Детали машин





Шлицевые соединения



Характеристика шлицевых соединений

Шлицевое соединение образуют выступы (зубья) на валу (рис. 1, 2, 3), входящие в соответствующие впадины (шлицы) в ступице.
Рабочими поверхностями являются боковые стороны выступов.
Выступы на валу выполняют фрезерованием, строганием или накатыванием в холодном состоянии профильными роликами по методу продольной накатки. Впадины в отверстии ступицы изготовляют протягиванием или долблением.

характеристика шлицевых соединений

Условно можно представить шлицевое соединение, как многошпоночное соединение, у которого шпонки выполнены как одно целое с валом.

Основное назначение шлицевых соединений - передача вращающего момента между валом и ступицей. При этом ступица может быть закреплена на колесе, фланце, шкиве, ролике или другом валу (карданный вал).
Шлицевые соединения стандартизованы и широко распространены в машиностроении.

Достоинства шлицевых соединений по сравнению со шпоночными:
  • Способность точно центрировать соединяемые детали или точно выдерживать направление при их относительном осевом перемещении.
  • Меньшее число деталей соединения (шлицевое соединение образуют две детали, шпоночное – три).
  • Большая несущая способность вследствие большей суммарной площади контакта.
  • Взаимозаменяемость (нет необходимости в ручной пригонке).
  • Большая усталостная прочность вследствие меньшей концентрации напряжений изгиба, особенно для эвольвентных шлицев.
  • Меньшая длина ступицы и меньшие радиальные зазоры.
  • Большая надежность при динамических нагрузках.

Недостатки шлицевых соединений - более сложная технология изготовления (зубофрезерование, протягивание, шлифование), а следовательно, более высокая стоимость.

***

Классификация шлицевых соединений

Шлицевые соединения различают:

  • по характеру соединения - неподвижные для закрепления детали на валу; подвижные, допускающие перемещение вдоль вала (например, блока шестерен коробки передач; шпинделя сверлильного станка, карданного вала автомобиля);
  • по форме выступов - прямобочные, эвольвентные, треугольные.
Шлицевые соединения с прямобочным профилем

Соединения с прямобочным профилем (рис. 1,а) применяют в неподвижных и подвижных соединениях. Они имеют постоянную толщину выступов.

Стандарт предусматривает три серии соединений с прямобочным профилем: легкую, среднюю и тяжелую, которые различаются высотой и числом z выступов. Тяжелая серия имеет более высокие выступы с большим их числом; рекомендуется для передачи больших вращающих моментов.

Центрирование (обеспечение совпадения геометрических осей) соединяемых деталей выполняют по наружному D, внутреннему d диаметрам или боковым поверхностям b выступов.
Выбор способа центрирования зависит от требований к точности центрирования, от твердости ступицы и вала. Первые два способа обеспечивают наиболее точное центрирование.
Зазор в контакте поверхностей: центрирующих - практически отсутствует, не центрирующих - значительный.

центрирование шлицевых соединений

Центрирование по наружному диаметру D (рис. 2,а). В этом случае точность обработки сопрягаемых поверхностей обеспечивают: в отверстии - протягиванием, на валу – шлифованием. По диаметру D обеспечивают сопряжение по одной из переходных посадок.
По внутреннему диаметру d между деталями существует зазор.
При передаче вращающего момента на рабочих боковых сторонах действуют напряжения смятия σсм.

В соответствии с технологией обработки центрирующей поверхности в отверстии (протягивание) центрирование по наружному диаметру может быть применено при невысокой твердости ступицы (≤ 350 НВ).

Центрирование по внутреннему диаметру d (рис. 2,б).
Применяют при высокой твердости ступицы (≤ 45 HRC), например, после ее закалки, когда затруднена калибровка ступицы протяжкой или дорном.
Точность обработки сопрягаемых поверхностей обеспечивают: в отверстии - шлифованием на внутришлифовальном станке, на валу - шлифованием впадины профилированными кругами, в соответствии с чем предусматривают канавки для выхода шлифовального круга.

По центрирующему диаметру d обеспечивают сопряжение по переходной посадке. Размер h площадки контакта определяют так же, как и при центрировании по наружному диаметру.

Центрирование по D или d применяют в соединениях, требующих высокой соосности вала и ступицы (при установке на валы зубчатых или червячных колес в коробках передач автомобилей, в станках, редукторах; а также при установке шкивов, звездочек, полумуфт на входных и выходных концах валов).

Центрирование по боковым поверхностям b (рис. 2,в). В сопряжении деталей по боковым поверхностям зазор практически отсутствует, а по диаметрам D и d имеет место явный зазор. Это снижает точность центрирования, но обеспечивает наиболее равномерное распределение нагрузки между выступами.
Поэтому центрирование по боковым поверхностям b применяют для передачи значительных и переменных по значению или направлению вращающих моментов, при жестких требованиях к мертвому ходу и при отсутствии высоких требований к точности центрирования: например, шлицевое соединение карданного вала автомобиля.

Шлицевые соединения с эвольвентным профилем

Соединения с эвольвентным профилем (рис. 1,б) применяют в неподвижных и подвижных соединениях. Боковая поверхность выступа очерчена по эвольвенте (как профиль зубьев зубчатых колес).
Эвольвентный профиль отличается от прямобочного повышенной прочностью в связи с утолщением выступа к основанию и плавным переходом в основании.
Соединения обеспечивают высокую точность центрирования; они стандартизованы - за номинальный диаметр соединения принят наружный диаметр D.

По сравнению с прямобочным, соединение с эвольвентным профилем характеризует большая нагрузочная способность вследствие большей площади контакта, большего количества зубьев и их повышенной прочности. Применяют для передачи больших вращающих моментов. Шлицевые соединения с эвольвентным профилем шлицев считаются наиболее перспективными.

Применяют центрирование по боковым поверхностям S зубьев, реже - по наружному диаметру D.

Шлицевые соединения с треугольным профилем

Соединения с треугольным профилем (рис. 1,в) изготовляют по отраслевым нормалям. Применяют в неподвижных соединениях. Имеют большое число мелких выступов–зубьев (z = 20...70; т = 0,2...1,5мм). Угол β профиля зуба ступицы составляет 30°, 36° или 45°. Применяют центрирование только по боковым поверхностям, точность центрирования невысокая.

Применяют для передачи небольших вращающих моментов тонкостенными ступицами, пустотелыми валами, а также в соединениях торсионных валов, стальных валов со ступицами из легких сплавов, в приводах управления (например, привод стеклоочистителя автомобиля).

Соединения с треугольным профилем применяют также при необходимости малых относительных регулировочных поворотов деталей. Шлицевые валы и ступицы изготовляют из среднеуглеродистых и легированных сталей с временным сопротивлением σв > 500МПа.

***



Материалы и допускаемые напряжения смятия

Шлицевые валы и ступицы изготовляют из среднеуглеродистых и легированных сталей с временным сопротивлением σв > 500 Н/мм2 (МПа).
В Таблице 1 приведены значения [σ]см, принятые с учетом опыта эксплуатации при длительном сроке службы. Большие значения [σ]см принимают при легких режимах работы, когда соединение большую часть времени нагружено моментами, значительно меньшими максимально длительно действующего вращающего момента.

Таблица 1. Допускаемые напряжения смятия при средних условиях эксплуатации

Тип соединения
[σ]см, Н/мм2
≤ 350 HB
> 40 HRC
  Неподвижное
60 ... 100
100 ... 140
  Подвижное
20 ... 30
30 ... 60
  Подвижное под нагрузкой
-
5 ... 15
Примечание: допускаемые напряжения приведены для средних условий эксплуатации: знакопостоянная переменная нагрузка с амплитудой ≤ 10% от постоянной, соединение смазывается.

***

Расчет шлицевых соединений на прочность

Основным критерием работоспособности шлицевых соединений является сопротивление рабочих поверхностей смятию и изнашиванию.

Изнашивание боковых поверхностей зубьев (фреттинг-коррозия) обусловлено микроперемещениями деталей соединения вследствие упругих деформаций при действии радиальной нагрузки и вращающего момента или несовпадения осей вращения (из-за зазоров, погрешностей изготовления и монтажа).

Смятие и изнашивание рабочих поверхностей зубьев связаны с действующими на контактирующих поверхностях напряжениями смятия, поэтому напряжение смятия σсм рассматривают, как обобщенный критерий расчета и на смятие, и на изнашивание.

Такой расчет называется упрощенным (приближенным) расчетом по обобщенному критерию работоспособности.

Параметры шлицевого соединения выбирают по таблицам стандарта в зависимости от диаметра вала, а затем проводят упрощенный расчет, который является основным для большинства шлицевых соединений.
Он основан на равномерном распределении нагрузки по зубьям, по их длине и на ограничении напряжений смятия допускаемыми значениями [σ]см, назначаемыми на основе опыта эксплуатации подобных конструкций.

σсм = 2×103ТКз / dсрzhlр ≤ [σ]см,       (1)

где:
Т – расчетный вращающий момент (наибольший из длительно действующих моментов при переменном режиме нагружения, Нм);
Кз = коэффициент неравномерности распределения нагрузки между зубьями из-за ошибок изготовления по шагу; Кз = 1,1…1,5;
dср – средний диаметр соединения (мм);
z – число зубьев;
h – рабочая высота зубьев (мм);
lср – рабочая длина соединения (мм);
[σ]см – допускаемое напряжение смятия (Н/мм2).

Для соединения прямобочными зубьями:

dср = 0,5(D + d);     h = 0,5(D – d) – 2f,

где:     f – размер фаски шлицев.

Если расчетное напряжение σсм > [σ]см более чем на 5%, то увеличивают длину ступицы, изменяют размеры, термообработку или принимают другой вид соединения и повторяют проверочный расчет.

При проектировочном расчете шлицевых соединений после выбора размеров сечения зубьев по стандарту (Таблица 2) определяют рабочую длину зубьев lр из формулы (1).

Таблица 2. Соединения шлицевые прямобочные (выборка)

Серия
Номинальный размер
z × d × D
b
f
Wи
мм3
Wк
мм3
А
мм2
  Легкая
8 × 36 × 40
7
0,4
5100
10200
1130
8 × 42 × 46
8
0,4
8000
16000
1510
8 × 46 × 50
9
0,4
10450
20900
1810
  Средняя
8 × 36 × 42
7
0,4
5750
11500
1180
8 × 42 × 48
8
0,4
8825
17650
1580
8 × 46 × 54
9
0,5
11500
23000
1950
  Тяжелая
10 × 36 × 45
5
0,4
5700
11400
1240
 
10 × 42 × 52
6
0,4
8200
16400
1680
 
10 × 46 × 56
7
0,5
11300
23800
2010
Примечание: Wи и Wк - моменты сопротивления поперечного сечения соответственно при изгибе и кручении; А - площадь поперечного сечения.

Если получается, что lр > 1,5d, то изменяют размеры, термообработку или принимают другой вид соединения.

Длину ступицы принимают lст = lр + 4…6 мм и более в зависимости от конструкции соединения.

Проектировочный расчет ведут в последовательности, изложенной в решении приведенного ниже примера.

Утонченный расчет шлицевого соединения является сложным и выполняется отдельно на смятие и на изнашивание. Он разработан только для прямобочных шлицевых соединений. В расчете учитываются конструктивные особенности соединения, влияние поперечных сил и изгибающих моментов. Неравномерность распределения нагрузки по зубьям и длине зубьев, приработка рабочих поверхностей, ресурс и другие факторы.

***

Пример расчета шлицевого соединения

Задача
Подобрать шлицевое неподвижное соединение зубчатого колеса с валом.
расчет шлицевого соединения Соединение передает вращающий момент Т = 210 Нм.
Условия эксплуатации средние, режим работы – тяжелый.
Диаметр вала d = 45 мм, материал колеса и вала – сталь марки 45 с термической обработкой – улучшение, твердость H = 290 HB.

Решение
Проектировочный расчет

1. Выбор соединения. Принимаем наиболее распространенное прямобочное соединение с центрированием по наружному диаметру.

2. Размеры соединения. По Таблице 2 находим параметры зубьев легкой серии.
Для диаметра вала d = 45 мм:

z × d × D = 8 × 46 × 50, f = 0,4 мм.

Средний диаметр dср и рабочая высота зуба h:

dср = 0,5(D + d) = 0,5(50 + 46) = 48 мм;
h = 0,5(D – d) – 2f = 0,5(50 – 46) - 2×0,4 = 1,2 мм.

3. Допускаемые напряжения. Для неподвижного соединения при средних условиях эксплуатации, тяжелом режиме работы и твердости материала H < 350 HB по Таблице 1 принимаем [σ]см = 60 Н/мм2.

4. Расчетная длина зубьев. Из формулы (1) при Кз = 1,3, получаем:

lр = 2×103ТКз / dсрzh[σ]см = (2000×210×1,3) / (48×8×1,2×60) = 19,7 мм.

5. Длина ступицы колеса:

lст = lр + 6 мм = 19,7 + 6 = 25,7 мм.

Принимаем для длины ступицы ближайшее большее значение из ряда нормальных линейных размеров:

lст = 26 мм.

***

Рекомендации по конструированию шлицевых соединений

При проектировании и конструировании шлицевых соединений следует учитывать изложенные ниже рекомендации, основанные на опыте эксплуатации и аналитических выводах:

1. Для подвижных соединений рекомендуется рабочую длину ступицы принимать не меньше диаметра вала, т. е. lр ≥ d.
При коротких ступицах при перемещении их вдоль вала возможно защемление от перекоса.

2. В длинных ступицах (lст > 1,5d) необходима расточка отверстия для выхода стружки при протягивании.

3. Для облегчения входа протяжки и сборки соединения в отверстии ступицы выполняют фаски f.

4. В соединениях, воспринимающих радиальные нагрузки (зубчатые и червячные колеса, звездочки, шкивы и т. п.), зубья соединения желательно располагать симметрично относительно венцов колес, звездочек и т. д.

5. Для уменьшения изнашивания следует уменьшать зазоры в соединении, повышать точность изготовления и твердость рабочих поверхностей.

***

Классификация механических передач