Основные параметры шлицевых соединений деталей и узлов машин

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 4
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ШЛИЦЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ 5
2. ПРЯМОБОЧНЫЕ ШЛИЦЕВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ 6
3. ЭВОЛЬВЕНТНЫЕ ШЛИЦЕВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ 7
4. ШЛИЦЕВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ С ТРЕУГОЛЬНЫМ ПРОФИЛЕМ 10
5. ИЗОБРАЖЕНИЕ ШЛИЦЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ 11
6. РАСЧЕТ ШЛИЦЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ НА ПРОЧНОСТЬ 13
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 14
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК15

ВВЕДЕНИЕ
Детали, составляющие машину, связаны между собой тем или иным способом. Эти связи можно разделить на подвижные (различного рода шарниры, подшипники, зацепления и пр.) и неподвижные (резьбовые, сварные, шпоночные и др.). Наличие подвижных связей в машине обусловлено ее кинематической схемой. Неподвижные связи обусловлены целесообразностью расчленения машины на узлы и детали для того, чтобы упростить производство, облегчить сборку, ремонт, транспортировку и т. п.
По признаку разъемности все виды соединений можно разделить на разъемные и неразъемные.
Разъемные соединения позволяют разъединять детали без их повреждения. К ним относятся резьбовые, штифтовые, клеммовые, шпоночные, шлицевые и профильные соединения.
Неразъемные соединения не позволяют разъединять детали без их повреждения. Применение неразъемных соединений обусловлено в основном технологическими и экономическими требованиями. К этой группе соединений относятся заклепочные, сварные и соединения с натягом (прессовые).
Соединения являются важными элементами конструкций. Многие аварии и прочие неполадки в работе машин и сооружений обусловлены неудовлетворительным качеством соединений.
Основным критерием работоспособности и расчета соединений является прочность.
Необходимо стремиться к тому, чтобы соединение было равнопрочным с соединяемыми элементами. Наличие соединения, которое обладает прочностью, составляющей, например, 0,8 от прочности самих деталей, свидетельствует о том, что 20% нагрузочной способности этих деталей или соответствующая часть металла конструкции не используется.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ШЛИЦЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Шлицевое (зубчатое) соединение — соединение вала (охватываемой поверхности) и отверстия (охватывающей поверхности) с помощью шлицов (пазов) и зубьев (выступов), радиально расположенных на поверхности. Обладает большой прочностью, обеспечивает соосность вала и отверстия, с возможностью осевого перемещения детали вдоль оси.
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).
Большее сопротивление усталости вала вследствие меньшей глубины впадины и меньшей концентрации напряжений, особенно для эвольвентных шлицев.
Недостатки — более сложная технология изготовления, а, следовательно, и более высокая стоимость.
Соединения выполняют подвижными и неподвижными.
По форме поперечного сечения различают три типа шлицевых соединений: прямобочные (ГОСТ 1139-80), эвольвентные (ГОСТ 6033-80) и треугольные (изготовляются по отраслевым стандартам).

2. ПРЯМОБОЧНЫЕ ШЛИЦЕВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Параметры прямобочных шлицевых соединений приведены в таблице ГОСТ 1139-80.
462915013462000Для сопряжения шлицевой втулки и вала прямобочных соединений следует выбрать один из трех возможных способов их центрирования:
- по наружному диаметру D (рис. 1);
- по внутреннему диаметру d (рис. 2);
- по боковым сторонам шлицов b (рис. 3).
Центрирование по одному из диаметров (D или d) применяют в тех случаях, когда необходима повышенная точность совпадения геометрических осей сопрягаемых деталей.
Центрирование по D применяют наиболее часто, когда твердость ступицы (менее НВ 350) допускает обработку отверстий протяжкой, при этом вал обрабатывают круглым шлифованием.
При твердости материала ступицы более НВ 350 применяют центрирование по внутреннему диаметру d. В этом случае центрирующие поверхности ступицы и вала шлифуют, что удорожает изготовление соединения.
Центрирование по d обычно используют в подвижных соединениях при высокой твердости ступицы или длинных валах.
Центрирование по боковым сторонам шлицов эффективно в том случае, когда точность совпадения геометрических осей не имеет существенного значения, но требуется обеспечить прочность соединения в процессе эксплуатации (например, карданные валы в автомобилях) или когда по условиям работы требуются минимальные зазоры по b (например, при действии знакопеременного момента). Этот способ не обеспечивает высокой точности центрирования и применяется редко.
Структура условного обозначения шлицевого прямобочного соединения должна иметь следующий вид:
,
где 1 - обозначение поверхности центрирования;
2 - числа шлицов соединения;
3, 6, 9 - номинальные размеры d, D и b;
4, 7, 10, 5, 8, 11 - обозначения полей допусков отверстий и валов по диаметрам d, D и по боковым сторонам шлицов b.
В обозначении допускается не указывать допуски нецентрирующих диаметров.
Допуски и посадки прямобочных шлицевых соединений приведены в таблице ГОСТ 1139-80.
Пример условного обозначения соединения, втулки и вала:
- для шлицевого соединения с числом шлицев z=8, внутренним диаметром d=42 мм, наружным диаметром D=46 мм, шириной шлица b=8 мм, с центрированием по d, с посадками по d - H7/f7 и по b - D9/h9:
,
- для отверстия этого же соединения:
d-8×H7×46×8D9,
- для вала этого же соединения:
d-8×42f7×46×8h9.
3. ЭВОЛЬВЕНТНЫЕ ШЛИЦЕВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Параметры эвольвентных шлицевых соединений приведены в таблице ГОСТ 6033-80.
Для шлицевых втулки и вала эвольвентного шлицевого соединения необходимо выбрать один из четырех возможных способов их центрирования:
- по боковым сторонам (по s) (рис. 4);
- по наружному диаметру D (рис. 5);
182118029908500- по внутреннему диаметру d (рис. 6);
150749061912500- относительно вспомогательной цилиндрической поверхности (рис. 7).
Наиболее распространенными являются первые два способа, причем центрирование по s является наиболее экономичным, а по D - наиболее точным.
Размеры шлицевых соединений с эвольвентным профилем шлицов стандартизированы ГОСТ 6033-80.
Посадки шлицевых эвольвентных соединений и возможная область их применения приведены в таблице.
Структура условного обозначения шлицевого эвольвентного соединения должна иметь следующий вид:
где 1 - обозначение центрирования по внутреннему диаметру;
2 - номинальный диаметр соединения D;
3, 4, 6, 7 - обозначение полей допусков центрирующих диаметров отверстий и валов (допуски нецентрирующих диаметров в обозначении не указывать);
5 - модуль, мм;
8 - номер стандарта.
Примеры:
а) обозначение соединения D = 40 мм, m = 2 мм с центрированием по боковым сторонам шлицев, посадка H9/g9: 40x2×9H/9g ГОСТ 6033-80;
обозначение втулки того же соединения: 40×2x9H ГОСТ 6033-80;
обозначение вала того же соединения: 40×2x9g ГОСТ 6033-80;
б) обозначение соединения D=40 мм, m=2 мм с центрированием по наружному диаметру, посадка H7/g6: 40×H7/g6×2 ГОСТ 6033-80;
обозначение втулки того же соединения: 40×H7×2 ГОСТ 6033-80;
обозначение вала того же соединения: 40×g6×2 ГОСТ 6033-80;
в) обозначение соединения D=40 мм, m=2 мм с центрированием по внутреннему диаметру, посадка H7/g6: i40x2×H7/g6 ГОСТ 6033-80;
обозначение втулки того же соединения: i40×2×H7 ГОСТ 6033-80;
обозначение вала того же соединения: i40×2×g6 ГОСТ 6033-80.

10. ШЛИЦЕВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ С ТРЕУГОЛЬНЫМ ПРОФИЛЕМ
Шлицевые соединения с треугольным профилем применяют в неподвижных соединениях тонкостенных втулок или пустотелых валов (вместо соединений с натягом), передающих небольшие вращающие моменты.
Способ центрирования - по боковым граням.
По отраслевым стандартам соединения изготовляют со следующими параметрами:
угол профиля 2α=90о; 72о; 60о;
наружный диаметр D=(5-75) мм;
модуль m=(0,2-1,5) мм;
число зубьев z=20-70.
Длину шлицевого соединения рекомендуется делать не менее (0,5-0,8)D, лучше - (1-1,2)D (где D - диаметр вала). Увеличивать длину соединения свыше (1,5-2)D не рекомендуется, так как при этом снижается точность изготовления и уменьшается фактическая площадь соприкосновения шлицев.
11. ИЗОБРАЖЕНИЕ ШЛИЦЕВЫХ ВАЛОВ, ОТВЕРСТИЙ И
ИХ СОЕДИНЕНИЙ
Окружности и образующие поверхности выступов шлицев вала и отверстия показывают сплошными основными линиями (рис. 8-10).
Окружности и образующие поверхностей впадин на изображениях шлицевых вала и отверстия показывают сплошными тонкими линиями (рис. 8-10), при этом сплошная тонкая линия поверхности впадин на проекции вала на плоскость, параллельную его оси, должна пересекать линию границы фаски (рис. 8).
Образующие поверхности впадин на продольных разрезах вала и отверстия показывают сплошными основными линиями (рис. 8, рис. 10).
На проекции вала и отверстия на плоскость, перпендикулярную их оси, а также в поперечных сечениях и разрезах окружности впадин показывают сплошными тонкими линиями (рис. 10).
Делительные окружности и образующие делительных поверхностей на изображениях деталей шлицевых эвольвентных соединений показывают штрихпунктирной тонкой линией (рис. 8-10).
Границу шлицевой поверхности вала, а также границу между шлицами полного профиля и сбегом показывают сплошной тонкой линией (рис. 8).
На изображениях, полученных проецированием на плоскость, перпендикулярную оси шлицевых вала и отверстия, изображают профиль одного шлица и двух впадин. Допускается изображать большее число шлицов и впадин.
Если секущая плоскость проходит через ось шлицевых вала и отверстия, то на разрезах и сечениях валов шлицы условно совмещают с плоскостью чертежа и показывают нерассеченными (см. рис. 8), а на разрезах и сечениях отверстий впадины условно совмещаются с плоскостью чертежа (см. рис. 9 и рис. 10).
При изображении шлицевых вала или отверстия в разрезе или сечении линии штриховки проводят:
в продольных разрезах и сечениях – до линий впадин (см. рис. 8, 10, 11);
в поперечных разрезах и сечениях – до линий выступов (см. рис. 10, 11).
Если секущая плоскость проходит через ось шлицевого соединения, то при его изображении на разрезе показывают только ту часть поверхности шлицов отверстия, которая не закрыта валом (рис. 11).
Радиальный зазор между шлицами и впадинами вала и отверстия не показывают (рис. 11).
На изображениях шлицевых валов, полученных проецированием на плоскость, параллельную оси указывают длину шлицев полного профиля L1 до сбега (см. рис. 98).
Допускается дополнительно указывать полную длину шлицев L, или наибольший радиус инструмента R, или длину сбега L2.
На чертеже детали стандартизированного шлицевого соединения указывают в технических требованиях или на полке линии-выноски (рис. 101), условное обозначение шлицевого вала или шлицевого отверстия по соответствующему стандарту.
6. РАСЧЕТ ШЛИЦЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ НА ПРОЧНОСТЬ
Допускаемые напряжения для неподвижных затянутых шлицевых соединений со стальным валом и ступицей приведены в справочной литературе.
Для подвижных соединений и соединений с зазором по боковым граням шлицев эти значения σсм р уменьшают в 2-3 раза.
Если насаживаемая деталь выполнена из мягкого материала (серые чугуны, легкие сплавы), то расчет следует вести по напряжениям смятия, допустимым для данного материала.
Расчет основан на определении напряжений смятия, которые испытывают боковые поверхности зубьев. В сечениях у оснований возникают напряжения среза и изгиба, пропорциональные напряжениям смятия. Эти напряжения можно принять за критерии подобия.
Расчет ведут по формуле
σсм=2Т/(dсрzhLψ)≤σсм р,
гдеТ – вращающий момент на валу;
dср - средний диаметр соединения;
z - число зубьев;
h - высота поверхности контакта зубьев;
L - длина поверхности контакта зубьев;
ψ - коэффициент, учитывающий неравномерность распределения давления в соединениях (ψ=0,7-0,8);
σсм р - допускаемые напряжения на смятие на боковых поверхностях зубьев.
Для прямобочных шлицев
h=(D-d)/2-2f; dср=(D+d)/2,
для эвольвентных шлицев
h=θm; dср=mz,
где θ=1 - при центрировании по боковым поверхностям и θ =0,9 при центрировании по наружному диаметру;
m - модуль шлицев;
d - диаметр делительной окружности.
Для треугольных шлицов
h=0,5(D-d); dcp=d=mz.
Предельный вращающий момент, передаваемый соединением, равен
Тmax=0,5σсм рzhψLdср
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На работоспособность шлицевого соединения влияет нарушение соосности сочленения, технические неисправности и поломки приводимых рабочих органов, узлов, различные дорожные, почвенно-клима-тические условия, глубина обработки почвы, забиваемость, залипа-ние почвой, урожайность и др. факторы.
Поэтому надежность и долговечность шлицевых соединений во многом определяет надежность и долговечность машины в целом. Вместе с тем работоспособность шлицевых соединений в серийных машинах в ряде случаев невысокая. Необходимость ее повышения возрастает, поскольку наблюдается рост удельной мощности передаваемой силовыми передачами машин.
Несмотря на то, что шлицевые соединения относятся к числу наиболее ответственных элементов машин, выбор их параметров при разработке конструкции машины в подавляющем большинстве случаев производится на основании условного расчета.
Практика эксплуатации машин и экспериментальные исследования показывают, что сложившийся метод расчета, не учитывающий реальных условий нагружения соединений, не может обеспечить необходимую надежность и долговечность соединения.
Поэтому совершенствование существующих методов расчета шлицев, повышение их долговечности окажет положительное влияние и на решение проблемы повышения надежности и долговечности машин.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Иванов М.Н. Детали машин: Учеб. для студентов втузов / Под ред. В.А. Финогенова. – 6-е изд., перераб. – М.: Высш. шк., 2000. – 383 с.
Анурьев В. И. Справочник конструктора-машиностроителя. В 3 т. Т. 1. - 8-e изд., перераб. и доп. Под ред. И. Н. Жестковой, - М. Машиностроение, 2001.–920 с.
Гузенков, П.Г. Детали машин: учебник для вузов/ П.Г. Гузенков – М.: Высш. шк., 1975. – 464 с.
Решетов, Д.Н. Детали машин: учеб. для вузов/ Д.Н. Решетов. – 4-е изд., перераб. – М.: Машиностроение., 1989. – 496 с.