В различных машинах используются механизмы, состоящие из вращающихся элементов. Чтобы поддерживать такое вращение, внедряют специальные детали – оси, валы. Они играют важную роль, несут функциональную нагрузку. В этой статье подробно рассмотрены валы и оси: назначение и классификация, составляющие конструкции, а также разновидности, их особенности.
Ось и вал: описание, различия, назначение
Как выглядит вал, для чего предназначен, чем он отличается от оси?Вал – деталь, которая чаще всего выполняется из металла, входит в приводные, прижимные, трансмиссионные, конвейерные или другие конструкции. Назначение валов – передавать крутящий момент, создаваемый двигателем. Они поддерживают иные составляющие рабочих механизмов, воспринимают воздействующие на них силы. При функционировании всегда возникают деформации кручения и изгиба. Дополнительно могут действовать нагрузки сжатия, растяжения. Зачастую валы функционируют в комплексе с осуществляющими движение деталями. Это шкивы, звёздочки, зубчатые колёса.
Оси предназначены для решения иных задач. Они служат только для опоры устанавливаемых на данных элементах других деталей, а также для восприятия влияющих на них сил. Оси крутящий момент передавать не способны, поэтому деформаций кручения здесь нет. Есть только нагрузки изгиба.
Зная, что такое вал в машиностроении, можно обозначить его отличия от оси. Данная деталь передаёт вращение от силового узла движущимся деталям. А ось поддерживает составляющие конструкций.
Наука, изучающая реальные деформируемые и эксплуатируемые в разных конструкциях элементы, включая валы и оси, – техническая механика. Если рассматривать вал, механика, являющаяся одним из разделов физики, описывает его как механическое тело, которое двигается и взаимодействует с другими телами.
Из чего состоят валы и оси
Главные части вала – это:
- Цапфы. Они представляют собой опорные участки, делятся на шейки, шипы и пяты. Шип располагается на самом конце, выполняет функцию передачи радиальных сил. Шейка находится в центральной области. Шейки и шипы опираются на подшипники, по конфигурации бывают цилиндрическими (наиболее распространённые), сферическими, коническими. Пята – это цапфа, отвечающая за передачу осевых нагрузок. Она поддерживается подпятником, а по форме может быть гребенчатой (сегодня почти не применяется), кольцевой либо сплошной.
- Посадочные поверхности, совмещаемые со ступицами насаживаемых элементов. Они бывают коническими, цилиндрическими.
- Переходные участки, играющие роль концентраторов напряжений и располагающиеся между ступенями. Их для снижения интенсивности ложащихся нагрузок оснащают галтелями либо канавками со скруглениями. Первые представляют собой криволинейные поверхности постепенных переходов от меньшего показателя сечения к большему. Они могут иметь переменные либо постоянные радиусы.
- Буртик. Это кольцевое утолщение, образующее с валом единое целое.
- Заплечник. Так называется переходная область между различающимися сечениями, которая обеспечивает упор фиксируемых деталей.
Какие бывают виды валов и осей
Классификация валов и осей предполагает несколько критериев их деления. Это конфигурация, функциональная нагрузка. Первым стоит рассмотреть назначение валов и осей. По такому параметру выделяют типы валов:
- Передаточные. Они несут элементы, образующие механические передачи, к примеру, фрикционные, зубчатые, червячные.
- Коренные. Они несут не только составляющие передачи, но и главные рабочие элементы агрегатов. Такие изделия обычно включаются в кривошипно-шатунные механизмы.
- Трансмиссионные. Они распределяют механическую энергию, воздействующую на весь механизм, по его отдельным органам.
Отдельно можно упомянуть карданный вал, который является узлом автомобиля, передающим крутящий момент, формируемый мотором, между составляющими трансмиссии, то есть силовой передачи. В легковых транспортных средствах кардан может располагаться между дифференциалом задней колёсной оси и непосредственно коробкой передач. Это характерно для седанов с задним приводом. А во внедорожниках, других авто с раздаточной коробкой кардан находится между этой коробкой и дифференциалами двух колёсных осей – задней и передней.
По форме геометрической оси валы бывают:
- Прямыми. Они обычно имеют стандартную геометрию тел вращения, например, цилиндров.
- Непрямыми. Это специальные детали, ось которых не является прямой.
- Гибкими. Форма их оси может изменяться в зависимости от назначения, эксплуатационных требующихся характеристик механизма.
Какие бывают валы по форме наружных поверхностей?
Прямые подразделяются на гладкие и ступенчатые. Поверхность первых не имеет выступов или переходов. А ступенчатые имеют сечение с зонами разных диаметров и длин. Они в изготовлении более сложны и дороги, но зато осевая форма со ступенчатостью оптимально подходит для надёжной фиксации деталей на отведённых для них посадочных местах, для восприятия повышенных или критических осевых усилий, а также для предотвращения повреждений соседних участков.
Существуют другие валы, к примеру, шпоночные, шлицевые. На их некотором участке находится профиль со шлицем (углублением) или шпонкой – выступом для размещения в пазу.
Типы валов непрямых по их внешней конфигурации следующие:
- Эксцентриковые. В конструкции цельный диск или его сектор, который называется эксцентриком, насаживается на вал таким образом, чтобы ось вращения была параллельной, но при этом не совпадающей с осью вращения самого узла. Другой вариант – два жёстко соединённых друг с другом вала, имеющих смещённые оси. Такое техническое решение предусматривается, чтобы преобразовывать движение вращательное в поступательное.
- Коленчатые. Их форма сложная – с несколькими коленами. В конструкции шатунные и коренные шейки, между собой соединяемые щеками с зафиксированными на них противовесами переднего конца (они могут отливаться вместе с самим коленвалом, образуя с ним единое изделие). Задача таких узлов – преобразовывать возвратно-поступательные перемещения, совершаемые поршнями, во вращательные.
- Телескопические. Они допускают корректировки длины, состоят из двух частей. Это либо два карданных шарнира с располагающейся между ними шлицевой зоной, либо два вала – пустотелого и помещаемого внутрь него сплошного (для фиксации их друг с другом предусматривается шпонка). Такой механизм обычно применяется в сельскохозяйственной технике.
Разновидности валов и осей по конфигурации их поперечного сечения:
- Сплошные. Они тяжелее, прочнее, так как имеют цельную ось.
- Полые. В оси располагается канал, сквозное отверстие. За счёт такого исполнения снижается масса изделия, в большинстве случаев его прочность. Центральный канал может использоваться для размещения внутри него детали.
Виды валов в машиностроении по технологии их производства:
- Цельные. Они востребованы, обычно просты в изготовлении, производятся методами литья, поперечно-винтовой прокатки, штамповки, высадки на горизонтально-ковочных станках.
- Составные. Они состоят из нескольких компонентов, выполняемых перечисленными выше способами и далее соединяемых друг с другом. Такие соединения могут быть неразъёмными, осуществляемыми методом сварки, а также разъёмными, например, резьбовыми или фиксируемыми с помощью механических крепёжных деталей типа болтов.
Оси бывают неподвижными и подвижными. Первые статичны, то есть находятся в постоянном, неизменном положении. А подвижные перемещаются – вращаются вместе с зафиксированными на них другими деталями.
Материалы
К материалам предъявляются довольно строгие требования. Они должны обладать хорошей обрабатываемостью, прочностью, значительным модулем упругости. Такие характеристики свойственные сталям, особенно легированным, углеродистым.
Для производства валов применяют стали марок 40Х и 45 – легированные и среднеуглеродистые, проходящие термическую обработку. Высокие напряжения в ответственных агрегатах отлично выдерживают легированные сплавы 20Х, 40ХН, 12ХН3А. Оси в большинстве случаев изготавливают из углеродистых сталей обычного качества.
Производство
Изготовление включает этапы:
- Проектирование, конструкторские работы. Выполняются точные расчёты с использованием общепринятых формул, справочных таблиц или специализированных компьютерных программ, которые могут внедряться в современные автоматизированные станки с ЧПУ – числовым программным управлением. На этом этапе подбирается технология, определяются материалы.
- Формирование заготовок. Это поковки или круглый прокат, который получают методами литья, штамповки, прокатки.
- Механообработка. Она включает обточку, заточку, создание каналов, прочие операции для достижения необходимых параметров (геометрии, габаритов), а также максимальной точности размеров и форм, их соответствия действующим стандартам. Обработка выполняется на токарных, фрезерных станках.
- Сварка или соединение иными способами. Этот этап характерен для составных осей и валов.
- Финишная обработка. Производится финальная шлифовка для достижения необходимой гладкости.
- Динамическая балансировка для устранения неуравновешенности, дисбаланса.
- Нанесение покрытия. Это защитный наружный слой, предотвращающий коррозию, деформации.
- Заключительный контроль качества. Готовые изделия тщательно проверяются на соответствие требованиям, стандартам.
Нюансы изготовления
Производство имеет некоторые особенности:
- Иногда выполняется упрочнение с термической закалкой или высокочастотными токами. Это повышает несущую способность.
- При конструировании следует проектировать максимально гладкие поверхности без многочисленных уступов.
- Любой насаживаемый на ось или вал элемент должен до посадочной зоны проходить беспрепятственно.
- Торцы с уступами могут снабжаться фасками для более удобного надевания деталей.
Области применения
Изделия широко применяются в машиностроительной промышленности, в автомобилестроении, станкостроении, приборостроении. Они используются в автомобилях (грузовых, легковых), спецтехнике, сельскохозяйственных машинах, в технологических линиях на производствах.
Устройства, в которых встречаются валы и оси
- рольганги – конвейеры роликового вида, применяемые на производствах, например, на предприятиях пищевой промышленности;
- трансмиссии, которыми оснащается промышленное мощное оборудование, такое как металлообрабатывающие, горнодобывающие машины;
- кривошипно-шатунные механизмы, входящие в конструкцию транспортных средств и преобразовывающие возвратно-поступательные перемещения во вращение;
- намоточные узлы, то есть бухтовочные головки, осуществляющие формирование катушек либо бухт из проводов, труб;
- конвейерные опоры для перемещений содержимого конвейеров;
- редукторы грузоподъёмных, силовых агрегатов, например, погрузчиков, подъёмных кранов;
- прижимные конструкции, используемые для надёжной фиксации крупногабаритных, тяжёлых предметов в необходимых положениях;
- приводы в различных устройствах, которые обеспечивают движение рабочих органов.
Важные критерии работоспособности
Критерии работоспособности – это жёсткость и прочность. Последняя при расчётах на сопротивление усталости оценивается по коэффициенту запаса прочности. Жёсткость же измеряется углами закручиваний или поворотов сечений в зонах посадки деталей, а также прогибом.
Разрушения узлов быстроходных машин чаще всего имеют усталостный характер, поэтому следует знать сопротивление. А важные силовые расчётные факторы – это моменты изгибающие и крутящие. Силы сжимающие и растягивающие, как правило, не учитываются.
Заключение
Теперь вы знаете, какие бывают валы в машине. Они должны быть высококачественными, обладающими необходимыми свойствами. Производство валов и изготовление осей предлагает компания Profbau. Это предприятие полного цикла, которое выпускает металлоизделия с повышенной точностью размеров и форм. Мы выполняем работы оперативно, профессионально, недорого. Связаться с нами можно по номеру телефона +7 (495) 138-25-25, в мессенджере, по e-mail zakaz@profbau.ru или с помощью заявки, оставленной на сайте.
