2.4 Клиновые шпонки

ГОСТ 24068 – 80 «Основные нормы взаимозаменяемости. Соединения шпоночные с клиновыми шпонками. Размеры шпонок и сечений пазов. Допуски и посадки» регламентирует размеры шпонок, сечения пазов, допуски и посадки соединений с клиновыми шпонками.

Эти соединения аналогичны призматическим с тем отличием, что шпонки изготавливаются в виде клина с уклоном 1 : 100. Осевым перемещением шпонки обеспечивается соединение вала и втулки. Точность клиновых шпонок устанавливается теми же полями допусков, что и для призматических. Требования в отношении точности ширины паза у вала и втулки нормируется одним полем допуска D10. Требования к углу наклона нормируются предельными отклонениями ± АТ10/2. Посадки для сопряжений с клиновыми шпонками не нормируются, так как соединение осуществляется осевым смещением шпонки, т.е. имеет место регулируемая посадка с натягом.

Шпоночное соединение с клиновыми шпонками представлено на рисунке 2.5.

Предусмотрено 4 исполнения клиновых шпонок, которые представлены на рисунке 2.6.

Условное обозначение клиновой шпонки аналогично условному обозначению призматической шпонки.

2.5 Нанесение размеров на чертежах шпоночных соединений

Применяют три способа нанесения размера глубины паза на валу: от противоположной расположению паза крайней точки диаметра вала; от ближайшей к пазу кромке цилиндрической поверхности вала; от крайней точки диаметра, лежащей на оси симметрии паза. С точки зрения контроля наиболее правильна третья схема.

Примеры нанесения размеров на валу, во втулке и в сборе представлены на рисунке 2.7.

3 Нормирование шлицевых соединений

3.1 Назначение шлицевых соединений

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 3.1.

Рисунок 3.1 - Детали шлицевого соединения

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 соединений, 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 3.2.

а) б) в)

а - прямобочное, б - эвольвентное , в - треугольное.

Рисунок 3.2 - Типы шлицевых соединений

Первые два типа шлицевых соединений стандартизованы. Наибольшее распространение имеют соединения шлицевые прямобочные, размеры и допуски которых регламентированы ГОСТ 1139-80. Эх применяют, например, для насадки подвижных и неподвижных зубчатых колес на валах в коробках передач металлорежущих станков

Для того чтобы обеспечить передачу разных значений моментов при нормировании размеров выделяют 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.

Основное применение имеют соединения легкой и средней серий. Соединения тяжелой серии применяют преимущественной в тяжелых по износу условиях.

Прямобочные шлицевые соединения обычно охватывают валы с наружным диаметром от 14 до 125 мм. Стандартом нормируются определенные сочетания z × d × D × b, где z - число шлицев, d -размер внутреннего диаметра, D - размер наружного диаметра, b - ширина шлица.

Необходимость нормирования сочетаний диаметров и числа шлицев объясняется тем, что втулки шлицевого соединения получаются способом протягивания. Инструмент для этого — протяжка — изготавливается под определенный размер втулки и для определенного числа шлицев (зубьев). Поэтому весьма важно внести ограничения типоразмеров этих втулок, так как инструмент протяжка очень сложный и дорогой. Нельзя допускать произвольное сочетание диаметров и количества зубьев. В прямобочных шлицевых соединениях зубья, по которым образуются сопряжения, расположены параллельно оси соединения и имеют плоские боковые поверхности.

3.1.1 Центрирование в шлицевых соединениях

Термин «центрирование» широко применяется в машиностроении и характеризует точность расположения деталей относительно друг друга.

Центрирование — это операция сборки, заключающаяся в выверке соосности детали с базовой поверхностью или общей осью.

В отношении понятия о центрировании при образовании шлицевого соединения речь идет об обеспечении совмещения осей вала и втулки. Точность совмещений этих осей обеспечивается точностью посадки с зазором между сопрягаемыми поверхностями. Но прежде чем рассмотреть эти посадки, надо обратить внимание на то, что шлицевое соединение отличается от обычного гладкого тем, что посадка (сопряжение) для шлицевых деталей осуществляется одновременно по трем поверхностям, т.е. по наружной поверхности, по внутренней и по боковым сторонам шлицев (зубьев).

Таким образом, при нормировании точности шлицевого соединения необходимо нормировать одновременно три посадки. Посадки эти должны быть разными по точности, так как невозможно изготовить все сопрягаемые поверхности одинаковой точности и невозможно будет обеспечить собираемость шлицевых деталей при одинаковой высокой точности. Точность совпадения осей в шлицевом соединении обеспечивается точностью сопряжений, т.е. значениями зазоров или натягов. Поэтому точность посадок по трем сопрягаемым поверхностям шлицевых деталей назначаются разными. И, естественно, что поверхность, для которой назначена более высокая точность сопряжения, будет обеспечивать точность совмещения осей. И если говорится, что центрирование шлицевого соединения осуществляется по наружному диаметру, это означает, что посадка по наружной поверхности (наружному диаметру) должна быть наиболее точной из трех посадок в данном шлицевом соединении.

Поскольку поверхности шлицевого соединения либо обеспечивают точность центрирования, т.е. совмещения осей, либо не выполняют этой функции, то возникает необходимость отдельного нормирования точности каждой поверхности, когда она является центрирующей и когда она не является центрирующей.

Центрирование по наружному диаметру D (рисунок 3.3а) используется для подвижных и неподвижных соединений, при передаче небольших крутящих моментов ив других соединениях, подвергаемых малому износу.

Для обеспечения этого сопряжения втулка должна изготавливаться с относительно небольшой твердостью, чтобы обеспечить обработку чистовой протяжкой. Вал может иметь большую твердость и обрабатывается шлифованием по наружному диаметру (фрезерованием получают зубья). Этот способ центрирования наиболее простой и экономичный.

а) б) в)

а - по наружному диаметру, б - по внутреннему диаметру, в - по боковым поверхностям

Рисунок 3.3 - Центрирование прямобочных шлицевых соединений.

Центрирование по внутреннему диаметру d (рисунок 3.3б) используется для получения высокой точности в отношении совмещения осей вала и втулки. Объясняется это тем, что отверстия по внутреннему диаметру и у вала, и у втулки могут быть окончательно обработаны шлифованием. Эти сопряжения используются, когда вал, и втулка должны иметь большую твердость. Этот способ центрирования дорогой, но наиболее точный.

Центрирование по боковым поверхностям b (рисунок 3.3в) используется, когда необходимо передать большие крутящие моменты, особенно при знакопеременной нагрузке, тем более с реверсированием. При этом способе не обеспечивается высокая точность совпадения осей вала и втулки, и поэтому он применяется значительно реже, чем два других.

3.1.2 Поля допусков на размеры центрирующих поверхностей

Размеры и допуски прямобочных шлицевых соединений регламентируются ГОСТ 1139 – 80 «Основные нормы взаимозаменяемости. Соединения шлицевые прямобочные. Размеры и допуски». В данном ГОСТе предусмотрены следующие посадки при центрировании по наружному диаметру (таблица 3.1)

Таблица 3.1 – Посадки центрирующего диаметра D.

Поле допуска втулки	Поле допуска вала
	d	e	f	g	h	js	n
H7	-	-	[H7/f7]	[H7/g6]	[H7/h7]	[H7/js6]	[H7/n6]
H8	H8/d8	H8/e8	-	-	H8/h7	-	-
H10	H10/d8	H10/e8	-	-		-	-
П р и м е ч а н и е: В квадратных скобках приведены посадки предпочтительного соединения

Посадки по боковым сторонам шлицев при этом способе центрирования должны соответствовать приведенным в таблице 3.2

Таблица 3.2 – Посадки по боковым сторонам шлицев b

Поле допуска втулки	Поле допуска вала
	d	e	f	h	js
D9	[D9/d9]	[D9/e8]	D9/f7	D9/h8,D9/h9	D9/js7
F8	-	F8/e8	[F8/f7], [F8/f8]	F8/h8	[F8/js7]
F10	F10/d9	F10/e8	[F10/f7], [F10/f8]	[F10/h9],	-
П р и м е ч а н и е: В квадратных скобках приведены посадки предпочтительного соединения

ГОСТ 1139 – 80 предусматривает следующие посадки при центрировании по внутреннему диаметру (таблица 3.3)

Таблица 3.3 – посадки центрирующего диаметра d

Поле допуска втулки	Основные отклонения вала
	e	f	g	h	js	n
H7, H8	H8/e8	[H7/f7]	[H7/g7], [H7/g7]	[H7/h7]	[H7/js7]	[H7/n7]
П р и м е ч а н и е: В квадратных скобках приведены посадки предпочтительного соединения

Посадки по боковым сторонам шлицев при этом способе центрирования должны соответствовать приведенным в таблице 3.4.

ГОСТ 1139 – 80 предусматривает следующие посадки при центрировании по боковым сторонам шлицев (таблица 3.5)

Таблица 3.4 - Посадки по боковым сторонам шлицев b

Поле допуска втулки	Основное отклонение вала
	d	e	f	h	js	k
D9	D9/d9	D9/e8 [D9/e9]	D9/f7, D9/f8, [D9/f9]	D9/h8, D9/h9	[D9/js7]	[D9/k7]
D10	D10/d9	D10/e9	-	-	-	-
F8	-	-	F8/f7, F8/f8	[F8/h7], F8/h9	[F8/js7]	[F8/k7]
F10	F10/d9	F10/e8, [F10/e9]	F10/f7, F10/f8, [F10/f9]	F10/h7, F10/h8, F10/h9	[F10/js7]	F10/k7
H8	-	-	-	H8/h7, H8/h8	H8/js7	-
H9	H9/d10	-	[H9/f9]	[H9/h7], H9/h8, [H9/h10]	-	-
H11	H11/d10	-	[H11/f9]	[H11/h7], H11/h8, [H11/h10]	-	-
П р и м е ч а н и е: В квадратных скобках приведены посадки предпочтительного соединения

Таблица 3.5 – Центрирование по боковым поверхностям шлицев

Поле допуска втулки	Поле допуска вала
	d	e	f	h	js	k
D9	[D9/d9]	[D9/e8]	[D9/f8], D9/f9	D9/h8, D9/h9	D9/js7	D9/k7
F8	-	F8/e8	F8/f8	-	[F8/js7]	-
F10	[F10/d9]	F10/e8	F10/f9, [F10/f8]	F10/h8, F10/h9	F10/js7	F10/k7
П р и м е ч а н и е: В квадратных скобках приведены посадки предпочтительного соединения

Поля допусков нецентрирующих диаметров должны соответствовать (таблица 3.6)

Таблица 3.6 – Поля допусков нецентрирующих диаметров

Нецентрирующий диаметр	Вид центрирования	Поле допуска
		Вал		Втулка
		Подвижное соединение	Неподвижное соединение
d	По D или b	-	-	H11
D	По d или b	[a11], d10, f9	[a11], f9, h10	H10, H11, H12

3.1.3 Нормирование точности расположения поверхностей элементов прямобочных шлицевых деталей

Для прямобочных шлицевых соединений, несмотря на сложность геометрической формы втулки и вала, нормируется практически только отклонение от симметричности боковых сторон зубьев (шлицев). Допуск задается в диаметральном выражении (рисунок 3.4) относительно центрирующего элемента. Нормирование только одного показателя отклонения расположения связано, видимо, с тем, что основным методом контроля деталей шлицевого соединения (вала и втулки) является комплексный (прохоной) калибр, выявляющий возможность сборки этих элементов. В стандарте на эти калибры установлены требования на расположения элементов.

Допуск симметричности нормируется в зависимости oт ширины зуба (шлица) и устанавливается значениями от 0,010 до 0,018 мм.

Установившаяся во всем мире система контроля шлицевых деталей с помощью калибров нашла отражение не только указанием об этом в стандарте, нормирующим точностные данные для шлицевого соединения, но и на дополнительные требования в отношении еще одного параметра отклонения расположения. В ГОСТ 1139-80 указано, что если шлицевая деталь контролируется калибром, длина которого меньше длины детали, то дополнительно нормируются требования к отклонению от параллельности сторон зубьев (шлицев) вала и втулки относительно оси центрирующей поверхности. Отклонение от параллельности задается на длине 100 мм значением 0,03 мм при допуске на ширину шлицев от JT6 до JT8 и 0,05 мм при допуске от JT9 и JT10.

3.1.4 Условное обозначение шлицевых соединений вала и втулки

Для шлицевого соединения с параметрами z = 8, d = 36 мм, D = 40 мм с центрированием по внутреннему диаметру d, с посадками по d – H7/f7; по D – H12/a11 и по b – H9/f9 шлицевые соединения обозначаются следующим образом:

d - 8×36 H7/f7×40 H12/a11×7 H9/f9.

Пример обозначения втулки для этого соединения:

d - 8×36 H7×40H 12×7 H9,

Пример обозначения вала для этого соединения:

d - 8×36 f7×40 a11×7 f9.

Для этого же соединения при центрировании по наружному диаметру D, шлицевые соединения обозначаются следующим образом:

D - 8×36×40H 7/h7×7 F10/h7.

Для этого же соединения при центрировании по боковым сторонам шлицев b, шлицевые соединения обозначаются следующим образом:

b - 8×36×40 H12/a11×7 D9/f8.

Пример обозначения вала и втулки при центрировании по D и b аналогичен обозначению при центрировании по d.

Как следует из приведенных примеров ГОСТ допускает не указывать в обозначениях допуски нецентрирующих диаметров.