ТМ, ДП и ОК Лектор: Резников Станислав Сергеевич

Лекция 7

Т М Д П О К ТЕОРИЯ МЕХАНИЗМОВ ДЕТАЛИ ПРИБОРОВ ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ

ВАЛЫ И ОСИ

ВАЛЫ ПЕРЕДАЧ, НЕСУЩИЕ ДЕТАЛИ ПЕРЕДАЧ КОЛЕНЧАТЫЕ ВАЛЫ, НЕСУЩИЕ НА СЕБЕ ШАТУНЫ ОСИ ВРАЩАЮЩИЕСЯ И НЕПОДВИЖНЫЕ КОРЕННЫЕ ВАЛЫ, НЕСУЩИЕ КРОМЕ ДЕТАЛЕЙ ПЕРЕДАЧ РАБОЧИЕ ОРГАНЫ МАШИН : КОЛЁСА, ДИСКИ И Т.Д.

Ось – деталь, служащая для удержания колёс и центрирования их вращения. Вал – ось, передающая вращающий момент.

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. КОЛЕБАНИЯ ИЗГИБНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ОСИ КОЛЁСНОЙ ПАРЫ В ДВИЖЕНИИ σ изг 1- НА МАЛОЙ СКОРОСТИ 2- НА ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ СКОРОСТИ

Причины поломок валов и осей прослеживаются на всех этапах их "жизни". На стадии проектирования – неверный выбор формы, неверная оценка концентраторов напряжений. На стадии изготовления – надрезы, забоины, вмятины от небрежного обращения. На стадии эксплуатации – неверная регулировка подшипниковых узлов.

Для работоспособности вала или оси необходимо обеспечить: объёмную прочность (способность сопротивляться Mизг и Мкрут); поверхностную прочность (особенно в местах соединения с другими деталями); жёсткость на изгиб; крутильную жёсткость (особенно для длинных валов).

Расчёт вала на объёмную прочность выполняют в три этапа. Предварительный расчёт валов Уточнённый расчёт валов Расчёт вала на выносливость

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.

По характеру трения подшипники разделяют на две большие группы: подшипники скольжения (трение скольжения); 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; при больших скоростях вращения (газодинамические подшипники в турбореактивных двигателях при n 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: температурные дефекты (заедание и выплавление вкладыша); абразивный износ; усталостные разрушения вследствие пульсации нагрузок.

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: жидкостное трение полужидкостное трение

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

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

СМАЗКА В ПОДШИПНИКЕ СКОЛЬЖЕНИЯ

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. СХЕМА РАСЧЁТА ПОДШИПНИКА

ПОДШИПНИКИ КАЧЕНИЯ

Принцип их конструкции заключается в наличии между валом и корпусом группы одинаковых круглых тел, называемых телами качения ТЕЛА КАЧЕНИЯ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ПОДШИПНИКАХ

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. "бес кольцевые" 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 разно размерности тел качения.

Подшипники качения классифицируются по следующим основным признакам: форма тел качения; габариты (осевые и радиальные); точность выполнения размеров; направление воспринимаемых сил.

ИГОЛЬЧАТЫЙ КОНИЧЕСКИЙ САМОУСТАНАВ- ЛИВАЮЩИЙСЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ РОЛИКОВЫЕ РАДИАЛЬНЫЕ РОЛИКОВЫЕ ПОДШИПНИКИ

По радиальным габаритам подшипники сгруппированы в семь серий: 2 СВЕРХЛЁГКИЕ 2 ОСОБОЛЁГКИЕ ЛЁГКАЯ СРЕДНЯЯ ТЯЖЁЛАЯ СЕРИИ; СЕРИИ; СЕРИЯ; СЕРИЯ; СЕРИЯ.

По осевым габаритам подшипники сгруппированы в четыре серии УЗКАЯ НОРМАЛЬНАЯ ШИРОКАЯ ОСОБОШИРОКАЯ СЕРИЯ; СЕРИЯ; СЕРИЯ; СЕРИЯ.

По классам точности подшипники различают следующим образом: "0" – нормального класса; "6" – повышенной точности; "5" – высокой точности; "4" – особо высокой точности; "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 Fr и осевую Fa реакции опор вала, конструктор может выбрать: Радиальные подшипники (если Fr << Fa), воспринимающие только радиальную нагрузку и незначительную осевую. Это цилиндрические роликовые (если Fa = 0) и радиальные шариковые подшипники. Радиально-упорные подшипники (если Fr > Fa), воспринимающие большую радиальную и меньшую осевую нагрузки. Это радиально-упорные шариковые и конические роликовые с малым углом конуса. Упорно-радиальные подшипники (если Fr < Fa), воспринимающие большую осевую и меньшую радиальную нагрузки. Это конические роликовые подшипники с большим углом конуса. Упорные подшипники, "подпятники" (если Fr << Fa), воспринимающие только осевую нагрузку. Это упорные шариковые и упорные роликовые подшипники. Они не могут центрировать вал и применяются только в сочетании с радиальными подшипниками.

Работоспособность подшипника сохраняется при соблюдении двух критериев: Долговечность. Грузоподъёмность.

Методика выбора подшипников качения Вычисляется требуемая долговечность подшипника исходя из частоты вращения и заданного заказчиком срока службы машины. По найденным ранее реакциям опор выбирается тип подшипника (радиальный, радиально-упорный, упорно- радиальный или упорный), из справочника находятся коэффициенты радиальной и осевой нагрузок Х, У. Рассчитывается эквивалентная динамическая нагрузка. Определяется требуемая грузоподъёмность C = P*L(1/α). По каталогу, исходя из требуемой грузоподъёмности, выбирается конкретный типоразмер ("номер") подшипника, причём должны выполняться два условия: грузоподъёмность по каталогу не менее требуемой; внутренний диаметр подшипника не менее диаметра вала.

Для закрепления внутренних колец на валу применяются различные средства: уступы вала (а); пружинные стопорные кольца (б,е); торцовые шайбы (в); упорные гайки (г,ж); конические разрезные втулки (д,з).

Для фиксации наружных колец применяют уступы в корпусе и стакане (а); крышки (б); крышки и уступы (в,г); упорные борта (д); врезные крышки при разъёмных корпусах (е); пружинные кольца (ж,з).

Радиально-упорные подшипники требуют осевого регулирования, которое делается смещением наружного кольца: прокладками из металла (а); крепёжным винтом (б,г) при малых осевых силах; резьбовой крышкой или кольцом (в).