Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего образования
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
«Северный (Арктический) федеральный университет
имени М.В. Ломоносова»
Институт судостроения и морской арктической техники
Филиал САФУ в г. Северодвинске
А.И. Бабкин
Проектирование валов и подшипниковых узлов
Учебно-методическое пособие
к курсовому проектированию
Архангельск
САФУ
2022
1
Стр.2
УДК 621.81
ББК 34.445
Б12
Рекомендовано к изданию учебно-методическим советом
Северного (Арктического) федерального университета
имени М.В. Ломоносова
Рецензенты:
Д.В. Кузьмин, вед. инженер-конструктор АО ПО «Севмаш», канд. техн.
наук, доцент;
Д.С. Иванов, начальник конструкторского бюро отдела главного
технолога АО «Центр судоремонта “Звездочка”»
Б12
Бабкин, А.И.
Проектирование валов и подшипниковых узлов: учебно-методическое
пособие к курсовому проектированию / А.И. Бабкин; Сев.
(Арктич.) федер. ун-т им. М.В. Ломоносова. – Архангельск: САФУ,
2022. – 72 с.
ISBN 978-5-261-01583-3
Приведены описание работы валов и подшипниковых узлов, особенности
выбора их конструктивных элементов, критерии работоспособности и
методика расчетов валов и подшипников. В приложении представлена необходимая
для проектирования справочная информация.
Предназначено для студентов, выполняющих курсовое проектирование
УДК 621.81
ББК 34.445
по темам «Проектирование мотор-редуктора», «Проектирование общепромышленного
привода» при изучении учебной дисциплины «Детали
машин и основы конструирования».
ISBN 978-5-261-01583-3
© Бабкин А.И., 2022
© Северный (Арктический)
федеральный университет
им. М.В. Ломоносова, 2022
2
Стр.3
1. Общие сведения
1.1. Порядок проектирования
Назначение валов – поддержка и направление вращающихся деталей
и передача вращающего момента.
Основными критериями работоспособности валов являются прочность
и выносливость (усталостная прочность). Валы испытывают
сложную деформацию: совместное действие кручения, изгиба и растяжения
(сжатия). Но так как напряжения в валах от растяжениясжатия
небольшие, то их обычно не учитывают.
Проектирование редукторных валов производится в три этапа:
1) проектировочный (приближённый) расчёт валов на кручение:
определение расчетного диаметра вала;
2) конструирование вала: определение конструкции вала, подбор
диаметров для каждого участка вала, подбор деталей и узлов, работающих
совместно с валом, определение длин участков вала с согласованием
длины каждого участка с окружающими деталями и общей
компоновкой редуктора;
3) проверочные (уточнённые) расчёты валов на статическую и
усталостную прочность.
Обычно при расчете валов выполняют проверочный расчет подшипников
на долговечность, так как необходимые для расчета подшипников
данные берут из расчета валов на статическую прочность.
Справочные таблицы, необходимые для проектирования, приведены
в приложении.
1.2. Материалы валов
Валы редукторов рекомендуется изготавливать из конструкционных
углеродистых и слаболегированных марок стали (табл. 1.1). Если
проектируется вал-шестерня или вал червяка, то материал вала
выбирают в соответствии с выбором материала при проектировании
зубчатых или червячных передач.
3
Стр.4
Таблица 1.1
Марка
стали
Ст5
45
40Х
12ХН3А ≤ 120
18ХГТ
40ХН
20Х
≤ 200
≤ 120
≤ 200
≤ 120
≤ 60
Диаметр
заготовки,
мм
Любой
≤ 120
≤ 80
Механические характеристики материалов валов
Твердость,
HB
(не менее)
190
240
270
240
270
270
197
260
330
520 280 150 220 130
780 540 290 360 200
900 650 390 410 230
790 640 380 370 210
900 750 450 410 240
920 750 450 420 230
650 400 240 310 170
950 700 490 430 240
1150 950 660 500 280
σ в
σ т
τ т
σ -1
τ 1
Механические характеристики,
МПа
Коэффициент
ψ
τ
0,06
0,09
0,10
0,09
0,10
0,10
0,07
0,10
0,12
Для повышения механических свойств вводят общую термообработку
до твёрдости 230…260 НВ и при необходимости (шлицевой
хвостовик или вал-шестерня) поверхностную закалку до твёрдости
38…42 HRC.
2. Проектировочный расчет валов
На начальной стадии проектирования, пока не известны длины
участков вала, невозможно оценить величину изгибающей нагрузки,
так как неизвестны плечи изгибающих моментов. Поэтому проектировочный
расчёт валов выполняют только по напряжениям кручения,
как при чистом кручении.
Значения допускаемых напряжений выбирают заниженными в
= 10…15 МПа – для быстроходных валов; [τ]кр = 15…30 МПа –
для тихоходных валов.
Расчетный диаметр вала определяют по формуле
πτ 0,2 τ
d TT
в1 33 bdкр
ĖĤ
bdкр
16
где T – вращающий момент, Н·мм.
4
,
пределах [τ]кр = 10…30 МПа. Меньшие значения [τ]кр – для быстроходных
валов, большие значения [τ]кр – для тихоходных валов.
Для редукторных валов рекомендуется принимать: [τ]кр =
Стр.5
Рассчитанное значение dв1 соответствует диаметру самого тонкого
участка вала. Полученное значение dв1 необходимо увеличить на
5…7 % в случае размещения на этом участке вала шпоночного или
прессового соединения. Диаметр вала dв1 округляется в большую
сторону до стандартного значения по ГОСТ 12080-66 или ГОСТ
12081-72 (см. приложение, табл. 4, 5). Полезно согласовать диаметр
быстроходного вала редуктора с диаметром вала электродвигателя
для облегчения подбора муфты.
3. Конструирование валов
В качестве редукторных валов используются ступенчатые валы,
количество и размеры ступеней вала зависят от количества и размеров
установленных на вал деталей. Проектирование вала следует
начинать с выходного конца вала, так как его конструкция и размеры
определены ГОСТом. Рекомендуется принимать исполнение 1
(длинный конец вала).
Выбор типа конца вала определяется конструктивными соображениями.
Цилиндрические
концы валов по ГОСТ 12080-66 (см. приложение,
табл. 4) проще в изготовлении, но требуют дополнительной
фиксации ступицы при посадке с зазором. При использовании посадки
с натягом для высокоскоростных валов необходимо применение
прессов для монтажа и демонтажа.
Конические концы валов по ГОСТ 12081-72 (см. приложение,
табл. 5) сложнее при изготовлении, но обеспечивают плотную посадку
ступицы, рекомендуются для высокоскоростных валов. Конический
конец вала обеспечивает легкий монтаж и демонтаж ступицы.
После этого разрабатывается конструкция вала, обеспечивающая
технологичность изготовления и сборки.
На рис. 3.1 приведены типовые конструкции валов одноступенчатых
редукторов: а – быстроходный – цилиндрического; б – вал червяка;
в – тихоходный.
Диаметры последующих участков определяют с учетом высоты
заплечика t на каждом участке вала. Величина t должна быть достаточной
для создания надежного упора, но не чрезмерной, так как это
ведет к неоправданному увеличению массы вала.
5
Стр.6
а
б
в
Рис. 3.1. Типовые конструкции валов одноступенчатых редукторов
6
Стр.7
Рекомендованные значения высоты t заплечика (буртика), фаски f
ступицы колеса и радиусы закругления rmax определяются по табл.
3.1 в зависимости от диаметра ступени вала dв. Допускается отступать
от предложенных рекомендаций по конструктивным или технологическим
соображениям, например, принять одинаковые размеры
фаски и радиусы закруглений для всего ступенчатого вала, а не разные
для разных участков.
Таблица 3.1
Параметр
t
rmax
f
Рекомендованные значения t, rmax, f
Диаметр ступени вала dв
17…24 25…30 32…40 42…50 52…60 62…70 71…85
3
1,5
1
3,5
2,0
1
3,5
2,5
1,2
4,0
3,0
1,6
4,5
3,0
2
4,6
3,5
2
5,6
3,5
2,5
Диаметры участков вала необходимо округлить до ближайшего
стандартного значения из ряда Ra 40 по ГОСТ 6636-69 (см. приложение,
табл. 1). Кроме этого, диаметры участков вала под подшипники
нужно согласовать с посадочными размерами подшипников.
Длины участков вала (размеры lв1–lв5 на рис. 3.1) определяются по
эскизной прорисовке (см. п. 3.2), в зависимости от размеров и расположения
размещенных на валу деталей. Очень важно при исполнении
прорисовки выполнять изображение деталей в строгом соответствии
с масштабом.
3.1. Предварительный выбор подшипников качения
В редукторах опорами валов являются подшипники. В курсовых
проектах рекомендуется использовать подшипники качения, серийно
выпускаемые отечественной промышленностью.
Выбор наиболее рационального типа подшипника для данных
условий работы редуктора зависит от факторов: передаваемой мощности
редуктора, типа передачи, соотношения сил в зацеплении, частоты
вращения внутреннего кольца подшипника, требуемого срока
службы, приемлемой стоимости, схемы установки.
Предварительный выбор подшипников для каждого из валов редуктора
проводят в следующем порядке:
7
Стр.8
Оглавление
1. Общие сведения ......................................................................................... 3
1.1. Порядок проектирования ................................................................... 3
1.2. Материалы валов ................................................................................ 3
2. Проектировочный расчет валов ............................................................... 4
3. Конструирование валов ............................................................................ 5
3.1. Предварительный выбор подшипников качения ............................. 7
3.2. Эскизная компоновка редуктора ....................................................... 9
4. Проверочные расчеты ............................................................................... 12
4.1. Проверочный расчет на статическую прочность ............................. 12
4.2. Проверочный расчет на усталостную прочность ............................ 17
4.3. Проверка долговечности подшипников качения ............................. 22
5. Конструирование подшипниковых узлов ............................................... 27
5.1. Схемы установки подшипников ........................................................ 27
5.2. Конструкция подшипниковых узлов ................................................ 31
5.3. Регулировка теплового зазора в подшипниковых узлах ................. 35
5.4. Уплотнительные устройства подшипниковых узлов ...................... 37
6. Пример выполнения расчета вала и подшипников ................................ 42
6.1. Проектировочный расчет вала .......................................................... 42
6.2. Конструирование вала ........................................................................ 42
6.3. Проверочный расчет вала на статическую прочность .................... 45
6.4. Проверочный расчет вала на усталостную прочность .................... 51
6.5. Проверочный расчет подшипников на долговечность .................... 53
Контрольные вопросы .................................................................................... 55
Приложение ..................................................................................................... 56
72
Стр.73