Построение эпюр изгибающего момента вала

Основной расчёт валов с построением эпюр изгибающих и крутящих моментов

1. Составляется расчетная схема, где вал рассматривается как балка, лежащая на шарнирных опорах, расстояния между опорами и силами берутся из компоновки редуктора.

2. Определяется величина и направление сил и моментов, действующих на вал (из соответствующих расчетов зубчатых, червячных, ременных или цепных передач).

3. Усилия, изгибающие вал, раскладываются на горизонтальные и вертикальные составляющие, с вычерчиванием расчетных схем для каждой плоскости (рис. 2).

4. Определяются реакции в опорах методами сопротивления материалов и строятся эпюры изгибающих моментов в каждой из двух взаимно перпендикулярных плоскостей.

5. Изгибающие моменты, полученные для каждой из этих плоскостей, складываются геометрически по формуле:

где М_u – результирующий изгибающий момент, Н×м;

М_u в , М_u г – изгибающие моменты в горизонтальной и вертикальной плоскостях, Н×м.

6. Строится эпюра результирующих моментов М_u.

Рис. 4. Схема нагрузок ведущего вала косозубого цилиндрического редуктора

7. Строится эпюра крутящих моментов Т.

8. По характеру эпюр определяются места опасных сечений (наибольшие значения моментов). Для этих мест вычисляют приведенные (эквивалентные) моменты (по теории наибольших касательных напряжений):

Для опасного сечения вала определяется диаметр

где [s] – допускаемое напряжение при основном расчете валов для сталей 35, 40, 45 равно 50…60 Н/мм 2 .

Полученное значение диаметра вала округляется по ГОСТу 6636-69 в меньшую сторону (смотрим предварительный расчёт валов).

Проверочный расчёт валов

Проверочный (уточненный) расчет вала производят в опасных сечениях, где действует максимальный изгибающий момент или имеются концентраторы напряжений (шпоночные канавки, галтели отверстия и т.д.). Расчет обычно производят в форме проверки коэффициента запаса прочности. С точки зрения обеспечения прочности вала, достаточно иметь коэффициент запаса прочности S порядка 1,7. Общий коэффициент запаса прочности определяют из выражения:

где S_s – коэффициент запаса прочности по нормальным напряжениям;

S_τ – коэффициент запаса прочности по касательным напряжениям (определяется по формуле).

где s_-1 – предел выносливости материала вала при симметричном цикле изгиба (определяется по формуле для углеродистой стали, МПа);

– предел прочности s_b (определяется по таблице 34).

К_s – эффективный коэффициент концентрации нормальных напряжений для шпоночной канавки, – для галтелей и вытачек;

– масштабный фактор (принимается из таблицы 35);

b – коэффициент упрочнения, вводный для валов с поверхностным упрочнением: полированная поверхность b=1, шлифованная поверхность b=0,95…0,97, поверхность чисто обработанная резцом b=0,88…0,92;

– амплитуда цикла нормальных напряжений.

s_m – среднее значение цикла нормальных напряжений;

Если вал не испытывает осевой нагрузки (если ее действием пренебрегают), можно считать, что цикл изменения нормальных напряжений симметричный и s_m=0.

y_s – коэффициент, характеризующий чувствительность материала к асимметрии напряжений для среднеуглеродистых сталей, y_s=0,05.

Можно считать, что нормальное напряжение изгиба в рассчитываемом сечении.

Таблица 34 — Механические свойства стали, применяемой для

Изготовления валов

Марка стали	Диаметр заготовки, мм	Термообработка
до 100	Нормализация
100-300
300-500
до 100	Нормализация
100-300
300-500
до 100	Нормализация
100-300
300-500
до 90	Улучшение
90-120
130-150

Таблица 35 – Значения коэффициента ξ

Вид деформации и материала	Диаметр вала
При изгибе для углеродистой стали	0,95	0,92	0,88	0,85	0,81	0,76	0,70	0,61
При изгибе для высокопрочной легированной стали и при кручении для всех сталей	0,87	0,83	0,77	0,73	0,70	0,65	0,59	0,52

Читайте также: Для чего нужны в компрессоре клапаны воздуха

где t_-1 – предел выносливости материала вала при симметричном цикле кручения t_-1=0,58×s_-1, МПа;

К_t – эффективный коэффициент концентрации напряжений при кручении для шпоночной канавки К_t=1,4…2,1 при s_b=500…1000 Н/мм 2 .

Поскольку крутящий момент, передаваемый валом, в большинстве случаев колеблется по величине, исходя из наиболее благоприятного случая знакопостоянного цикла, принимаем, что напряжение кручения изменяется по пульсирующему циклу, тогда

где W_R – момент сопротивления при кручении нетто, мм 3 .

Для вала со шпоночным пазом , мм 3 (168)

y_t=0 – для среднеуглеродистых сталей.

Для вала-червяка , мм 3 (169)

где d_f₁ – диаметр впадин червяка, мм.

После определения общего коэффициента запаса прочности его сравнивают с допускаемым значением, [S]=1,7…2,5.

Расчет вала на жёсткость

Производится методами курса сопротивления материалов, если это требуется. Определяются прогиб вала, угол закручивания и сравниваются с допускаемыми значениями. Допустимые значения прогибов: максимальный [f]≤10 -4 ·l, под шестернёй и колесом цилиндрической передачи [f]≤0,03m, под шестернёй и колесом конической передачи [f]≤0,05m,

где l – расстояние между опорами;

Допустимые значения углов поворота: под шестернёй или колесом [Ө]≤0,057 0 , в радиальном шарикоподшипнике [Ө]≤0,57 0 , в радиально-упорном [Ө]≤0,1 0 .

Техническая механика

Сопротивление материалов

Построение эпюр в сопромате

Прикладное значение науки сопротивление материалов заключается в возможности определения основных критериев работоспособности деталей машин и различных конструкций – прочности, деформации и устойчивости.
Применяя метод сечений в сочетании с приемами статики и других разделов прикладной механики, можно определить напряжения, возникающие в том или ином сечении бруса (детали, элемента конструкции), и, исходя из анализа полученного результата, сделать выводы о работоспособности этого бруса при приложении к нему расчетных нагрузок.
Именно напряжение является основным фактором, влияющим на прочностные характеристики элемента конструкции, а также его способность противостоять деформации. По этой причине в сопромате главной задачей, чаще всего, является определение напряжений, возникающих в том или ином сечении детали или элемента конструкции.

Для удобства анализа напряженности отдельных участков и сечений конструкции (бруса) используют графическое изображение нагрузок и напряжений в каждом сечении. Это позволяет визуально анализировать распределение нагрузок и напряжений по всей длине бруса, определять при этом наиболее нагруженные (критические) участки и сечения. Такие графические изображения нагрузок, напряжений, а также деформаций элементов конструкций называют эпюрами.

При анализе степени напряженности и деформирования элемента конструкции (детали, бруса) наиболее часто производят построение следующих типов эпюр:

эпюры внутренних сил (продольных или поперечных), действующих в сечениях бруса;
эпюры вращающих (крутящих) моментов;
эпюры изгибающих моментов;
эпюры напряжений (нормальных или касательных);
эпюры перемещений (удлинений, укорочений, прогибов и т. п.).

Иногда на одной эпюре показываются несколько внутренних силовых факторов (эпюра продольных и поперечных сил, эпюра изгибающего и вращающего моментов), но такие эпюры при сложных нагрузках и переменных сечениях бруса сложны для чтения.

Как упоминалось выше, наиболее важную информацию о прочностных характеристиках элемента конструкции (бруса), т. е. способности противостоять разрушению, можно получить, используя эпюры напряжений, а информацию о степени деформации под действием расчетной нагрузки – по эпюрам перемещений.
Эпюры внутренних усилий и моментов в большинстве случаев не дают полной информации о степени напряженности и деформирования отдельных сечений и участков бруса, а являются промежуточным звеном при построении эпюр напряжений и перемещений, особенно если брус имеет ступенчатую форму или переменное поперечное сечение по длине.

Читайте также: Датчика скорости вращения коленчатого вала

Правила построения эпюр

При построении эпюр придерживаются определенных стандартных правил, позволяющих одинаково читать, истолковывать и анализировать эпюру всем участникам процесса конструирования изделия.

Построение эпюры начинают с изображения нулевой линии, которая символизирует линию бруса в ненапряженном состоянии. При этом, если брус имеет сложную пространственную форму, нулевая линия эпюры повторяет контуры центральной (осевой) линии бруса, и имеет такую же пространственную форму.

Нулевую линию эпюры обозначают названием и нулевым символом. Слева от нулевой линии указывается название эпюры (эпюра сил, моментов, напряжений и т. п.), справа от нулевой линии ставится цифра « 0 ». При указании называния эпюры обычно используют символ изображаемой нагрузки, например, внутренние продольные силы чаще всего обозначаются буквой « N », поперечные – буквой « Q », эпюры изгибающих моментов – буквами « M_из », эпюры вращающих моментов – буквами « Т » или « M_кр », эпюры напряжений – буквами « σ » или « τ » и т. п. Рядом с буквенным названием эпюры (или под ним) указывается единица измерения (ньютон, мегапаскаль, мм и т. п.).

Следующий этап построения эпюры – определение границ силовых участков бруса, т. е. таких участков, где внутренний силовой фактор в сечениях или деформация бруса изменяются по одной закономерности (или остаются постоянными). Как правило, границами силовых участков являются сечения, где приложена внешняя нагрузка или (и) площадь поперечного сечения бруса изменяется. В некоторых случаях, при построении эпюр брусьев сложной объемной формы, границы участков определяют аналитически. Границы силовых участков обозначаются тонкими вертикальными линиями, проведенными от изображения бруса через все эпюры.

Для оптимальной наглядности графика эпюры важно правильно выбрать масштаб изображаемого силового фактора, напряжения или деформации. Если масштаб окажется слишком мелким – эпюра будет трудна для чтения и анализа, если слишком крупным – она займет много места на чертеже.
Если учесть, что для одного бруса выполняют, как правило, несколько эпюр, расположенных одна под другой, то крупный масштаб не позволит выполнить построение эпюр на одном листе.
Для правильного выбора масштаба эпюры предварительно следует просчитать значение отображаемого фактора по всем контрольным сечениям бруса, и после этого определиться с масштабом.
Если, например, в результате расчетов окажется, что вся эпюра займет положительную область (над нулевой линией), то при построении графика эпюры это следует учесть.

Положительные значения фактора откладываются вверх от нулевой линии, отрицательные – вниз. Если на каком-либо участке силовой фактор равен нулю, эпюра совпадает с нулевой линией по всей длине этого участка. После построение внешнего контура эпюры на контрольных сечениях проставляются значения фактора (обычно на внешних углах эпюры), при этом знак фактора (плюс или минус) не указываются.
На положительной области (в самой широкой части) ставится знак «+» в кружке, а на отрицательной области – знак «—» в кружке (см. примеры построения эпюр). Иногда знаки «+» и «—» на эпюре указываются сверху и снизу цифры « 0 » (справа нулевой линии), тогда на площади графика эпюры эти знаки (в кружках) не ставятся.

Читайте также: Замена датчика частоты вращения выходного вала акпп

По окончании построения эпюры по ее площади проводят тонкие вертикальные линии через равные промежутки. Эти линии символизируют сечения бруса. Иногда, в случае построения сложной пространственной эпюры, линии выполняют не вертикально, а в соответствии с проекционным направлением участка на графике эпюры.

Определение знака фактора на эпюре

При построении эпюр внутренних силовых факторов или деформаций необходимо правильно определять знак фактора на данном силовом участке бруса. Для этого следует пользоваться следующими общепринятыми правилами:

сжимающая продольная нагрузка считается отрицательной, растягивающая – положительной;
поперечная сила Q , направленная вниз считается отрицательной, вверх – положительной;
вращающий (крутящий) момент считается положительным, если он вращает «отсеченную» часть бруса против часовой стрелки, отрицательным – по часовой;
эпюра изгибающих моментов строится в соответствии с «правилом дождя». Это правило используется следующим образом: если в результате деформации от изгибающего момента исследуемое сечение прогнулось вниз, значит, эпюра имеет положительное значение (образовалась «воронка», в которой может задерживаться «дождевая вода»); если же балка прогнулась вверх, то эпюра имеет отрицательное значение («вода» будет скатываться с балки). Более подробно о знаках эпюр поперечных сил и изгибающих моментов здесь.

Особенности построения эпюр поперечных сил и изгибающих моментов

Для облегчения построения эпюр и контроля правильности графика следует запомнить ряд правил, вытекающих из теоремы Журавского:

На участке, где равномерно распределенная нагрузка q отсутствует, эпюра поперечных сил Q представляет собой прямую линию, параллельную нулевой линии (оси бруса), а эпюра изгибающих моментов M_из – наклонную прямую.

В сечении, где приложена сосредоточенная сила, на эпюре Q должен быть ступенчатый скачок на величину этой силы, а на эпюре M_из – излом (изменение направления графика).

На участке действия равномерно распределенной нагрузки q эпюра Q представляет собой наклонную прямую, а эпюра M_из – параболу, обращенную выпуклостью навстречу стрелкам, изображающим направление распределенной нагрузки.

Если эпюра Q на наклонном участке в каком-либо сечении пересекает нулевую линию эпюры, то в этом сечении на эпюре изгибающих моментов M_из будет иметь экстремальное значение (минимальное или максимальное).

Если на границе действия распределенной нагрузки нет сосредоточенных сил, то наклонный участок эпюры Q соединяется с горизонтальным без «ступеньки», а параболический участок эпюры M_из соединяется с наклонным участком плавно, без излома.

В сечениях, где к брусу приложены сосредоченные пары сил, на эпюре M_из будут иметь место ступенчатые скачки на величину действующих внешних моментов, а эпюра Q изменения не претерпевает (приложенные к брусу изгибающие моменты не влияют на эпюру поперечных сил).

Примеры построения эпюр

Материалы раздела «Сопротивление материалов»:

источники:

https://evakuatorinfo.ru/postroenie-epyur-izgibayuschego-momenta-vala