Шлицевые (зубчатые) соединения

Шлицевые (зубчатые) соединения.
Шлицевые (зубчатые) соединения вал – ступица представляют собой соединения,
образуемые выступами – зубьями на валу, входящими во впадины – шлицы соответствующей
формы в ступице. Эти соединения можно представить как многошпоночные, у которых
шпонки выполнены за одно целое с валом.
Шлицевые соединения имеют по сравнению со шпоночными следующие преимущества:

Большую несущую способность при одинаковых габаритах благодаря
значительно большей рабочей поверхности и равномерному распределению давления
по высоте зубьев;

Большую усталостную прочность вала;

Детали на валах лучше центрируются и имеют лучшее направление при
передвижении вдоль вала.
Шлицевые соединения применяют в качестве неподвижных для жесткого соединения
ступицы с валам; для соединения с компенсацией небольшой несоосности; для подвижного
соединения без нагрузки и под нагрузкой.
Компенсация несоосности бывает необходима в связи с погрешностями изготовления
или требованиями самоустановки. Примеры осевых перемещений под нагрузкой сверлильные шпиндели, карданные валы автомобилей; без нагрузки – передвижные зубчатые
колеса в коробках передач.
Прямобочные шлицевые соединения.
Прямобочные шлицевые соединения в настоящее время имеют наибольшее
распространение. Профиль очерчивается окружностью выступов, окружностью впадин и
прямыми, образующими на валу выступы – зубья постоянной толщины.
Шлицевые соединения различают по системе центрирования ступицы на валу:

По наружному диаметру;

По внутреннему диаметру;

По боковым граням или по вспомогательным
цилиндрическим или коническим поверхностям.
В конструкциях, требующих точного центрирования по
кинематическим или динамическим условиям, применяют
центрирование по наружному или внутреннему диаметрам. Если
ступицу по поверхности отверстия и шлицам термически не обрабатывают или обрабатывают
до невысокой твердости, то по технологическим условиям следует применять центрирование
по наружному диаметру. Тогда центрирующие поверхности допускают точную и
производительную обработку; на ступице – протягиванием, а на валу – круглым
шлифованием; 80 % прямобочных шлицевых соединений имеют центрирование по наружному
диаметру. Если ступица по отверстию имеет высокую твердость, то обычно применяют
центрирование по внутреннему диаметру, обрабатывая центрирующие поверхности вала и
втулки шлифованием. Наиболее высокую точность центрирования можно обеспечить по
внутреннему диаметру.
Центрирование по боковым граням зубьев не обеспечивает наиболее равномерное
распределение сил между зубьями; поэтому его следует применять при передаче больших
вращающих моментов, но при отсутствии высоких требований к точности центрирования.
Характерными примерами центрирования по боковым граням могут служить подвижные
шлицевые соединения карданных валов. Центрирование по боковым граням применяется при
числе зубьев 10 и внешнем диаметре от 25 до 90 мм включительно. Центрирование по
вспомогательным поверхностям весьма эффективно при большем радиальных нагрузках.
Внешние углы зубьев вала выполняют с фасками, внутренние углы у основания зубьев
вала – с закруглениями или с выкружками. Внутренние углы впадины у ступицы выполняют с
закруглениями.
Условные обозначения прямобочного шлицевого соединения составляют из обозначения
поверхности центрированию D, d и b, числа зубьев z, номинальных размеров d x D.
Соединения эвольвентного профиля.
Соединения эвольвентного профиля являются весьма перспективными. Профиль
очерчивается окружностью вершин, окружностью впадин и эвольвентами, как профили зубьев
зубчатых колес.
Отличие этого профиля от профиля зубчатых колес заключается в увеличенном угле
профиля рейки до 30о и в уменьшенной высоте зуба, что связано с отсутствием перекатывания.
Эвольвентный профиль шлицевых соединений имеет следующие достоинства:


Повышенная прочность;
Технологичность.
Повышенная прочность достигается благодаря большому
количеству зубьев и утолщению зубьев к основанию. Эффективные
коэффициенты концентрации напряжений при кручении в 1,5 и более
раз ниже, чем у прямобочного профиля, а при изгибе примерно
одинаковы.
Для обработки шлицевых валов эвольвентного профиля требуется меньший комплект
более простых фрез с прямолинейными режущими кромками, чем для валов прямобочного
профиля, вследствие чего эвольвентный профиль получается точнее; при обработке могут
быть использованы совершенные технологические процессы, применяемые для изготовления
зубчатых колес. Однако эвольвентные протяжки дороги и трудоемкость шлифования их
шлицев больше, чем прямобочных. Основные параметры соединений связаны зависимостью
D = m(z+1,0+2x) , где х – смещение исходного контура.
Шлицевые прямобочные и эвольвентные соединения выполняют, как правило,
прямозубыми. Косозубые соединения применяют для регулировки зазора или создания натяга
в передачах и для передвижения косозубых зубчатых колес. При одинаковом осевом шаге
зубчатых колес и соединений осевые сдвигающие силы не возникают.
Соединения треугольного профиля.
Соединения треугольного профиля, как правило, неподвижные, применяют при
стесненных габаритах.
Обычно соединения треугольного профиля применяют с числом зубьев 15..70, модулем
0,2..1,6 мм и наружным диаметром 5..100 мм.
Треугольные соединения выполняют не только цилиндрическими, но и также
коническими и торцовыми. Конусность конических соединений обычно выбирают 1:16 по
впадинам вала.
Треугольные соединения удобно применять при необходимости малых относительных
регулировочных поворотов деталей. Если для деталей, требующих относительной угловой
регулировки, применить два соединения с числами зубьев z и z+1, то детали можно повернуть
одну относительно другой на минимальный угол, равный 1/[z(z+1)].
Расчеты и эксперименты показывают, что при работе шлицевых соединений при
радиальных нагрузках и изгибающих моментах происходят скольжение и
изнашивание, связанные с зазорами и контактными деформациями. Износ
резко увеличен при повешенных зазорах, в зубчатых колесах малых
диаметров, в паразитных колесах и в ременных шкивах, где радиальные
нагрузки повышены.
Особо большой износ наблюдается в шлицевых соединениях
шкивов, в которых отсутствует подача смазочного материала.
В ответственных шлицевых и шпоночных соединениях зубчатых
колес с валами желательно шлицы или шпонки располагать по длине симметрично
относительно венцов. Иначе из-за неравномерного изнашивания возможен перекос зубьев.
Шлицевые соединения выходят из строя из-за повреждения рабочих поверхностей
зубьев: износа, смятия, фреттинг-коррозии, заедания и из-за поломок шлицевых валов и
зубьев.
Шариковые шлицевые соединения.
Шариковые шлицевые соединения ограничено применяют в качестве подвижных
соединений вал-ступица. На валу и в ступице изготовляют продольные канавки, которые
заполняют шариками. Возврат шариков происходит по специальным отверстиям в ступицах.
Шариковые шлицевые соединения требуют очень малых сил для перемещений. Они
позволяют обеспечить полное отсутствие зазоров и большую угловую жесткость.
Несущая способность шарикового соединения при отсутствии движения лишь немного
ниже, чем обычного при тех же габаритах, а при движении под нагрузкой – в несколько раз
выше. Жесткость шариковых соединений с натягом в 2 раза выше, а суммарные перемещения
в связи с отсутствием зазоров меньше в 6..8 раз, чем соединений без натяга.
Если угловые зазоры
допустимы, профили канавок
делают полукруглыми; для
отсутствия зазоров и
повышенной угловой
жесткости – в виде готической
арки, канавки же заполняют
шариками с предварительным
натягом.
Радиус профиля делают
больше радиуса шариков на 3% для полукруглого профиля и на 5% для готической арки.
Диаметр шариков выбирают в среднем равным 0,15...0,2 диаметра вала.
Допускаемые моменты соединений из цеменуемых и закаливаемых сталей при этой
твердости T=0,016zшлldD, где - zшл – число рабочих шлицев; d и D – диаметры соответственно
шариков и окружности расположения центров шариков, мм; l- рабочая длина соединения, мм.
При пониженном качестве изготовления соединений указанные значения моментов
следует снижать в 1,5 раза, а при высоком качестве изготовления – повышать на 20 – 30%.
Виды центрирования прямобочных шлицевых соединений
Эвольвентное шпоночное соединение