Основными критериями работоспособности шлицевых соединений являются сопротивления рабочих поверхностей смятию и изнашиванию. Эти соединения, аналогично шпоночным, выбирают по таблицам стандартов в зависимости от диаметров вала, а затем проверяют расчетом.
Расчет на смятие. Условие прочности на смятие рабочих поверхностей зубьев
(4.1)
где Т – передаваемый вращающий момент, Н·мм; SF – удельный (на единицу длины) суммарный статический момент площади рабочих поверхностей, мм³/мм (см. табл. 4.1); l p – рабочая длина зубьев (см. рис. 4.1); [σ]см – допускаемое напряжение смятия, Н/мм.².
Для неподвижных соединений с незакаленными поверхностями [σ]см = 30…70 Н/мм², а с закаленными [σ] см = 80…150 Н/мм².
Для подвижных соединений с закаленными поверхностями [σ]см = 5…15 Н/мм². Большие значения относятся к спокойной нагрузке.
Расчет на изнашивание. Условия ограничения изнашивания
(4.2)
где [σ]изн – допускаемое напряжение на ограничение изнашивания, Н/мм².
Значение [σ]изн при неограниченном числе циклов нагружения принимают в зависимости от вида термообработки и твердости рабочих поверхностей соединяемых деталей (Н/мм²):
[σ]изн=0,032 НВ – для улучшенных зубьев;
[σ]изн = 0,3НRСэ – для закаленных зубьев.
Если расчетное напряжение σсм превышает допускаемое более чем на 5 %, то увеличивают длину ступицы или принимают другую серию, а иногда другой вид соединения и повторяют проверочный расчет.
При проектировочных расчетах шлицевых соединений после выбора размеров сечения зубьев по стандарту (см. табл. 4.1) определяют расчетную длину зубьев lр по формулам (4.1) и (4.2). из двух значений берут большее. Длину ступицы принимают l ст= l р +4…6 мм и более в зависимости от конструкции соединения. Если получается, что l ст >1,5, назначают другую серию или изменяют термообработку. 
Часть шестая
ГЛАВА 1. ВАЛЫ И ОСИ
Общие сведения
Зубчатые колеса, шкивы, звездочки и другие вращающиеся детали машин устанавливают на валах или осях.
Вал предназначен для поддержания сидящих на нем деталей и для передачи вращающего момента. При работе вал испытывает изгиб и кручение, а в отдельных случаях дополнительно растяжение и сжатие.
Ось – деталь, предназначенная только для поддержания сидящих на ней деталей. В отличие от вала ось не передает вращающего момента и, следовательно, не испытывает кручения. Оси могут быть неподвижным или вращаться вместе с насаженными на них деталями (рис. 1.1).
По геометрической форме валы делятся на прямые (рис. 1.2), коленчатые и гибкие. Коленчатые и гибкие валы относятся к специальным деталям и в настоящем курсе не рассматриваются.
Оси, как правило, изготовляют прямыми (см. рис. 1.1). По конструкции прямые валы и оси мало отличаются друг от друга.
Прямые валы и оси могут быть гладкими или ступенчатыми (см. рис. 1.2). Образование ступеней связано с различной напряженностью отдельных сечений, а также условиями изготовления и удобства сборки.
Рис. 1.1 Ось тележки
По типу сечения валы и оси бывают сплошные и полые. Полое сечение применяется для уменьшения массы или для размещения внутри другой детали.
Рис. 1.2 Прямой ступенчатый вал:
1 – шип, 2 – шейка, 3 – подшипник.
Конструктивные элементы.
Материалы валов и осей
Цапфы – участки вала и оси, лежащие в опорах. Они подразделяются на шипы, шейки и пяты.
Шипом называется цапфа, расположенная на конце вала или оси и передающая преимущественно радиальную нагрузку (см. рис. 1.2).
Шейкой называется цапфа, расположенная в средней части вала или оси.
Опорами для шипов и шеек служат подшипники.
Шипы и шейки по форме могут быть цилиндрическими, коническими и сферическими. В большинстве случаев применяются цилиндрические цапфы.
Пятой называют цапфу, передающую осевую нагрузку (рис. 1.3). Опорами для пят служат подпятники. Пяты по форме могут быть сплошными (рис. 1.3,а), кольцевыми (рис. 1.3,б) и гребенчатыми (рис. 1.3,в). Гребенчатые пяты применяют редко.
Рис.1.3 Пяты
Посадочные поверхности валов и осей под ступицы насаживаемых деталей выполняют цилиндрическими и коническими (см. рис. 1.2). При посадках с натягом диаметр этих поверхностей принимают больше диаметра соседних участков для удобства напрессовки (см. рис. 1.2).
Рис. 1.4 Переходные участки вала
Переходные участки между двумя ступенями валов или осей выполняют:
а) с канавкой со скруглением для выхода шлифовального круга (рис. 1.4, а). Эти канавки повышают концентрацию напряжений;
б) с галтелью (поверхность плавного перехода от меньшего сечения вала к большему) постоянного радиуса (рис. 1.4,б);
в) с галтелью переменного радиуса (рис. 1.4,в), которая способствует снижению концентрации напряжений, а потому применяется на сильно нагруженных участках валов или осей.
Эффективными средствами для снижения концентрации напряжений в переходных участках являются выполнение разгрузочных канавок (рис. 1.5,а), увеличение радиусов галтелей, высверливание отверстий в ступенях большого диаметра (рис. 1.5,б). Деформационное упрочнение (наклеп) галтелей обкаткой роликами повышает несущую способность валов и осей.
Рис.1.5 Способы повышения усталостной прочности валов
Материалы валов и осей. Материалы валов и осей должны быть прочными, хорошо обрабатываться и иметь высокий модуль упругости. Валы и оси изготовляют преимущественно из углеродистых и легированных сталей. Для валов и осей без термообработки применяют стали Ст5,Ст6; для валов с термообработкой – стали 45, 40Х. Быстроходные валы, работающие в подшипниках скольжения, изготовляют из сталей 20, 20Х, 12ХНЗА. Цапфы этих валов цементируют для повышения износостойкости.
Валы и оси обрабатывают на токарных станках с последующим шлифованием цапф и посадочных поверхностей.
