9.2. Шліцьові (зубчасті) з’єднання

Загальні відомості. Класифікація. Застосування. Якщо закріпити на валі декілька шпонок, а в маточині стільки ж пазів, то це буде новий вид з'єднання, яке називається шліцьовим, або зубчастим. Отже шліцьове з’єднання буде за наявності зубців на валі і внутрішніх зубців в отворі маточини.

Всі розміри зубчастих з'єднань і допуски на них стандартизовані. За формою профілю шліців /зубців/ з'єднання поділяються на три типи: прямобічні, евольвентні та трикутні.

Найпоширеніші зубчасті з'єднання з прямобічними /ГОСТ 21425-75/ /рис. 9.5/ і евольвентними /ГОСТ 6033-80/ /рис. 9.6, а, б/ профілями зубців. З'єднання з трикутним /рис. 9.6, в/ профілем зубців застосовують в основному як нерухомі, при невеликих обертових моментах.

У прямобічних зубчастих з’єднаннях застосовують три способи центрування отвору маточин на зубчастому валі: а/ по зовнішньому діаметру шліців D, при цьому по внутрішньому діаметру d буде радіальна щілина; б/ по внутрішньому діаметру d, при цьому по діаметру D буде радіальна щілина; в/ по бокових гранях зубців b, тоді щілини будуть по обох діаметрах d і D (відповідно рис. 9.5, а, б, в).

Рис. 9.5. Прямобічні шліцьові з’єднання

Стандартом /ГОСТ 1139-80/ передбачено три серії з’єднань /легка, середня і важка/, які різняться за висотою і кількістю зубців /z = 6...20/. У з’єднаннях важкої серії зубці вищі, а їх кількість більша, ніж у з'єднанні середньої і легкої серій.

У виборі способу центрування слід керуватись певними технологічними міркуваннями. Центрування по D застосовують найчастіше, коли твердість маточини допускає обробку отвору протяжкою, при цьому вал обробляють круглим шліфуванням. Цей спосіб застосовують також і при високій твердості і маточини, обробляючи отвори дорном, твердосплавною протяжного та ін., при цьому залишають припуск на таку обробку до термообробки маточини.

Центрування по d застосовують для рухомих з’єднань з високою твердістю маточини /отвір обробляють круглим шліфуванням/ та при довгих валах, коли виникає небезпека скривлення після термообробки.

Центрування по b застосовують при великих знакозмінних і ударних навантагах /наприклад, в карданних валах авто і тракторів/.

Домогтися високої точності центрування при цьому неможливо, а тому він застосовується рідко.

Зауважимо, що центрування по діаметрах D і d забезпечує високу співвісність вала і маточини /втулки/ в порівнянні з центруванням по бокових гранях b.

Центрування по бокових гранях забезпечує рівномірніший розподіл навантаги між шліцами.

Вибір діаметра центрування /зовнішнього або внутрішнього/ здійснюють, виходячи з технологічних умов.

Якщо твердість матеріалу втулки /маточини/ дозволяє обробляти її протяжкою /< 350 НВ/, то рекомендується центрування по зовнішньому діаметру D. При цьому центрівні маточини калібрують протяжкою, а центрівні поверхні вала - шліфуванням.

При високій швидкості маточини рекомендують центрування по внутрішньому діаметру d. Центрівні поверхні отвору і вала обробляються шліфуванням.

З’єднання евольвентними шліцами виконують з центруванням по бокових гранях /рис 9.6, а/ та по зовнішньому діаметру вала /рис 9.6, б/. Перевага надається першому способу центрування. Евольвентні зубці протяжки або самого з’єднання виготовляються на зубонарізних верстатах з високою точністю. Переваги тут явно технологічні, а висока міцність /завдяки значній кількості шліців і западин/ забезпечує їх широке застосування. Евольвентні зубці поряд з прямобічними застосовують і в рухомих з’єднаннях.

Рис. 9.6. Евольвентні та трикутні шліцьові з’єднання

З'єднання з трикутними зубцями не стандартизовані, їх застосовують в основному як нерухомі при тонкостінних втулках і безпечних ґабаритах по діаметру. Ці з'єднання мають велику кількість дрібних зубців /до 70/. Часто буває, коли внаслідок технологічних труднощів трикутні зубці заміняють дрібними евольвентними зубцями.

Переваги та недоліки шліцьових з'єднань. Порівняно зі шпонковими переваги тут такі:

1) деталі краще центруються на валах і мають кращий напрям при вісевому переміщенні;

2) зменшується кількість деталей з’єднання /всього дві деталі, а в шпонковому – три, чотири;

3) при однакових ґабаритах допускають передачу великих обертових моментів за рахунок великої поверхні контакту;

4) забезпечується висока надійність, особливо при динамічних та реверсивних навантагах внаслідок рівномірного розподілу навантаг між шліцами;

5) зубці мало ослабляють вал, а тому шліцьовий вал можна розраховувати на міцність так само, як і гладкий;

6) довжина маточини суттєво зменшується.

Недоліком шліцьових з’єднань в порівнянні зі шпонковими є складна технологія виготовлення, а, отже, і вища вартість.

Позначення зубчастих прямобічних з’єднань містить: літеру, яка означає поверхню центрування; число зубців і номінальні розміри d, D і b; позначення полів допусків або посадок за діаметрами d чи D або ширині b, розташовані після відповідних розмірів, наприклад:

d - 10 х 72 Н7/е8 х 82 Н12/а11 х 12 D9/f 8.

Допуск нецентрівних елементів в позначенні допускається не вказувати.

Критерії роботоздатності та розрахунок шліцьових з'єднань. Основними критеріями роботоздатності зубчастих з'єднань є опір робочих поверхонь зубців зминанню і корозійно-механічній стійкості проти спрацювання.

Згідно з ГОСТ 21425-75 наведено методику розрахунку наван­тажувальної здатності прямобічних шліцьових з’єднань з певними спрощеннями і скороченнями. Зауважимо, що вказаний вище стандарт поширюється на прямобічні шліцьові з’єднання валів із зубчастими колесами, муфтами та іншими деталями. Разом з тим стандарт не поширюється на з'єднання валів зі шківами і паразитними шестернями та спеціальні шліцьові з’єднання, що застосовуються для компенсації перекосу або неспіввісності валів.

Розрахунок на зминання. Цьому розрахунку підлягають з'єднання зі зміцненими поверхнями /загартованими, цементованими/ в початковий період роботи до їх припрацювання і з'єднання без зміцнення робочих поверхонь або з покращеними поверхнями для періоду роботи після припрацювання. Враховуючи умову рівномірного розподілу навантаги між шліцами та по їх довжині, умова міцності із розрахунку на зминання буде

, (9.5)

де S_F = 0,5zhd_m - питомий /на одиницю довжини/ сумарний статичний момент площі робочих поверхонь; l - робоча довжина зубців; z - кількість шліців; d_m = 0,5(D+d) – середній діаметр; h = 0,5(D - d) – 2с - робоча висота прямобічних шліців; для евольвентних шліців h  m і d_m = zm, де m - модуль; - допустима середня напруга зминання, МПа.

Параметри поперечного розміру зубців залежно від діаметра вала вибирають за ГОСТ 1139. Розраховану довжину шліців l погоджують з довжиною маточини.

Допустимий середній тиск визначається залежністю

, (9.6)

де - границя плинності матеріалу шліців з меншою твердістю поверхні; n - коефіцієнт запасу міцності при розрахунку на зминання; n = 1,25...1,4/ менші значення для незагартованих робочих поверхонь невідповідальних з'єднань, більші - для загар­тованих робочих поверхонь і відповідальніших з’єднань/; K_д - коефіцієнт динамічності навантаги; k_д = t_max/t: при систематичній знакозмінній навантазі /реверсування без ударів/ k_д  2, при частому реверсуванні k_д  2,5, при дії рідкісних, епізодичних пікових навантагах на незагартовані поверхні у розрахунок вводиться зменшене значення T_max; K_зм - загальний коефіцієнт концентрації навантаги при розрахунку на зминання. Коефіцієнт K_зм=K_зK_пдK_п, де К_з - коефіцієнт нерівномірності розподілу навантаги між зубцями: якщо з'єднання навантажене тільки обертовим моментом, К_з = 1;

К_пд - коефіцієнт поздовжньої концентрації навантаги /по довжині з'єднання/; К_п - коефіцієнт, що враховує концентрацію, навантаги у зв'язку з похибками виготовлення; до припрацювання при високій точності виготовлення /похибки кроку зубців і непаралельність їх вісям вала і маточини менше 0,02 мм/ К_п=1,1...1,2; при значно нижчій точності виготовлення К_п=1,3...1,6, після припрацювання К_п=1; К_пд=К_зк , де К_зк - коефіцієнт навантаги від закручування вала.

Допустимі середні тиски із розрахунку на зминання визначаються методикою згідно з ГОСТ 21425 з урахуванням концентрації навантаги, точності виготовлення і т.ін.

Висновок: залежність /9.6/ дає можливість здійснити перший етап проектування, за якого знаходиться досить наближене значення l і розробляється конструкція з'єднання. Після цього уточнюються d і l за критерієм стійкості проти спрацювання.

Розрахунок на спрацювання. Він здійснюється за умовою

, (9.7)

де - допустима середня напруга при розрахунку на стійкість проти спрацювання, МПа; К - узагальнений коефіцієнт експлуатації, величина якого

К = К_N/(К_пн · К_вс · К_зм), (9.8)

де К_N = - коефіцієнт числа циклів навантаги зубців з’єднання за повний термін служби: N = tn /тут t, год; n, с¹/; К_пн - коефіцієнт змінності навантаги, який враховує вплив непостійності навантаги в процесі експлуатації; К_вс - коефіцієнт осьової рухомості з’єднання; К_вс = 1 - нерухоме, К_вс = 1,25 - рухоме без навантаги; К_вс = 3 - рухоме під навантагою; К_зм - коефіцієнт умов змащення рухомих з’єднань, К_зм = 0,7 – змащення без забруднення, К_зм = 1 -середнє змащення, К_зм = 1,4 - змащення із забрудненням.