Какой вид деформации испытывают валы автомобиля

Анализ основных дефектов и способов восстановления деталей автомобилей типа «вал» и «ось»

Захаров, Ю. А. Анализ основных дефектов и способов восстановления деталей автомобилей типа «вал» и «ось» / Ю. А. Захаров, Е. В. Ремзин, Г. А. Мусатов. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2014. — 0 (79). — С. 138-140. — URL: https://moluch.ru/archive/79/14046/ (дата обращения: 14.02.2022).

Детали типа «вал» или «ось» присутствуют в любом механизме и играют важную роль в обеспечении функциональной работоспособности узлов и агрегатов. В процессе работы валы и оси подвергаются эксплуатационным нагрузкам, в результате чего могут возникать дефекты, основные из которых приведены в статье. Существующие способы устранения дефектов валов и осей имеют свои особенности, которые необходимо учитывать при выборе технологии ремонта и восстановления.

Ключевые слова: дефект, ремонт, восстановление, наплавка, напыление, гальваническое осаждение, полимерные композиции.

К деталям типа «вал» относят детали машин, созданные для передачи вращающего момента и восприятия действующих сил со стороны расположенных на нём деталей и опор. На валу закрепляются шкивы, зубчатые колеса, маховики и т. п. Некие из этих деталей, именуемые ведущими, получают вращательное движение от стороннего источника энергии (мотора). К другим деталям вращение передается валом. Они именуются ведомыми. Таким макаром, вал при собственном движении непременно передает усилие (крутящий момент), а потому испытывает деформации кручения и извива. Валы по форме делятся на прямые либо изогнутые (коленчатые), целые либо составные (собранные из нескольких частей), сплошные либо полые (пустотелые).

Обширное распространение в автомобилестроении получили коленчатые, распределительные и карданные валы [1]. Они используются в движках внутреннего сгорания, в паровых машинах, поршневых насосах (компрессорах). Длинноватые валы, к примеру гребные валы кораблей, из-за трудности их производства делают составными (разъемными). Полые, либо трубчатые, валы используют тогда, когда нужно уменьшить их все ли пропустить через внутреннее отверстие вала другие детали.

Если вал не передает вращательного движения, а только поддерживает крутящиеся части, его именуют осью. Таким макаром, ось в отличие от вала не испытывает кручения, а подвергается только извиву. Оси делятся на недвижные (к примеру, оси колес велика, байка, автомобиля и т. д.) и подвижные, которые крутятся совместно с закрепленными на их деталями (к примеру, оси жд и трамвайных прицепных вагонов).

Валы и оси воспринимают во время работы огромные нагрузки. Потому их изготавливают из углеродистой конструкционной стали, подвергают обработке давлением, поверхностной цементации, закалке и инспектируют на крепкость.

Формы валов и осей очень разнообразны от простых цилиндров до сложных коленчатых конструкций. Форма вала определяется рассредотачиванием изгибающих и вращающих моментов по его длине. Верно спроектированный вал представляет собой опору равного сопротивления. Валы и оси крутятся, а, как следует, испытывают знакопеременные нагрузки, напряжения и деформации. Потому поломки валов и осей имеют усталостный нрав. К главным недостаткам валов и осей относят [1–3]:

Дефектация и восстановление валов и осей проводится при серьезном либо текущем ремонте автомобилей. Выбраковка валов и осей осуществляется по результатам измерений, по зрительному осмотру и по результатам металлографических исследовательских работ (по мере надобности). При наличии способности восстановления вала либо оси принимают решение по выбору метода восстановления и ремонта [1, 4–6].

Главные методы восстановления валов и осей, используемые в авторемонтном производстве можно условно поделить на методы дозволяющие вернуть номинальный размер и начальную геометрию вала либо оси и методы, использующие восстановление под «ремонтный размер», другими словами под размер, для которого существует возможность внедрения «ремонтных» деталей.

«Ремонтной» деталью считается дополнительная деталь, сделанная либо восстановленная по «ремонтным» размерам. Ремонтные размеры определяться с учетом припусков на обработку для устранения изъянов формы поверхности, макро и макрогеометрии. К примеру, коренные шеи коленчатых валов подвергают механической обработке, протачивая их либо шлифуя. При всем этом миниатюризируется номинальный поперечник коренной шеи, а коленчатый вал оснащается «ремонтными» вкладышами увеличенной толщины.

В текущее время восстановление методом «ремонтных размеров» применяется изредка, потому что, невзирая на все его положительные моменты (упрощение ремонта, возможность повторного восстановления) находятся и недочеты: необходимость наличия «ремонтных» запасных частей, понижение прочности ввиду съема слоя материала, понижение микротвердости поверхностей, также существенное понижение взаимозаменяемости, потому что отремонтированные таким методом детали становятся уникальными.

Восстановление посадочных поверхностей валов и осей под номинальный размер может осуществляться последующими методами [1–7]:

Напылением — нанесение под высочайшим давлением воздуха расплавленного металла на поверхность вала либо оси. По методу расплавления металла различают электродуговое, газопламенное, частотное, плазменное и детонационное напыление. Заполненное таким макаром покрытие имеет низкую крепкость сцепления с основой, но при всем этом не происходит высочайшего нагрева поверхности, конфигурации структуры материала детали, не появляется коробление, не понижается усталостная крепкость.

Наплавкой — в отличие от напыления наплавка осуществляется методом формирования слоя металла, расплавляемого конкретно на поверхности вала либо оси. Различают наплавку под слоем флюса, в среде защитных газов, газовую, вибродуговую и электродуговую. Можно наносить слои металла фактически хоть какой толщины, нанесенный слой отличается высочайшей твердостью, но при всем этом происходит сильный нагрев вала либо оси, вызывающий коробление и изменение структуры поверхностного слоя металла, возникают затруднения в следующей механической обработке осажденного слоя ввиду его высочайшей твёрдости.

Термопластическим деформированием — конфигурацией геометрических размеров оказывая механическое воздействие (осадка, вытяжка, посадка, протяжка, правка и т.д.) на за ранее нагретую деталь. Таким методом можно проводить правку осевых деформаций валов и осей, также устранять некие погрешности формы поверхностей. Метод очень ограничен в применении ввиду его технологического несовершенства и трудностями в обеспечении требуемых результатов.

Гальваническим осаждением — формирование слоя металла на восстанавливаемой поверхности методом химического осаждения из электролита. Метод обладает рядом преимуществ, такими как отсутствие нагрева детали, возможность нанесения слоя хоть какого металла либо их композиции с данными качествами и требуемой толщины, возможность нанесения слоев металла с разными качествами [1–3, 6–9]. Но технологический процесс восстановления поверхностей гальваническим осаждением довольно сложен, ввиду чего имеется некая непостоянность получаемых результатов. Не считая того, реактивы для воплощения этого метода довольно дороги и находится необходимость внедрения мер экологической безопасности для чистки сточных вод и улавливания испарений электролитов и кислот. Но, все же, в ряде определенных случаев, гальванические способы восстановления и защиты от коррозии изношенных поверхностей являются более оптимальными и дают хорошие результаты. Так, к примеру, восстановление отверстий маленького поперечника в особенности в тонкостенных деталях, боящихся перегрева и механического повреждения — гальваническое осаждения является приоритетным.

Полимерно-композитными материалами — формируется на за ранее приготовленной восстанавливаемой поверхности слой полимерной композиции с следующим ее отверждением [1–3, 10]. По мере надобности отвержденный слой подвергают механической обработке. Характеристики полимерно-композитного слоя можно сформировывать методом прибавления разных заполнителей либо их сочетания, образуя при всем этом полимерную композицию. К примеру, в эпоксидку добавляют железную пудру либо маленькую стружку, с следующим введением отвердителя и эластомера. При всем этом улучшаются прочностные свойства и теплопроводимость создаваемого слоя композиции. Такие композиции имеют достаточную твердость и крепкость сцепления с восстанавливаемой поверхностью, но плохо переносят нагрев и ударные нагрузки, не считая того нанесенный слой плохо отводит тепло и имеет невысокую износостойкость в парах трения.

Ремонтное создание в текущее время располагает достаточным количеством методов, чтоб вернуть фактически всякую изношенную и покоробленную деталь. Но для практического использования нужно избрать один, применение которого на техническом уровне может быть и экономически более целенаправлено. Выбор действенного метода восстановления деталей является принципиальной задачей совершенствования организации ремонтного производства.

На выбор метода восстановления деталей влияет: вид недостатка и величина износа; материал, размер, форма и масса детали; точность и вид обработки; специализация производства, обеспеченность оборудованием; себестоимость восстановления, и долговечность работы восстановленных деталей.

Захаров, Ю. А. Улучшение технологии восстановления посадочных отверстий корпусных деталей проточным электролитическим цинкованием: дис. … канд. техн. наук [Текст] / Ю. А. Захаров. — Пенза, 2001. — 170 с.

Захаров, Ю. А. Анализ методов восстановления посадочных отверстий корпусных деталей машин [Текст] / Ю. А. Захаров, Е. Г. Рылякин, А. В. Лахно // Юный ученый. — 2014. — 6. — С. 68–71.

Захаров Ю. А. Восстановление посадочных поверхностей корпусных деталей машин проточным гальваническим цинкованием [Текст] / Ю. А. Захаров, Е. Г. Рылякин, И. Н. Семов // Юный ученый. — 2014. — 7. — С. 58–62.

Рылякин, Е. Г. Увеличение работоспособности гидропривода транспортно-технологических машин в критериях низких температур [Текст] / Е. Г. Рылякин, Ю. А. Захаров // Мир транспорта и технологических машин. — (44). — Январь-Март 2014. – С. 69–72.

Обеспечение работы мобильных машин в критериях отрицательных температур [Текст] / Ю. А. Захаров, Е. Г. Рылякин, И. Н. Семов [и др.] // Юный ученый. — 2014. — 7. — С. 56–58.

Захаров, Ю. А. Восстановление металлизацией деталей транспортно-технологических машин и комплексов [Текст] / Захаров, Е. В. Ремизов, Г. А. Мусатов // Юный ученый. — 2014. — 9. — С. 199–201.

Захаров, Ю. А. Анализ методов восстановления корпусных деталей транспортно-технологических машин и комплексов [Текст] / Захаров, Е. В. Ремизов, Г. А. Мусатов // Юный ученый. — 2014. — 9. — С. 202–204.

Пат. 2155827. МПК: 7C 25D 5/06 A. Устройство для электролитического нанесения покрытий [Текст] / И. А. Спицын, Ю. А. Захаров // заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Пензенская муниципальная сельскохозяйственная академия» — 9115796/02, Заявлено 16.07.1999; Опубл. 10.09.2000.

READ  Какой Антифриз Заливать В Kia Rio 3

Пат. 2503753 Русская Федерация, МПК: C25D19/00. Устройство для гальваномеханического осаждения покрытий [Текст] / Ю. А. Захаров, И. А. Спицын; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Пензенская муниципальная сельскохозяйственная академия» (RU). — 012149639/02, заявл. 21.11.2012; опубл. 10.01.2014, Бюл. — 9 с.

Лахно, А. В. Восстановление деталей машин из полимерных материалов / А. В. Лахно, Е. Г. Рылякин // Юный ученый. — 2014. — — С.196–199.

Валы и оси: общие сведения, материалы, критерии работоспособности и расчёта. Проектный расчёт

Вал – деталь машин, созданная для поддержания сидячих на нем деталей и передачи вращающего момента. При работе вал испытывает деформации кручения и извива, время от времени – растяжения-сжатия.Ось – деталь машин и устройств, служащая для поддержания крутящихся частей, но не передающая нужный вращающий момент, а, как следует, не испытывает кручения. Систематизация валов и осей. Виды валов: 1) коренные, 2) шпиндели3)трансмиссионные.По форме геометрической оси валы бывают: 1) прямые, 2) коленчатые; 3)гибкие. По типу сечения валы бывают: 1) сплошные; 2) полые. Оси бывают крутящиеся и недвижные. Прямые валы и оси изготавливают гладкими либо ступенчатыми. Образование ступеней связано с различной напряженностью отдельных сечений, также с критериями производства и сборки.Материалы, используемые для производства валов и осей

Материалы валов и осей должны быть крепкими, отлично обрабатываться и иметь высочайший модуль упругости. Основными материалами для валов служат углеродистые и легированные стали. Для большинства валов используют термически обработанные среднеуглеродистые и легированные стали 45, 40Х. Для высоконапряжённых валов ответственных машин используют легированные стали 40ХН, 20Х, 12ХНЗА. Для осей обычно используют сталь углеродистую обычного свойства. Заготовки валов и осей – это круглый прокат либо особые поковки.

Аспекты работоспособности валов и осей Валы и крутящиеся оси при работе испытывают циклически изменяющиеся напряжения. Главным аспектом их работоспособности являются сопротивление вялости и твердость. Сопротивление вялости оценивается коэффициентом припаса прочности, а твердость – прогибом в местах посадки деталей и углами закручивания сечений. Практикой установлено, что основной вид разрушения валов и осей быстроходных машин носит усталостный нрав. Расчетными силовыми факторами являются вращающие и изгибающие моменты. Проектировочный расчёт вала делают как условный расчёт лишь на кручение для приблизительного определения посадочных поперечников. Исходя из условия прочности на кручение получим формулу проектировочного расчёта

где Мk – вращающий момент в расчётном сечении, Нм;

Н/мм2 – допускаемое напряжение при кручении

52.Систематизация подшипников качения. Достоинства и недочеты каждого типа. Условия работы, действующие на работоспособность

Подшипники качения представляют собой готовый узел рис.3.2.5, главным элементом которого являются тела качения — шарики либо ролики 3, установленные меж кольцами 1 к 2 и удерживаемые на определенном расстоянии друг от друга обоймой, именуемой сепаратором 4. В процессе работы тела качения катятся по дорожкам качения колец, одно из которых почти всегда бездвижно. Рассредотачивание нагрузки меж несущими телами качения неравномерно и находится в зависимости от величины кругового зазора в подшипнике и от точности геометрической формы его деталей.Подшипники качения обширно всераспространены во всех отраслях машиностроения. Они стандартизованы и изготовляются в массовом производстве на ряде больших специализированных заводов.Плюсы подшипников качения1. Сравнимо низкая цена вследствие массового производства подшипников. 2. Малые утраты на трение и малозначительный нагрев (утраты на трение при пуске и установившемся режиме работы фактически схожи). 3. Высочайшая степень взаимозаменяемости, что упрощает установка и ремонт машин 4. Малый расход смазочного материала. 5. Не требуют особенного внимания и ухода.

Малые осевые размеры. Недочеты подшипников качения 1. Высочайшая чувствительность к ударным и вибрационным нагрузкам вследствие большой жесткости конструкции подшипника.

Малонадежны в скоростных приводах из-за лишнего нагрева и угрозы разрушения сепаратора от деяния центробежных сил. 3. Сравнимо огромные круговые размеры. 4. Шум при огромных скоростях.Систематизация и маркировка подшипников качения

Подшипники качения систематизируют по последующим главным признакам: 1) по форме тел качения: а) шариковые рис.3.2.6.а, б) роликовые, при этом последние могут быть с цилиндрическими (рис.3.2.6.б), коническими (рис.3.2.6.в), бочкообразными (рис.3.2.6.г), игловатыми (рис. 3.2.6.д) и витыми роликами (рис. 3.2.6.е); 2) по направлению воспринимаемой нагрузки: а) круговые, б) радиально-упорные, в) упорно-радиальные, г) упрямые; 3) по числу рядов тел качения: а) однорядные, б) многорядные. Виды разрушения подшипников качения и аспекты работоспособности К главным причинам утраты работоспособности

Усталостное выкрашивание рабочих поверхностей тел качения и дорожек качения колец в виде раковин либо отслаивания (шелушения) вследствие повторяющегося контактного нагружения. Усталостное выкрашивание является главным видом разрушения подшипников, обычно наблюдается после долговременной работы и сопровождается стуком и вибрациями.

Пластические деформации на дорожках качения (вмятины) вследствие деяния ударных нагрузок либо огромных статических нагрузок без вращения.

Забияки рабочих поверхностей качения при недостающем.смазывании либо очень малых зазорах из-за неверного монтажа.

Абразивный износ вследствие нехороший защиты подшипника от попадания пыли. Применение совершенных конструкций уплотнений подшипниковых узлов уменьшает износ рабочих поверхностей подшипника.

Разрушение сепараторов от деяния центробежных сил и воздействия на сепаратор тел качения. Этот вид разрушения является основной предпосылкой утраты работоспособности быстроходных подшипников.

Раскалывание колец и тел качения из-за перекосов при монтаже либо при огромных динамических нагрузках. Основными аспектами работоспособности подшипников качения является долговечность по усталостному выкрашиванию и статическая грузоподъемность по пластическим деформациям.

53.Подшипники качения: аспекты работоспособности и расчёта, подбор по динамической и статической грузоподъёмности.

Основными аспектами работоспособности подшипников качения являются долговечность по усталостному выкрашиванию и статическая грузоподъемность по пластическим деформациям. Расчет на долговечность делают для подшипников, крутящихся с угловой скоростью 0,105 рад/с. Невращающиеся либо медлительно крутящиеся подшипники (с угловой скоростью &0,105) рассчитывают на статическую грузоподъемность.Если подшипник принимает нагрузку находясь в недвижном состоянии либо вращаясь с частотой наименее 1 об/мин, то подшипник выбирают по статической грузоподъемности, так как при обозначенном режиме работы исключается усталостное выкрашивание рабочих поверхностей тел и дорожек качения.

Условие проверки:Ро Со,где Ро- эквивалентная статическая нагрузка;Со- статическая грузоподъемность ( по каталогу на подшипники).

Под статической грузоподъемностью понимают такую статическую нагрузку, которой соответствует общая остаточная деформация тел качения и колец в более нагруженной точке контакта, равная 0,0001 поперечника тела качения.Эквивалентная статическая нагрузка определяется по формуле:Ро = X0Fr Y0Fa,где Хо и Yo — коэффициенты круговой и осевой статических нагрузок(по каталогу).Динамическая грузоподъемность и долговечность (ресурс) подшипника

связаны эмпирической зависимостьюL = (С/Р)р,где L-ресурс в млн. оборотах;С. паспортная динамическая грузоподъемность подшипника. это такая неизменная нагрузка, которую подшипник может выдержать в течение 1-го млн. оборотов без возникновения признаков вялости более чем у 90% из определенного числа подшипников, подвергающихся испытаниям. Значения С приведены в каталогах;р. показатель степени кривой вялости (р=3. для шариковых подшипников, р=10/3. для роликовых.Р. эквивалентная (расчетная) динамическая нагрузка на подшипник. Для перехода от количества млн. оборотов в ресурс в часах запишем: Lh= 106L/(60n),

Валы и оси

Основные понятия. Зубчатые колеса, шкивы, звездочки и другие крутящиеся детали машин устанавливают на валах либо осях.

Вал. деталь машин, предназначенная для поддержания сидящих на нем деталей и передачи крутящего момента. При работе вал испытывает деформации кручения и изгиба, иногда. растяжения-сжатия.

Ось. деталь машин и механизмов, служащая для поддержания вращающихся частей, но не передающая полезный крутящий момент, а, следовательно, не испытывает кручения.

  • 1) по форме продольной геометрической оси:
  • прямолинейные (продольная геометрическая ось. прямая леска), например, валы редукторов, валы коробок передач гусеничных и колесных машин;
  • коленчатые (продольная геометрическая ось разделена на несколько отрезков, параллельных между собой смещенных друг относительно друга в радиальном направлении). Предназначены для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот;
  • гибкие (продольная геометрическая ось является линией переменной кривизны, которая может меняться в процессе работы механизма или при монтажно-демонтажных мероприятиях). Предназначены для передачи небольшого крутящего момента;
  • 2) по функциональному назначению:
  • валы передач, они несут на себе элементы, передающие вращающий момент (зубчатые или червячные колеса, шкивы, звездочки, муфты и т.п.) и в большинстве своем снабжены концевыми частями, выступающими за габариты корпуса механизма;
  • трансмиссионные валы предназначены, как правило, для распределения мощности одного источника к нескольким потребителям;
  • -коренные валы. валы, несущие на себе рабочие органы исполнительных механизмов (коренные валы станков, несущие на себе обрабатываемую деталь или инструмент называют шпинделями)’,
  • гладкие валы имеют одинаковый диаметр по всей длине;
  • ступенчатые валы отличаются наличием участков отличающихся друг от друга диаметрами;
  • полые валы снабжены сквозным или глухим отверстием, соосным наружной поверхности вала и простирающимся на большую часть длины вала;
  • шлицевые валы по внешней цилиндрической поверхности имеют продольные выступы. шлицы, равномерно расположенные по окружности и предназначенные для передачи моментной нагрузки от или к деталям, непосредственно участвующим в передаче вращающего момента;
  • валы, совмещенные с элементами, непосредственно участвующими в передаче вращающего момента (вал-шестерня, вал- червяк).

Материалы, применяемые для изготовления валов и осей. Материалы валов и осей должны быть прочными, хорошо обрабатываться и иметь высокий модуль упругости. Основными материалами для валов служат углеродистые и легированные стали. Для большинства валов применяют термически обработанные среднеуглеродистые и легированные стали 45, 40Х. Для

высоконапряженных валов ответственных машин применяют легированные стали 40ХН, 20Х, 12ХНЗА. Для осей обычно применяют сталь углеродистую обыкновенного качества. Заготовки валов и осей. это круглый прокат или специальные поковки.

Конструктивные элементы валов Опорные части валов и осей, через которые действующие на них нагрузки передаются корпусным деталям, называются цапфами. Цапфу, расположенную в средней части вала, обычно называют шейкой. Концевую цапфу вала, передающую корпусным деталям только радиальную нагрузку или радиальную и осевую одновременно, называют шипом, а концевую цапфу, передающую только осевую нагрузку, называют пятой. С цапфами вала взаимодействуют элементы корпусных деталей, обеспечивающие возможность вращения вала, удерживающие его в необходимом для нормальной работы положении и воспринимающие нагрузку со стороны вала. Соответственно элементы, воспринимающие радиальную нагрузку (а часто вместе с радиальной и осевую) называют подшипниками, а элементы, предназначенные для восприятия только осевой нагрузки. подпятниками.

READ  Какой Двигатель Можно Поставить На Daewoo Nexia

Рис. 44. Конструктивные элементы валов

Кольцевое утолщение вала малой протяженности, составляющее с ним одно целое и предназначенное для ограничения осевого перемещения самого вала или насаженных на него деталей, называют буртиком.

Переходная поверхность от меньшего диаметра вала к большему, служащая для опирания насаженных на вал деталей, называется заплечиком.

Критерии работоспособности валов и осей. Валы и вращающиеся оси при работе испытывают циклически изменяющиеся напряжения. Основным критерием их работоспособности являются сопротивление усталости и жесткость. Сопротивление усталости оценивается коэффициентом запаса прочности, а жесткость. прогибом в местах посадки деталей и углами закручивания сечений. Практикой установлено, что основной вид разрушения валов и осей быстроходных машин носит усталостный характер. Расчетными силовыми факторами являются крутящие и изгибающие моменты.

Расчеты валов и осей. Основными критериями работоспособности валов и осей являются сопротивление усталости материала и жесткость. Расчет валов выполняется в два этапа: предварительный (проектный) и окончательный (проверочный).

Предварительный (проектный) расчет вала выполняют как условный расчет только на кручение для ориентировочного определения посадочных диаметров. Исходя из условия прочности на кручение

какой, деформация

получим формулу проектировочного расчета

где Т— крутящий момент в расчетном сечении, Н м; [т]. допускаемое напряжение при кручении.

какой, деформация

Проверочный расчет для валов. расчет на сопротивление усталости. является основным расчетом на прочность. Для основного расчета строим эпюры изгибающих и крутящих моментов. Нагрузки раскладываем на две составляющие, действующие во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Вычисляем эквивалентный изгибающий момент:

где Мх и Му. изгибающие моменты, действующие во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Расчет вала на прочность производится с учетом использования условия

где оэкв. эквивалентное напряжение в опасном сечении; о и т. напряжение от изгиба и кручения;

Предельно допускаемое напряжение [о] принимают близким к пределу текучести:

Под кручением понимают вид деформации, свойственный для условий приложения к телу силы в поперечной плоскости. В результате этого в поперечном разрезе формируется крутящий момент. Деформациям кручения подвергаются валы и пружины.

Валом называют функционирующую на кручение вращающуюся деталь в виде стержня.

Под торсионом понимают функционирующий на кручение стержень, применяемый в качестве упругого элемента.

Для круглых валов, наиболее обширно применяемых в технике, разработана теория кручения. Она основана на трех положениях:

  • После деформации сохраняется плоское поперечное сечение детали.
  • При деформации радиусы, проходящие поперек детали, не искривляются и проворачиваются на равный угол.
  • При деформации продольные волокна сохраняют размеры, следовательно, разделяющие поперечные сечения расстояния неизменны.

Из приведенных положений следует, что кручение представлено деформацией сдвига материала между соседними поперечными сечениями, обусловленной проворотом последних вокруг оси.

Деформациями при кручении считают взаимный проворот сечений. Они формируются вследствие воздействия на стержень пар сил с перпендикулярными к его продольной оси плоскостями действия.

Величина деформаций описывается углом закручивания. Под полным понимают угол поворота свободного конца. Относительным считают значение для определенной длины вала. Данные параметры рассчитывают с учетом прочности и жесткости деталей.

Угол закручивания стержня цилиндрической конфигурации в границах упругих деформаций определяется уравнением закона Гука для кручения, представляющего отношение произведения момента и длины вала к произведению геометрического полярного инерционного момента и модуля сдвига.

Относительный угол закручивания вычисляют как частное угла закручивания и длины стержня.

Под вращающими либо скручивающими моментами понимают показатели пар сил, воздействующих на вал. Их подразделяют на внешние, называемые вращающими и скручивающими, и внутренние (крутящие). Под влиянием перпендикулярных продольной оси бруса внешних крутящих моментов формируются внутренние. Они передаются на деталь в точках установки шкивов ременных передач, зубчатых колес и т. д.

Крутящий момент представлен силовым фактором, обуславливающим круговое передвижение сечения относительно перпендикулярной ему оси или препятствующим ему. Его значение равно сумме скручивающих усилий по одну сторону от данной точки. Положительными считают внутренние моменты, направленные против часовой стрелки со стороны внешней нормали (отброшенной части). При этом соответствующий внешний момент имеет направление, совпадающее с ходом часовой стрелки.

Условия прочности и жесткости применяют для решения следующих задач:

  • Выполнения проверочного расчета данных условий для конкретных значений крутящего момента и валов определенного размера и материала.
  • Выполнения проектировочного расчета для вычисления диаметров и нахождения большего из них.
  • Определения грузоподъемности вала путем вычисления крутящего момента из обоих условий и нахождения меньшего из них.

Под эпюрой крутящих моментов понимают график, отображающий закон их изменения по длине либо сечению детали.

При разделении детали по длине на три участка в соответствии с методом сечений получится, что для первого (правого) фрагмента наблюдается линейная зависимость крутящего момента от координаты сечения ввиду влияния равномерно распределенной нагрузки, для второго и третьего участков данная зависимость отсутствует. При этом в точках приложения внешних сосредоточенных усилий наблюдаются скачки, соответствующие их величине.

В сечении наблюдается линейное изменение, определяемое законом касательных напряжений, в прямой зависимости от расстояния от центра.

Таким образом, в продольном разрезе наибольшие деформации кручения характерны для точки, наиболее удаленной от места закрепления детали. В поперечном разрезе максимальные деформации кручения наблюдаются на поверхности.

Полярный инерционный момент сечения представляет собой геометрическую характеристику жесткости при кручении для круглого вала. Полярный момент сопротивления сечения является аналогичным параметром для его прочности.

Следует отметить, что большинство приведенных выше понятий описывается с применением формул.

Деформация растяжения

Деформация растяжения — вид деформации, при которой нагрузка прикладывается продольно от тела, то есть соосно или параллельно точкам крепления тела. Проще всего растяжение рассмотреть на буксировочном тросе для автомобилей. Трос имеет две точки крепления к буксиру и буксируемому объекту, по мере начала движения трос выпрямляется и начинает тянуть буксируемый объект. В натянутом состоянии трос подвергается деформации растяжения, если нагрузка меньше предельных значений, которые может он выдержать, то после снятия нагрузки трос восстановит свою форму.

Деформация растяжения является одним из основных лабораторных исследований физических свойств материалов. В ходе приложения растягивающих напряжений определяются величины, при которых материал способен:

воспринимать нагрузки с дальнейшим восстановлением первоначального состояния (упругая деформация)

Основы Сопромата. Виды деформаций

воспринимать нагрузки без восстановления первоначального состояния (пластическая деформация)

Данные испытания являются главными для всех тросов и веревок, которые используются для строповки, крепления грузов, альпинизма. Растяжение имеет значение также при строительстве сложных подвесных систем со свободными рабочими элементами.

Деформация сжатия — вид деформации, аналогичный растяжению, с одним отличием в способе приложения нагрузки, ее прикладывают соосно, но по направлению к телу. Сдавливание объекта с двух сторон приводит к уменьшению его длины и одновременному упрочнению, приложение больших нагрузок образовывает в теле материала утолщения типа «бочка».

Деформация сжатия широко используется в металлургических процессах ковки металла, в ходе процесса металл получает повышенную прочность и заваривает дефекты структуры. Сжатие также важно при строительстве зданий, все элементы конструкции фундамента, свай и стен испытывают давящие нагрузки. Правильный расчет несущих конструкций здания позволяет сократить расход материалов без потери прочности.

Деформация сдвига — вид деформации, при котором нагрузка прикладывается параллельно основанию тела. В ходе деформации сдвига одна плоскость тела смещается в пространстве относительно другой. На предельные нагрузки сдвига испытываются все крепежные элементы — болты, шурупы, гвозди. Простейший пример деформации сдвига – расшатанный стул, где за основание можно принять пол, а за плоскость приложения нагрузки – сидение.

Деформация изгиба — вид деформации, при котором нарушается прямолинейность главной оси тела. Деформации изгиба испытывают все тела подвешенные на одной или нескольких опорах. Каждый материал способен воспринимать определенный уровень нагрузки, твердые тела в большинстве случаев способны выдерживать не только свой вес, но и заданную нагрузку. В зависимости от способа приложения нагрузки при изгибе различают чистый и косой изгиб.

Значение деформации изгиба важно для проектирования упругих тел, таких, как мост с опорами, гимнастический брус, турник, ось автомобиля и другие.

Деформация кручения – вид деформации, при котором к телу приложен крутящий момент, вызванный парой сил, действующих в перпендикулярной плоскости оси тела. На кручение работают валы машин, шнеки буровых установок и пружины.

Закон Гука — уравнение теории упругости, связывающее напряжение и деформацию упругой среды. Открыт в 1660 году английским учёным Робертом Гуком. Поскольку закон Гука записывается для малых напряжений и деформаций, он имеет вид простой пропорциональности.

В словесной форме закон звучит следующим образом:

Сила упругости, возникающая в теле при его деформации, прямо пропорциональна величине этой деформации

Для тонкого растяжимого стержня закон Гука имеет вид:

Здесь — сила, которой растягивают (сжимают) стержень, — абсолютное удлинение (сжатие) стержня, а — коэффициент упругости (или жёсткости).

Коэффициент упругости зависит как от свойств материала, так и от размеров стержня. Можно выделить зависимость от размеров стержня (площади поперечного сечения и длины ) явно, записав коэффициент упругости как

Величина называется модулем упругости первого рода или модулем Юнга и является механической характеристикой материала.

и нормальное напряжение в поперечном сечении

то закон Гука в относительных единицах запишется как

В такой форме он справедлив для любых малых объёмов материала.

Также при расчёте прямых стержней применяют запись закона Гука в относительной форме

Модуль Юнга (модуль упругости) — физическая величина, характеризующая свойства материала сопротивляться растяжению/сжатию при упругой деформации [1]. Назван в Honor английского физика XIX века Томаса Юнга. В динамических задачах механики модуль Юнга рассматривается в более общем смысле — как функционал среды и процесса. В Международной системе единиц (СИ) измеряется в ньютонах на метр в квадрате или в паскалях.

Модуль Юнга рассчитывается следующим образом:

S — площадь поверхности, по которой распределено действие силы,

READ  Какие колонки на Chevrolet Cruze

x — модуль изменения длины стержня в результате упругой деформации (измеренного в тех же единицах, что и длина l).

Через модуль Юнга вычисляется скорость распространения продольной волны в тонком стержне:

где — плотность вещества.

Деформация сдвига

Одним из распространённых форм деформации является сдвиг отдельных слоёв изделия в вертикальной или горизонтальной плоскости. Такое смещение называется – деформация сдвига. Изменение положения может вызывать постепенное или резкое изменение первоначальной формы конструкции или отдельной детали. Виды деформации характеризуют порядок произведенного смещения и определяют порядок расчёта основных характеристик. В технической механике и сопромате рассматривают два вида деформации со сдвигом: плавное (смятие) и резкое (разрыв или срез).

Сложные виды деформаций

При работе машин и механизмов их детали одновременно подвергаются различным видам деформаций: растяжению, сжатию, изгибу, кручению и др. В результате в деталях возникают напряжения растяжения (сжатия), изгиба, кручения и т.д. Рассмотрим некоторые наиболее распространенные виды деформаций.

Изгиб и растяжение (сжатие). Пусть на брус длиной I постоянного поперечного сечения F, защемлённый одним концом в точке В на свободном его конце действует произвольно направленная сила Ру приложенная в центре тяжести сечения.

Разложив силу Р на составляющие сил Ря Ру и Ргу получим сочетание деформаций растяжения и поперечного изгиба в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Касательными напряжениями изгиба в дальнейшем будем пренебрегать.

Максимальные нормальные напряжения в опасном сечении (заделки), применив принцип независимости действия сил, запишутся в следующем виде

Максимальные суммарные напряжения возникают в точке В и будут равны

Эпюры нормальных напряжений растяжения и изгиба показаны на рис. 75. Деформации растяжения и изгиба встречаются, например, у крюков грузоподъёмных кранов, регулировочных винтов раскосов навесок тракторов и т.п.

Гипотезы прочности. До сих пор были рассмотрены случаи сочетания основных деформаций только при нормальных напряжениях, которые в каждой точке можно складывать алгебраически. Однако на практике большое значение имеют случаи сочетания основных деформаций, когда в поперечных сечениях возникают, кроме нормальных, и касательные напряжения, которые распределены неравномерно и по разным законам. В этих случаях опытное определение прочности невозможно и при оценке прочности детали основываются на механических характеристиках материала, полученных из диаграммы растяжения.

Для напряжённого состояния при сочетании основных деформаций определение опасных напряжений опытным путём невозможно из-за трудности постановки опытов. В связи с этим при решении таких задач основываются на некоторых гипотезах о том, какой фактор вызывает появление опасного состояния.

На основании гипотез прочности определяют эквивалентное напряжение, которое сопоставляют с напряжением при осевом нагружении. В соответствии с условием прочности эквивалентное напряжение не должно превышать допускаемого напряжения для материала, то есть

Гипотезы прочности для определения эквивалентных напряжений формулируются следующим образом.

Первая теория прочности основана на гипотезе наибольших нормальных напряжений.

Вторая теория прочности основана на гипотезе наибольших линейных деформаций. Эти теории в настоящее время не применяются.

Третья теория прочности (гипотеза касательных напряжений) гласит так: опасное состояние материала наступает тогда, когда наибольшие касательные напряжения достигают предельного значения. По этой теории эквивалентное напряжение определяется по формуле

Четвертая теория прочности (энергетическая гипотеза) звучит следующим образом: опасное стояние материала в данной точке наступает тогда, когда удельная потенциальная энергия формоизменения для этой точки достигает предельной величины. Формула для определения эквивалентных напряжений имеет вид

В этих формулах сит есть нормальные и касательные напряжения.

Изгиб и кручение. Сочетание деформаций изгиба и кручения испытывает большинство валов под действием передаваемых или вращающих и изгибающих моментов. При этом в поперечном сечении вала возникают нормальные и касательные напряжения. Максимальные нормальные и касательные напряжения для круглых валов рассчитываются по формулам:

где. осевой момент сопротивления сечения;

Так как Wp = 2W, то

Тема 3.11.1 Валы и оси

Скриншоты (фотоотчеты) и присылать на страничку в контакте https://vk.com/id356059967 Татьяна Сафонова указывая название предмета, группу, фамилию, имя, отчество.

В результате изучения обучающийся должен знать:

лекцииОсновные понятия Классификация валов и осей

Материалы, применяемые для изготовления валов и осей Конструктивные элементы валов и осей

Рекомендации по конструированию валов и осей Критерии работоспособности валов и осей

Зубчатые колеса, шкивы, звездочки и другие вращающиеся детали машин устанавливают на валах или осях.

Вал – деталь машин, предназначенная для поддержания сидящих на нем деталей и передачи крутящего момента. При работе вал испытывает деформации кручения и изгиба, иногда – растяжения-сжатия.

Ось – деталь машин и механизмов, служащая для поддержания вращающихся частей, но не передающая полезный крутящий момент, а, следовательно, не испытывает кручения.

По форме геометрической оси валы бывают:

какой, деформация

1) прямые, 2) коленчатые; 3)гибкие. По типу сечения валы бывают:

Прямые валы и оси изготавливают гладкими или ступенчатыми. Образование ступеней связано с различной напряженностью отдельных сечений, а также с условиями изготовления и сборки.

Материалы, применяемые для изготовления валов и осей

Материалы валов и осей должны быть прочными, хорошо обрабатываться и иметь высокий модуль упругости. Основными материалами для валов служат углеродистые и легированные стали. Для большинства валов применяют термически обработанные среднеуглеродистые и легированные стали 45, 40Х. Для высоконапряжённых валов ответственных машин применяют легированные стали 40ХН, 20Х, 12ХНЗА. Для осей обычно применяют сталь углеродистую обыкновенного качества. Заготовки валов и осей – это круглый прокат или специальные поковки.

Опорная часть вала или оси называется цапфой (рис.1).

Шипом 1 называется цапфа, расположенная на конце вала и передающая преимущественно радиальную нагрузку.

Шейкой 2 называется цапфа, расположенная в средней части вала или оси. Шипы и шейки по форме могут быть цилиндрическими, коническими, сферическими.

Рисунок 1 Конструктивные элементы вала Опорами для шипов и шеек служат подшипники.

Пятой рис. 2.а, 2.б называют цапфу, передающую осевую нагрузку. Опорной частью для пяты является подпятник рис.2.в.

Кольцевое утолщения вала, составляющее с ним одно целое, называется

буртиком

Переходная поверхность от одного сечения к другому, служащая для упора насаживаемых на вал деталей, называется заплечником (рис.4).

Переходные участки между двумя ступенями валов выполняют канавкой (поднутрением) или галтелью Криволинейную поверхность плавного перехода от меньшего сечения к большему называют галтелью рис. 5.б. Галтель вала, углубленную за плоскую часть заплечника, называют поднутрением рис. 5.а. Галтели способствуют снижению концентрации напряжений.

Рекомендации по конструированию валов и осей

Валы и оси следует конструировать по возможности гладкими с минимальным числом уступов. Каждая насаживаемая на вал или ось деталь должна свободно проходить до своей посадочной поверхности. Торцы валов и осей и их уступы выполняют с фасками (рис.2, 4) для удобства насадки деталей. Для увеличения изгибной жесткости валов и осей насаживаемые детали располагают ближе к опорам. Для повышения несущей способности валов и осей их поверхность подвергают упрочнению.

Критерии работоспособности валов и осей

Валы и вращающиеся оси при работе испытывают циклически изменяющиеся напряжения. Основным критерием их работоспособности являются сопротивление усталости и жесткость. Сопротивление усталости оценивается коэффициентом запаса прочности, а жесткость – прогибом в местах посадки деталей и углами закручивания сечений. Практикой установлено, что основной вид разрушения валов и осей быстроходных машин носит усталостный характер. Расчетными силовыми факторами являются крутящие и изгибающие моменты.

Основным критерием работоспособности валов и осей являются сопротивление усталости материала и жёсткость. Расчёт валов выполняется в два этапа: предварительный (проектный) и окончательный (проверочный).

получим формулу проектировочного расчёта

где Мк – крутящий момент в расчётном сечении, Нм;

] = 12. 25 Н/мм 2 – допускаемое напряжение при кручении.

Проверочный расчет для валов. расчёт на сопротивление усталости.

является основным расчётом на прочность. Основными нагрузками на валы являются силы от передач через насаженные на них детали: зубчатые или червячные колёса, звёздочки, шкивы. Проверочный расчет вала производится с применением гипотез прочности. Условие прочности в этом случае имеет вид:

где Мэкв — так называемый эквивалентный момент.

При гипотезе наибольших касательных напряжений (иначе — третья гипотеза)

При гипотезе потенциальной энергии формоизменения (иначе — пятая гипотеза)

где в обеих формулах Мк и М„ — соответственно крутящий и суммарный изгибающий моменты в рассматриваемом сечении вала. Числовое значение суммарного изгибающего момента равно геометрической сумме изгибающих моментов, возникающих в данном сечении от вертикально и горизонтально действующих внешних сил, т. е.

При проектировочном расчёте оси ее рассматривают как балку, свободно лежащую на опорах и нагруженную сосредоточенными силами, вызывающими изгиб. Устанавливают опасное сечение, для которого

требуемый диаметр оси определяют из условия прочности на изгиб

где Ми – максимальный изгибающий момент, Нм;

[s и ]. допускаемое напряжение изгиба, Н/мм.

Выбор допускаемых напряжений [s и ]. Оси изготовляемые из

среднеуглеродистых сталей [s и ] = [s 0 ]и = 100. 160 Н/мм2. Во вращающихся осях [s и ] = [s.1]и = (0,5. 0,6)[s 0 ]и.

Проверочный расчёт осей. частный случай расчёта валов при крутящем моменте Мк = 0.

Привести действующие на вал нагрузки к его оси, освободить вал от опор, заменив их действие реакциями в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

По заданной мощности Р и угловой скорости определить вращающие моменты, действующие на вал.

Вычислить нагрузки F1, Fr1, F2, Fr2,, приложенные к валу.

Составить уравнения равновесия всех сил, действующих на вал, отдельно в вертикальной плоскости и отдельно в горизонтальной плоскости и определить реакции опор в обеих плоскостях

6. Построить эпюры изгибающих моментов в вертикальной и горизонтальной плоскостях (эпюры Mx и Мy).

Определить наибольшее значение эквивалентного момента (4), (5),:

Положив экв = [], определить требуемый осевой момент сопротивления: Wx = Мэкв/[]