Шлицевые соединения

Шлицевым называется разъемное соединение составных частей изделия с применением пазов (шлицев) и выступов. Шлицевые соедине­ния бывают подвижные и неподвижные. Детали шлицевого соединения (вал и втулка) показаны на рис. 3.28. Шлицевое соединение можно пред­ставлять как многошпоночное, у которого шпонки выполнены за одно целое с валом. Шлицевые соединения по сравнению со шпоночными об­ладают значительными преимуществами, а именно: меньшее число деталей в соединении, значительно большая нагрузочная способность за счет большей площади контакта рабочих поверхностей вала и ступицы, меньшая концентрация напряжений в материале вала и ступицы, лучшее центрирование соединяемых деталей и более точное направление при осевом перемещении, высокая надежность при динамических и реверсив­ных нагрузках. Эти преимущества обеспечили широкое распространение шлицевых соединений в автомобильной, тракторной, станкостроительной и других отраслях промышленности.

Недостаток шлицевых соединений — высокая трудоемкость и стоимость их изготовления.

Шлицы на валах чаще всего выполняют фрезерованием дисковой фасонной фрезой (методом деления), или червячной шлицевой фрезой на шлицефрезерном станке (методом обкатки); отделочные операции вы­полняют на шлицешлифовальных станках. Шлицевание отверстий в ступицах деталей обычно выполняют шлицевыми протяжками на протяжных станках.

Основные типы шлицевых соединений показаны на рис. 3.29: прямо-бочное (а), эвольвентное (б), треугольное (в). Первые два типа шлицевых соединений стандартизованы.

Наибольшее распространение имеют соединения шлицевые прямобочные, размеры и допуски которых регламентированы ГОСТом. Эти соединения применяют, например, для посадки подвижных и непод­вижных зубчатых колес на валы в коробках передач металлорежущих станков. Стандарт предусматривает прямобочные шлицевые соединения трех серий: легкой, средней (обе с числом зубьев от 6 до 10) и тяжелой (с числом зубьев от 10 до 20), отличающихся друг от друга высотой зубьев и, следовательно, нагрузочной способностью.

Прямобочные шлицевые соединения выполняют с центрирова­нием (рис. 3.30): по боковым сторонам зубьев (а), по наружному диа­метру (б), по внутреннему диаметру (в). Центрирование по боковым сто­ронам зубьев обеспечивает более равномерное распределение нагрузки между зубьями и поэтому его применяют при ударных и реверсивных нагрузках (например, в карданных валах); центрирование по наружному или внутреннему диаметрам обеспечивает более высокую соосность вала и ступицы. Метод центрирования имеет прямое отношение к техноло­гии изготовления деталей соединения, причем наиболее технологично центрирование по наружному диаметру, применяемому при невысокой твердости внутренней поверхности ступицы (H <350НВ). В этом случае шлицевре отверстие обрабатывают протяжкой, а посадочную поверх­ность вала шлифуют. При высокой твердости посадочной поверхности ступицы и вала рекомендуется центрирование по внутреннему диаметру. В этом случае после термообработки посадочные поверхности ступицы и вала шлифуют соответственно на внутришлифовальном и шлицешлифо-вальном станках.

Более совершенны, но пока менее распространены, шлицевые эвольвентные соединения с углом профиля 30°, размеры, допуски и измеряемые величины которых установлены ГОСТ 6033—80*. Эволь­вентные шлицевые соединения по сравнению с прямобочными более тех­нологичны, так как шлицевые валы можно нарезать червячными фрезами с прямолинейным профилем, а шлицевые ступицы большого размера на­резать долбяками на зубодолбежных станках. Кроме того, эвольвентные шлицевые соединения обладают большей нагрузочной способностью, так как их зубья утолщаются к основанию и имеют значительно (до двух раз) меньшую концентрацию напряжений за счет закруглений у основания зубьев.

Основные стандартные параметры эвольвентного соединения (рис. 3.29, б): номинальный диаметр D, угол профиля а = 30°, модуль т, диа­метр делительной окружности d = mz, где z — число зубьев. Стандарт предусматривает номинальные диаметры от 4 до 500 мм, модули от 0,5 До 10 мм и числа зубьев от 6 до 82.

Соединения с эвольвентными зубьями выполняют с центрированием по боковым поверностям зубьев и реже по наружному диаметру; допускается применять центрирование по внутреннему диаметру. При центри­ровании по боковым поверхностям зубьев и при плоской форме дна впа­дины высота зубьев вала и втулки равна модулю, т. е. h = Н = т, а ра­бочая высота профиля (с учетом зазоров и фасок) приблизительно равна 0,8 m.

Эвольвентные зубья, как и прямобочные, можно применять в под­вижных и неподвижных соединениях.

Соединения шлицевые треугольные не стандартизованы и применяются как неподвижные при тонкостенных ступицах, пустотелых валах, стесненных габаритах деталей и сравнительно небольших вра­щающих моментах. Центрирование соединения выполняется по боковым поверхностям зубьев. Треугольные шлицевые соединения бывают цилин­дрическими и коническими.

Расчет шлицевых соединений. Основными критериями работо­способности шлицевых соединений являются сопротивление рабочих поверхностей зубьев смятию и изнашиванию. Расчет прямобочных шли­цевых соединений регламентирован ГОСТом, согласно которому нагру­зочная способность соединения определяется как меньшее из двух значе­ний, полученных по расчету на смятие и на износ. Соединения типа муфт, нагруженные только вращающим моментом, на износ не рассчитывают.

Расчет на смятие производится по условию

σ_см= 2Т / (d_cрA_cм) < [σ_см]

где Т — вращающий момент; d_cp = (D + d)/2 — средний диаметр шлице-вого соединения; A_cм — площадь смятия; [σ_см] — допускаемое среднее давление из расчета на смятие.

Для прямобочного соединения А_см= h_pl z, где h_p — рабочая вы­сота зубьев; l — длина ступицы, z — число зубьев.

Для удобства расчетов введем понятие удельного суммарного стати­ческого момента S_F — площади рабочих поверхностей соединения отно­сительно оси вала (значения S_F в мм³/мм для всех типоразмеров приведе­ны в таблице ГОСТ 21425—75).

S_F = 0,5d_ср h_p z,

тогда расчетная формула на смятие приобретает вид

σ = T/(S_F l) < [σ_см]

Расчет соединения на износ производится по формуле

σ = T/(S_F l) < [σ_изн],

где [а_изн] — допускаемое давление из расчета на износ.

Допускаемое среднее давление из расчета на смятие

[σ_см] = σ_т / ([s] K_см*К_g)

где [s] ⁼ 1,25... 1,4 — допускаемый коэффициент запаса прочности (верх­нее значение для закаленных рабочих поверхностей); К_см — общий коэф­фициент концентрации нагрузки, определяемый по таблицам стандарта (грубо ориентировочно К_см = 4...5); К_g = 2...2,5 — коэффициент динамич­ности нагрузки при реверсировании без ударов (верхнее значение для незакаленных поверхностей).

Допускаемое среднее давление из расчета на износ определяется по таблицам стандарта.

Расчет шлицевых эвольвентных соединений на смятие ве­дется по формуле

σ_см = 2Т/(dA_см) < [σ_см]

где d = mz— диаметр делительной окружности; m — модуль соединения, z— число зубьев; А_см =h_plz — условная площадь смятия; h_p = 0,8m — ра­бочая высота зубьев; l — длина ступицы.

Допускаемое напряжение смятия устанавливают в зависимости от харак­тера соединения (подвижное, неподвижное), условий эксплуатации, термооб­работки и других факторов. Для подвижных соединений [σ_см] = 3...70 МПа, для неподвижных [σ_см] = 35...200 МПа (нижние значения для удар­ной нагрузки).