Wiadomości ogólne o wałach + obciążenia osi i wałów + zasady obliczania wytrzymałości osi i wałów

1. Charakterystyka osi i wałów.

Osią lub wałem nazywamy element maszyny podparty w łożyskach, podtrzymujący osadzone na nim części maszyn, które wykonują ruchy obrotowe lub wahadłowe.

Przykładowymi częściami maszyn mocowanymi na osiach lub wałach są, dla ruchu obrotowego np. koła zębate lub koła pasowe, a dla ruchu wahadłowego np. koło zębate współpracujące z zębatką.

Za pomocą wału przenoszony jest moment obrotowy, dlatego też wały narażone są na skręcanie oraz zginanie.

Prostym przykładem może być wał napędowy w samochodzie, z tym że działają na niego jedynie siły skręcania.

Oś nie przenosi momentu obrotowego, dlatego nie jest narażona na skręcanie lecz tylko na zginanie. W śród osi możemy wyróżnić osie utwierdzone (w miejscach podparcia; połączenia wpustowe, gwintowe itp.) i osie wykonujące ruch obrotowy (podparte w łożyskach).

Krótkie osie nazywamy sworzniami.

Osie i wały prócz skręcania i zginania mogą być również obciążone siłą poosiową:

- rozciągającą

- ściskającą

Schematy wałów i osi:

a) b)

c) d)

2. Rodzaje osi i wałów

Zazwyczaj osie i wały posiadają przekrój okrągły, lecz zdarzają się sześciokątne lub jeszcze inne.

2.1. Podział ze względu na przekrój. Osie i wały:

- gładkie - o niezmiennym przekroju

- kształtowe - o zmiennych przekrojach dostosowanych pod względem przeznaczenia

1. wał gładki pędniany

2. wał schodkowy stopniowany dośrodkowo

3. oś nieruchoma

Występują również wały giętkie (linka), służące do przenoszenia napędu na elementy wykonujące ruchy przestrzenne względem źródła napędu. (np. wiertarka dentystyczna)

1. Podział ze względu na liczbę podpór (łożysk)

1. dwupodporowe

2. wielopodporowe

3. rzadko stosowane jednopodporowe

2. Podział wałów ze względu na funkcje.

1. wał główny (wrzeciono robocze - WR)

2. wał pomocniczy

3. wał rozrządczy

4. wał napędzający

itp.

2. Wały stosowane w maszynach.

Wały o różnych kształtach, stosowane w maszynach, dobierane są według potrzeb. Zwracamy uwagę na wytrzymałość, oraz sposób montażu.

Wały stopniowane do środka wału (średnica zwiększa się do środka z każdej strony wału) stosowane są w maszynach, w których korpus maszyny jest dzielony wzdłuż osi wału.

Wały stopniowane w jednym kierunku umożliwiają zamontowanie w otworach w których kadłub nie jest dzielony.

Istnieją również wały drążone i pełne

1. wał schodkowy stopniowany w jednym kierunku

3. Czopy

Czopem nazywamy odcinek wału lub osi, który ma bezpośredni kontakt z elementami współpracującymi takimi jak łożyska, koła zębate itp.

Wyróżnia się:

1. Czopy ruchowe (1.)- są to czopy które stykają się z elementami lecz te elementy nie są przytwierdzone na stałe do wału i nie obracają się wraz z czopem. Współpracują np. z łożyskami ślizgowymi.

2. Czopy spoczynkowe (2.) - są to czopy które stykają się z elementami zamocowanymi na wale (elementy obracają się wraz z wałem lub osią)

Rys 9.3 d i c

Czopy wymagają dokładnej obróbki, dlatego ich średnice należy dobierać wg wymiarów znormalizowanych (PN-78/M-02041). Otwory części które mają mieć kontakt z czopem powinny być pasowane zgodnie z PN-EN 20286-2:1996 i PN-ISO 1829:1996.

4. Materiały stosowane na wały i osie.

4.1. Materiały dobieramy zwracając szczególną uwagę na:

1. przeznaczenie elementu (rodzaj wykonywanej pracy)

2. sztywność

3. wytrzymałość

Rodzaj materiału wpływa na wymiary elementu i w pewnym stopniu na współpracujące części. Ma również wpływ na sprawność całego urządzenia.

4.2. Przykładowe materiały z których wykonywane są wały i osie:

1. stal węglowa (zwykłej i wyższej jakości)

2. stal konstrukcyjna stopowa do ulepszenia cieplnego

3. staliwo

4. żeliwo modyfikowane i sferoidalne

5. Obciążenia osi i wałów.

5.1 Wyróżniamy obciążenia:

1. zmienne co wartości i kierunku /naprężenia zmienne;

2. stałe (statyczne)

/ naprężenia stałe w osiach nieruchomych

/ naprężenia zmienne w osiach ruchomych i wałach

3. zmieniające swoje położenie (w płaszczyźnie prostopadłej do osi wału)

(np. siły odśrodkowe / naprężenia stałe)

5.2. Podstawą obliczania wytrzymałości jest wyznaczenie wszystkich sił i momentów działających na element.

Osie nieruchome oblicza się na wytrzymałość statyczną.

Osie ruchome oblicza się na wytrzymałość zmęczeniową

5.3 Projektowanie osi i wałów obejmuje:

a) Obliczenia wstępne (ustalenie kształtu, wstępne wymiary)

b) Obliczenia dokładne (sprawdzające) - uwzględniają

* czynniki decydujące o wytrzymałości zmęczeniowej

* sztywność giętną i skrętną wału

5.4. Ruch obrotowy i obciążenia elementu

Ruch obrotowy wału jest wywołany siłami działającymi na obwodzie elementu napędzającego osadzonego na wale (np. koło zębate) i jest przekazywany np. na inne wały za pośrednictwem tego typu elementów.

Dla ustalenia wpływu działania siły obwodowej F na wał, w jego osi zaczepia się tzw. układ zerowy sił (dwie siły znoszące się):

Rys 9.4.a

Z otrzymanego układu sił wynika że wał jest obciążony momentem skręcającym (równym momentowi obrotowemu) oraz siłą F wywołującą zginanie wału.

Rys 9.4 c

5.5. Wstępne obliczenia wałów

Przy wstępnych obliczeniach wałów uwzględnia się tylko wartość siły obwodowej pozostałych, którą wyznaczamy z wzoru na moment obrotowy:

(pomijamy wpływ pozostałych obciążeń)

Wartość momentu obrotowego M oblicza się z zależności

Gdzie P - moc w [W]

ω - prędkość kątowa w [rad/s]

M - moment obrotowy w [Nm]

W obliczeniach osi i wałów z reguły pomija się ciężar elementu i osadzonych na nim części.

6. Zasady obliczania wytrzymałości osi i wałów

6.1 Obliczanie wytrzymałości osi i wałów polega na:

1. wyznaczeniu metodami statyki wszystkich sił czynnych (obciążeń) i biernych (reakcji) działających na oś lub wał;

2. obliczeniu wartości momentów zginających element dla pkt. przyłożenia F zewnętrznych i pkt. podparcia (łożysk)

3. obliczeniu wartości momentów skręcających i zastępczych (dla wałów) dla pkt. przyłożenia F zewnętrznych i pkt podparcia (łożysk)

4. obliczeniu średnic elementu w podstawowych przekrojach i ustaleniu kształtu elementu

5. wykonaniu obliczeń sprawdzających i uzupełniających polegających na obliczeniu sztywności wału itp.

---