Валы и оси. Классификация. Расчет на прочность. Материалы
Для поддержания вращающихся деталей и для передачи вращающего момента от одной детали к другой (в осевом направлении) в конструкциях используют прямые валы в форме тел вращения, устанавливаемые в подшипниковых опорах.
В зависимости от воспринимаемых сил различают простые валы, торсионные валы и оси.
Расчет на прочность. Этот расчет является основным для валов приводов, поэтому его выполняют в три этапа.
На первом этапе (предварительный расчет) при отсутствии данных об изгибающих моментах диаметр вала (в миллиметрах) приближенно может быть найден по известному вращающему моменту Т из условия прочности по заниженным значениям допускаемых напряжений при кручении:
(25.1)
где Т – вращающий момент, Н∙м; 
– допускаемое напряжение на кручение (12-20 МПа для стальных валов); Р – передаваемая мощность, кВт; n– частота вращения вала, мин-1.
На втором этапе разрабатывают конструкцию вала, обеспечивая условия технологичности изготовления и сборки.
На третьем этапе производят проверочный расчет – оценку статической прочности и сопротивления усталости. Здесь же выполняют расчеты на жесткость, устойчивость и колебания.
На статическую прочность валы рассчитывают по наибольшей возможной кратковременной нагрузке (с учетом динамических и ударных воздействий), повторяемость которой мала и не может вызвать усталостного разрушения (например, по нагрузке в момент пуска установки). Валы могут быть нагружены постоянными напряжениями, например, от неуравновешенности вращающихся деталей.
Так как валы работают в основном в условиях изгиба и кручения, а напряжения от осевых сил малы, то эквивалентное напряжение в точке наружного волокна по энергетической теории прочности определяют по формуле
(25.2)
где 
и 
– соответственно наибольшее напряжение в расчетном сечении вала от изгиба моментом Muи кручения моментом Mk.
Напряжения
(25.3)
где Wx и Wp – соответственно осевой и полярный момента сопротивления сечения вала (табл. 25.1),
Таблица 25.1
Моменты сопротивления сечений валов
| Форма сечения | Эскиз | Момент сопротивления |
| Круглое | 
| 
|
| Кольцевое | 
| 
|
| Co шпоночной канавкой | 
| 
|
| Co шлицами | 
| 
|
Так как 
, то можно записать
(25.4)
где d – диаметр вала.
Обычно крутящий момент MZ (внутренний силовой фактор) в расчетном сечении вала равен вращающему моменту T (внешней нагрузке на вал).
Запас прочности по пределу текучести
(25.5)
Обычно принимают 
=1.2-1.8.
Сечение (сечения), в котором следует определить запас nT, находят после построения эпюр изгибающих и крутящих моментов. Если нагрузки действуют на вал в разных плоскостях, то сначала силы проектируют на координатные оси и строят эпюры моментов в координатных плоскостях. Далее производят геометрическое суммирование изгибающих моментов.
Если угол между плоскостями действия сил не более 30º, то для простоты считают, что все силы действуют в одной плоскости.
Технические условия на изготовление валов зависят от требований к конструкции. Обработку валов производят обычно в центрах.
Наиболее жесткие требования по точности и шероховатости поверхности предъявляются к шейкам валов, на которые устанавливают подшипники качения. Шероховатость Ra шеек назначают равной 0.32-1.25 мкм. Овальность и конусность мест посадки определяются допуском на диаметр шейки.
Для изготовления валов используют углеродистые стали марок 20, 30, 40, 45 и 50, легированные стали марок 20Х, 40Х, 40ХН, I8X2H4A, 40XH2MA и др., титановые сплавы BT3-1, ВТ6 и ВТ9.
Выбор материала, термической и химико-термической обработки определяется конструкцией вала и опор, условиями эксплуатации. Так, например, быстроходные валы, вращающиеся в подшипниках скольжения, требуют высокой твердости цапф (посадочных хвостовиков валов), поэтому такие валы изготовляют из цементуемых сталей I2X2H4A, 18ХГТ или азотируемых сталей 38Х2МЮА и др. Валы-шестерни по этой же причине выполняют из цементуемых сталей I2XH3A, I2X2H4A и т.п. Валы под насадные зубчатые колеса серийных редукторов изготовляют из улучшенной стали 45 (255-285 НВ) и 40Х (269-302 НВ). Участки валов, контактирующие с уплотнительными манжетами, должны иметь твердость поверхности не менее 30 HRC.
Длинные полые валы иногда выполняют (намоткой) из композиционных материалов.