56. Шлицевые соединения: виды центрирования прямобочных шлицевых соединений, расчет на прочность и меры повышения прочности шлицевых соединений.

Шлицевые соединения стандартизированы и широко распространены в машиностроении. Они образуются выступами (зубьями) на валу, входящими в соответствующие впадины (шлицы) в ступице. Эти соединения можно рассматривать как многошпоночные, у которых шпонки выполнены как единое целое с валом.

Шлицевые со­единения имеют значительные преимущества перед шпоночными по про­чности, технологичности и точности. Повышенная прочность шлицевых соединений обусловлена тем, что: элементы, передающие вращающий момент, выполнены заодно с валом; соединение имеет меньшее число деталей (всего две детали – вал и ступица, а в шпоночном соединении – три детали: вал, ступица и шпонка); в соединении лучшее центрирование вала и ступицы; число элементов, передающих вращающий момент, больше 4 зубьев; обладает большей усталостной прочностью на изгиб зубьев вала (особенно в эвольвентном шлицевом соединении).

Размеры прямобочных шлицевых соединений бывают трёх серий: легкой, средней и тяжелой (с числом зубьев на валу Z = 6…20 и наружным диаметром вала D = 14…125 мм). При переходе от лёгкой серии к средней и к тяжелой увеличивается наружный диаметр вала D и число зубьев Z на валу (при одном и том же размере внутреннего диаметра d) следующим образом: Zл = Zc < Z_T; b л = b c > b _T, D_Л < Dc = D_T.

Это приводит к росту нагрузочной способности соединения за счет увеличения поверхности, передающей вращающий момент.

Рис. 6.1. Прямобочные шлицевые соединения: а – центриро­вание по d; б – центрирование D; в – центри­рование по ширине шлица b.

Центрирование (соосное положение) вала и ступицы в соединениях возможно: 1)по наружному диаметру соединения D при твёрдости ступицы Н < 350НВ (см. рис. 6.1, б); 2)по внутреннему диаметру d при твёрдости ступицы Н > 40HRC (см. рис. 6.1, а); 3)по ширине зубьев b при реверсивной работе соединения или при переменной нагрузке на него (см. рис. 6.1, в).

Наибольшее распространение получило центрирование по наружному диаметру D или по внутреннему диаметру d. Соединения тяжелой серии преимущественно используют в тяжелонагруженных тихоходных узлах. При центрировании по d и D центрирующие поверхности обрабатывают как посадочные, а по не центрирующим поверхностям выполняют значительные зазоры. Наиболее точно и просто центрирование соединения по наружному диаметру. Центрирование по внутреннему диаметру применяют при высокой твердости ступицы (Н > 40HRC). Центрирование по боковым граням шлицев обеспечивает высокую нагрузочную способность соединения при низкой соосности деталей. Благодаря отсутствию зазоров по ширине шлица этот вид центрирования используют в тяжелонагруженных соединениях, подверженных реверсивным динамическим нагрузкам.

Например, ус­ловное обозначение прямобочного шлицевого соединения с центрированием по наружному диаметру: числом зубьев Z = 8, внутренним диаметром d = 42 мм, наружным диаметром D = 46 мм и шириной зуба b= 8 мм, посадками по наружному диаметру Н7/Js6 и посадкой по ширине зуба – D9/j_S7: D – 8 × 42 × 48 Н7/Js6 × 8 D9/j_S7 ГОСТ 1139-80.

Расчет шлицевых соединений. Основные размеры шлицевого соединения: наружный диаметр D и длину l шлицевого участка задают при конструировании. Обычно для неподвижных соединений l > 1,5D, так как при большей длине существенно возрастают неравномерность распределения нагрузки по длине зуба и трудоемкость изготовления. Шлицевые соединения чаще всего выходят из строя по двум при­чинам: 1) из-за повреждения боковых поверхностей зубьев вала и 2) из-за усталостного разрушения вала. Поэтому после конструирования соединения зубья вала подвергают проверке на прочность по напряжениям смятия, а вал – расчету на усталостную прочность по внутреннему диаметру соединения.

Расчет зубьев вала выполняют при допущениях: а) высота зубьев мала по сравнению с диаметром вала; б) передава­емый крутящий момент между зубьями соединения распределяется равномерно.Условие прочности зубьев вала по напряжениям смятия имеет вид: (6.1) где σ_CM, [σ_CM] – фактические и допускаемые напряжения смятия на рабочих поверхностях зубьев, МПа; Т – передаваемый кру­тящий момент, Н^.мм; Z – число зубьев в соединении; h, l_p – высота и длина рабочей поверхности одного зуба вала, мм; ψ – коэффициент неравномерности распределения нагрузки вдоль зуба, ψ = 0,7…0,8; d_CР – средний диаметр соедине­ния, мм.

Входящие в ф. (6.1) параметры h, и d_CР определяют в зависи­мости от типа соединения и вида его центрирования (табл.)

Прямобочные шлицевые соединения	Эвольвентные шлицевые соединения
dCР = 0,5(D + d), h =0,5(D – d) – 2c	При центрировании по b: dCP = d = m .Z; h = m
	При центрировании по D: dCP = d = m .Z; h = 0.9m

Разрешается превышение расчетных напряжений по отношению к допускаемым не более 5%. Если проверочный расчет показал перегрузку зубьев (шлицев) по напряжениям смятия более 5%, то необходимо: -увеличить рабочую длину соединения (но не более 1,5d ), -изменить термообработку рабочих поверхностей деталей соединения, -увеличить внутренний диаметр d соединения, -затем повторить проверочный расчет.

По ф. (6.1) можно выполнять проектировочный расчет шлицевого соединения: после выбора основных размеров соединения по внутреннему диаметру d вычисляют рабочую длину l_p по зависимости: Если в результате расчета получится l_p более 1,5d, то необходимо перейти к большему внутреннему диаметру соединения или другому типу соединения вала со ступицей.

Проверочный расчет на изнашивание для прямобочных шлицевых соединений регламентирован ГОСТ 21425 – 75.

Меры повышения прочности. В связи с работой в условиях изнашивания нужно раб.поверх-ти упрочнять. В ответ-х соед-х применяют поверх-ую закалку с нагревом ТВЧ, цементацию или нитроцементацию с закалкой, азотирование. Сопряженные поверх-ти упрочняют также или из-за технолог-их трудностей подвергают улучшению. В ответственных соед-х желательно шлицы располагать по длине симметрично относительно венцов иначе возможен перекос зубьев.

56. шлицевые соединения: виды, технология изготовления, область применения каждого вида. расчет на прочность и меры повышения прочности шлицевых соединений. почему шлицевое соединение прочнее шпоночного (при равных диаметрах валов).

Шлицевые соединения образуются выступами - зубьями на валу, ходящими во впадины соответствующей формы в ступице. Вал и отверстие в ступице обрабатывают так, чтобы боковые поверхности зубьев или участки цилиндрических поверхностей (по внутреннему или наружному диаметру зубьев) плотно прилегали друг к другу. Соответственно различают шлицевые соединения с центрированием по боковым поверхностям зубьев, по внутреннему или наружному диаметру. Центрирование по диаметрам обеспечивает более высокую соосность вала и ступицы, а центрирование по боковым граням обеспечивает более равномерное распределение нагрузки по зубьям. По характеру соединения различают: неподвижные – для закрепления детали на валу; подвижные - допускающие перемещение детали вдоль вала (например, блока шестерен коробки передач станка). В зависимости от профиля зубьев различают три основных типа соеди­нений: - с прямобочными зубьями - число зубьев Z = 6, 8, 10, 12; - с эвольвентными зубьями - число зубьев Z = 12, 16 и более; - с треугольными зубьями - число зубьев Z = 24, 36 и более. Зубья на валу фрезеруют, а в ступице — протягивают на специальных станках.

Современные методы обработки шлицев ступицы (протягивание, шлифование центрирующих поверхностей) и зубьев вала (фрезерование червячными фрезами, строгание долбяками, наружное протягивание, накатка в холодном состоянии профильными роликами, шлифование центрирующих поверхностей) обеспечивают высокую точность и взаимоза­меняемость шлицевых деталей.

Наибольшее распространение в маши­ностроении имеют прямобочные зубчатые соединения. Их применяют в неподвижных и подвижных соединениях. Стандартом предусмотрены три серии прямобочных зубчатых со­единений — легкая, средняя и тяжелая, отличающиеся одна от другой вы­сотой и числом зубьев (чаще применяют соединения с шестью—десятью зубьями).

Соединения с эвольвентным профилем зубьев тоже стандартизованы и используются так же, как и прямобочные, в подвижных и неподвижных соединениях. Угол зацепления  = 30°. Ножка зуба усилена. Соединения выполняются с центрированием по боковым поверхностям зубьев, реже по наружному диаметру. По сравнению с прямобочными зубьями имеют повышенную прочность, лучше центрируют вал в ступице, позволяют применять типовые процессы зубонарезания. Эвольвентные шлицы создают меньшую концентрацию напряжений у основания шлица, поэтому в настоящее время получают преимущественное распространение. Рекомендуется для передачи больших вращающих моментов при повышенной точности центрирования.

Соединения с треугольным профилем зубьев применяют главным образом как неподвижные соединения. Имеют большое число мелких зубьев, поэтому мало ослабляют вал. Выполняются с центрированием по боковым поверхностям, не стандартизованы. Рекомендуются для тонкостенных ступиц, пустотелых валов, а также для передачи небольших вращающих моментов. Шлицевые соединения изготовляют из сталей с временным сопротивле­нием = 500 МПа.

Расчет шлицевых соединений. Основные размеры шлицевого соединения: наружный диаметр D и длину l шлицевого участка задают при конструировании. Обычно для неподвижных соединений l > 1,5D, так как при большей длине существенно возрастают неравномерность распределения нагрузки по длине зуба и трудоемкость изготовления. Шлицевые соединения чаще всего выходят из строя по двум при­чинам: 1) из-за повреждения боковых поверхностей зубьев вала и 2) из-за усталостного разрушения вала. Поэтому после конструирования соединения зубья вала подвергают проверке на прочность по напряжениям смятия, а вал – расчету на усталостную прочность по внутреннему диаметру соединения.

Расчет зубьев вала выполняют при допущениях: а) высота зубьев мала по сравнению с диаметром вала; б) передава­емый крутящий момент между зубьями соединения распределяется равномерно.Условие прочности зубьев вала по напряжениям смятия имеет вид: (6.1) где σ_CM, [σ_CM] – фактические и допускаемые напряжения смятия на рабочих поверхностях зубьев, МПа; Т – передаваемый кру­тящий момент, Н^.мм; Z – число зубьев в соединении; h, l_p – высота и длина рабочей поверхности одного зуба вала, мм; ψ – коэффициент неравномерности распределения нагрузки вдоль зуба, ψ = 0,7…0,8; d_CР – средний диаметр соедине­ния, мм.

Входящие в ф. (6.1) параметры h, и d_CР определяют в зависи­мости от типа соединения и вида его центрирования (табл.)

Прямобочные шлицевые соединения	Эвольвентные шлицевые соединения
dCР = 0,5(D + d), h =0,5(D – d) – 2c	При центрировании по b: dCP = d = m .Z; h = m
	При центрировании по D: dCP = d = m .Z; h = 0.9m

Разрешается превышение расчетных напряжений по отношению к допускаемым не более 5%. Если проверочный расчет показал перегрузку зубьев (шлицев) по напряжениям смятия более 5%, то необходимо: -увеличить рабочую длину соединения (но не более 1,5d ), -изменить термообработку рабочих поверхностей деталей соединения, -увеличить внутренний диаметр d соединения, -затем повторить проверочный расчет.

По ф. (6.1) можно выполнять проектировочный расчет шлицевого соединения: после выбора основных размеров соединения по внутреннему диаметру d вычисляют рабочую длину l_p по зависимости: Если в результате расчета получится l_p более 1,5d, то необходимо перейти к большему внутреннему диаметру соединения или другому типу соединения вала со ступицей. Проверочный расчет на изнашивание для прямобочных шлицевых соединений регламентирован ГОСТ 21425 – 75.

Меры повышения прочности. В связи с работой в условиях изнашивания нужно раб.поверх-ти упрочнять. В ответ-х соед-х применяют поверх-ую закалку с нагревом ТВЧ, цементацию или нитроцементацию с закалкой, азотирование. Сопряженные поверх-ти упрочняют также или из-за технолог-их трудностей подвергают улучшению. В ответственных соед-х желательно шлицы располагать по длине симметрично относительно венцов иначе возможен перекос зубьев.

Шлицевые со­единения имеют значительные преимущества перед шпоночными по про­чности, технологичности и точности. Повышенная прочность шлицевых соединений обусловлена тем, что: элементы, передающие вращающий момент, выполнены заодно с валом; соединение имеет меньшее число деталей (всего две детали – вал и ступица, а в шпоночном соединении – три детали: вал, ступица и шпонка); в соединении лучшее центрирование вала и ступицы; число элементов, передающих вращающий момент, больше 4 зубьев; обладает большей усталостной прочностью на изгиб зубьев вала (особенно в эвольвентном шлицевом соединении). Недостатки зубчатых соединений: требуют специального оборудования для изготовления отверстий, более сложная технология изготовления, а следовательно, и более высокая стоимость.