Шлицевые соединения подобно резьбовым характеризуются неравномерным распределением нагрузки по длине. В отличие от соединения типа стяжки (см. рис. 16, гл. 3), детали которого работают на растяжение, в соосном зубчатом соединении вал и охватывающая деталь скручиваются. Поэтому закон распределения нагрузки в соединении, когда крутящие моменты
приложены к втулке и валу с разных сторон (рис. 5), будет таким же, как и для соединения типа стяжки. На рис. 6 в качестве примера приведено экспериментальное распределение относительного крутящего момента на валу по длине соединения карданной передачи автомобиля.
Соотношение для имрет структуру, аналогичную формуле для распределения нагрузки между витками резьбы.
Неравномерность распределения нагрузки оказывает существенное влияние на работоспособность соединений и учитывается в расчетах
Шлицевые соединения выходят из строя главным образом из-за повреждения рабочих поверхностей (изнашивание, смятие), а также усталостного разрушения зубьев и тонкостенных валов, которому обычно предшествует контактная коррозиция (фреттинг-кор-розия).
Расчет шлицевых соединений включает: 1) расчет шлицевых валов на кручение при действии статических и переменных крутящих моментов (см. гл. 8); 2) расчет зубьев.
В отечественной и зарубежной практике в основу расчета зубьев положено определение напряжений смятия (средних контактных давлений). Напряжения изгиба и среза в основании зуба пропорциональны напряжениям смятия, и последние можно рассматривать как критерий подобия, обобщающий опыт эксплуатации конструкций.
Расчет ведут по формуле
где – средний диаметр соединений; – число зубьев; соответственно высота и длина поверхности контакта зубьев; – коэффициент, Учитывающий неравномерность распределения давлений в соединении, обычно [а]см. допускаемое наряжение смятия на боковых поверхностях зубьев.
Рис. 5. Схема шлицевого соединения: 1 – втулка, 2 – вал
В табл. 5 даны для соединений подъемно-транспортных устройств. Допускаемые напряжения в станкостроении более низкие: для неподвижных соединений для подвижных без нагрузки и для соединений подвижных под нагрузкой
Средние напряжения смятия (при для некоторых соединений приведены в табл. 6.
Высота и длина поверхности контакта:
а) для прямобочных зубьев (см. рис. 2)
б) для эвольвентных зубьев (см. рис. 3)
здесь при центрировании по
Рис. 6. Распределение относительного крутящего момента по длине соединения
(кликните для просмотра скана)
| Легкая серия | Средняя серия | Тяжелая серия | |||
| Номинальный размер “z” x “d” x “D” | b | Номинальный размер “z” x “d” x “D” | b | Номинальный размер “z” x “d” x “D” | b |
| 6x23x26 | 6 | 6x11x14 | 3 | 10x16x20 | 2,5 |
| 6x26x30 | 6 | 6x13x16 | 3,5 | 10x18x23 | 3 |
| 6x28x32 | 7 | 6x16x20 | 4 | 10x21x26 | 3 |
| 8x32x36 | 6 | 6x18x22 | 5 | 10x23x29 | 4 |
| 8x36x40 | 6 | 6x21x25 | 5 | 10x26x32 | 4 |
| 8x42x46 | 8 | 6x23x28 | 6 | 10x28x35 | 4 |
| 8x46x50 | 9 | 6x26x32 | 6 | 10x32x40 | 5 |
| 8x52x58 | 10 | 6x28x34 | 7 | 10x36x45 | 5 |
| 8x56x62 | 10 | 8x32x38 | 6 | 10x42x52 | 6 |
| 8x62x68 | 12 | 8x36x42 | 7 | 10x46x56 | 7 |
| 10x72x78 | 12 | 8x42x48 | 8 | 16x52x60 | 5 |
| 10x82x88 | 12 | 8x46x54 | 9 | 16x56x65 | 5 |
| 10x92x98 | 14 | 8x52x60 | 10 | 16x62x72 | 6 |
| 10x102x108 | 16 | 8x56x65 | 10 | 16x72x82 | 7 |
| 10x112x120 | 18 | 8x62x72 | 12 | 20x82x92 | 6 |
| 10x72x82 | 12 | 20x92x102 | 7 | ||
| 10x82x92 | 12 | 20x102x115 | 8 | ||
| 10x92x102 | 14 | 20x112x125 | 9 | ||
| 10x102x112 | 16 | ||||
| 10x112x125 | 18 | ||||
| “z” – число шлицев, “d” – внутренний диаметр, “D” – наружный диаметр, “b” – ширина шлица. | |||||
Допуски и посадки для соединений с прямобочным профилем установлены ГОСТ 1139-80. Их условное обозначение содержит букву, обозначающую поверхность центрирования (D, d или b), число зубьев z, номинальные значения основных размеров D, d и b, обозначения посадок диаметров размера b, помещенные после соответствующего размера. Допуски нецентрирующего диаметра можно не указывать. Например: D-8x42x48(H8/h7)x8(F10/h9) .
Способы центрирования прямобочных шлицевых соединений.
| Способ центрирования | Краткая характеристика |
| По наружному диаметру Самый простой и дешевый способ центрирования. Вал фрезеруют и шлифуют по наружному диаметру, втулку протягивают. Применяется при отсутствии термообработки поверхности отверстия втулки или при ее термическом улучшении (НВ 280-300) | |
| По внутреннему диаметру Самый точный и дорогой способ центрирования. Вал фрезеруют и продольно шлифуют по внутреннему диаметру и боковым поверхностям шлицев, втулку протягивают и шлифуют по внутреннему диаметру. Применяется при закаленных втулке и вале | |
| По боковым сторонам Наиболее равномерное распределение нагрузки между шлицами; точность центрирования невысока. Вал фрезеруют и продольно шлифуют по боковым поверхностям шлицев, втулку протягивают. Применяется для тяжелонагруженных соединений при термически улучшенной поверхности отверстия втулки (НВ 280-300) |
Допуски и посадки для шлицевых соединений с эвольвентным профилем устанавливаются по ГОСТ 6033-80. Их условное обозначение содержит номинальный (равный наружному) диаметр соединения D=m(z+l), модуль, обозначение посадки и номер стандарта. Например:
– 50х2х(9H/9g) по ГОСТ 6033-80 при центрировании по боковым поверхностям зубьев;
– 50x(H7/g6)x2 по ГОСТ 6033-80 при центрировании по наружному диаметру;
– i50x2x(H7/g6) по ГОСТ 6033-80 при центрировании по внутреннему диаметру.
Возможные дефекты шлицевых соединении и способы ремонта
1. Износ или смятие шлицев на валах. При значительном и износе производят дуговую наплавку (лучше электродами ЦН-250 или ЦН-300) с последующей механической обработкой шлицев. При износе по ширине паза до 0,5-1 мм производят раздачу шлицев (вдоль по наружной поверхности) отожженного вала зубилом с последующей заваркой образующейся при этом канавки и механической обработки шлицев. При незначительном износе (0,1-0,2 мм) шлицы восстанавливают электроискровым наращиванием с последующим шлифованием.
2. При наличии забоин, заусенцев, острых краев на поверхности шлицев их запиливают, а на торцах вала и втулки снимают фаски.
3. При износе шлицев во втулке продавливают на прессе отверстие (по внутреннему диаметру) прошивкой, а затем калибруют шлицевой протяжкой. Допускаемый износ элементов шлицевых прямобочных соединений приведен в таблице.
Допускаемый износ элементов шлицевых прямобочных соединений, мм
| Элемент шлицевого соединения | Внутренний диаметр соединения, мм | ||||
| от 10 до 18 | от 18 до 30 | от 30 до 50 | от 50 до 80 | от 80 до 112 | |
| При центрировании по внутреннему диаметру | |||||
| Внутренний диаметр отверстия | 0,008 | 0,010 | 0,012 | 0,016 | 0,019 |
| Внутренний диаметр вала при посадке: | |||||
| с минимальным зазором | 0,006 | 0,007 | 0,008 | 0,010 | 0,012 |
| с увеличенным зазором | 0,017 | 0,022 | 0,027 | 0,034 | 0,042 |
| Ширина впадины отверстия | 0,015 | 0,020 | 0,020 | 0,025 | 0,030 |
| с минимальным зазором | 0,017 | 0,024 | 0,025 | 0,030 | 0,035 |
| с увеличенным зазором | 0,018 | 0,020 | 0,020 | 0,030 | 0,035 |
| При центрировании по наружному диаметру | |||||
| Наружный диаметр отверстия | 0,016 | 0,022 | 0,023 | 0,030 | 0,035 |
| Наружный диаметр вала при посадке: | |||||
| с минимальным зазором | 0,006 | 0,007 | 0,008 | 0,010 | 0,012 |
| с увеличенным зазором | 0,018 | 0,022 | 0,027 | 0,034 | 0,042 |
| Ширина впадины отверстия | 0,017 | 0,020 | 0,020 | 0,030 | 0,035 |
| Ширина шлицев вала при посадке: | |||||
| с минимальным зазором | 0,017 | 0,024 | 0,025 | 0,030 | 0,035 |
| с увеличенным зазором | 0,018 | 0,020 | 0,030 | 0,035 | 0,040 |
При сборке отремонтированных или вновь изготовленных деталей шлицевых соединений их пригонку производят до термической обработки в следующем порядке:
- если вал не ремонтировался, то шлицевые отверстия в ступиц пригоняют по шлицам вала;
- если ремонтировались или заменялись не все детали, сидящие на валу, то сначала пригоняют вал по неремонтируемой ступице а затем по валу пригоняют все отремонтированные или замененные ступицы;
- если ремонтировались или заменялись все детали шлицевого соединения, то сначала шлицы вала пригоняют по пазам одной из ступиц, а затем все остальные детали, сидящие на валу, пригоняют по шлицам вала.
Технические условия на шлицевые соединения в металлорежущих станках.
| Контролируемый параметр | Допустимое отклонение, мм | Метод контроля |
| Равномерность ширины шлица | 0,02 | Замерить размер в нескольких местах |
| Равномерность шага шлицев | 0,02 | Установить вал в центрах делительного приспособления; поворачивая вал на нужный угол 360°/z, проверить индикатором положение шлица |
| Биение центрирующих поверхностей вала относительно опорных шеек | 0,02 – для зубчатых колес до 7-й степени точности; 0,04 – для зубчатых колес свыше 7-й степени точности | Уложить вал опорными шейками в призмы; поворачивая вал, определить с помощью индикатора биение по окружности наружного или внутреннего диаметра на обоих концах вала |
| Параллельность боковых поверхностей шлицев осевой плоскости вала | 0,02 на 100 мм длины | Установить вал в центрах. Перемещая индикатор вдоль оси вала, определить отклонение от параллельности боковых поверхностей шлицев |
| Угловое качание детали на валу | 0,02 на радиус 50 мм | Установить вал в центрах. Покачивая деталь в соответствующем направлении, индикатором замерить угловое или боковое качание детали |
| Боковое качание детали на валу | 0,05 на радиус 50 мм |
Шлицевые соединения различают: по характеру соединения – неподвижные для закрепления детали на валу; подвижные , допускающие перемещение вдоль вала; по форме зубьев прямобочные , эвольвентные , треугольные; по способу центрирования (обеспечения совпадения геометрических осей) ступицы относительно вала с центрированием по наружному диаметру В , по внутреннему диаметру,и по боковым поверхностям зубьев. Зазор в контакте поверхностей: центрирующих практически отсутствует, нецентрирующих значительный.
2.3. Расчет шлицевых соединений
Основными критериями работоспособности шлицевых соединений являются сопротивления рабочих поверхностей смятию и изнашиванию.
Параметры соединения выбирают по таблицам стандарта в зависимости от диаметра вала, а затем проводят расчет по критериям работоспособности. Смятие и изнашивание рабочих поверхностей связаны с действующими на контактирующих поверхностях напряжениями см.
Упрощенный (приближенный) расчет основан на ограничении напряжений смятия допускаемыми значениями см., назначаемыми на основе опыта эксплуатации подобных конструкций:
где Т- расчетный вращающий момент (наибольший из длительно действующих моментов при переменом режиме нагружения), Н-м;
К3- коэффициент неравномерности распределения нагрузки между зубьями (зависит от точности изготовления и условий работы),
К = 1,1… 1,5;d- средний диаметр соединения, мм; число z -зубьев; h -рабочая высота зубьев, мм; l p -рабочая длина соединения, мм; см допускаемое напряжение смятия, Н/мм2. Для соединений с прямобочными зубьями:
f – фаска зуба.
Для соединения с эвольвентными зубьями:
Для соединения с треугольными зубьями
Вопрос 2 – Способы центрирования шлицевых соединений
Существуют три способа центрирования вала:
| По наружному диаметру Самый простой и дешевый способ центрирования. Вал фрезеруют и шлифуют по наружному диаметру, втулку протягивают. Применяется при отсутствии термообработки поверхности отверстия втулки или при ее термическом улучшении (НВ 280-300) | По внутреннему диаметру Самый точный и дорогой способ центрирования. Вал фрезеруют и продольно шлифуют по внутреннему диаметру и боковым поверхностям шлицев, втулку протягивают и шлифуют по внутреннему диаметру. Применяется при закаленных втулке и вале. | По боковым сторонам Наиболее равномерное распределение нагрузки между шлицами; точность центрирования невысока. Вал фрезеруют и продольно шлифуют по боковым поверхностям шлицев, втулку протягивают. Применяется для тяжелонагруженных соединений при термически улучшенной поверхности отверстия втулки (НВ 280-300). |
Вопрос 3 – Прессовые соединения. Характеристика. Способы сборки
Прессовым называется соединение составных частей изделий с гарантированным натягом вследствие того, что размер охватываемой детали больше соответствующего размера охватывающей детали. Прессовые соединения передают рабочие нагрузки за счет сил трения покоя между сопряженными поверхностями, которые могут быть цилиндрическими и коническими. допускают нечастую разборку без нарушения целостности составных частей изделия. Разность размеров вала и отверстия до сборки называется натягом. Нагрузочная способность прессовых соединений определяется преимущественно натягом, который назначают в соответствии с посадками. Достоинства прессовых соединений : простота и технологичность конструкций за счет отсутствия соединительных деталей, обеспечение хорошего центрирования соединяемых деталей, возможность применения при очень больших осевых нагрузках и вращающих моментах, высокая надежность при ударных нагрузках.
Основные недостатки прессовых соединений : сложность демонтажа и возможность ослабления натяга после разборки, ограниченность несущей способности при вибрационных нагрузках за счет фреттинг-коррозии (разрушение сопряженных поверхностей при очень малых колебательных относительных перемещениях), рассеивание величины натяга и нагрузочной способности соединения за счет допусков на изготовление деталей. Прессовые соединения могут быть получены тремя способами: продольной сборкой путем запрессовки осевой силой; поперечной сборкой за счет нагрева или охлаждения одной из деталей до состояния, при котором они свободно соединяются; комбинированной , например, гидропрессовой сборкой, при которой одновременно с действием осевого усилия в зону контакта сопрягаемых деталей подается масло под высоким давлением для получения необходимой поперечной деформации. Из этих трех способов наименее совершенным является первый – запрессовка, так как при нем неизбежно повреждение контактных поверхностей, нарушение их микрогеометрии и, как следствие, снижение нагрузочной способности соединения в полтора-два раза.
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 рисунке.. 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 рисунке: прямобочное (а), эвольвентное (б), треугольное (в). Первые два типа шлицевых соединений стандартизованы.
Наибольшее распространение имеют соединения шлицевые прямобочные, размеры и допуски которых регламентированы ГОСТ 1139-80. 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: 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 (
В зависимости от метода центрирования деталей соединения и предполагаемой технологии изготовления стандартом предусмотрены три исполнения шлицевых валов, а именно: исполнение А (с канавками но дну шлица) и исполнение С (без канавок), применяемые при центрировании по внутреннему диаметру; исполнение В применяют при центрировании по наружному диаметру и боковым сторонам зубьев.
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: номинальный диаметр D , угол профиля = 30°, модуль т, диаметр делительной окружности , 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 поверхностям 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 = H = m , а рабочая высота профиля (с учетом зазоров и фасок) приблизительно равна 0,8m .
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 ГОСТ 21425-75, согласно которому нагрузочная способность соединения определяется как меньшее из двух значений, полученных по расчету на смятие и на износ. Соединения типа муфт, нагруженные только крутящим моментом, на износ не рассчитывают.
Расчет на смятие производится по условию
,
где Т – вращающий момент; – средний диаметр шлицевого соединения; – площадь смятия; -допускаемое среднее давление из расчета на смятие.
35…200 МПа (нижние значения для ударной нагрузки).
