалов и облегчает ремонт. В малогабаритных и неответственных подшипниках вкладыши иногда отсутствуют, их назначение в этом случае выполняет корпус.
Конструкции деталей корпусов и вкладышей разнообразны и зависят от конструкции механизмов и машин в целом, условий монтажа и эксплуатации.
Конструкции опор с подшипниками скольжения можно условно разделить на подшипники с неразъёмным корпусом и разъёмным .
Подшипники с неразъёмным корпусом сравнительно просты и дешёвы, но сложны при монтаже (требуется осевой сдвиг вала, не допускается регулировка зазора). Это ограничивает их использования малоответственными тихоходными конструкциями.
Разъёмные стандартные подшипники широко применяются в различных конструкциях.
Разъёмный подшипник (рис. 31)
состоит из корпуса 1
, крышки 2
, вкладыша 3
, крепёжных болтов с гайками 4
и маслёнки 5
. Разъём вкладыша делают по его диаметру, а разъём корпуса – ступенчатым. Уступ в ступенчатом разъёме препятствует поперечному сдвигу крышки относительно корпуса подшипника.
Разъём вкладыша обычно выполняют в плоскости, перпендикулярной радиальной нагрузке. Смазку осуществляют различными смазочными материалами с помощью колпачковых маслёнок или жидкими маслами с помощью капельных маслёнок, например в швейных машинах.
Подшипниковые втулки (вкладыши) выполняют в стандартном и оригинальном исполнении цилиндрическими без бурта (буртов) для радиальной нагрузки (рис. 32 а) и с буртом (буртами) для восприятия одно- или двусторонней осевой и радиальной сил (рис. 32 б, в, г) . Их изготавливают неразъёмными (рис. 32) и разъёмными (рис. 33).
Для распределения смазки по длине вкладыша на его внутренней поверхности делают канавки или выемки (карманы) (рис. 33).
Их располагают в месте подвода смазки. Расположение и форма канавок и каналов, подводящих смазочный материал, зависят от конструкции опоры и особенностей эксплуатации. От осевого перемещения вкладыши фиксируют с помощью винтов
или штифтов (рис. 34).
Вкладыши изготовляют из материалов с высокими антифрикционными свойствами, обладающими хорошей теплопроводностью, прирабатываемостью и смачиваемостью смазочными материалами, твёрдостью.
Наиболее распространёнными материалами вкладышей являются баббиты Б16 и Б83 , бронзы БрО10Ф1 , БрА9Ж3Л и др., латунь ЛМцОС58-2-2-2 , антифрикционные чугуны АСЧ1, АСЧ-2, АСЧ-3 и др.
Вкладыши малонагруженных и низкооборотных механизмов изготовляют из металлокерамики, пластмасс. Втулки и вкладыши подшипников скольжения, изготовленные из неметаллических материалов (текстолит, резина, капрон и др.), стоят дешевле металлических. Они обладают хорошими антикоррозионными свойствами, могут работать без смазки или с водяной смазкой, имеют повышенную нагрузочную способность и сопротивляемость удару, износостойки и не склонны к заеданию.
Практика эксплуатации подшипников скольжения показала, что их работа в условиях сухого и граничного трения сопровождается изнашиванием. Отказы таких подшипников происходят из-за заедания (диффузионной сварки), пластического деформирования, абразивного изнашивания, особенно опасного при засорении смазочного материала, а также усталостного разрушения и отслаивания фрикционного слоя при вибрационных и ударных нагрузках. Эти повреждения зависят от удельной нагрузки, скорости, вязкости материала и других параметров режима работы, используемых в качестве критериев работоспособности.
Подшипники жидкостного трения работают без изнашивания, если не нарушается режим смазки. В связи с этим для них основным критерием работоспособности является номинальная толщина слоя смазочного материала, исключающая контакт микронеровностей цапфы и подшипника (вкладыша).
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 виброустойчивост ь.
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:
р m = F r / (dl ) £ [p ]; p m v £[pv ]; v £ [v ]; t £ [ t ],
- диаметр цапфы; l - длина подшипника; v - окружная скорость цапфы; р m - 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
