Билет 82. Шлицевые соединения, виды и расчёт.

Шлицевые соединения валов со ступицами (зубча­тых колес, шкивов и т. п.) применяют для передачи вращаю­щего момента. На валу изготовляют выступы (зубья), входя­щие во впадины (шлицы) ступицы.

Достоинства шлицевых соединений по сравнению со шпоночными. 1. Лучшее центрирование соединяемых деталей и более точное направление при их относительном осевом перемещении. 2. Меньшее число деталей соединения: шлицевое соединение образуют две детали, шпоночное три, четыре. З. При одинаковых габаритах возможна передача больших вращающих моментов за счет большей поверхности контакта. 4. Большая надежность при динамических и реверсивных нагрузках. 5. Большая усталостная прочность вследствие меньшей концентрации напряжений изгиба, особенно для эвольвентных шлицев. б. Меньшая длина ступицы и меньшие радиальные размеры.
Недостатки более сложная технология изготовления, а следовательно, и более высокая стоимость.

Различают шлицевые соединения неподвижные и подвиж­ные с возможностью перемещения деталей вдоль оси под на­грузкой или без нагрузки. (Например, шлицевые соединения сверлильных шпинделей станков, карданных валов автомо­билей и др.) Шлицевые (зубчатые) соединения стандартизова­ны. При данном диаметре соединения стандартами установле­но число и размеры шлицев (зубьев), а также допуски на их раз­меры.

В машиностроении применяют прямобочные, эвольвентные и треугольные шлицы.

В настоящее время наиболее распространены давно приме­няемые прямобочные шлицевые соединения (около 80%) по ГОСТу 1139-80. В поперечном сечении профиль прямобочных шлицев очерчивается окружностью выступов зубь­ев D, окружностью впадин d, и прямыми, определяющими по­стоянную толщину зубьев b. Стандартом предусмотрены три серии соединений: легкая, средняя и тяжелая. С переходом от легкой к средней и тяжелой сериям при одном и том же внут­реннем диаметре d, увеличивают наружный диаметр D и число зубьев z, что повышает несущую способность соединений. Соединения с прямобочными шлицами выполняют с центри­рованием по наружному диаметру D, по внутрен­нему диаметру d, и по боковым граням b.

При выборе способа центрирования руководствуются вели­чиной и характером нагрузки на соединение, требованиями по точности центрирования деталей соединения. Несущую способность шлицевых соединений и износостойкость шлицев можно значительно увеличить повышением твердости рабочей поверхности (боковых граней) шлицев путем закалки их до высокой твердости. Однако после закалки происходит искаже­ние сопрягаемых поверхностей, которое можно устранить лишь последующим шлифованием, которое не всегда можно выполнить. Наружное шлифование шлицевых валов по диа­метру D выполняется легко; сложнее шлифовать отверстия в ступицах по диаметру d и боковые грани зубьев шлицевых ва­лов; невозможно шлифовать боковые грани шлицев и впадины между шлицами по диаметру D у ступиц.

Наиболее надежным (но и более сложным в изготовлении) является соединение, в котором вал и ступица закалены до вы­сокой твердости после нарезки зубьев. В этом случае для полу­чения необходимой точности сопряжения ступицу и вал цент­рируют по диаметру d. Менее надежным, но и более простым в изготовлении является соединение, в котором отверстие сту­пицы не закалено и поэтому может быть окончательно получе­но протягиванием, а вал с предварительно нарезанными зубья­ми закаливается и шлифуется по наружному диаметру D. В этом случае центрирование осуществляют по D. И, наконец, самое простое в изготовлении, но и менее надежное центриро­вание по боковым поверхностям зубьев применяют в тихоход­ных механизмах при больших вращающих моментах. Вал и ступица в этом случае не закалены и зубья на них окончатель­но нарезают (протягивают) без шлифования.

Более перспективны соединения с эвольвентными зубьями (шлицами). Их выполняют с центрированием по боковым, ра­бочим поверхностям или по наружному диаметру; наиболее распространен первый способ центри­рования из-за простоты его получения. Профиль эвольвентных шлицев очерчивается, как и профиль зубьев эвольвентных зубчатых колес, окружностью вершин, окружностью впа­дин и эвольвентами с углом зацепления 30° (у зубчатых колес 20°) при уменьшенной высоте зуба h = m (у зубчатых колес h = 2,25m). Размеры эвольвентных шлицев определяются по ГОСТу 6033-88.

Достоинства эвольвентных шлицевых соединений по срав­нению с прямобочными: выше прочность на изгиб благодаря утолщению зубьев у основания; меньше концентрация напря­жений, поэтому выше сопротивление усталости; выше проч­ность на смятие благодаря увеличенному числу зубьев; при производстве требуется меньшая номенклатура фрез, так как эвольвентные шлицы одинакового модуля можно нарезать од­ной фрезой или долбяком, в то время как при изготовлении прямобочных шлицев для каждого размера и числа зубьев тре­буется отдельная фреза; при обработке зубьев (шлицев) могут быть использованы совершенные технологические процессы, применяемые для изготовления зубьев зубчатых колес.

Недостатки: более дорогие эвольвентные протяжки для ма­лых диаметров ступиц, шлифование эвольвентных шлицев бо­лее сложно, чем прямобочных.

Шлицевые соединения треугольного профиля применяют редко при стесненных габаритах в радиальном на­правлении. Эти соединения центрируют по боковым сторонам зубьев. Размеры шлицев треугольного профиля установлены отраслевыми стандартами (ОСТ) и нормалями. В основном их применяют в кинематических (приборных) механизмах. При необходимости беззазорного соединения применяют кониче­ские соединения треугольного профиля с конусностью 1: 16 на валу.

Критерии: 1) смятие 2) износ 3) возможен срез зубьев

Основными видами отказов шлицевых соединений являют­ся смятие и износ рабочих поверхностей. Износ является след­ствием работы сил трения при взаимных микроперемещениях контактирующих поверхностей в процессе работы. Особенно большой износ в шлицевых соединениях наблюдается при скудной загрязненной смазке, больших напряжениях смятия. Износостойкость соединения повышают с помощью увеличе­ния твердости контактирующих поверхностей закалкой, уменьшения зазоров между зубьями, а также применяя сма­зочный материал и хорошее уплотнение от загрязнения.

Расчет шлицевых соединений ведется по двум критериям: 1) смятие (если только присутствует вращающий момент) 2) износостойкость (если еще изгибающий момент и радиальные силы).

Упрощенный расчет на смятие:

где k_PH – коэффициент, учитывающий неравномерность распределения нагрузки между зубьями из-за ошибок изготовления, h – рабочая высота зубьев, l – рабочая длина зубьев.

Для прямобочного профиля:

где f – величина фаски.