Шлицевое соединение диаметр вала

Детали машин

Шлицевые соединения

Характеристика шлицевых соединений

Шлицевое соединение образуют выступы (зубья) на валу (рис. 1, 2, 3) , входящие в соответствующие впадины (шлицы) в ступице.
Рабочими поверхностями являются боковые стороны выступов.
Выступы на валу выполняют фрезерованием, строганием или накатыванием в холодном состоянии профильными роликами по методу продольной накатки. Впадины в отверстии ступицы изготовляют протягиванием или долблением.

Условно можно представить шлицевое соединение, как многошпоночное соединение, у которого шпонки выполнены как одно целое с валом.

Основное назначение шлицевых соединений — передача вращающего момента между валом и ступицей. При этом ступица может быть закреплена на колесе, фланце, шкиве, ролике или другом валу (карданный вал) .
Шлицевые соединения стандартизованы и широко распространены в машиностроении.

Достоинства шлицевых соединений по сравнению со шпоночными:

  • Способность точно центрировать соединяемые детали или точно выдерживать направление при их относительном осевом перемещении.
  • Меньшее число деталей соединения (шлицевое соединение образуют две детали, шпоночное – три) .
  • Большая несущая способность вследствие большей суммарной площади контакта.
  • Взаимозаменяемость (нет необходимости в ручной пригонке) .
  • Большая усталостная прочность вследствие меньшей концентрации напряжений изгиба, особенно для эвольвентных шлицев.
  • Меньшая длина ступицы и меньшие радиальные зазоры.
  • Большая надежность при динамических нагрузках.

Недостатки шлицевых соединений — более сложная технология изготовления (зубофрезерование, протягивание, шлифование) , а следовательно, более высокая стоимость.

Классификация шлицевых соединений

Шлицевые соединения различают:

  • по характеру соединения — неподвижные для закрепления детали на валу; подвижные, допускающие перемещение вдоль вала (например, блока шестерен коробки передач; шпинделя сверлильного станка, карданного вала автомобиля) ;
  • по форме выступов — прямобочные, эвольвентные, треугольные.
Шлицевые соединения с прямобочным профилем

Соединения с прямобочным профилем (рис. 1,а) применяют в неподвижных и подвижных соединениях. Они имеют постоянную толщину выступов.

Стандарт предусматривает три серии соединений с прямобочным профилем: легкую, среднюю и тяжелую, которые различаются высотой и числом z выступов. Тяжелая серия имеет более высокие выступы с большим их числом; рекомендуется для передачи больших вращающих моментов.

Центрирование (обеспечение совпадения геометрических осей) соединяемых деталей выполняют по наружному D , внутреннему d диаметрам или боковым поверхностям b выступов.
Выбор способа центрирования зависит от требований к точности центрирования, от твердости ступицы и вала. Первые два способа обеспечивают наиболее точное центрирование.
Зазор в контакте поверхностей: центрирующих — практически отсутствует, не центрирующих — значительный.

Центрирование по наружному диаметру D (рис. 2,а) . В этом случае точность обработки сопрягаемых поверхностей обеспечивают: в отверстии — протягиванием, на валу – шлифованием. По диаметру D обеспечивают сопряжение по одной из переходных посадок.
По внутреннему диаметру d между деталями существует зазор.
При передаче вращающего момента на рабочих боковых сторонах действуют напряжения смятия σсм .

В соответствии с технологией обработки центрирующей поверхности в отверстии (протягивание) центрирование по наружному диаметру может быть применено при невысокой твердости ступицы (≤ 350 НВ) .

Центрирование по внутреннему диаметру d (рис. 2,б) .
Применяют при высокой твердости ступицы ( ≤ 45 HRC) , например, после ее закалки, когда затруднена калибровка ступицы протяжкой или дорном.
Точность обработки сопрягаемых поверхностей обеспечивают: в отверстии — шлифованием на внутришлифовальном станке, на валу — шлифованием впадины профилированными кругами, в соответствии с чем предусматривают канавки для выхода шлифовального круга.

По центрирующему диаметру d обеспечивают сопряжение по переходной посадке. Размер h площадки контакта определяют так же, как и при центрировании по наружному диаметру.

Центрирование по D или d применяют в соединениях, требующих высокой соосности вала и ступицы (при установке на валы зубчатых или червячных колес в коробках передач автомобилей, в станках, редукторах; а также при установке шкивов, звездочек, полумуфт на входных и выходных концах валов) .

Центрирование по боковым поверхностям b (рис. 2,в) . В сопряжении деталей по боковым поверхностям зазор практически отсутствует, а по диаметрам D и d имеет место явный зазор. Это снижает точность центрирования, но обеспечивает наиболее равномерное распределение нагрузки между выступами.
Поэтому центрирование по боковым поверхностям b применяют для передачи значительных и переменных по значению или направлению вращающих моментов, при жестких требованиях к мертвому ходу и при отсутствии высоких требований к точности центрирования: например, шлицевое соединение карданного вала автомобиля.

Шлицевые соединения с эвольвентным профилем

Соединения с эвольвентным профилем (рис. 1,б) применяют в неподвижных и подвижных соединениях. Боковая поверхность выступа очерчена по эвольвенте (как профиль зубьев зубчатых колес) .
Эвольвентный профиль отличается от прямобочного повышенной прочностью в связи с утолщением выступа к основанию и плавным переходом в основании.
Соединения обеспечивают высокую точность центрирования; они стандартизованы — за номинальный диаметр соединения принят наружный диаметр D .

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. Шлицевые соединения с эвольвентным профилем шлицев считаются наиболее перспективными.

Применяют центрирование по боковым поверхностям S зубьев, реже — по наружному диаметру D .

Шлицевые соединения с треугольным профилем

Соединения с треугольным профилем (рис. 1,в) изготовляют по отраслевым нормалям. Применяют в неподвижных соединениях. Имеют большое число мелких выступов–зубьев ( z = 20. 70; т = 0,2. 1,5мм) . Угол β профиля зуба ступицы составляет 30°, 36° или 45°. Применяют центрирование только по боковым поверхностям, точность центрирования невысокая.

Применяют для передачи небольших вращающих 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) .

Соединения с треугольным профилем применяют также при необходимости малых относительных регулировочных поворотов деталей. Шлицевые валы и ступицы изготовляют из среднеуглеродистых и легированных сталей с временным сопротивлением σв > 500МПа .

Материалы и допускаемые напряжения смятия

Шлицевые валы и ступицы изготовляют из среднеуглеродистых и легированных сталей с временным сопротивлением σв > 500 Н/мм 2 (МПа).
В Таблице 1 приведены значения [σ]см , принятые с учетом опыта эксплуатации при длительном сроке службы. Большие значения [σ]см принимают при легких режимах работы, когда соединение большую часть времени нагружено моментами, значительно меньшими максимально длительно действующего вращающего момента.

Таблица 1 . Допускаемые напряжения смятия при средних условиях эксплуатации

Конструктивные элементы, таблицы

2 – без головки с закругленными торцами;

3 – без головки с плоскими торцами; 4 – без головки с одним торцом закругленным, а другим – плоским.

Длина паза на валу для закладной шпонки (исполнения 2, 3 и 4) равна длине шпонки, так как вначале эта шпонка закладывается в паз, а затем втулка (ступица) надвигается на вал и шпонку. Паз на валу для клиновой забивной шпонки с головкой (исполнение 1) выполняют длиной, равной двойной длине шпонки, так как забивную шпонку устанавливают тогда, когда ступица уже насажена на вал. Клиновые шпонки в отличие от призматических шпонок создают напряженное шпоночное соединение.

На рисунке 70 и в таблице П 19 приведены размеры сегментных шпонок и шпоночных пазов по ГОСТ 24071 – 97. Сегментные шпонки по назначению аналогичны призматическим шпонкам и применяются при коротких ступицах колёс. Шпонку выполняют в виде сегмента , что обеспечивает технологичность изготовления шпоночного паза на валу путем фрезерования дисковой фрезой . Относительно большая глубина шпоночного паза уменьшает прочность вала, поэтому сегментные шпонки применяют для передачи небольших крутящих моментов или только лишь для фиксации элементов шпоночного соединения.

Читайте также  Элементы коленчатого вала двс

Нанесение размеров . На чертежах деталей шпоночных соединений с призматическими шпонками (рисунок 69 а , в , г ) следует наносить сле-

дующие размеры: а) длину l шпоночного паза ; б) ширину b шпоночного паза вала и ступицы ; в) глубину пазов: на валу – размер t 1 (предпочти-

тельный вариант, рисунок 69 а ) и в ступице – размер d+t 2 (рисунок 69 г );

г) диаметры вала и отверстия ступицы .

Допускается наносить в качестве справочного размера радиус закругления паза R * (для выбора радиуса фрезы). Радиус сопряжения дна паза с боковыми гранями указывают только для ответственных шпоночных соединений.

Пазы не доводят до торца вала (см. рисунок 69) на расстояние К = 3…5 мм при d ≤ 30 мм и К = 5…7 мм при d ≥ 30 мм.

Размеры пазов для клиновых, сегментных шпонок указывают с учетом конструктивных особенностей шпонок каждого вида (см. рисун-

Шлицы – равномерно расположенные продольные выступы и впадины на валу или в отверстии для соединения деталей в целях передачи вращательного движения и усилий.

Аксонометрическое изображение вала со шлицами показано на рисунке 71.

Шлицы обеспечивают соединение, которое можно рассматривать как многошпоночное.

Шлицевое соединение при одинаковом диаметре вала может передавать больший крутящий момент по сравнению со шпоночным соединением.

Различают шлицы прямобочного (ГОСТ 1139 — 80), эвольвентного (ГОСТ 6033 — 80), треугольного профилей .

Чтобы показать на чертеже форму шлицев, обычно применяют поперечное сечение вала.

Шлицевая часть сечения вала с прямобочными шлицами показана на рисунке 72 а , а сечение вала с эвольвентными и треугольными шлицами – соответственно на рисунках 72 б , 72 в .

При изображении шлицев следует обратить внимание на такие особенности:

а) в сечениях для упрощения показывают не все шлицы (зубья), а

только один зуб и две впадины (рисунок 73);

б) на главном виде линию диаметра впадин шлицев проводят сплошной тонкой линией , которая в местном разрезе переходит в сплошную толстую основную линию;

в) изображение на чертеже шлицевой части эвольвентного или

треугольного профилей отличается наличием штрихпунктирной тон-

кой линии делительной поверхности (рисунок 73 б );

г) границу шлицевой поверхности вала, а также границу между зубьями полного профиля и сбегом шлицев показывают сплошной тон-

Для обозначения шлицевой части вала необходимо знать форму (профили) шлицев, способ (поверхность) центрирования шлицевого соединения, количество и размеры шлицев.

Для шлицев прямобочного профиля (ГОСТ 1139 — 80) применяют-

ся три способа центрирования :

по наружному диаметру D (рисунок 74 а );

по внутреннему диаметру d (рисунок 74 б );

по боковым сторонам зубьев b (рисунок 74 в ).

Структура обозначения шлицевой части вала прямобочного профиля:

Например, для вала с прямобочными шлицами: Z = 6 ; d = 23 мм;

D = 26 мм; b = 6 мм (см. рисунок 74) имеем при центрировании:

по D: D – 6 x 23 x 26 x 6 ; по d: d – 6 х 23 х 26 х 6 ; по b: b – 6 х 23 х 26 х 6 .

Примечание . Полное обозначение должно содержать ещё и информацию о полях допусков , однако эта информация из учебных соображений здесь не приводится.

Размеры прямобочных шлицевых соединений стандартизованы. В таблице 6 выборочно приведены основные параметры прямобочных шлицевых соединений легкой, средней и тяжелой серий по ГОСТ 1139 – 80

Таблица 6 — Основные параметры прямобочных шлицевых соединений

Шлицевое соединение диаметр вала

Шлицевые соединения. Расчет на прочность

Боковые поверхности зубьев шлицевого соединения работают на смятие, а основа­ние их — на изгиб и срез.

Для применяемых соотношений эле­ментов шлицевых соединений основным является расчет на смятие:

10 3 T max φFl r CP ≤[ σ CM ]

где Тmах — наибольший допустимый вращающий момент, передаваемый соединением, Н·м ; φ = (0,7…0,8) — коэффициент, учитывающий неравномерность распределения нагрузок по рабочим поверхностям зубьев; обычно принимают φ=0,75; F — площадь всех боковых поверхностей зубьев с одной стороны на 1мм длины, мм 2 /мм; F = z D B — d a 2 — f + r для прямобочных (прямоугольных) зубьев; здесь z — число зубьев; Dв — наружный диаметр зубьев вала, мм; da — диаметр от­верстия шлицевой втулки, мм; f- размер фаски, мм; r — радиус закругления, мм; F = 0,8mzдля эвольвентных зубьев; m- модуль, мм; F = ( D в — da )/2 для треугольных зубьев; l — рабочая длина зуба, мм; rср = ( Dв + da )/4 для прямобочных (прямоугольных) зубьев; rср = 0,5daдля эвольвентных и треуголь­ных зубьев; [ σсм ] — допускаемое напряжение на смятие, МПа (табл. 40).

40. Допускаемые напряжения на смятие боковых поверхностей зубьев шлицевых соединений

эксплуатации

Специальная термообработка рабочих поверхностей зубьев

не производится

производится

Подвижное без нагрузки

Подвижное под нагрузкой

a — тяжелые условия эксплуатации: нагрузка знакопеременная с ударами в обоих направлени­ях; вибрации большой частоты и амплитуды; условия смазки (для подвижных соединений) плохие; небольшая твердость деталей соединения; невысокая точность соосности ступицы и вала, б — средние условия эксплуатации; в — легкие условия эксплуатации.

Рис. 26. Номограмма для определения параметров зубчатых (шлицевых) эвольвентных соединений

Испытание на скручивание вала с пря­моугольными зубьями и плоским дном впадины показывает, что его прочность эквивалентна прочности гладкого вала, диаметр которого несколько меньше внут­реннего диаметра шлицевого вала.

Практически шлицевый вал рассчиты­вают на прочность так же, как гладкий вал, диаметр которого равен внутреннему диа­метру шлицевого вала.

Для определения допускаемого вра­щающего момента по заданным параметрам или для определения параметров по задан­ному вращающему моменту в зубчатых (шлицевых) эвольвентных неподвижных соединениях для расчетов можно пользо­ваться номограммой (рис. 26).

Расчетная формула к номограмме:

T = φzFl r CP [ σ CM ]∙ 10 -3

где φ=0,75 — коэффициент, учитывающий неравномерность распределения сил по рабочим поверхностям зубьев; z — число зубьев; F= 0,8m; r ср = 0,5mz.

Допускаемые напряжения смятия [ σ см ]:

50,0МПа для поверхности с твердостью 240…300НВ; 120,0МПа для поверхности с твердостью ≥50HRC.

Условные изображения зубчатых валов, отверстий и их соединений. Окружности и образующие поверхностей выступов зубьев вала и отверстия показывают сплошными основными линиями.

Окружности и образующие поверхно­стей впадин на изображениях зубчатого вала и отверстия показывают сплошными тонкими линиями (рис. 27), при этом сплошная тонкая линия поверхности впа­дин на проекции вала на плоскость, парал­лельную его оси, должна пересекать линию границы фаски (см. рис. 29, 30)

Образующие поверхности впадин на продольных разрезах вала и отверстия по­казывают сплошными основными линиями (см. рис. 27, 31, 32).

На проекции вала и отверстия на плос­кость, перпендикулярную его оси, а также в поперечных разрезах и сечениях окружно­сти впадин показывают сплошными тонки­ми линиями (см. рис. 31, 32).

Делительные окружности и образующие делительных поверхностей на изображени­ях деталей зубчатых соединений показыва­ют штрихпунктирной тонкой линией (см. рис. 29, 32).

Границу зубчатой поверхности вала, а также границу между зубьями полного профиля и сбегом показывают сплошной линией (см. рис. 27, 30).

На изображениях, полученных проеци­рованием на плоскость, перпендикулярную оси зубчатого вала и отверстия, изображают профиль одного зуба и двух впадин.

Читайте также  Эпюра вала в редукторе

Допускается изображать большее число зубьев и впадин.

На этих изображениях фаски на конце зубчатого вала и в отверстии не показыва­ют.

Если секущая плоскость проходит через ось зубчатого вала и отверстия, то на разре­зах и сечениях валов зубья условно совме­щают с плоскостью чертежа и показывают нерассеченными (см. рис. 27), а на разрезах и сечениях отверстий впадин зубья условно совмещают с плоскостью чертежа (см. рис. 32).

При изображении зубчатого вала или отверстия в разрезе или сечении линии штриховки проводят:

в продольных разрезах и сечениях — до линий впадин (см. рис. 27, 31, 32);

в поперечных разрезах и сечениях — до линий выступов (см. рис. 27, 32).

Если секущая плоскость проходит через ось зубчатого соединения, то при его изо­бражении на разрезе покапывают только ту часть поверхности выступов отверстия, ко­торая не закрыта валом (рис. 33).

Шлицевое соединение

Использование шлицевого соединения — один из способов жесткой передачи крутящего момента.

Шлицы, по сравнению со шпоночным соединением обладают несколькими преимуществами — лучшей прочностью, точностью и технологичностью.

Шпонки необходимо подгонять, поэтому их рекомендуется применять в единичном или мелкосерийном производстве. Шлицы, в отличае от шпонок, взаимозаменяемы, и рекомендуется использовать в крупносерийном и массовом производстве.

Шлицы считаются более технологичным соединением, чем шпонка, внутренние шлицы изготавливают протягиванием, наружные — фрезерованием (червячными фрезами), долблением, строганием.

В технике применяются прямоугольные, треугольные, трапецеидальные, эвольвентные шлицы.

Наибольшее распространение получили прямоугольные шлицы.

Размер шлицев

Стандарт ГОСТ 1139-80 устанавливает размеры на прямоугольные шлицевые соединения, он регламентирует:

  • число зубьев шлицевого соединение;
  • наружный диаметр шлицев;
  • внутренний диаметр шлицев;
  • ширину зуба;
  • размеры скруглений, фасок;
  • предельные отклонения.

Исполнение 1 предназначено для валов средней и легкой серий. Валы исполнения 1 и 3 центрируются по внутреннему диаметру, исполнения 2 — по наружному диаметру и боковым поверхностям зубьев.

Размеры шлицев представлены в следующей таблице.

Обозначение шлицевого соединения

В обозначении шлицев указывается:

  1. буква, указывающая на поверхность центрирования, ри центрировании по наружному диаметру в начале обозначения указывается — D, по внутреннему диаметру — d, при центрировании по боковым поверхностям — b.
  2. число зубьев
  3. внутренний диаметр d (при надобности, с полем допуска)
  4. наружный диаметр D (с полем допуска на размер)
  5. ширина зуба b (с полем допуска на размер)

Если размер не является центрирующим, то допускается не указывать на него поле допуска.

Пример обозначения шлицев

Для составления конструкторской документации обозначим вал с центрированием по внутреннему диаметру d=36 мм, допуском f7, восемью шлицами, внутренним диаметром D=40 мм с допуском a11, шириной зуба 7 мм с допуском f9.

Для втулки этого же шлицевого соединения обозначение будет выглядеть следующим образом:

Курс «Детали машин». Расчет на прочность

Шлицевое соединение образуют выступы — зубья на валу и соответствующие впадины — шлицы в ступице (рис. 8.1, а — в). Рабочими поверхностями являются боковые стороны зубьев. Зубья вала фрезеруют по методу обкатки (см. § 11.7) или накатывают в холодном состоянии профильными роликами по методу продольной накатки. Шлицы отверстия ступицы изготовляют протягиванием.

Рис. 8.1. Прямобочные шлицевые соединения

Шлицевые соединения стандартизованы и широко распространены в машиностроении.

Достоинства шлицевых соединений по сравнению со шпоночными: 1. Лучшее центрирование соединяемых деталей и более точное направление при их относительном осевом перемещении. 2. Меньшее число деталей соединения: шлицевое соединение образуют две детали, шпоночное— три, четыре. 3. При одинаковых габаритах возможна передача больших вращающих моментов за счет большей поверхности контакта. 4. Большая надежность при динамических и реверсивных нагрузках. 5. Большая усталостная прочность вследствие меньшей концентрации напряжений изгиба, особенно для эвольвентных шлицев. 6. Меньшая длина ступицы и меньшие радиальные размеры.

Недостатки — более сложная технология изготовления, а следовательно, и более высокая стоимость.

8.2. Разновидности шлицевых соединений

Шлицевые соединения различают:

по характеру соединения — неподвижные для закрепления детали на валу (рис. 8.1); подвижные, допускающие перемещение вдоль вала (например, блока шестерен коробки передач, см. рис. 8.3);

Рис. 8.2. Эвольвентное (а) и треугольное (б) шлицевые соединения

по форме зубьев — прямобочные (рис. 8.1), эвольвентные (рис. 8.2, а), треугольные (рис. 8.2, б);

по способу центрирования (обеспечения совпадения геометрических осей) ступицы относительно вала — с центрированием по наружному диаметру D (см. рис. 8.1, а), по внутреннему диаметру d (см. рис. 8.1, б) и по боковым поверхностям зубьев (рис. 8.1, в и 8.2). Зазор в контакте центрирующих поверхностей практически отсутствует, нецентрирую-щих — значительный.

Соединения с прямобочным профилем зубьев (см. рис. 8.1). Применяют в неподвижных и подвижных соединениях; имеют постоянную толщину зубьев, выполняют с различными способами центрирования.

В соединениях, требующих высокой соосности вала и ступицы (соединение зубчатого или червячного колеса с валом), применяют центрирование по одному из диаметров. Наиболее технологично центрирование по наружному диаметру, которое рекомендуют при твердости внутренней поверхности ступицы до 350 НВ. Калибровку центрирующих поверхностей ступицы выполняют протягиванием, а вала — шлифованием.

Центрирование по внутреннему диаметру рекомендуют при высокой твердости материала ступицы (свыше 350 НВ), когда калибровка отверстия протяжкой невозможна. В этом случае центрирующие поверхности ступицы и вала доводят шлифованием.

Центрирование по боковым поверхностям не обеспечивает соосности вала и ступицы, но более равномерно распределяет нагрузку между зубьями. Рекомендуют для передачи больших переменных и ударных нагрузок (карданные валы автомобилей, см. рис. 30.7, и др.).

Стандарт предусматривает три серии соединений с прямобочным профилем зубьев: легкую, среднюю и тяжелую (табл. 8.1), которые различаются высотой и числом зубьев z-

Тяжелая серия имеет более высокие зубья с большим числом их. Рекомендуется для передачи больших вращающих моментов.

Соединения с эвольвентным профилем зубьев (см. рис. 8.2, а). Применяют в неподвижных и подвижных соединениях. Боковая поверхность зуба очерчена по эвольвенте (как профиль зубьев зубчатых колес, см. § 11.2). К основанию зуб утолщается. Геометрические параметры соединения рассчитывают по модулю т. Соединения стандартизованы (табл. 8.2).

Их выполняют с центрированием по боковым поверхностям зубьев (рис. 8.2, а), реже — по наружному диаметру.

Таблица 8.1. Соединения шлицевые прямобочные (выборка)