Основы проектирования машин / ГЛАВА 4.2.5 ШЛИЦЕВЫЕ (ЗУБЧАТЫЕ) СОЕДИНЕНИЯ

ГЛАВА 4.2.5 ШЛИЦЕВЫЕ (ЗУБЧАТЫЕ) СОЕДИНЕНИЯ.

Шлицевые соединения используются в условиях крупносерийного и массового производства. Они способны передать гораздо большую нагрузку по сравнению со шпоночными. Соединения этого типа образуются выступами на валу и впадинами на ступице. При этом передача момента вращения обеспечивается зацеплением. Шлицевые соединения технологичны. Их недостатком является наличие большой концентрации напряжений у основания зуба.

По форме выступа (зуба) различают три типа шлицевых соединений:

•прямобочные (рис. 4.2.21a);

•эвольвентные (рис. 4.2.21b);

•треугольные (рис. 4.2.21c).

Рис. 4.2.21

а) Соединение с прямобочными зубьями (прямобочное шлицевое) представляет собой многошпоночное соединение, выполненное как единое целое с валом. Соединение такого типа является наиболее распространенным в практике проектирования. Оно используется как для неподвижного соединения деталей, так и для случая, когда необходимо обеспечить относительное перемещение элементов соединения (подвижное соединение).

По нагрузочной способности прямобочные шлицевые соединения можно разделить на три серии: легкую, среднюю и тяжелую. Центрирование производится одним из следующих способов: по наружному диаметру, по внутреннему и по боковой поверхности. При этом соединение имеет минимальный зазор по тем поверхностям, по которым осуществлено центрирование, а другие участвующие в сопряжении поверхности имеют гарантированный зазор. Тот или иной тип центрирования выбирается исходя из технологических соображений и зависит от назначения соединения. Наибольшее распространение получили прямобочные шлицевые соединения, центрируемые по наружному диаметру.

Рис. 4.2.22

Прямобочные шлицевые соединения характеризуются числом шлицев z , а также внутренним d и

наружным D диаметрами шлицев и размером фаски f (рис. 4.2.22). Геометрические размеры таких соединений стандартизованы и приводятся в справочной литературе.

b) Соединение эвольвентными зубьями (эвольвентное шлицевое) характеризуется тем, что боковая поверхность зуба и впадины очерчена участком эвольвенты. Этот тип соединения имеет более высокую прочность на изгиб и меньшую концентрацию напряжений у основания зуба, и, как следствие, обладает большей нагрузочной

способностью при переменных режимах нагружения по сравнению с прямобочным шлицевым. Эвольвентное соединение технологично, так как оно изготавливается на стандартном зуборезном оборудовании. Как и зубчатые

колеса, шлицевое соединение характеризуется числом зубьев z и модулем m . Угол зацепления эвольвентного

шлицевого соединения в большинстве случаев выше, чем у обычного зубчатого, и доходит до 300 . По сравнению с зубчатым зацеплением высота шлица существенно меньше и принимается равной модулю. Центрирование в

этом случае выполняется, как правило, по боковой поверхности. Геометрические размеры эвольвентных шлицев стандартизованы.

c) Соединение треугольными зубьями используется в случае малых нагрузок (преимущественно в

приборостроении). Зубья обычно изготавливаются мелкомодульными с углом при вершине 600 . Центрирование таких зубьев производится по боковой поверхности.

Основной причиной разрушения шлицевого соединения является появление пластических деформаций на боковой поверхности шлицев, т. е. их смятие. По характеру разрушения шлицевые соединения аналогичны шпоночным. Вообще говоря, шлицевое соединение можно рассматривать как многошпоночное с числом шпонок,

равным z . Вследствие этого проектировочный расчет шлицевых соединений аналогичен расчету шпоночных. При этом предполагается, что каждый из шлицев воспринимает одинаковую по величине нагрузку, которая равномерно

распределена по его длине. Такой упрощенный подход к расчету шлицевого соединения приводит к простейшим аналитическим зависимостям, но имеет малую точность, что вынуждает значительно увеличивать значение коэффициента запаса. Разумеется, в действительности распределение давлений по длине шлица зависит от многих факторов: погрешностей изготовления шлицев, вида внешней нагрузки и точки ее приложения, геометрии деталей сопряжения и т. д. Более точную картину такого распределения можно получить, решая контактную задачу

методом конечных элементов, но при этом расчет сильно усложняется. Однако в случае, когда длина шлица l

удовлетворяет условию l ≤1,5d , допустимо учитывать неравномерность давления коэффициентом

концентрации ψ , равным ψ = 0,7 ÷0,8 .

Очевидно, что расчет на сопротивление пластическому деформированию не зависит от типа шлицевого соединения, и при принятых допущениях условие прочности может быть записано в виде

где σc - нормальные напряжения в контакте; dm - средний диаметр соединения; h - высота шлица, участвующая в контакте. Эти геометрические размеры шлица вычисляются в зависимости от типа шлицевого

соединения. Например, для прямобочных шлицев

координат рассматриваемой точки на шлице приводит к тому, что в результате фактические напряжения оказываются существенно больше средних. Это обстоятельство можно учесть, если уменьшать допускаемые напряжения, увеличивая при этом коэффициенты запаса. Рекомендованные значения допускаемых напряжений

σac (в МПа) приведены в таблице 4.2.5.

Таблица 4.2.5: Допускаемые напряжения σac для неподвижных шлицевых соединений

В случае подвижного соединения величины допускаемых давлений уменьшают в два раза.