6.3. Шлицевые (зубчатые) соединения

Шлицевые соединения – соединения, образуемые выступами (зубьями) на валу, входящими во впадины (шлицы) соответствующей формы в ступице. Данные соединения можно условно рассматривать как многошпоночные соединения, у которых шпонки выполнены за одно целое с валом.

По сравнению со шпоночными соединениями шлицевые соединения имеют следующие преимущества:

· обладают более высокой несущей способностью при тех же габаритах благодаря большей рабочей поверхности и равномерному распределению давления по высоте зубьев;

· имеют большую усталостную прочность;

· обеспечивают лучшее центрирование при передвижении вдоль вала;

· они взаимозаменяемы.

Перечисленные преимущества позволяют использовать шлицевые соединения в условиях крупносерийного и массового производства и при большой частоте вращения валов.

Шлицевые соединения применяют:

· для жесткого соединения ступицы с валом;

· для компенсации небольшой несоосности валов, связанной с погрешностями изготовления и монтажа, а также для соединений, требующих самоустановки;

Рис. 6.6. Шлицевая втулка

· для осевого перемещения с нагрузкой (сверлильные шпиндели, карданные валы) или без нагрузки или без нагрузки (коробки передач).

По форме поперечного сечения различают прямобочные, эвольвентные и треугольные шлицевые соединения.

Прямобочные шлицевые соединения имеют наибольшее распространение в общем машиностроении. Форма сечения шлицевой втулки предусмотрена в одном исполнении (рис. 6.6). Форма сечения шлицевого вала в зависимости от вида центрирования имеет три исполнения (рис. 6.7): исполнения 1 и 2 – при центрировании по внутреннему (d) и наружному (D) диаметрам соответственно, исполнение 3 – при центрировании по боковым сторонам зубьев (по ширине b).

6.7. Шлицевый вал

На рис. 6.8 показаны сопряженные поверхности зуба вала и впадины втулки при трех видах центрирования. Центрирование по диаметру d или D применяют в конструкциях, требующих точное центрирование по кинематическим или динамическим условиям. Наибольшая точность центрирования обеспечивается по диаметру d.

Центрирование по диаметру d или D выбирается по технологическим условиям:

· центрирование по диаметру d применяют при высокой твердости ступицы;

· центрирование по диаметру D применяют при ступице термически необрабатываемой или обрабатываемой до невысокой твердости.

Рис. 6.8. Виды центрирования

Центрирование по ширине b не обеспечивает точной соосности ступицы и вала, но обеспечивает более равномерное распределение сил между зубьями. Поэтому данный вид центрирования применяют при передаче больших вращающих моментов и невысоких требованиях к точности центрирования (в подвижных соединениях карданных валов).

В зависимости от числа зубьев (z = 6 – 20) и их высоты предусмотрены три серии: легкая, средняя и тяжелая (табл. 6.5). Основное применение имеют легкая и средняя серии. Соединения тяжелой серии преимущественно применяют для тяжелых условий по износу.

1) то же при центрировании по D соответственно:

;

.

Рекомендуемые по ГОСТ 1139-80 поля допусков приведены в табл. 6.6 – 6.8.

Таблица 6.6 Рекомендуемые поля допусков при центрировании по внутреннему диаметру d

Посадочная поверхность

Соединение

подвижное

неподвижное

Цилиндрическая поверхность втулки

Н8

Н7

Н7

Н7

Н7

Н7

Н7

Н7

Н7

Н7

Н7

Н7

Н7

То же вала

е8

f7

f7

f7

g6

g7

h7

h7

js6

js6

js6

n6

n6

Боковые поверхности впадины втулки

D9,

F10

D9,

F10

D9

F8

D9,

F10

F8

D9,

F10

Н9

F8,

F10

D9

Н8

F8,

F10

Н8

То же зуба вала

е8,

е9

f9,

е8

h9

f8,f7,h7

f8,

h9

f7, h7

f8,

h9

h7, h10

h7,

k7

k7

js7

h7,

js7

js7

Таблица 6.7 Рекомендуемые поля допусков при центрировании по наружному диаметру D

Посадочная

поверхность

Соединение

подвижное

неподвижное

Цилиндрическая поверхность втулки

Н8

Н7

Н7

Н7

H7

H7

H7

H7

H7

То же вала

е8

f7

f7

f7

g6

g6

h7

js6

n6

Боковые поверхности впадины втулки

F8

D9, F10

F8

D9

D9, F8

F8

D9, F8

D9, F8

D9, F8

То же зуба вала

е8

е8, d9, h9

f7, f8, h8

f7, h8, h9

f7, h9

h8

f7

h8, js7

h8, js7

Таблица 6.8 Рекомендуемые поля допусков при центрировании по боковым сторонам зубьев b

Посадочная поверхность

Соединение

подвижное

неподвижное

Боковые поверхности впа­дины втулки

D9, F8, F10

D9, F8, F10

D9,F8

D9, F10

То же зуба вала

е8, f8, d9, h9

d9, f8, h9, e9

js7

F10 k7

Примеры использования шлицевых соединений приведены на рис.


6.9.

Шлицевые соединения эвольвентного профиля являются перспективными соединениями. Профиль шлицевых соединений очерчивается окружностью вершин, окружностью впадин и эвольвентами так же, как профили зубьев зубчатых колес, но рейкой с углом профиля α до 30°и меньшей высотой зуба, что связано с отсутствием перекатывания шлицев.

Рис. 6.9. Ведомый вал коробки передач

Достоинствами шлицевых соединений эвольвентного профиля является:

· повышенная прочность, связанная с большим числом зубьев и утолщением зубьев к основанию;

· технологичность изготовления (для изготовления шлицевых валов эвольвентного профиля требуется меньший комплект более простых фрез с прямолинейными режущими кромками, вследствие этого эвольвентный профиль является более точным);

· эффективные коэффициенты концентрации напряжений при деформации кручения до 1,5 и более раз ниже по сравнению с прямобочными шлицевыми соединениями.

К недостатку эвольвентного профиля шлицевых соединений относится большая стоимость шлицевой протяжки, а также большая трудоемкость шлифования их шлицев.

Эвольвентные соединения по ГОСТ 6033-80 центрируют по наружному диаметру (D) и боковым поверхностям. Стандарт предусматривает соединения с модулями  мм, наружными диаметрами, принимаемые за номинальные, мм и с числами зубьев .

Между основными параметрами шлицевых соединений с эвольвентным профилем существует зависимость, которая описывается соотношением:

,

где x – смещение исходного контура (данный параметр необходим для установки инструмента при нарезании).

Шлицевые прямобочные и эвольвентные соединения выполняют, как правило, прямозубыми. Косозубые соединения применяют:

· для регулировки зазора или создания натяга в передачах;

· для передвижения косозубых зубчатых колес (при одинаковом осевом шаге зубчатых колес и соединений не возникают осевые сдвигающие силы).

При работе шлицевых соединений при действии радиальных нагрузок и изгибающих моментов происходят скольжение и изнашивание, связанные с зазорами и контактными деформациями. Основным видом изнашивания шлицевых соединений является изнашивание при фреттинг-коррозии – это коррозионно-механическое изнашивание соприкасающихся тел при малых колебательных относительных перемещениях.

В связи с работой в условиях изнашивания целесообразно рабочие поверхности шлицевых соединений упрочнять. В ответственных соединениях применяют поверхностную закалку с нагревом ТВЧ, цементацию или нитроцементацию с закалкой, азотирование.

Расчет износостойкости шлицевых соединений проводится условно по напряжениям смятия. В упрощенной расчетной модели принято равномерное распределение нагрузки по длине зубьев. Расчет соединения проводится в виде проверочного расчета по условию:

,

где T – номинальный крутящий момент (наибольший из длительно действующих), Н·мм;  – коэффициент неравномерности распределения нагрузки по зубьям; z – число зубьев; h – рабочая высота зубьев, мм;  – средний диаметр соединения, мм; l – рабочая длина зубьев, мм.

Рабочая высота зубьев и средний диаметр соединения определяются по формулам:

· для прямобочных зубьев

;          ,

· для эвольвентных зубьев

;          ,

где c – размер фаски (см. табл. 6.5), мм;

Допускаемые напряжения смятия шлицевых соединений приведены в табл. 6.9.

Таблица 6.9 Рекомендуемые поля допусков при центрировании шлицевых соединений по боковым сторонам зубьев (b)

Тип соединения

Условия эксплуатации

, МПа

Неподвижное

а

35…50

40…70

б

60…100

100…140

в

80…120

120…200

Подвижное без нагрузки (например, коробки скоростей)

а

15…20

20…35

б

20…30

30…60

в

35…50

40…70

Подвижное под нагрузкой

а

3…10

б

5…15

в

10…20

Примечание:

а – тяжелые условия эксплуатации (нагрузка знакопеременная с ударами; вибрации большой частоты и амплитуды; плохие условия смазки в подвижных соединениях; невысокая точность соосности ступицы и вала); б – условия эксплуатации средние; в – условия эксплуатации хорошие.

Меньшие значения для легких режимов нагрузки (работа большую часть времени с малыми нагрузками); большие значения – работа при постоянной номинальной нагрузке.

Уточненный расчет прямобочных шлицевых соединений проводится по ГОСТ 21425-75.