Charakterystyka, rodzaje oraz zastosowanie osi i wałów.

TEMAT: ............................................................................................................................................................................................................

Osią lub wałem nazywa się element maszyny podparty w łożyskach i podtrzymujący osadzone na nim części maszyn. Na wale mogą być osadzone różne elementy wykonujące ruchy obrotowe (np. koła zębate, piasty, tarcze hamulcowe itp.) lub ruchy wahadłowe (np. koło zębate współpracujące z zębatką). Głównym zadaniem wału jest przenoszenie momentu obrotowego, zatem wał wykonuje zawsze ruch obrotowy. W związku z tym wał jest narażony jednocześnie na skręcanie oraz - pod wpływem sił poprzecznych - na zginanie. W niektórych przypadkach wał może być narażony tylko na skręcanie (np. samochodowy wał napędowy w sprzęgle Cardana).

Oś jest element mechanizmu lub maszyny, służący utrzymaniu w określonym położeniu osadzonych na niej wirujących elementów, najczęściej kół, oraz do przenoszenia na podpory sił działających na te elementy. Oś nie przenosi momentu obrotowego i jest narażona na zginanie. Oś może być nieruchoma, utwierdzona w miejscach podparcia, lub ruchoma (wykonuje ruch obrotowy), osadzona w łożyskach. Oś nieruchomą mocuje się w podporach za pomocą połączeń wpustowych, gwintowanych itp. Krótką oś nazywa się czasami sworzniem.

Zarówno osie, jak i wały mogą być dodatkowo obciążone siłą poosiową (rozciągającą lub ściskającą), np. gdy elementami osadzonymi na nich są koła zębate skośne lub stożkowe.

Podział wałów: gładki, schodkowy stopniowy, wykorbione, korbowe, giętkie.

a, b) wału, c) osi nieruchomej, d) osi ruchomej

Rodzaje osi i wałów:

Osie i wały sztywne są ustrojami prętowymi o przekroju poprzecznym okrągłym albo (znacznie rzadziej) sześciokątnym lub innym. Można wyróżnić osie i wały gładkie mające prawie niezmienny przekrój poprzeczny na całej długości oraz kształtowe - o zmiennych przekrojach, wynikających z obciążenia i funkcji osi lub wału. Osie są z reguły proste, natomiast wały mogą być proste lub wykorbione.

Rodzaje wałów i osi: a) wał gładki, b, c) wały schodkowe, d) wał wykorbiony, e) oś nieruchoma

W niektórych urządzeniach (szlifierkach ręcznych, wiertarkach dentystycznych itp.) stosuje się wały giętkie, służące do przenoszenia napędu na elementy wykonujące ruchy przestrzenne względem źródła napędu. Zależnie od liczby łożysk, będących podporami wałów, rozróżnia się wały dwu- i wielopodporowe oraz (bardzo rzadko stosowane) - jedno podporowe. W zależności od spełnianych funkcji wału często stosuje się nazwy: wał główny (wrzeciono robocze - WR), pomocniczy, rozrządczy, napędzający itp. Wały mogą być pełne lub drążone. Wały drążone stosuje się w celu zmniejszenia ciężaru konstrukcji, gdy otwór umożliwia mocowanie i obróbkę długich prętów (np. w tokarkach). Większość wałów maszynowych stanowią wały schodkowe, w których średnice zmieniają się stopniowo. Sposób kształtowania zależy od względów wytrzymałościowych oraz od przewidywanego sposobu montażu. Stopniowanie średnic narastająco od środka wału stosuje się przeważnie wówczas, gdy korpus maszyny (urządzenia) jest dzielony, przy czym podział przebiega wzdłuż osi wału; stopniowanie średnic w jednym kierunku umożliwia montaż wału w otworach niedzielonych kadłubów.

Czop to odcinek osi lub wału, których powierzchnie stykają się ze współpracującymi elementami: łożyskami, kołami zębatymi itd. Rozróżnia się czopy ruchowe i czopy spoczynkowe. Czopy ruchowe 1 współpracują z panewkami łożysk ślizgowych, z kołami przesuwnymi lub obracającymi się względem nieruchomej osi itp., natomiast czopy spoczynkowe 2 współpracują z elementami osadzonymi na stałe względem wału i obracającymi się wraz z nim. Kształty czopów ustala się w zależności od wartości i kierunku reakcji w podporach oraz od wymagań konstrukcyjno-technologicznych.

Jeżeli czop jest umieszczany na końcu wału lub osi to nazywamy się go czopem końcowym, a jeśli umieszczony jest w części środkowej, to wówczas nazywa się go czopem środkowym. W zależności od kierunku przenoszonych sił rozróżniamy czopy poprzeczne, wzdłużne i poprzeczno-wzdłużne. Czopy wymagają dokładnej obróbki, dlatego ich średnice należy dobierać wg wymiarów normalnych (PN-78/M-02041). Wymiary swobodne wałów (np. średnice nie stykające się z innymi elementami) mogą być niezgodne z wymiarami normalnymi, jeżeli wpłynie to korzystnie np. na ułatwienie montażu.

Osie i wały wykonuje się najczęściej ze stali:

* konstrukcyjnej węglowej zwykłej jakości (najczęściej St3, St4, St5), gdy elementy są mało obciążone w maszynach mniej ważnych, stosowane bez obróbki cieplnej i gdy bardziej wymagana jest sztywność elementu niż jego wytrzymałość;

* konstrukcyjnej węglowej wyższej jakości (najczęściej 25, 35 i 45). Stale 25 i 35 stosuje się w stanie normalizowanym i ulepszonym lub hartowanym powierzchniowo (45);

* konstrukcyjnej stopowej do ulepszania cieplnego, najczęściej chromoniklowej, gdy wymagana jest mała średnica wału (w tym przypadku zalecane jest ulepszanie cieplne) oraz gdy na wale są odkute elementy pracujące jak koła zębate lub połówki sprzęgła, wymagające powierzchni odpornych na ścieranie;

* konstrukcyjnej stopowej do nawęglania lub azotowania - jak w powyższym punkcie, ale gdy bardziej zależy nam na twardości powierzchni niż na wytrzymałości rdzenia elementu (zawsze nawęglone lub azotowane oraz zawsze hartowane przynajmniej na niektórych powierzchniach); * konstrukcyjnej stopowej o szczególnych własnościach, gdy wymagane są szczególne cechy, jak żaroodporność, nierdzewność, kwasoodporność itp.

W wyjątkowych przypadkach wykonuje się wały odlewane, staliwne lub żeliwne (głównie do wykonania wałów wykorbionych). Najczęściej stosuje się żeliwo modyfikowane lub sferoidalne (Zs 65002, Zs 70002).

Projektowanie osi i wałów obejmuje obliczenia wstępne, umożliwiające ustalenie kształtu i przybliżonych wymiarów osi lub wału. Obliczenia te wykonuje się w zasadzie na wytrzymałość statyczną, uwzględniając jednak wpływ zmienności obciążeń przez przyjęcie odpowiednich naprężeń dopuszczalnych oraz obliczenia dokładne (sprawdzające), uwzględniające czynniki decydujące o wytrzymałości zmęczeniowej (min. działanie karbów) oraz sztywność giętną i skrętną wału.

W obliczeniach osi i wałów z reguły pomija się ciężar wału (osi) i osadzonych na nim części. Zarówno siły wewnętrzne, jak i reakcje w łożyskach obciążają wały (osie) w różny sposób, zależnie od kształtu piasty koła i rodzaju łożyska. Przykłady wyznaczenia punktu zaczepienia reakcji oraz wyznaczenie punktów zaczepienia obciążenia, przenoszonego na wał przez części na nim osadzone.

Ustalenie ostatecznego kształtu projektowanego wału (osi) wymaga spełnienia następujących zaleceń:

1. We wszystkich przekrojach wału musi być zapewniona wymagana wytrzymałość; w przypadku wałów kształtowych (schodkowych) zaleca się wiec unikanie karbów, powodujących m.in. niekorzystne spiętrzenie naprężeń.

2. Kształt wału musi zapewniać żądane ustalenie części osadzanych na wale (np. przez stosowanie odsadzeń zabezpieczających przed przesunięciem wzdłużnym części).

3. Konstrukcja wału musi być dostosowana do warunków montażu i demontażu wału oraz osadzonych na nim części.

4. Kształt wału powinien być możliwie najprostszy w celu zapewnienia łatwości wykonania oraz możliwie niskich kosztów produkcji.

Wały wykorbione służą do zmiany ruchu postępowo-zwrotnego na ruch obrotowy i odwrotnie; stanowią one podstawowy element silników tłokowych (np. spalinowych), pomp i sprężarek, niektórych rodzajów pras i itp. W wale wykorbionym wyróżnia się czopy główne - ułożyskowane w kadłubie maszyny, czopy korbowe- na których są zaczepione korbowody, oraz ramiona korb 3, łączące czopy główne z korbowymi. Wałem wykorbionym nazywa się wał, w którym korby są osadzone między łożyskami. Wały, w których korba jest osadzona poza łożyskami, nazywa się wałami korbowymi w budowie silników spalinowych nazwa ta jest nadawana zazwyczaj wałom wykorbionym. Wały wykorbione wykonuje się jako jednolite (kute lub odlewane) oraz jako składane. Konstrukcja wału wykorbionego zależy od jego wymiarów oraz od rodzaju łożyskowania (np. przy łożyskach tocznych wał musi być składany ze względów montażowych). Liczba czopów korbowych zależy od przeznaczenia wału.

Wały wykorbione i korbowe: a) wał trzykorbowy, b) korba maszynowa 1 - czopy główne, 2 - czopy korbowe, 3 - ramię korby, 4 - wał korbowy

Wały giętkie to wał wykonany z kilku warstw cienkiego drutu, nawiniętych kolejno prawo- i lewoskrętnie, umieszczony w osłonie z taśmy stalowej profilowanej. Kierunek nawinięcia warstwy zewnętrznej jest przeciwny do kierunku ruchu obrotowego, co powoduje ściskanie warstw wewnętrznych wału w czasie pracy. Osłona jest uszczelniona i stanowi zabezpieczenie przed wyciekaniem smaru, zanieczyszczeniem wału oraz zwiększa bezpieczeństwo obsługi. Wały giętkie służą do przenoszenia napędu w urządzeniach, w których element napędzany zmienia często swoje położenie (np. w szlifierkach ręcznych), do napędu prędkościomierzy itp. Dobór wałów giętkich przeprowadza się wg katalogów wytwórców.

Wał giętki: a) budowa wału, b) połączenie wału napędzającego z wałem giętkim 1 - wał giętki, 2 - osłona, 3 - wał napędzający

Odmianą wału jest też wał napędowy. Większości osób wydaje się, że wał napędowy jest tylko długą, metalową rurą, która się kręci podczas jazdy pojazdu. To tylko część prawdy. Tak naprawdę wał napędowy jest niesłychanie skomplikowanym urządzeniem, które należy do najważniejszych elementów układu napędowego samochodu. Wał napędowy sam musi dostosować swoją długość, zależnie od obciążenia tylnego zawieszenia, co już wymagało od inżynierów sporej wiedzy. Przy dużych trzeba wał wymienić na nowy, no niestety wiąże się z bardzo dużymi kosztami. Wał musi być podpierany co odcinek 1.6 metra, jest to optymalne miejsce, według obliczeń wynikających z zastosowania prawa Kirchoffa. Uszkodzenia wału nie można nigdy lekceważyć, ponieważ jeżeli są uszkodzone to grożą wielkim niebezpieczeństwem. Wały napędowe można poddać regeneracji, gdzie są one mierzone, ważone, rozpędzane do bardzo dużych prędkości obrotowych i analizowane. Jeżeli ich rozkład masy jest nierównomierny, to stosuje się odważniki (takie jak w kołach samochodu), jednak jest to możliwe tylko przy nieznacznych odchyleniach.

---