9.3 Шлицевые (зубчатые) соединения

9.3.1 Общая характеристика

Шлицевые соединения используют для соединения вала со ступицей. Шлицы – это выступы на валу, которые входят в соответствующие пазы ступицы.

К достоинствам шлицевых соединений относятся: детали лучше центрируются на валах и имеют лучшее направление при осевом перемещении; прочность соединения, особенно при динамических нагрузках, повышается за счёт увеличения суммарной длины рабочих поверхностей зубьев по сравнению со шпоночными соединениями; равномерное распределение нагрузки по окружности вала.

К недостатку шлицевого соединения относится – много переходов сечений (острых углов), вызывающих концентрацию напряжений, что снижает прочность шлицев.

Шлицевые соединения применяются в тяжелонагруженных машинах (автотракторные агрегаты, станкостроение, авиастроение и т. д.).

Конструкции шлицевых соединений делятся по форме профиля зуба (шлица). В соответствии с этим и в зависимости от способа центрирования различают следующие виды шлицевых соединений: прямобочные (рис. 9.8); эвольвентные (рис. 9.9); треугольные (рис. 9.10).

Для прямобочных шлицев центрирование по ширине шлица b обеспечивает более равномерное распределение нагрузки между шлицами, но не даёт точной соосности ступицы и вала. Применяется при передаче больших крутящих моментов, где не требуется точности центрирования (например, агрегаты автомобиля). Центрирование по наружному D и внутреннему d диаметрам обеспечивает точное центрирование ступицы и вала. Применяется в ответственных соединениях, где требуется точное совпадение геометрических осей соединяемых деталей.

а) б) в)

Рис. 9.8. Шлицы с прямобочным профилем:

а – с центрированием по ширине шлица b; б – с центрированием по наружному диаметру D; в – с центрированием по внутреннему диаметру d

а) б) Рис. 9.9. Шлицы с эвольвентным профилем: а – с центрированием по ширине шлица S; б – с центрированием по наружному диаметру D

Рис. 9.10. Шлицы с треугольным профилем

Эвольвентные шлицы изготавливают с центрированием по боковым сторонам S и наружному диаметру D. По сравнению с прямобочными более прочны, просты и дешевы в изготовлении. Треугольные шлицы применяют в качестве неподвижного соединения при передаче небольших моментов. Центрирование только по боковым сторонам S. Применяются так же как конические с конусностью 1:16.

9.3.2 Расчёт и конструирование

Длина шлицев равна длине ступицы. Размеры шлицев (ширина и фаска) и их число z определяются по соответствующему стандарту в зависимости от диаметра вала d, где они расположены. Стандартом предусмотрены три серии шлицев с прямобочными зубьями: лёгкая, средняя и тяжёлая в зависимости от режима их работы.

После определения размеров и длины шлицев производится проверочный расчёт их прочности по напряжениям смятия _см (рис. 9.11).

Расчётные напряжения смятия _см для прямобочных шлицев рассчитываются по формуле:

, (9.12)

где T – передаваемый крутящий момент, Нмм; l – длина шлицев, мм;

h – рабочая высота шлица, мм; h = 0,5(D – d) – f; f – фаска, мм;

d_c – средний диаметр шлица, мм; d_c=0,5(D+d) – для прямобочных; z – число шлицев;  – коэффициент неравномерности распределения нагрузки между шлицами,  = 0,7÷0,8.

Рис. 9.11. К расчёту прочности шлицевого соединения

Шлицевые соединения с эвольвентными шлицами (рис. 9.12) более прочны и технологичны в изготовлении по сравнению с прямобочными. Для эвольвентных шлицев напряжения _см определяют по формуле

, (9.13)

где D – наружный (номинальный) диаметр, мм; m – модуль, мм.

Допускаемые напряжения для шлицевых соединений определяются в зависимости от режима работы, вида соединения и термообработки.

Рис. 9.12. Расчётная схема эвольвентного шлицевого соединения