Расчет шлицевых сопряжений и размерных цепей

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

1.Введение. Общие сведения по применению шлицевых соединений. 

Введение

      Известно, что для передачи крутящего  момента можно создать неподвижную  пару: вал - отверстие, применив  посадку с натягом. Такое соединение  позволяет получить наилучшее  сопряжение с точки зрения  совпадения осей вала и отверстия.  Это, казалось бы, самое простое  решение требует высокой точности  при изготовлении пары, специальных  технологических методов сборки, ограничено расчётным уровнем  сил трения в области сопряжения, да и к тому же, как правило,  не может быть разобрано и  вновь собрано с сохранением  прежних характеристик.      Для обеспечения взаимной связи  возможно применение шпоночного  соединения, когда вал и отверстие  собираются с гарантированным  зазором, а, в предварительно  подготовленные пазы вводится  специальный элемент-шпонка. Такой  подход всегда приводит к тому, что оси вала и втулки не  совпадают, и кроме того, весь  крутящий момент передаётся через  одну шпонку, что создаёт повышенную  концентрацию напряжений  как на валу так и на втулке. Cтановится ясно, что хотелось бы получить технологически, реально  получаемое  соединение, хотя бы частично свободное от указанных недостатков. Такие конструкции получили название шлицевых соединений.

1.1 Назначение и применение

 

    Повышенные  требования к выпускаемой продукции   и возросшие технологические  возможности  позволили  применять  шлицевые соединения практически  во всех областях машиностроения  и приборостроения. Подтверждением тому служит автомобиль, создать качественную и надёжную коробку перемены передач для которого, без шлицевых соединения практически невозможно. Следует заметить, что именно  это соединение позволяет получать как подвижные, так и неподвижные пары при достаточно высокой соосности и необходимой прочности. Немало важно также, что только применение треугольных шлицевых соединений с небольшими модулями позволяет создавать лёгкие разборные соединения типа «труба в трубе ».

1.2 Терминология и  виды

   В машиностроении и приборостроении повсеместно  применяется термин «центрирование», который определяет точность расположения осей изделий поверхностей относительно друг друга. При проверке, всегда  ось одной из деталей  либо  общая ось в сборке принимается за базовую, а отклонение второй оси относительно базовой или обеих осей относительно общей базовой  оценивается.

Теоретически  улучшить характеристики шпоночного соединения можно введя две шпонки и более, но этого не делают, а применяют  другое соединение называемое шлицевым (рис1).

     Шлицевым называется разъёмное соединение отверстия и вала, когда на валу выполнены выступы определённой формы, а на поверхности отверстия впадины аналогичной формы и количества.

Деталь (охватываемая), на наружной поверхности которой изготовлены выступы, называется шлицевым валом.

Деталь (охватывающая), на внутренней поверхности которой изготовлены впадины, называется шлицевым отверстием.

      К шлицевым соединениям относятся  также и те, в которых соединение  производится по торцевым поверхностям ,вариант одного из них, с  треугольным зубом, показан на  рисунке 1. Однако, следует заметить, что такие соединения применяются  редко и ненормированы.

а.

                                     б.

 
 

 

в.

Рисунок 1. Виды шлицевых соединений:

 а) прямобочное шлицевое соединение, б) торцевое шлицевое соединение,

 в) шлицевое  соединение с  дополнительным  базированием.

 

        Для повышения соосности соединений применяют дополнительные вспомогательные поверхности и кольцевые вставки, что показано на рисунке 1в.

      Форма профиля выступов у вала и пазов  у втулки может быть различной, но наибольшее применение нашли прямобочные, эвольвентные и треугольные шлицевые соединения (рис.2). 

         

 

Рисунок 2.Форма профилей шлицевых соединений

 а-прямобочная, б-эвольвентная, в-треугольная

 

            
 

    Наибольшее  распространение  получили  шлицевые  соединения  с 

прямобочным  профилем  зуба,  которые надёжны и просты в изготовлении.   Эти соединения применяются для подвижных   и неподвижных соединений.  Причем,  в зависимости от  передаваемого крутящего момента используются  соединения  легкой,  средней и тяжелой серии,  параметры которых приведены в таблицах 2,  3, 4 приложения ,   в соответствии со стандартом "Основные  нормы взаимозаменяемости.  Соединения  шлицевые  прямобочные.  Размеры".  Основные  размеры шлицевой  втулки и шлицевого вала  даны  на рис. 2,3.

Эвольвентные шлицевые соединения наиболее совершенны и имеют следующие достоинства:

1. более технологичны, так как валы одного модуля (одного из основных параметров, через который определяются размеры зубьев шлицевых вала и втулки) могут быть обработаны одним типоразмером обрабатывающего инструмента, которым является червячная фреза, и могут обеспечить высокую точность при использовании всех отделочных операций (шевингование, шлифование и т.д.);
2. обладают способностью передавать большие крутящие моменты, благодаря плавным переходам профилей, а также  в силу того, что зубья у них прочнее из-за переменной толщины и утолщения у основания. Такое решение позволяет снизить концентрацию напряжений на 10…40% по сравнению с прямобочным профилем;
3. при относительных перемещениях шлицевых вала и втулки обеспечивается самоустановка, более точное центрирование под нагрузкой, что обеспечивает более надёжное продольное перемещение.

 

     Наряду  с достоинствами, эвольвентные шлицевые соединения имеют и недостатки, сдерживающие их широкое применение, среди которых особо следует отметить следующие:

1. сложность и высокая стоимость инструмента для обработки втулок – протяжек;
2. сложность в изготовлении профиля;
3. высокая стоимость и сложность калибров для контроля изделий;

 
 

   Треугольные шлицевые соединения (рис. 2в)  передают незначительные крутящие моменты, в силу того, что применяются с модулем 0,2— 1,5мм. Наиболее часто применимы параметры соединений: число зубьев 20—70; модуль; угол впадин вала 90; 72 и 60°. Однако, отсутствие стандартов на треугольные шлицевые соединения приводит к тому, что применяют в промышленности соединения и с иными параметрами.

В силу геометрической формы соединения центрирование возможно только по боковым сторонам зубьев. Первоначально эти соединения нашли применение взамен посадок с натягом и при сопряжении тонкостенных валов и втулок, где существенная высота зубьев не позволяет применять прямобочные и эвольвентные соединения. Сегодня, с внедрением новых материалов и технологий, спектр применения треугольных шлицевых соединений существенно расширился и они применяются для разборных и подвижных соединений.

    При изготовлении треугольных шлицевых соединений применяют нарезание  червячными фрезами, накатывание, наружное и внутреннее протягивание. Последующее  дорнование позволяет получить коническое соединение треугольных шлицев. Применяется угол уклона впадины 1° 37' и конусность 1 : 16. Размеры зубьев конического соединения нормируют по большому основанию конуса.

    Контроль  среднего делительного диаметра проводится с применением метода проволочек, подобно контролю резьбы.

 

                                1.3 Применение шлицевых  соединений

 

    Шлицевые  соединения применяются в тех  случаях, когда необходимо обеспечить относительно высокие требования к соосности с передачей достаточно большого  крутящего момента. Шлицевые вал и втулка - разборные соединения и часто для них исходно предусматривается относительное осевое перемещение. Шлицевые  соединения предназначены  для соединения  валов  между cобой  с помощью муфт, а также для соединения  с валами  различных тел вращения: зубчатых  колес, маховиков,  шкивов, эксцентриков  и т.д., в различных областях приборостроения и машиностроения. В автомобилестроении  шлицевые  соединения  применяются в коробках  передач,  в соединениях карданных валов и колесных  механизмов. На титульной странице пособия показан фланец полуоси и первичный вал коробки передач автомобиля, в которых применено шлицевое соединение. Кроме автомобилестроения шлицевые соединения применяют практически во всех областях машиностроения, приборостроения, а также при создании бытовой техники. 
 
 
 

 
 
 

Рисунок 3. Варианты исполнения прямобочных щлицевых поверхностей 

2. Прямобочные шлицевые соединения

2.1 Методы   центрирования.

Допуски  и  посадки  шлицевых  соединений  определяются  их  назначением  и  принятой  системой  центрирования  втулки  относительно  вала. Выбор  способа  центрирования  зависит  от  эксплуатационных  требований  и технологии  изготовления  шлицевых  деталей.

Существует  три  способа  центрирования  шлицевых  соединений :

по  поверхности  наружного  диаметра  (D) , по  поверхности внутреннего

диаметра  (d)  и по  боковым поверхностям  шлицев  (b).

Центрирование  по  наружному  диаметру  (D)  и  по  внутреннему  диаметру (d)  рекомендуется применять в случаях повышенных  требований  к точности  соосности  элементов соединения. Уровень соосности в обоих вариантах приблизительно одинаков ( в чём можно убедиться проанализировав применяемые посадки, заметив, что разница диаметров (d) и (D)  не значительна). При всех способах центрирования по нецентрирующим поверхностям предусматриваются гарантированные зазоры (рис.4), наиболее точные элементы соединения, а это центрирующие и вспомогательные поверхности обязательно шлифуют или калибруют.

Центрирование  по (D) (рис.4)  осуществляется  только  в том случае,  когда охватывающая  деталь  остается  незакаленной  или калится на  невысокую твердость (HRC не свыше 40), допускающую протягивание  или калибровку  шлицевого отверстия. Вал в этом  случае  обрабатывается  фрезерованием или окончательным шлифованием по  наружному диаметру  D  на  обычных шлифовальных  станках. Для этого способа центрирования при изготовлении валов применяют вариант исполнения:  шлицевой втулки исполнение 1А (рис.3), шлицевого вала исполнение 3Б (рис.3), в силу гарантированного зазора по d.

     Центрирование  по  (d)   осуществляют  при высокой твердости термически обработанных  охватывающих  деталей (рис.4а),  не  позволяющей вести обработку этих  деталей протягиванием.  В этом  случае  отверстие шлифуют на  обычном внутришлифовальном  станке ,  а шлицевой  вал на  специальном шлицешлифовальном  станке. Применяется центрирование по  (d)   также в случае, когда после термообработки  могут возникнуть значительные  искривления длинных валов. Способ  центрирования по  d  значительно дороже  чем центрирование по  D, в связи с тем, что получение высокоточных поверхностей d и b при изготовлении щлицевого вала   проводится в исполнении 1Б (рис.3), где фрезой с «усиками» выполняются канавки для выхода шлифовального круга и создаётся посадочная поверхность «a».Шлицевая втулка изготавливается в исполнении 1А (рис.3). 

Центрирование  по (b)-  боковым сторонам  шлицев (рис.4с),   используется, когда не  требуется высокая точность  центрирования сопрягаемых деталей при знакопеременных нагрузках,  при передаче  значительных  моментов, когда недопустимы большие зазоры  между боковыми  поверхностями вала  и втулки.  Центрирование по  b  является  наиболее  простым и экономичным способом. При центрировании по b зазоры гарантированы по поверхностям d и D, исполнение шлицевой втулки 1А (рис.3), шлицевого вала 2Б (рис.3), где предусматривается занижение диаметра d до d1, чем обеспечивается возможность выхода шлифовального круга при обработке боковых поверхностей шлицев.

2.2 Допуски   и  посадки  при  центрировании   по  наружному,

внутреннему  диаметрам и по  ширине  зубьев.

 

Посадки  шлицевых  соединений  с  прямобочным  профилем строятся

по  системе  отверстия,  т. к. в этом случае  номенклатура  дорогостоящих  протяжек  меньше,  чем  при  применении системы  вала. При  различных  способах  центрирования  посадки  осуществляются  по  центрирующей  поверхности  и  по  боковым  поверхностям  впадин  втулки  и  зубьев  вала,  т.е.  по  D  и b,  или по  d  и b, либо  только по  b. Допуски и посадки шлицевых  соединений  с прямобочным  профилем  зуба  нормируют стандартами.