13.3. Шлицевые (зубчатые) соединения

Шлицевые соединения образуются зубьями (выступами) на валу 1 и шлицами (впадинами) в ступице детали 2 (рис. 13.2, а). Такое соединение представляет собой многошпоночное соединение, у которого шпонки выполнены как одно целое с валом.

Назначение шлицевых соединений — передача вращающего момента между валом и ступицей.

Рис. 13.2. Шлицевые соединения

178

Преимущества шлицевых соединений по сравнению со шпоночными: они имеют более высокую нагрузочную способность; обеспечивают лучшее центрирование деталей на валу; имеют более высокую прочность вала вследствие меньшей концентрации напряжений; детали обладают полной взаимозаменяемостью.

Недостатки: более высокая сложность и стоимость изготовления.

Шлицевые соединения широко распространены в машиностроении. Во всех ответственных высоконагруженных механизмах в условиях серийного и массового производства применяют шлицевые соединения.

По форме зуба в поперечном сечении шлицы подразделяют на прямобочные (рис. 13.2, а), эвольвентные (рис. 13.2, б), и треугольные (рис. 13.2, в). Размеры прямобочных и эвольвентных шлицев стандартизованы. Треугольные шлицы применяют редко, в основном в малонагруженных кинематических механизмах, и изготовляют их по отраслевым стандартам.

По характеру соединения шлицы различают: неподвижные для закрепления деталей на валах; подвижные, допускающие перемещение вдоль вала (например, блок шестерен коробки передач, шпиндель сверлильного станка).

Соединения с прямобочным профилем (рис. 13.2,а и 13.3) применяют в неподвижных и подвижных соединениях. Они имеют постоянную толщину выступов по высоте.

Стандарт предусматривает три серии соединений с прямобочным профилем: легкую, среднюю и тяжелую, которые различаются высотой и числом выступов при одном и том же внутреннем диаметре вала (наружный диаметр при этом увеличивается). В связи с этим шлицы средней и тяжелой серий имеют большую нагрузочную способность.

Центрирование соединяемых деталей выполняют по наружному диаметру (рис. 13.3, а), по внутреннему диаметру (рис. 13.3, б) или по боковым граням (рис. 13.3, в). Выбор способа центрирования зависит от требований к точности центрирования, от

179

твердости ступицы и вала. Первые два способа обеспечивают наиболее точное центрирование.

Рис. 13.3. Виды центрирования прямобочных шлицевых соединений

Для высоконагруженных соединений, когда необходима термообработка на высокую твердость рабочих поверхностей (закалка), получить точные центрирующие поверхности можно только шлифованием. В этом случае обычно применяют центрирование по внутреннему диаметру (рис. 13.3, б), обрабатывая центрирующие поверхности втулки и вала после термообработки шлифованием.

Соединения с эвольвентным профилем (рис. 13.2,б и 13.4). Применяют в неподвижных и подвижных соединениях. Боковая поверхность выступов очерчена по эвольвенте (как профиль зубьев зубчатых колес). Отличие профиля эвольвентных шлицев от профиля

180

зубчатых колес заключается в увеличенном угле зацепления 30° (вместо 20°) и уменьшенной высоте зуба (вместо ), где — модуль зацепления.

При изготовлении эвольвентных шлицев применяют хорошо отлаженную технологию изготовления зубьев зубчатых колес. Соединения обеспечивают высокую точность центрирования. Их выполняют с центрированием по боковым (рабочим) поверхностям (рис. 13.4, б), реже — по наружному диаметру (рис. 13.4, а).

Рис. 13.4. Виды центрирования эвольвентных шлицевых соединений

Соединения стандартизованы, за номинальный диаметр соединения принят наружный диаметр . Параметры соединения определяют через модуль . Средний диаметр . Диаметр окружности вершин . Высота площадки контакта при центрировании по : ; при центрировании по : .

181

По сравнению с прямобочным соединение с эвольвентным профилем характеризует большая нагрузочная способность вследствие большей площади контакта, большего количества зубьев и их повышенной прочности. Применяют для передачи больших вращающих моментов. В авиакосмической технике имеют преимущественное применение. Поскольку шлифование эвольвентных шлицев невозможно, их применяют при твердости ступицы HRC < 40.

Соединения с треугольным профилем (рис. 13.5) изготавливают по отраслевым нормалям. Применяют в неподвижных соединениях. Имеют большое число мелких выступов — зубьев ( ). Угол профиля зуба ступицы (угол впадин вала) составляет 30, 36 или 45°. Применяют центрирование только по боковым поверхностям, точность центрирования невысокая.

Рис. 13.5. Шлицевое соединение треугольного профиля

За номинальный принят наружный диаметр вала . Выступы выполняют как на цилиндрических, так и на конических

182

поверхностях. Параметры соединения определяют через модуль :

.

Применяют для передачи небольших вращающих (крутящих) моментов тонкостенными ступицами, пустотелыми валами, а также в соединениях торсионных валов, стальных валов со ступицами из легких сплавов, в приводах управления (например, привод стеклоочистителя автомобиля).

Основным критерием работоспособности шлицевых соединений является сопротивление рабочих поверхностей смятию и изнашиванию. Изнашивание боковых поверхностей зубьев обусловлено микроперемещениями деталей соединения вследствие упругих деформаций при действии изгибающего и вращающего моментов или несовпадении осей вращения (из-за наличия зазоров, погрешностей изготовления и монтажа).

При конструировании шлицевых соединений размеры их назначают по ГОСТ или заводской нормали (для шлиц треугольного профиля) в зависимости от диаметра вала. Длину шлицев в соединении принимают не более , так как в противном случае возрастает неравномерность распределения нагрузки по длине шлицев и трудоемкость их изготовления. Основной расчет на смятие рабочих поверхностей зубьев шлицевых соединений сводят к проверке условия

,

где — расчетный вращающий (крутящий) момент (наибольший из числа длительно действующих); — средний диаметр соединения; — рабочая высота зубьев; — длина соединения; — коэффициент, учитывающий неравномерное распределение нагрузки между зубьями; — допускаемое напряжение смятия, приводится в справочниках.

Для прямобочного профиля (см. рис. 13.3)

183

,

где — наружный диаметр зубьев вала; — внутренний диаметр втулки (ступицы); — размер фаски.

Для эвольвентного профиля (см. рис. 13.4)

,

где — модуль соединения.

Для зубьев треугольного профиля (см. рис. 13.5)

.

Проверку износостойкости шлицевого соединения принято выполнять по условию

.

Допускаемое напряжение по изнашиванию устанавливается на основе экспериментов и зависит, прежде всего, от твердости поверхностей деталей соединения.

184

ЛЕКЦИЯ 12

ТЕМА13

СОЕДИНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

13.4. Резьбовые соединения

13.4.1. Основные понятия, достоинства и недостатки, классификация и геометрия резьбовых соединений

Резьбовыми соединениями называют разъемные соединения деталей с помощью резьбовых крепежных деталей — болтов, винтов, шпилек, гаек или резьбы, нанесенной непосредственно на соединяемые детали (рис. 13.6). Болтом называют цилиндрический стержень с резьбой для гайки на одном конце и головкой — на другом. Основным преимуществом болтового соединения (рис. 13.6, а) является то, что оно не требует выполнения резьбы в соединяемых деталях и исключена необходимость замены или ремонта дорогостоящих корпусных деталей из-за повреждения резьбы. Болты применяют для соединения деталей относительно небольшой толщины. Это соединение состоит из болта 1 и гайки 2, иногда под гайку ставят шайбу 3.

Винты (рис. 13.6, б) применяют, когда корпусная деталь большой толщины не позволяет выполнить сквозное отверстие для установки болта.

Шпильки (рис. 13.6, в) используют вместо винтов, если прочность материала с резьбой недостаточна (например, сплавы на основе алюминия), а также при

185

частых сборках и разборках соединений.

В этом случае шпилька завинчивается в деталь один раз на все время работы соединения, а при сборках и разборках работает более прочная резьба на участке свинчивания с гайкой.

Резьбовые соединения являются наиболее распространенным видом разъемных соединений. Резьбу имеют свыше 60% деталей, применяемых в конструкциях. Широкое применение резьбовых соединений в технике определяется их достоинствами: 1) возможностью создания больших осевых сил сжатия деталей при небольшой силе, приложенной к ключу (выигрыш в силе для крепежных резьб обычно составляет 70…100 раз); 2) универсальностью (возможностью соединения деталей из любых, в том числе разнородных, материалов); 3) удобными формами и малыми габаритами резьбовых деталей; 4) взаимозаменяемостью резьбовых деталей, обеспечиваемой стандартизацией резьб; 5) технологичностью изготовления. Основной недостаток резьбовых соединений — высокая концентрация напряжений на резьбовых участках деталей.

Резьба является основным элементом резьбового соединения. Резьбу получают нарезанием канавок по винтовой линии на цилиндрической, иногда конической, поверхности детали. Винтовую линию можно получить, навертывая прямоугольный треугольник на поверхность кругового цилиндра (рис. 13.7).

Основными геометрическими параметрами цилиндрической резьбы являются (рис. 13.7 и 13.8): наружный (номинальный) диаметр резьбы ; внутренний диаметр резьбы ; средний диаметр резьбы ; шаг резьбы (расстояние между соседними

186

витками, измеренное параллельно оси резьбы); ход резьбы (шаг

одной и той же винтовой линии), для однозаходной резьбы , для многозаходной , где — число заходов; угол профиля резьбы , высота исходного контура и рабочая высота профиля (рис. 13.8); — толщина витка в основании, здесь — коэффициент полноты; — угол подъема резьбы на среднем диаметре .

Рис. 13.8. Основные типы резьб

187

В зависимости от направления винтовой линии различают правую и левую резьбу. Основное распространение имеет правая резьба. По числу заходов резьбы делят на однозаходные и многозаходные. В зависимости от формы профиля в осевом сечении витка резьбы подразделяют на следующие: треугольную метрическую (рис. 13.8, а), треугольную трубную (рис. 13.8, б), трапецеидальную (рис. 13.8, в), упорную и (рис. 13.8, г), прямоугольную (рис. 13.8, д) и круглую (рис. 13.8, е). По назначению резьбы различают: крепежные, крепежно-уплотнительные и ходовые. Крепежные резьбы должны быть прочными и самотормозящими. Этим требованиям в наибольшей степени отвечают треугольные метрические (основные) резьбы (рис. 13.8, а). Крепежно-уплотнительные резьбы кроме того должны обеспечивать герметичность соединения (трубопроводы, арматура). К ним относится треугольная трубная резьба (рис. 13.8, б) — цилиндрическая и коническая, имеющая треугольный профиль со скругленными вершинами и впадинами, обеспечивающий соединение без радиальных зазоров. Ходовые резьбы применяют для передачи движения. Для этих целей используют трапецеидальные и упорные резьбы (рис. 13.8, в, г), обладающие меньшим трением и более высоким КПД. В винтовых механизмах применяется и прямоугольная резьба (рис. 13.8, д), однако используется она редко и в настоящее время не стандартизована. Круглая резьба (рис. 13.8, е) имеет высокую динамическую прочность, ее применяют при тяжелых условиях эксплуатации в загрязненной среде (вагонные стяжки, пожарная и водопроводная арматура).

Большинство резьб и деталей резьбовых соединений, применяемых в машиностроении, стандартизовано.

188