для чего используют выделенный цветом элемент конструкции вала
Среди изображенных деталей определить вал
Как называется элемент деталей 1?
Для чего используют в технике изображенный на схеме вал?
1. для передачи вращающего момента вдоль своей оси
2. для поддержания вращающихся деталей
3. для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное
4. для передачи момента между точками, меняющими положение при работе
Для чего используют выделенный элемент конструкции вала?
1. для осевой фиксации колеса
2. для центрирования колеса на валу
3. для удобства сборки
4. для передачи вращающего момента от вала на колесо или наоборот
Среди изображенных конструкций определить ось
Указать основной критерий работоспособности валов
1. статическая прочность при изгибе
2. сопротивление усталости
3. статическая прочность при совместном действии изгиба и кручения
Для чего используют выделенный элемент детали 1?
1. для снижения концентрации напряжения
2. для облегчения установки детали на вал
3. для фиксации детали на валу в осевом направлении
4. для передачи вращающего момента с вала на колесо
Указать одно из основных достоинств подшипников скольжения
1. малые потери на трение
2. малые габаритные размеры
3. надежная работа при высоких скоростях
4. низкий расход масла
Какой материал следует использовать для изготовления детали 1?
Каковы основные причины выхода из строя подшипников скольжения?
1. растрескивание втулки
2. выкрашивание поверхности шарика
3. заедание и износ рабочей поверхности втулки
4. истирание поверхности цапфы вала
102. Каково назначение выреза (кармана) 1 на втулке подшипника?
1. для уменьшения напряжения в материале
2. для снижения веса
3. для распределения масла по длине
4. для сбора лишнего масла
Какой материал НЕ используется для изготовления вкладышей для подшипников скольжения?
Что называют несовершенной смазкой?
1. жидкостную смазку
2. граничную смазку
3. отсутствие смазки
4. гидродинамическую смазку
Какой режим смазки НЕ зависит от частоты вращения вала?
1. граничная смазка
2. гидростатические смазки
3. гидродинамические смазки
4. полужидкостная смазка
Что не относится к достоинствам подшипников скольжения?
1. бесшумность работы
2. возможность разъемной конструкции
3. работа в агрессивных средах
4. малые потери на трение
Указать основную причину заедания поверхностей подшипников скольжения
1. низкая частота трущихся поверхностей
2. выкрашивание поверхностей
3. повышение температуры и разрушение масляной пленки
4. растрескивание втулки
Выбрать обозначение изображенного подшипника
Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.
Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).
Критерии работоспособности и виды разрушений валов и осей
Методические указания
По проведению внеаудиторной самостоятельной работы № 13
Вид работы:Выполнение индивидуальных заданий расчёта деталей
По дисциплине: ОП.04 Техническая механика
Продолжительность: 4 часа
Для специальности: 140448 Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям)
Автор: Скрипченко Н.Ф.
Внеаудиторная самостоятельная работа № 13
Тема: 3.4.Детали вращение
Задание: Выполнение индивидуальных заданий расчёта деталей
Цель: Научиться производить расчет вала или оси по заданным нагрузкам
Входной контроль
1. Классификация валов по геометрической форме.
2. Какая деталь называется валом?
3. Для чего служит ось?
Теоретический материал
Вал – деталь машин, предназначенная для передачи крутящего момента вдоль своей осевой линии. В большинстве случаев валыподдерживают крутящиеся вместе с ними детали (зубчатые колеса,шкивы, звездочки и др.).
Некоторые валы (например, гибкие, карданные, торсионные) не поддерживают вращающиеся детали и работают только на кручение.
Валы машин, которые кроме деталей передач несут рабочие органы машины,называются коренными. Коренной вал станков с вращательным движением инструмента или изделия называется шпинделем.
Вал, распределяющий механическую энергию по отдельным рабочим машинам, называется трансмиссионным. В отдельных случаях валы изготовляют как одно целое с цилиндрической или конической шестерней(вал-шестерня) или с червяком (вал-червяк).
По форме геометрической оси валы (рис. 1) бывают прямые, коленчатые и гибкие (с изменяемой формой оси). Простейшие прямыевалы имеют форму тел вращения. Прямые валы бывают гладкие и ступенчатые. Наиболее широко распространены ступенчатые валы. Для уменьшения массы или для размещения внутри других деталей валы иногда делают с каналом по оси; в отличие от сплошных такие валы называют полыми.
Вал 1 (рис.2) имеет опоры 2, называемые подшипниками. Часть вала, охватываемую опорой, называют цапфой. Концевые цапфы именуют шипами 3, а промежуточные — шейками 4.
Рис.2. Прямой вал: 1 — вал; 2 — опоры вала; 3 — цапфы; 4 — шейка
Осьюназывают деталь, предназначенную только для поддержания установленных на ней деталей.
В отличие от вала ось не передает вращающего момента и работает только на изгиб. В машинах оси могут быть неподвижными или же могут вращаться вместе с сидящими на них деталями (подвижные оси).
Ось – деталь машин и механизмов, служащая для поддержания вращающихся частей, но не передающая полезный крутящий момент. Оси бывают вращающимися (рис.3, а) и неподвижными (рис. 3, б).
Вращающаяся ось устанавливается в подшипниках. Примером вращающихся осей могут служить оси железнодорожного подвижного состава, примером неподвижных – оси передних колес автомобиля.
Из определений видно, что при работе валы всегда вращаются и испытывают деформации кручения или изгиба и кручения, а оси –только деформацию изгиба (возникающими в отдельных случаях деформациями растяжения и сжатия чаще всего пренебрегают).
Валы предназначены для передачи вращающего момента и поддержания расположенных на них деталей; оси, поддерживая расположенные на них детали, вращающего момента не передают.
Не следует путать понятия «ось колеса», это деталь и «ось вращения», это геометрическая линия центров вращения.
Рис.3. Конструкции осей: а — вращающаяся ось; б — неподвижная ось
Исходя из расчета на прочность и для удобства установки деталей валы выполняют ступенчатыми. Переходные участки вала выполняют цилиндрическими или коническими с галтелями разной формы и фасками (рис. 4).
Рис.4 переходные участки вала: 1- фаскв; 2- галтель; r – радиус галтели
Для валов и осей применяют качественные углеродистые и легированные стали. Для валов и осей неответственных передач применяют стали обыкновенного качества (без термообработки).
Валы и оси обрабатывают на токарных станках, посадочные поверхности могут шлифоваться.
Критерии работоспособности и виды разрушений валов и осей
Валы и вращающиеся оси при работе испытывают циклически изменяющиеся напряжения (рис.4) и чаще всего выходят из строя в результате усталостных разрушений. Основными расчетными нагрузками являются крутящий момент (для валов) и изгибающий момент. Основными критериями работоспособности являются прочность и жесткость.
Полученное значение диаметра вала округляют до ближайшего большего размера из ряда чисел R40 по ГОСТ «Нормальные линейные размеры»
(Нормальные линейные размеры (выборка): 26; 28; 30; 32; 34; 36; 38; 40; 42; 45; 48; 50; 53; 56).
Форму и размеры вала уточняют при эскизной проработке вала после определения размеров колес, муфт и подшипников, по которым определяют длину шеек и цапф вала.
Проверочный расчет спроектированного вала проводят по сопротивлению усталости и на жесткость.
Предварительно определяют все конструктивные элементы вала, обработку и качество поверхности отдельных участков. Составляется расчетная схема вала и наносятся действующие нагрузки.
2. Проверочный уточненный расчет на сопротивление усталости заключается в определении расчетных коэффициентов запаса прочности в опасных сечениях, выявленных по эпюрам моментов с учетом концентрации напряжений.
Принимают, что напряжение изгиба меняется по симметричному циклу (см. рис. 5, а), а напряжение кручения — по отнулевому (см. рис. 5, б).
Амплитуда цикла изменения напряжений изгиба вала
где W0C, Wp — момент сопротивления изгибу и кручению сечений вала соответственно.
Запас прочности вала:
по нормальным напряжениям
где Кσ, Кτ — коэффициенты снижения предела выносливости за счет местных концентраторов — галтелей, выточек, поперечных отверстий, шпоночных пазов (эффективный коэффициент концентрации напряжений); Kd — коэффициент влияния абсолютных размеров; KF — коэффициент влияния обработки поверхности; Kv — коэффициент упрочнения поверхности; значения перечисленных коэффициентов приведены в специальной литературе.
Расчетный коэффициент запаса выносливости в сечении при совместном действии изгиба и кручения
Минимально допустимое значение коэффициента запаса прочности 1,6. 2,5.
Расчет осей ведут только на изгиб: при расчете неподвижных осей принимают изменения напряжений по отнулевому циклу, при расчете подвижных — по симметричному.
3. Упрощенный проверочный расчет на усталость проводят в предположении, что нормальные напряжения (изгиба) и касательные напряжения (кручения) меняются по симметричному циклу. Одновременное действие крутящего и изгибающего моментов рассчитывается по гипотезе наибольших касательных напряжений
где σ ЭКВ — эквивалентные напряжения в сечении; М ЭКВ — эквивалентный момент в сечении; d — диаметр вала в сечении; [σ-1и] — допускаемое напряжение изгиба при симметричном цикле изменения напряжений.
В большинстве случаев ограничиваются упрощенным проверочным расчетом.
В специальных случаях используют коленчатые (непрямые) валы и валы с изменяемой формой геометрической оси (гибкие). Используют сплошные и полые (с осевым отверстием) валы
Ход работы
1. Ответить на вопросы входного контроля
2. Изучить теоретические основы темы.
3. Выполнить схему вала, отметить конструктивные особенности, сделать описание. Перечислить по и названию назначение элементов конструкции валов и осей: цапф, шеек, галтелей, фасок.
4. Задача 1: Определить диаметр вала, если известно :
Максимально крутящий момент Мк = 1300 Нм;
допускаемое напряжение материала [τ] = 50Мпа
(1- 48 мм; 2- 51мм; 3- 5,1 мм; 4- 72 мм)
5. Задача 2: Образец вала диаметра d = 40 мм разрушился при крутящем моменте Мк = 230 Нм,
Определить разрушающие напряжение [τ] =?
(1- 6,75 МПа; 2- 18 МПа; 3- 21,25МПа; 4- 32,75 МПа)
7. Ответить на вопросы выходного контроля
Выходной контроль
Список литературы
2. Олофинская, В.П. Техническая механика: Курс лекций с вариантами практических и тестовых заданий [Текст]: учебное пособие / В.П. Олофинская.-3-е изд. – М.: Форум: Инфра-М, 2010.- 349 с.
3.Вереина, Л.И. Техническая механика [Текст]: учебник / Л.И.Вереина, М.М.Краснов.- 3-е изд.- М.: Академия, 2011.- 288 с.
4. Аркуша, А.И. Техническая механика. Теоретическая механика и сопротивление материалов [Текст]: учебник / А.И. Аркуша — М.; Высшая школа, 2008. – 352 с.
Для чего используют выделенный цветом элемент конструкции вала
Изучение конструкции валов
— Познакомиться с основными типами валов.
— Освоить навыки выполнения эскиза вала с образца, познакомиться с правила ми выполнения рабочих чертежей валов в соответствии с нормативами и требованиями ЕСКД.
— Освоить навыки пользования нормативными таблицами для определения размеров основных конструктивных элементов вала.
— Познакомиться с системой допусков и посадок, шероховатостью поверхностей, обозначением их на чертеже.
2. Теоретические положения
На валах и осях размещают вращающиеся детали: зубчатые колеса, шкивы, барабаны и т.п.
Вал – деталь, предназначенная для поддержания вращающихся вместе с ним деталей (шкивов, зубчатых колес и т.п.) и для передачи вращающего момента.
При работе вал испытывает изгиб и кручение, а в отдельных случаях растяжение и сжатие.
Ось – деталь, предназначенная только для поддержания вращающихся вместе с ней деталей.
В отличие от вала ось не передает вращающего момента и работает только на изгиб. В машинах оси могут быть неподвижными или же могут вращаться с насаженными на них деталями (подвижные оси).
2.2. Классификация валов и осей
Оси представляют собой прямые стержни, а валы различают прямые (рисунок 1, а); коленчатые (рисунок 1, б); кривошипные (рисунок 1, в) и гибкие (рисунок 1, г).
Кривошипные и коленчатые валы используют для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное (поршневые двигатели) или наоборот (компрессоры). Гибкие валы передают вращение между узлами машин, меняющими свое положение в работе (зубоврачебные машины).
По конструктивным признакам валы и оси делят на гладкие (рисунок 2) и ступенчатые (рисунок 1, а).
Наиболее распространены ступенчатые валы, т.к. их форма удобна для установки на них деталей, а также монтажа деталей при посадках с натягом.
По типу сечения валы и оси бывают: сплошные (рисунок 2, а) и полые (рисунок 2, б). Полыми валы изготовляют для уменьшения веса или когда через валы пропускают другую деталь, подводят масло и пр.
а ) 
б) 
Рис.2. Типы сечения валов
Выходные концы валов выполняют коническими или цилиндрическими (рисунок 1, а).
Преимущественное распространение приобретает коническая форма концевого участка вала, обеспечивающая точное и надежное соединение, возможность легкого монтажа и снятия устанавливаемых деталей.
2.3. Конструктивные элементы валов
Конструкция валов определяется деталями, которые на них размещаются и расположением опор.
При конструировании валов и осей принимают во внимание технологию сборки и разборки, механическую обработку, расход материала и пр.
В конструкции ступенчатого вала условно выделяют следующие элементы: концевые участки; участки перехода от одной ступени к другой; места посадки подшипников, уплотнений и деталей, передающих момент вращения. Каждый элемент имеет свое название (рисунок 3).
Цапфа (Ц) – участок вала (оси), которым он опирается на подшипник.
Шипом называется цапфа, расположенная на конце вала (оси) и предназначенная для восприятия, в основном, радиальной нагрузки.
Пятой называется цапфа, расположенная на конце вала (оси) и предназначенная для восприятия, в основном, осевой нагрузки.
Шейкой называется промежуточная цапфа, расположенная в средней части вала (оси).
Заплечик (З) – переходная торцевая поверхность от одного сечения вала (оси) к другому, предназначенная для упора деталей, установленных на валу или оси.
Рис.3. Элементы валов
Буртик (Б) – кольцевые утолщения вала (оси), составляющее одно целое с валом (осью).
Канавка (К) – углубление на поверхности меньшего диаметра между соседними ступенями валов: предназначена для плотного прилегания насаживаемой детали к заплечику (буртику), выхода шлифовального круга, при обработке поверхности меньшего диаметра, выхода резьбонарезного инструмента. Эти канавки повышают концентрацию напряжений.
Галтель (Г) – криволинейная поверхность плавного перехода от меньшего сечения вала (оси), к плоской части заплечика или буртика.
Фаска (Ф) – скошенная часть боковой поверхности вала (оси) у торца вала (оси), заплечика, буртика. Служит для облегчения сборки и предотвращения травмирования рук.
Радиусы закруглений галтелей, размеры фасок принимают по ГОСТ 12080-66 в зависимости от диаметра вала.
Шпоночный паз (Ш) – углубление в валах для установки шпонок. Выполняют на участках крепления деталей, передающих вращающий момент.
Размеры шпоночных пазов принимают по ГОСТ 23360-78.
Благодаря массовому применению валов и осей в механизмах, для них выработаны нормативы на выполнение различных конструктивных элементов.
2.4. Материалы валов и осей
Материалы должны быть прочными, хорошо механически обрабатываться. Валы и оси изготовляют преимущественно из углеродистых и легированных сталей. Для валов и осей без термообработки применяют: стали 35, 40, 45, Ст. 3, Ст. 4, Ст. 5. Оси и валы, к которым предъявляют повышенные требования, выполняют из среднеуглеродистых или легированных сталей 45, 40Х и других.
Тяжелонагруженные валы сложной формы изготовляют из модифицированного или высокопрочного чугуна.
2.5. Размеры, предельные отклонения, допуски и посадки
Геометрические параметры валов количественно оцениваются размерами.
Размер – числовое значение линейной величины (диаметра, длины и т.д.) в выбранных единицах измерения. На чертежах деталей проставляют номинальные размеры в миллиметрах.
Номинальным размером называют размер изделия, полученный по расчету или выбранный по конструктивным соображениям. Изготовленные изделия всегда имеют некоторые отклонения от номинальных размеров.
Действительные размеры получают путем измерения готовой детали. Точность детали по геометрическим параметрам задается через точность геометрических размеров – в виде отклонений.
Верхнее предельное отклонение – алгебраическая разность между наибольшим допустимым предельным и номинальным размерами.
Нижнее предельное отклонение – алгебраическая разность между наименьшим допустимым предельным и номинальным размерами.
Допуск – разность между наибольшим и наименьшим предельными размерами.
Поле допуска – зона ограниченная верхним и нижним отклонениями, определяется числовым значением допуска.
К различным соединениям предъявляют неодинаковые требования в отношении точности изготовления. Поэтому система допуска содержит 19 квалитетов: 01; 0, 1, 2, 3,… 17, расположенных в порядке убывания точности.
Квалитет – совокупность допусков с одинаковой относительной точностью для всех номинальных размеров диапазона. Допуски в квалитетах 01… 4 предназначены для измерительных инструментов, квалитеты 5… 13 дают допуски для сопрягаемых размеров деталей, квалитеты 14… 17 для несопрягаемых размеров.
На посадочные места вала, т.е. на поверхности вала сопряженные с другими деталями (подшипниками, муфтами, зубчатыми колесами и др.), задают поля допусков в соответствии с посадками, показанными на сборочных чертежах (рисунок 4).
Характер соединения деталей называют посадкой. Характеризует посадку разность размеров деталей вала и отверстия до сборки.
Посадки могут быть с зазором, с натягом и переходные – когда возможно получение, как зазора, так и натяга.
Зазор – разность размеров отверстия и вала, если размер отверстия больше размера вала.
Натяг – разность размеров вала и отверстия до сборки, если размер вала больше размера отверстия.
Разнообразные посадки удобно получать, изменяя положение поля допуска или вала, или отверстия, оставляя для всех посадок поле допуска одной из деталей неизменным. Деталь, у которой поле допуска остается без изменения и не зависит от вида посадки, называют основной деталью системы. Если этой деталью является отверстие, то соединение выполнено в системе отверстия, если основной деталью является вал – в системе вала.
Для соединения валов: с зубчатыми колесами рекомендуют принимать отклонения – р6, r7; с муфтами – n7, r 6, k 6; со шкивами и звездочками – js 6, h 7 ; с внутренними кольцами подшипников качения – k 6; с манжетами – h 8.
2.6. Шероховатость поверхности
Точность деталей по геометрическим параметрам характеризуется не только отклонениями размеров, но и отклонениями поверхностей. Действительные поверхности отличаются от номинальных наличием неровностей с малыми шагами, образующимися при обработке деталей. Шероховатость поверхности – совокупность микронеровностей обработанной поверхности, образующих ее рельеф на определенном участке. Требования к шероховатости поверхности должны быть обоснованными и устанавливаться исходя из функционального назначения поверхности.
ГОСТ 2789-73 устанавливает следующие параметры шероховатости поверхности:
R a – среднее арифметическое отклонение профиля, мкм (основной из высотных параметров шероховатости; назначают на все обработанные поверхности);
R z – высота неровностей профиля, мкм (определяют по пяти измерениям высот неровностей; назначают на поверхности, получаемые литьем, ковкой, чеканкой).
Числовое значение параметров шероховатости выбирают с учетом назначения и эксплутационных свойств шероховатости. На чертежах шероховатость обозначают следующим образом: если вид обработки не устанавливают, то применят знак по рисунку 5, а. Это обозначение является предпочтительным. Если требуется, чтобы поверхность была образована обязательно удалением слоя материала (точением, шлифованием, полированием и пр.), применяют знак по рисунку 5, б. Без удаления слоя материала (чеканка, накатывание валиками и пр.), применяют знак по рисунку 5, в.
Рис.5. Знаки для обозначения шероховатости
Рис.6. Обозначение преобладающей шероховатости
Обозначение преобладающей шероховатости показывают в правом верхнем углу поля чертежа (рисунок 6). Толщина линий и высота знака, заключенного в скобки, такая же, как в изображении на чертеже, а перед скобкой – в 1,5 раза больше.
Нанесение шероховатости на чертеже для различных поверхностей вала представлено в примере оформления лабораторной работы (приложение А).
3. Описание объекта исследования, приборов и инструментов
Объектом исследования являются валы.
Для выполнения работы необходимо иметь следующие инструменты: штангенциркуль, линейку, карандаш, циркуль.
4. Методика выполнения исследований и обработка результатов
4.1. Выполнить эскиз полученного вала со всеми необходимыми элементами (заплечиками, канавками, шпоночными пазами, галтелями и т.д.). Выполнить необходимые разрезы и сечения (приложение А).
4.2. Определить назначение посадочных поверхностей вала: под подшипники, зубчатое колесо, полумуфту, резиновые манжеты.
4.3. Проставить размерные линии, ориентируясь на пример оформления лабораторной работы (приложение А).
4.4. Проставить действительные размеры, используя замеренные данные (диаметры, длины участков валов) и данные, полученные из таблиц В1… В4.
4.5. Заполнить таблицу параметров вала (приложение А).
– по таблице В1 для участков валов под подшипники качения определить размеры заплечиков ( d 2 ).
– по таблице В2 определить размер фаски ( c ) и радиус галтели ( r ).
– по таблице В3 определить длину ( l ), ширину ( b ) и глубину ( t 1 ) шпоночных пазов.
4.6. Указать предельные отклонения линейных размеров поверхностей вала под подшипники, зубчатое колесо, полумуфту, резиновые манжеты условными обозначениями полей допусков (подраздел 2.5).
4.7. Проставить шероховатость поверхностей, пользуясь таблицей В5.
5. Содержание отчета
5.3. Таблица параметров.
5.4. Выводы по лабораторной работе.
6. Вопросы для самоконтроля
1. Дайте определение понятия «вал».
2. Дайте определение понятия «ось».
3. Объясните в чем разница между валом и осью.
4. Перечислите виды валов по геометрическим признакам.
5. Каково назначение кривошипных, коленчатых, гибких валов? Приведите пример использования этих валов.
6. Перечислите виды валов по конструктивным признакам.
7. Чем вызвано наибольшее распространение ступенчатых валов?
8. Перечислите виды валов по типу сечения.
9. Чем вызвана необходимость изготовления полых валов?
10. Чем определяется конструкция валов?
11. Дайте определение понятиям: цапфа, шип, пята, шейка, заплечик, буртик, канавка, галтель, фаска, шпоночный паз.
12. Объясните в чем разница между заплечиком и буртиком?
13. Объясните в чем разница между шипом, пятой и шейкой?
14. Перечислите материалы для изготовления валов и осей.
15. Дайте определение понятиям: размер, номинальный размер, действительный размер.
16. Дайте определение понятиям: верхнее предельное отклонение, нижнее предельное отклонение, допуск, поле допуска, квалитет.
17. Дайте определение понятиям: посадка, зазор, натяг.
18. Дайте определение понятиям: система вала, система отверстия.
19. Как обозначают отклонения для отверстия, для валов?
20. Приведите примеры обозначения посадок на чертежах.
21. Дайте определение понятия «шероховатость поверхности».
22. На что влияет шероховатость поверхности?
24. От чего зависит числовое значение параметров шероховатости?
25. Каким образом обозначают шероховатость поверхности на чертежах?
Приложение А (обязательное)
Пример оформления лабораторной работы