Типы осей — Как спроектировать вал

Что такое ось?

Вал — это, по существу, любая вращающаяся часть машины круглого поперечного сечения, используемая для передачи мощности от одной части к другой или от машины, вырабатывающей энергию, к машине, поглощающей энергию. Для передачи мощности один конец вала подключается к источнику питания, а другой конец подключается к машине. Валы могут быть цельными или полыми в зависимости от требований. Полые валы помогают снизить вес и обеспечивают преимущества.

Вал является одним из очень важных элементов, используемых в машине. Они используются для поддержки вращающихся частей, таких как шкивы и шестерни, которые опираются на подшипники, расположенные в жестком корпусе машины, а шестерни и шкивы, расположенные на валах, помогают передавать движение.

Многие другие вращающиеся элементы соединены шпонкой с валом. Они подвергаются изгибающим моментам и крутящим моментам из-за сил реакции элементов, которые они поддерживают, и крутящих моментов, создаваемых передачей мощности.

Валы всегда имеют круглое сечение и могут быть полыми или сплошными. Валы можно разделить на кривошипные, линейные, шарнирные или гибкие, но линейные валы часто используются для передачи мощности.

Валы обычно выполняют в виде крутых цилиндрических стержней, поэтому они имеют разный диаметр по всей длине, хотя валы с постоянным диаметром изготовить несложно.

Величина напряжения в ступенчатом валу зависит от его длины. Валы одинакового диаметра не пригодны для разборки, сборки, обслуживания и создают сложности при креплении устанавливаемых на них деталей, особенно подшипников.

Тип вала

01 Приводной вал

Приводные валы представляют собой ступенчатые валы, используемые для передачи мощности от одного источника к другой машине, которая поглощает мощность. Устанавливается на ступенчатую часть вала, ступицы или шкива для передачи движения. Такие, как верхние валы, катушки, промежуточные валы и все заводские валы.

02 механическая ось

Механический вал расположен внутри компонента и является составной частью машины, как коленчатый вал в двигателе автомобиля является машинным валом.

03 полуось

Ось Ось Ось, поддерживающая вращающийся элемент, такой как колесо, может быть установлена в корпусе с подшипниками, но ось является невращающимся элементом, в основном используемым в транспортных средствах, таких как оси в автомобилях.

04 шпиндель

Шпиндель — это вращающаяся часть станка, в которой находится инструмент или рабочее пространство для короткой оси станка, например шпиндель токарного станка.

Материал вала

Валы обычно изготавливаются из мягкой стали. Легированные стали, такие как никель-хром, никель, хром-ванадиевая сталь, используются, если требуется высокая прочность. Их формируют горячей прокаткой и холодной волочением и шлифовкой, а материалом, обычно применяемым для обычных валов, является углеродистая сталь марок 50С12, 50С4, 45С8, 40С8. Материал, используемый для вала, должен обладать следующими свойствами:

Материал должен иметь высокую прочность
Материал должен иметь высокую износостойкость.
Материал должен иметь термообрабатывающие свойства.
Материал должен иметь хорошие механические свойства.
Материал должен иметь низкий коэффициент чувствительности к надрезу.

Стандартные размеры вала

Механическая ось до 25 мм с шагом 0,5 мм.
Стандартный размер приводного вала — размер шага:
от 25 мм до 60 мм — шаг 5 мм
Шаги от 60 мм до 100 мм-10 мм
от 110 мм до 140 мм — шаг 15 мм
от 140 мм до 500 мм — шаг 20 мм

Машинные валы доступны в стандартных размерах до 25 мм с шагом 5 мм. Для валов стандартная длина составляет 5 м, 6 м и 7 м, но обычно от 1 м до 2 м.

Напряжение в валу

Напряжение, возникающее в валу: Напряжение сдвига из-за передачи крутящего момента (крутящий момент из-за нагрузки кручения)

Напряжения изгиба из-за сил, действующих на механические элементы, такие как шкивы и шестерни, а также собственного веса вала, которые по своей природе являются сжимающими или растягивающими.

Максимально допустимое касательное напряжение комбинированного расчетного напряжения, вызванного изгибающими и скручивающими нагрузками, составляет:

Вал 56000кН/м2, и есть запас для шпоночного паза
Вал 42000 кН/м2, без припуска на шпоночный паз.

Максимально допустимое напряжение изгиба составляет:

Вал 112000кН/м2, и есть запас для шпоночного паза
Вал 84000 кН/м2 без припуска на шпоночный паз.

Изготовление вала

Вал изготавливается методом горячей прокатки. Прочность вала выше при холодной прокатке по сравнению с горячей прокаткой, но холодная прокатка вызывает высокие остаточные напряжения, вызывающие деформацию вала при механической обработке. Процесс ковки используется для изготовления валов большего диаметра.

После завершения прокатки конец вала обрабатывается, и один конец вала устанавливается на смотровую доску, а другой конец вала поддерживается револьверной головкой токарного станка. Для доводки вала инструмент удерживает резцедержатель, а при включении питания патрон начинает вращать вал.

Циферблатные индикаторы используются для проверки концентричности вала перед обработкой и выполнения различных операций, таких как точение, торцевание, нарезание канавок и конусность, в зависимости от применения. Крупносерийные станки с ЧПУ и т. д. лучше всего подходят для процессов окончательной обработки. Его также можно обрабатывать на двухстороннем станке с ЧПУ, когда вал зажимается между вращением инструмента и приспособлением.

Для достижения концентричности и округлости вращающиеся инструменты должны располагаться по осевой линии друг напротив друга. Приводные валы и электродвигатели часто изготавливаются с использованием этого процесса.

Вал привода

Мы знаем, что валы используются для передачи мощности, поэтому формула, используемая для расчета передачи мощности: P = 2πnT/60. где P — передаваемая мощность (Вт), n — число оборотов в минуту (об/мин) и T — крутящий момент в Нм.

Частоты вращения вала для различных применений:

Машины: 100~200
Деревообрабатывающее оборудование: 250~700
Текстильная промышленность: 300~800
Цех легкой техники: 150~300
Вторичный вал: 200~600

Конструкция вала

Валы могут быть спроектированы с помощью двух разных процессов в зависимости от различных соображений нагрузки:

01 Конструкция вала с расчетом на прочность

Приводные валы часто подвержены изгибающим, крутящим моментам, осевому растяжению и их комбинациям. Как правило, подшипники нагружаются комбинацией напряжений кручения и изгиба.

Растягивающее напряжение подшипника: растягивающее напряжение = P/A. Где A= (π/4) x D2, D — диаметр вала в мм.

Изгибающий момент на подшипнике: Напряжение изгиба = (MbxY)/I. где, Mb=изгибающий момент, Y=D/2, где D – диаметр, I=момент инерции = (πxD4)/64
На подшипник действует крутящий момент: напряжение кручения = Mt x R/J. Где, Mt=крутящий момент, R=D/2, где D – диаметр, J=полярный момент инерции = (πxD4)/32

02 Конструкция вала в зависимости от жесткости

Говорят, что карданный вал является жестким на основе жесткости на кручение, если вал не слишком сильно скручивается.
{Mt/J} = {(G x ө)/L}. Среди них Mt=крутящий момент мм в Н; J=полярный момент инерции=(πxD4)/32; D=диаметр вала (мм); ө=угол кручения; G=модуль жесткости Н/мм2.

Преимущества и недостатки вала

Преимущества оси:

они реже застревают
Они требуют меньше обслуживания, чем цепные системы
Имеют высокую прочность на кручение
Имеют высокие значения полярного момента инерции.
Они очень прочные и имеют меньше шансов выйти из строя
Внутренняя форма полых валов полая, поэтому для них требуется меньше материала.
Полые валы легче сплошных валов при тех же значениях передачи крутящего момента.
У них большой радиус вращения.

Недостатки вала:

Имеют потери мощности из-за слабой связи
Они вибрируют при вращении
они постоянно шумят
Более высокие затраты на производство и техническое обслуживание
Сложность в производстве
Нелегко изменить скорость оси
Более длительное время простоя из-за механических проблем
капля масла на верхнем валу
Использование эластичных муфт, таких как муфты с листовыми рессорами, может привести к потере скорости между валами.
Если вал выходит из строя, ремонт занимает много времени