Как подобрать диаметр вала: расчёт на кручение
Дано: стальной вал передаёт мощность кВт при частоте вращения об/мин; допускаемое касательное напряжение МПа, допускаемый относительный угол закручивания град/м, модуль сдвига МПа, сечение сплошное круглое. Найти: диаметр вала.
Диаметр считают дважды: из условия прочности и из условия жёсткости, а в чертёж идёт больший из двух, округлённый вверх до стандартного размера. Ответ: по прочности хватило бы 49,5 мм, по жёсткости нужно 54,3 мм, принимаем стандартный диаметр 56 мм. Калькулятор сверху открыт ровно на этих числах: обе проверки приведены там к процентам от допускаемого, и сразу видно, что кривая жёсткости упирается в предел раньше кривой прочности.
Решение по шагам
Дано. Сведём условие в таблицу.
| Величина | Обозначение | Значение |
|---|---|---|
| Передаваемая мощность | 15 кВт | |
| Частота вращения | 240 об/мин | |
| Допускаемое касательное напряжение | 25 МПа | |
| Допускаемый относительный угол закручивания | 0,5 град/м | |
| Модуль сдвига стали | МПа | |
| Сечение | сплошное круглое |
Шаг 1. Крутящий момент на валу. В условии дана не нагрузка, а мощность, поэтому первым делом переходим к моменту через угловую скорость :
Здесь мощность подставлена в киловаттах, а числитель уже учитывает перевод в ватты. Инженерная запись даёт то же самое: Н·м. Дальше все размеры считаем в миллиметрах, поэтому переводим момент в Н·мм: Н·мм.
Шаг 2. Диаметр из условия прочности. Условие прочности при кручении , а полярный момент сопротивления круга . Подставляем одно в другое и выражаем диаметр:
Шаг 3. Диаметр из условия жёсткости. Относительный угол закручивания не должен превышать допускаемый, а полярный момент инерции круга . Допускаемое значение переводим в рад/мм: рад/мм. Отсюда
Шаг 4. Выбор большего и округление. Расчётным становится больший диаметр: мм. Округляем вверх до ближайшего размера ряда Ra40 по ГОСТ 6636: ближайшие значения 53 и 56 мм, вниз округлять нельзя, значит принимаем мм.
Шаг 5. Проверка принятого диаметра. Считаем геометрические характеристики сечения диаметром 56 мм:
Максимальное касательное напряжение и относительный угол закручивания:
Оба условия выполнены: прочность загружена на 69 %, жёсткость на 89 %. Для контроля проверим отброшенный размер 53 мм: там град/м, то есть жёсткость нарушена, и меньший стандартный диаметр действительно не проходит.
Ответ: принимаем вал диаметром 56 мм; определяющим оказалось условие жёсткости.
Формула и откуда она берётся
Обе рабочие формулы получаются из одного и того же приёма: берём условие, подставляем в него геометрическую характеристику круга и разрешаем неравенство относительно . Разница только в том, какая характеристика стоит в знаменателе. За напряжение отвечает полярный момент сопротивления , за деформацию, то есть за угол поворота сечений, отвечает полярный момент инерции . Вывод самих формул кручения, распределение напряжений по сечению и связь с расстоянием от оси разобраны в статье кручение круглого вала, здесь мы пользуемся результатом.
Практический вывод следует прямо из степеней. Прочность зависит от диаметра в третьей степени, жёсткость в четвёртой, поэтому при увеличении диаметра угол закручивания падает быстрее напряжения, а при уменьшении растёт быстрее. На тихоходных сильно нагруженных валах и на длинных трансмиссионных валах определяющим почти всегда оказывается условие жёсткости, а на быстроходных валах с малым моментом чаще выигрывает прочность. В нашем примере момент велик из-за низких оборотов, поэтому и победила жёсткость.
Отдельно стоит держать в голове размерности. Момент по формуле мощности получается в ньютон-метрах, а диаметр мы ищем в миллиметрах, поэтому момент обязательно переводится в Н·мм умножением на 1000. Допускаемый угол в справочниках дают в градусах на метр, а формула требует радиан на миллиметр: множитель перехода равен . Обе ошибки дают промах ровно в тысячу раз и видны по абсурдному диаметру.
Почему округляем вверх и до стандартного ряда
Полученные 54,3 мм не число из справочника, а нижняя граница: любой диаметр меньше него нарушает одно из условий. Поэтому округление всегда идёт вверх, и не до красивого числа, а до значения нормального ряда линейных размеров ГОСТ 6636. Ряд Ra40 в интересующем нас диапазоне выглядит так: 45, 48, 50, 53, 56, 60, 63, 67, 71, 75, 80 мм. Именно на эти размеры существует инструмент, калибры и посадки, поэтому вал диаметром 54,5 мм технолог просто не сделает по разумной цене.
Есть и второй фильтр, о котором забывают в учебной задаче. Если участок вала садится в подшипник качения, диаметр обязан совпадать с диаметром отверстия подшипника, а тот кратен пяти: 50, 55, 60 мм. Тогда из ряда берут не 56, а ближайшее подходящее посадочное значение 60 мм. Если на участке есть шпоночный паз, расчётный диаметр дополнительно увеличивают примерно на 5-10 %, потому что паз срезает часть рабочего сечения, а концентрация напряжений у его дна выше средней.
Вариации условия
Полый вал. Кольцевое сечение с отношением внутреннего диаметра к наружному вводит в обе характеристики множитель :
Для наших исходных данных при получаем мм и мм, то есть принимаем мм при внутреннем диаметре 36 мм. Наружный размер вырос, зато площадь сечения упала с 2463 до 1810 мм², то есть металла ушло на 27 % меньше при выполнении обоих условий. Причина в том, что центральная зона вала почти не работает: напряжение там близко к нулю.
Задан не мощность, а момент. Тогда шаг 1 просто пропускается. Если момент приходит через редуктор, его сначала пересчитывают на нужный вал: момент растёт во столько же раз, во сколько падает частота вращения, а как найти это отношение, разобрано в задаче про передаточное число редуктора.
Вал не только крутится, но и изгибается. Реальный вал редуктора нагружен ещё и силами в зацеплении, поэтому по нему строят эпюру изгибающих моментов, находят опасное сечение и считают диаметр по эквивалентному моменту через осевой момент сопротивления сечения, а не по одному кручению. Чистое кручение, как в нашей задаче, это первое приближение и типовая учебная постановка.
Частые ошибки
- Момент оставлен в Н·м. Если диаметр ищут в миллиметрах, момент должен быть в Н·мм. Пропущенное умножение на 1000 уменьшает подкоренное выражение в тысячу раз и даёт диаметр около 5 мм вместо 50.
- Допускаемый угол не переведён в радианы на миллиметр. Подстановка 0,5 прямо в формулу вместо рад/мм занижает требуемый диаметр в несколько раз, и жёсткость проваливается.
- Перепутаны и . Момент сопротивления с третьей степенью идёт в условие прочности, момент инерции с четвёртой в условие жёсткости. Подстановка одного вместо другого сразу ломает размерность.
- Взят меньший из двух диаметров. Условия проверяются оба, и удовлетворять надо обоим, поэтому в ответ идёт максимум, а не первый посчитанный или более удобный результат.
- Округление вниз до соседнего размера ряда. Разница между 53 и 56 мм кажется мелочью, но в нашем примере именно она превращает выполненное условие жёсткости в нарушенное.
- Забыт пересчёт частоты. В формулу подставляют обороты того вала, для которого ищут диаметр, а не обороты двигателя: на тихоходном валу момент в разы больше.
FAQ
Какое условие проверять первым, прочность или жёсткость? Порядок не важен, важно посчитать оба и взять больший диаметр. На практике удобнее начинать с прочности: формула короче, а полученное число сразу показывает масштаб задачи. Если после этого жёсткость даёт заметно больший диаметр, значит вал тихоходный или длинный, и решает именно деформация.
Откуда брать допускаемые значения, если их нет в условии? Для валов общего назначения из конструкционной стали в учебных расчётах принимают МПа, а допускаемый относительный угол закручивания град/м в зависимости от назначения вала. Заниженные значения по сравнению с пределом текучести при сдвиге взяты не случайно: так неявно учитывают изгиб, концентрацию напряжений у шпоночного паза и переменный характер нагрузки.
Нужно ли считать угол закручивания всего вала? В подборе диаметра работает относительный угол, то есть угол на метр длины, потому что допускаемое значение задано именно так. Полный угол считают отдельно по формуле , когда нужно оценить точность привода. Для принятого вала диаметром 56 мм на длине 1,2 м это .
Почему при одинаковом моменте вал из чугуна получается толще? Из-за модуля сдвига: у чугуна примерно вдвое ниже, чем у стали, поэтому при том же сечении он закручивается вдвое сильнее. Диаметр в условии жёсткости зависит от в степени , так что двукратное падение модуля увеличивает требуемый диаметр примерно на 19 %. Переключение материала в калькуляторе сверху показывает это сразу.
Коротко
- Переведи мощность в крутящий момент: , для 15 кВт при 240 об/мин это 596,8 Н·м, или 596 800 Н·мм.
- Посчитай диаметр из условия прочности : получается 49,5 мм.
- Посчитай диаметр из условия жёсткости , переведя в рад/мм: получается 54,3 мм.
- Возьми больший из двух и округли вверх по ГОСТ 6636: 54,3 мм превращаются в стандартные 56 мм.
- Проверь принятый диаметр по обоим условиям: МПа против 25 МПа и град/м против 0,5 град/м. Ответ: вал диаметром 56 мм.
Похожие задачи
Как найти допускаемую нагрузку: расчёт по прочности
Как найти допускаемую нагрузку из условия прочности: допускаемое напряжение через коэффициент запаса, площадь и момент сопротивления, расчёт для растяжения и изгиба, калькулятор.
СопроматКак найти жёсткость сечения: EA, EI и GIp
Как найти жёсткость сечения при растяжении, изгибе и кручении: формулы EA, EI и GIp, перевод единиц, расчёт для двутавра №20 и круга той же площади, влияние на перемещения.
СопроматКак рассчитать напряжения при изгибе: пошаговое решение
Как рассчитать напряжения при изгибе: изгибающий момент, осевой момент инерции и момент сопротивления сечения, напряжение в крайнем волокне и на заданном уровне, проверка прочности с числами.
СопроматКак подобрать сечение балки: расчёт двутавра на изгиб
Как подобрать сечение балки при изгибе: наибольший изгибающий момент, требуемый момент сопротивления, выбор номера двутавра по сортаменту ГОСТ 8239-89 и три проверки принятого профиля.
СопроматКак найти главные напряжения: формулы и пример расчёта
Как найти главные напряжения при плоском напряжённом состоянии: формула через σx, σy и τxy, угол наклона главных площадок, наибольшие касательные и проверка по кругу Мора.
СопроматКак найти катет сварного шва: расчёт и подбор
Как найти катет углового сварного шва: вывод катета из условия прочности на срез, округление, минимальный и максимальный катет по толщине деталей, пример при силе 220 кН.