Шлицевое соединение – вид соединения валов со втулками по поверхностям сложного профиля с продольными выступами (шлицами) и впадинами. Обычно шлицевые соединения используют для передачи крутящих моментов в соединениях вала с зубчатым колесом (блоком зубчатых колес), со шкивом, полумуфтой или другой деталью. Как правило, это подвижные соединения, в которых втулка может перемещаться в осевом направлении, а шлицевые поверхности используют как направляющие для продольного перемещения деталей. Однако возможно и применение неподвижных шлицевых соединений.
Технологически шлицевые соединения сложнее шпоночных, но обеспечивают хорошее центрирование втулки на валу и позволяют передавать значительные вращающие моменты, поскольку большое число шлиц обеспечивает меньшую концентрацию напряжений.
На уровне межгосударственных стандартов стандартизованы элементы деталей и соединений с прямобочной (ГОСТ 1139-80 «Соединения шлицевые прямобочные. Размеры и допуски») и эвольвентной (ГОСТ 6033-80 «Соединения шлицевые эвольвентные с углом профиля 300. Размеры, допуски и измеряемые величины») формой профиля зубьев. Наиболее широко распространены прямобочные шлицевые соединения с четным числом шлиц.
Выбор типа шлицевых соединений связан с конструктивными и технологическими особенностями соединений. Шлицевые валы обычно обрабатывают инструментом, имеющим форму впадины или ее части (фасонная фреза, шлифовальный круг), а шлицевые отверстия чаще всего получают с помощью обработки протяжками – специальным многолезвийным режущим инструментом, образующим полный профиль отверстия за один проход инструмента.
Шлицы с эвольвентным профилем зуба имеют повышенную прочность благодаря утолщению зуба к основанию, но сложность получения эвольвентных зубьев вала и впадин втулки выше.
Шлицевые соединения должны обеспечить соосность функционально важных поверхностей втулки и вала. В шлицевых соединениях посадки могут осуществляться по трем поверхностям: по наружной цилиндрической поверхности (размер D), внутренней цилиндрической поверхности (размер d) и по боковым поверхностям впадин втулки и шлиц вала (размер b). При одновременном сопряжении по трем поверхностям нужны очень высокие требования к точности всех элементов по размерам, форме и расположению, которые могут рассматриваться как функционально неоправданные. Поэтому для любого шлицевого соединения введены «центрирующие» и «нецентрирующие» поверхности (понятия отражают степень участия поверхностей в обеспечении взаимного расположения сопрягаемых деталей). По нецентрирующим элементам назначают грубые посадки с большими зазорами или обеспечивают зазор по номиналу, что существенно удешевляет соединение без потерь функциональной точности.
Существуют три способа центрирования сопрягаемых прямобочных шлицевых втулки и вала: по наружному диаметру D (рис.26 а); по внутреннему диаметру d (рис.26 б); по боковым сторонам зубьев b (рис.26 в).
Рис.26. Центрирование в прямобочных шлицевых соединениях
Если в изделии не требуется повышенная износостойкость шлицевой поверхности втулки (конструктора устраивает средняя твердость поверхности шлицевого отверстия), применяют центрирование по наружному диаметру D. Такое центрирование применяют для неподвижных шлицевых соединений, а также для подвижных, воспринимающих небольшие нагрузки.
В этом случае поверхность шлицевого отверстия может быть окончательно обработана высокопроизводительными и точными методами протягивания или калибрования. Шлицевой вал можно получить фрезерованием с последующей термообработкой (например, закалкой) и шлифованием по диаметру D.
Если необходима повышенная износоустойчивость шлицевой поверхности втулки, она должна иметь высокую твердость, значит, обработка чистовой протяжкой неприменима. В таком случае прибегают к центрированию по d, и отверстие во втулке шлифуют на внутришлифовальном станке.
Центрирование по ширине b, при котором точность центрирования ниже, чем по другим элементам, целесообразно применять при передаче больших крутящих моментов в условиях переменных нагрузок, например, при частом реверсировании направления вращения или старт-стопных режимах работы. Минимальные зазоры между зубьями и впадинами служат для предотвращения больших динамических нагрузок с ударами.
В зависимости от нагруженности шлицевого соединения с прямобочным профилем выбирают его серию (легкая, средняя, тяжелая), чем определяют размеры и число зубьев (шлиц) z. При одном и том же внутреннем диаметре более тяжелая серия отличается увеличенной высотой зуба (шлица) и, соответственно, наружного диаметра. Тяжелая серия имеет большее число шлиц по сравнению со средней серией.
Выбор посадок в шлицевых соединениях зависит от требований к точности центрирования и принятого способа центрирования. Посадки в прямобочных шлицевых соединениях нормированы ГОСТ 1139, а эвольвентных – ГОСТ 6033.
Для эвольвентных шлицевых соединений предусмотрены возможности центрирования по боковым поверхностям зубьев и по наружному диаметру.
Поля допусков боковых поверхностей зубьев для эвольвентных шлицевых соединений нормируют не квалитетами, а степенями точности (7... 11). Обозначение полей допусков размеров ширины эвольвентной впадины втулки и толщины эвольвентного зуба вала включает число (степень точности), за которым следует буква (основное отклонение). Поля допусков по боковым поверхностям зубьев элементов эвольвентных шлицевых соединений приведены в ГОСТ 6033.
Особенностью полей допусков боковых поверхностей зубьев эвольвентных шлицевых соединений является то, что устанавливаются два вида допусков ширины впадины втулки и толщины зуба вала:
Т – суммарный допуск, включающий отклонение собственно ширины впадины (толщины зуба) и отклонение формы и расположения элементов профиля впадины (зуба), контролируемый комплексным калибром;
Te (Ts) – допуск собственно ширины впадины втулки (толщины зуба вала), контролируемый отдельно в случаях, когда не применяется комплексный калибр.
Допуски и основные отклонения для диаметров окружности впадины втулки D и окружности вершин зубьев вала d заимствованы из ГОСТ 25346.
При назначении допусков формы и расположения элементов шлицевых соединений можно руководствоваться следующими рекомендациями (рис. 27).
1) для прямобочных шлицевых соединений:
· допуски параллельности плоскости симметрии зубьев вала и пазов втулки относительно оси центрирующей поверхности не должны превышать на длине 100 мм: 0,03 мм – в соединениях повышенной точности, определяемой допусками размеров b от IТ6 до IT8; 0,05 мм – в соединениях нормальной точности при допусках размеров b от IT9 до IT10. При центрировании по боковым сторонам шлиц выбирают дополнительную базу – ось одной из нецентрирующих поверхностей шлицевого вала (обычно с более жестким допуском);
· допуски радиального биения центрирующих поверхностей шлицев относительно общей оси посадочных поверхностей под подшипники следует назначать по 7-ой степени точности ГОСТ 24643 при допусках центрирующих поверхностей 6...8 квалитетов и по 8-ой степени точности при допусках центрирующих поверхностей 9...10 квалитетов;
2) для эвольвентных шлицевых соединений предельные значения радиального биения Fr и допуска направления зуба Fβ следует принимать по ГОСТ 6033.
Рис.27. Обозначения допусков параллельности и радиального биения элементов наружной шлицевой поверхности:
а – при центрировании по внутреннему диаметру;
б – при центрировании по наружному диаметру;
в – при центрировании по боковым сторонам шлиц.
База БВ – общая ось посадочных поверхностей вала (посадочных поверхностей под подшипники). База Д – ось выбранной нецентрирующей поверхности шлицевого вала при центрировании по боковым сторонам шлиц
Параметры Ra шероховатости (ГОСТ 2789) для поверхностей элементов прямобочных и эвольвентных шлицевых соединений должны быть согласованы с самыми жесткими допусками макрогеометрии и не превышать по параметру Ra значений 1,25 мкм для центрирующих поверхностей, 2,5 мкм для нецентрирующих боковых поверхностей шлиц подвижных соединений; 4,0 мкм для нецентрирующих боковых поверхностей шлиц неподвижных соединений и 10 мкм для нецентрирующих цилиндрических поверхностей шлиц.
Требования к чертежам шлицевых соединений и их элементов регламентирует ГОСТ 2.409-74 «Единая система конструкторской документации. Правила выполнения чертежей зубчатых (шлицевых) соединений».
Условные обозначения шлицевых соединений и их элементов различаются в зависимости от профиля зубьев.
Обозначения прямобочных шлицевых соединений валов и втулок содержат букву, обозначающую поверхность центрирования, число зубьев и номинальные размеры d, D и b, за которыми следуют обозначения посадок. Пример условного обозначения шлицевого соединения с числом зубьев z = 6, внутренним диаметром d = 28 мм, наружным диаметром D = 34 мм, шириной зуба b = 7 мм, с центрированием по внутреннему диаметру, с посадкой по диаметру центрирования H7/f7 и по размеру b – D9/f8
d – 6×28 H7/ f7×34 H12/a11×7 D9/f8.
При центрировании по наружному диаметру с посадкой по диаметру центрирования H8/h7 и по размеру b – F10/h9
D – 6×28×34 H8/h7×7 F10/h9.
При центрировании по боковым сторонам профиля
b – 6×28×34 H12/a11×7 D9/h8.
Условные обозначения требований к точности эвольвентных шлицевых соединений содержат: номинальный диаметр соединения D; обозначение посадки соединения (указывают обозначения полей допусков), помещаемое после размеров центрирующих элементов, обозначение стандарта.
Пример условного обозначения эвольвентного шлицевого соединения D = 50 мм; m = 2 мм, с центрированием по боковым поверхностям зубьев
50×2×9H/9g ГОСТ 6033-80.
То же с центрированием по наружному диаметру, с посадкой по центрирующему диаметру Н7/g6 и посадкой по нецентрирующим поверхностям зубьев 9H/9h
50×H7/g6×2 ГОСТ 6033-80.
То же с центрированием по внутреннему диаметру, с посадкой Н7/g6 и посадкой по нецентрирующим боковым поверхностям зубьев 9H/9h
i 50×2×H7/g6 ГОСТ 6033-80.
