Валы и оси

§ 2.1. Основные сведения. Элементы конструкции. Материалы

Валы и оси предназначены для установки и крепления на них вращающихся деталей механизмов приборов, например, зубчатых колес и секторов, шкивов, барабанов, муфт и полумуфт, шкал и указателей и т. д. Валы и оси различают по условиям работы. Оси не передают вращающего момента и не испытывают кручения. Они могут быть нагружены изгибающими моментами и продольными (осевыми) силами. На неподвижные оси обычно устанавливают детали (например, ролик 1 на рис. 2.1, а), а подвижные оси вместе с закрепленными на них деталями вращаются в подшипниках качения или скольжения (ось 1 и зубчатое колесо 2 в подшипниках 3 и 4 на рис. 2.1, б). В отличие от оси вал передает вращающий момент, например, от колеса 1 колесу 2 на рис. 2.1, в. При работе вал испытывает изгиб и кручение, а в некоторых случаях дополнительно растяжение или сжатие.
Различают валы прямые, коленчатые и гибкие. Прямые валы получили самое широкое распространение в приборостроении. Коленчатые валы применяют для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное или наоборот; они совмещают функции обычных валов с функциями кривошипов в кривошипно-ползунных механизмах приборов и приборных устройств. Гибкие валы состоят из нескольких плотно навитых слоев стальных проволок. Соседние слои имеют противоположное направление навивки, при этом направление навивки наружного слоя должно совпадать с направлением вращения, что обеспечивает уплотнение внутренних слоев. Гибкие валы применяют для передачи вращающих моментов между приборами, произвольно расположенными в условиях эксплуатации, например между приборами дистанционного контроля и управления.
Для обеспечения достаточной равнопрочности по длине, удобства изготовления и установки сопряженных деталей валы и оси выполняют ступенчатыми (рис. 2.2). В плоскости действия изгибающего момента такая форма вала или оси приближается к профилю равнопрочного сечения, имеющего вид кубической параболы (штриховые линии на рис. 2.2). При установке на вал неразъемных деталей с различными внутренними диаметрами необходимо, чтобы детали проходили до соответствующих им посадочных поверхностей свободно. Участки вала или оси, непосредственно соприкасающиеся с опорами (подшипниками качения или скольжения), называют цапфами. Цапфы, передающие на концевые опоры преимущественно радиальную нагрузку, перпендикулярную оси вала, называют шипами, а цапфы, передающие осевую нагрузку, — пятами. По форме (рис. 2.3, а), кольцевыми (б) и сферическими (в).


Посадочные поверхности под ступицы насаживаемых на вал или ось деталей выполняют цилиндрическими или коническими. Последние применяют для обеспечения соосности и повышения точности центрирования деталей. Диаметры посадочных поверхностей d валов и осей выбирают из стандартного ряда линейных размеров [55], а диаметры под подшипники качения — из стандартного ряда диаметров подшипников качения [5]. Переходные участки между двумя соседними ступенями различных диаметров у валов и осей приборов выполняют или в виде канавки для выхода шлифовального круга (рис. 2.4, а), или в виде галтели постоянного радиуса r (рис. 2.4, б). Канавки вызывают концентрацию напряжений и понижают прочность вала при переменных нагрузках, по этому их рекомендуют выполнять на концевых участках валов и осей, где изгибающие моменты невелики. Радиус галтели выбирают меньше радиуса закругления или радиального размера фаски насаживаемой на вал детали. Для нагруженных участков валов и осей, используемых, например, в силовых приводах, рекомендуют галтели переменного радиуса, имеющие эллиптическую форму или очерченные двумя радиусами кривизны [41].
Валы и оси механизмов приборов выполняют из конструкционных и легированных сталей, обладающих хорошими механическими характеристиками и физическими свойствами. К ним относятся стали углеродистые обыкновенного качества Ст4, Ст5, Стб (по ГОСТ 380—71); стали углеродистые качественные конструкционные 20, 30, 40, 50, 60 и др. (по ГОСТ 1050—74); стали легированные конструкционные 20Х, ЗОХ, 38ХА, ЗОГ, 40ХН и др. (по ГОСТ 4543—71). В целях упрочнения валы могут подвергаться различной термической обработке. Для повышения износостойкости отдельных участков валов часто применяют закалку токами высокой частоты (ТВЧ).


Механические элементы

Электрические элементы