Чем отличается шлиц от зуба

Обновлено: 28.09.2022

Служат для закрепления деталей на осях и валах. Такими деталями являются шкивы, зубчатые колеса, муфты, маховики, кулачки и т.д. Соединения в основном нагружаются вращающим моментом.

Шпоночные соединения

Все основные виды шпонок можно разделить на клиновые и призматические. Первая группа шпонок образует напряженные (в соединении образуется напряжение до приложения внешней нагрузки), а вторая – ненапряженные соединения.

1. Соединение клиновыми шпонками (например, врезной клиновой шпонкой) характеризуется свободной посадкой ступицы на вал (с зазором); расположением шпонки в пазе с зазорами по боковым граням (рабочими являются широкие грани шпонки); передачей вращающегося момента от вала к ступице в основном силами трения, которые образуются в соединении от запрессовки шпонки. Запрессовка шпонки смещает центры вала и ступицы на величину ∆, равную половине зазора и деформации деталей. Это смещение вызывает дисбаланс и неблагоприятно сказывается на работе механизма при больших частотах вращения.

Клиновая форма шпонки может вызвать перекос детали, при котором ее торцовая плоскость не будет перпендикулярна оси вала. Обработка паза в ступице с уклоном шпонки, создает дополнительные технологические трудности и часто требует индивидуальной пригонки шпонки по пазу. Такая пригонка совершенно недопустима в условиях массового производства. Эти недостатки послужили причиной того, что применение клиновых шпонок резко сократилось в условиях современного производства. Значительное сокращение применения клиновых шпонок позволяет не рассматривать в настоящем курсе их конструктивные разновидности и расчет на прочность.

2. Соединение призматическими шпонками ненапряженное . Оно требует изготовление вала и отверстия с большой точностью. Во многих случаях посадка ступицы на вал производиться с натягом. Момент передается с вала на ступицу боковыми узкими гранями шпонки. При этом на них возникает напряжение смятия σ см, а в продольном сечении шпонки – напряжение среза τ.

Параллельность граней призматической шпонки позволяет осуществлять подвижные в осевом направлении соединения ступицы с валом (коробки скоростей и др.). силы трения, возникающие при перемещении ступицы в подвижном соединении могут нарушить правильное положение шпонки, поэтому ее рекомендуют крепить к валу винтами. В некоторых конструкциях подвижных соединений целесообразно применять короткие шпонки, прикрепленные к ступице.

Оценка соединений призматическими шпонками и их применение

Призматические шпонки широко применяют во всех отраслях машиностроения. Простота конструкции и сравнительно низкая стоимость – главные достоинства этого вида соединений.

Отрицательные свойства: соединение ослабляет вал и ступицу шпоночными пазами; концентрация напряжения в зоне шпоночной канавки снижает сопротивление усталости вала; прочность соединения ниже прочности вала и ступицы, в особенности при переходных посадках или посадках с зазором. Поэтому шпоночные соединения не рекомендуют ля быстроходных динамически нагруженных валов. Технологическим недостатком призматических шпонок является трудность обеспечения их взаимозаменяемости, т.е. необходимость пригонки или подбора шпонки по пазу, что ограничивает их применение в крупносерийном и массовом производстве. Пригонкой стремятся обеспечить устойчивое положение шпонки в пазах, так как перекос (выворачивание) шпонки значительно ослабляет соединение. Сегментная шпонка с глубоким пазом в этом отношении обладает преимуществом перед простой призматической шпонкой. Ее предпочитают применять при массовом производстве.

Зубчатые (шлицевые) соединения

Зубчатые соединения образуются при наличии наружных зубьев на валу и внутренних зубьев в отверстии ступицы. Размеры зубчатых соединений, а также допуски на них стандартизованы.

Зубья на валах получают фрезерованием, строганием или накатыванием. Протягивание – высокопроизводительный способ и широко применяется в массовом производстве. Для отделочных операций используют шлифование, дорнирование и др.

Стандартом предусмотрены три серии соединений:

Они отличаются высотой и числом зубьев, число зубьев изменяется от 6 до 20. У соединений тяжелой серии зубья выше, а их число больше, что позволяет передавать больше нагрузки.

По форме профиля различают зубья

· Прямобочные - соединения с прямобочными зубьями выполняют с центрированием по боковым граням, по наружному или внутреннему диаметрами.

· Эвольвентные - соединения с эфольвентными зубьями предпочтмтельны для больих диаметров валов, когда для нарезания зубьев в отверстии и на валу могут быть использованы весьма совершенные технологические способы, применяемые для зубчатых колес. Для сравнительно малых и средних диаметров преимущественно применяют соединения с прямобочными зубьями, так как эвольвентные протяжки дороже прямобочных. (это связано с трудностями образования режущих кромок на боковых поверхностях фасонных профилей эвольвентных зубьев протяжки).

Для особо сильно нагруженных узлов с большим крутящим моментом, применяются эвольвентные шлицевые соединения. Они способны выдерживать динамические нагрузки и работать в условиях вибрации. Шлицы эвольвентные имеют поверхность соприкосновения значительно больше, чем в прямозубом зацеплении. Широкое основание не позволяет сломать и смять эвольвентный зуб. Недостатком является сложное изготовление соединительного профиля, особенно по отверстию. Часто эвольвентные шлицы применяются на полых валах. Сочетание большой мощности и малого веса.

Шлиц эвольвентный

Характеристика соединения

Шлицевые эвольвентные соединения на практике доказали свою надежность и прочность. Основание зуба шире и его не смогут сломать даже динамические нагрузки. Смятие происходит только при очень больших перегрузках, поскольку по эвольвенте площадь контакта – рабочая, больше, чем у других видов шлицов.

В отличие от прямых шлицов, которые рассчитываются на смятие и проверяются на срез, эвольвентный профиль имеет большую площадь контакта, и расчет на прочность производится на срез, затем делается проверка на смятие. Чаще всего основным параметром выбора типа соединений эвольвентных является наименьший в сечении размер вала. Именно он испытывает наибольшие нагрузки. Крутящий момент, динамические удары, вибрация, которые он способен выдержать, не критичны для зубьев.

Чертеж эвольвентного шлицевого вала совпадает с изображением зубчатой шестерни того же радиуса и модуля. Нарезка производится на одном оборудовании червячными фрезами. В отличие от прямобочных шлицев, когда для каждого диаметра вала необходимо подбирать свой инструмент, эвольвентные зубья выполняются одной фрезой с соответствующим модулем.

Чертеж и обозначение эвольвентного шлицевого соединения

В обозначении шлицевого эвольвентного соединения свои отдельные маркировки имеют обе сопрягаемые детали:

Шлицевые зубчатые эвольвентные соединения центрируются по эвольвентной поверхности зуба, реже по наибольшему диаметру. Центровка по внутреннему размеру по впадине эвольвентного зуба на практике не осуществляется. Обозначение свое имеют шлицевые соединения каждого вида центрировки по:

  • боковым поверхностям – D×m×9H/9g ГОСТ 6033-80;
  • наружному диаметру – D×H7/g6 ГОСТ 6033-80;
  • внутреннему –iD×m×H7/g6 ГОСТ 6033-80.

D – наружный диаметр, который имеют эвольвентные валы до нарезки зуба;

i – обозначает центрировку по внутреннему размеру эвольвентного соединения;

H и g, с соответствующими цифрами – класс точности обработки.

Можно встретить таблицу размеров на шлицы эвольвентные с din параметрами. Это означает, что соединение сделано по нормативам немецкого института стандартизации. Они частично соответствуют международному стандарту ISO, имеют переводные таблицы.

Допуски шлицевых эвольвентных соединений

Кроме неподвижных соединений, изготавливаются скользящие. В них втулка перемещается вдоль вала, и входит в зацепление с различными колесами в коробке передач. Для этого с торца по эвольвенте делается срез на конус – заходная фаска для включения эвольвентного шлицевого соединения.

В неподвижных соединениях только снимаются острые углы, и втулка запрессовывается на вал.

Центрирование и посадки

Если шлицевое эвольвентное соединение центрируется по наружному радиусу, по формуле рассчитываются основные размеры:

где d – диаметр делительной окружности;

m – модуль зуба выла и впадины втулки;

z – число зубьев.

Расчет номинальной делительной окружности для настройки инструмента рассчитывается по формуле:

s =е=0,5π m + 2х m tg α;

s – номинальная делительная окружность на валу;

e – делительная окружность по впадине втулки;

x – смещение формы исходного контура;

ɑ – угол наклона эвольвенты зуба, для шлицевых соединений он равен 30°.

На эвольвентные шлицы рассчитывается размер смещения от исходного контура:

И номинальный размер по впадинам втулки равен максимальному диаметру при центрировании по нему:

При центрировании по боковым поверхностям зубьев:

da – номинальный диаметр вала, вершин зубьев;

D – наружный размер впадины втулки;

Допуск на нецентрированные размеры зависит от типа термической и поверхностной обработки и определяется по таблице предельных отклонений, которая имеется в ОСТ 1 00086-73

На сборочном чертеже они указываются формулами, например узел прибора и деталями в соединении: вала с диаметром делительной окружности 4 мм и модулем зуба 0,5.

При центрировании по наружному диаметру –

При центрировании по боковой поверхности эвольвентного соединения –

Где – 8 число зубьев;

S4 – коэффициент, учитывающий исполнение по форме эвольвенты.

В технической сопроводительной документации указываются характеристики на шлицы:

На чертеже детали обозначение обозначение для вала:

Аналогичное значение для отверстия втулки:

Все обозначения приведены для соединения с наружным диаметром вала 6 мм.

Применение

Изготовление эвольвентных шлицев требует высокой точности. Нарезание зуба по втулке выполняется в основном протяжкой. Остальные способы дают меньшую точность и большую шероховатость поверхности. Часто производится ручная доводка по шаблону зачистка выступов.

Сложность обработки оправдывается применением шлицевых соединений с эвольвентным профилем в узлах с динамическими и переменными нагрузками. Например, в полых валах клетей прокатных станов, редукторах крупногабаритных строгальных и фрезерных станков, грузоподъемных механизмов, поднимающих вагонетки на доменные печи.

Кроме принятых стандартов на эвольвентные соединения по ГОСТ, имеются и другие исполнения деталей. Например в немецких станках встречается din параметры по стандартам, разработанным германским институтом стандартизации. На машинах, изготавливаемых на экспорт, встречается маркировка эвольвентных соединений с ссылкой на ISO – международный стандарт.

В обсуждениях автомобилистов часто можно услышать asa 24 48. Такую маркировку имеют эвольвентные шлицевые соединения на карданных валах. Встречаются они у переднеприводных фиатов, изготовленных по старым стандартам.

Кулак задний левый/правый эвольвентный шлиц L=515mm

В настоящее время на передние карданы делается эвольвентный шлиц по ГОСТ 6033-80 или отраслевому стандарту ОСТ 1 00086-73. Старый стандарт актуален и сегодня. По нему работают многие машиностроительные и автомобилестроительные предприятия.

Расчет соединений

Расчет прямобочных шлицев и таблица нормированных размеров заложена в ГОСТ 1139-80. Для эвольвентных шлицевых соединений применяется ГОСТ 6033-80. В нем предусмотрена посадка по наружному диаметру и боковой поверхности.

Центрирование по внутреннему радиусу эвольвентных соединений используется только для теоретических расчетов. Практическое изготовление таких эвольвентных соединений очень сложное, требует специальной доводки шлифовкой до нужных размеров и форм зуба.

Посадка при центрировании по наружному диаметру:

Df – размер по вершине зуба;

da –размер наибольший по втулке.

Для использования в качестве центрирующей боковой эвольвентной поверхности:

Перед тем как определить модуль, рассчитывается номинальный диаметр вала и выбирается ближайший нормализованный. Затем проводится проверочный расчет, подтверждающий правильность выбора эвольвентного соединения.

Центрирование шлицевых соединений

В таблице нормализованных эвольвентных валов имеются 2 вида цифр. Жирным шрифтом или цветом выделяются предпочтительные значения модуля для различных диаметров. Например, не рекомендуется к исполнение минимальный модуль для данного диаметра и максимальный по значению. Сами значения диаметров также расположены в 2 ряда. Размеры из первого предпочтительнее. Они широко применяются, проще в обработке, имеется набор стандартного инструмента, используемого для нарезки зубьев. Детали из первого ряда обеспечиваются стандартизированными кольцами, крепежом и другими деталями для сборки узла.

Расчет на сечение эвольвентного соединения, определение радиуса вала, делается по наименьшему диаметру на крутящий момент, прочность на изгиб и динамические нагрузки. Расчет номинального диаметра соединения производится по формуле:

Где D – наружный диаметр;

Dɑ – номинальный диаметр;

При центрировании эвольвентного соединения – боковой поверхности

с учетом зазоров

Угол профиля зуба зацепления эвольвентного соединения по ГОСТ 30°, в случае выполнения по Отраслевому Стандарту допускается наклон эвольвенты 20°. Такое зацепление встречается в старом оборудовании отдельных предприятий, работающих по отраслевым стандартам тяжелого машиностроения.

При проведении расчетов на прочность зуба по сечению, построение эвольвенты и расчет нагрузок на шлицы осуществляется по методике для прямозубых зацеплений. Вводится корректирующий коэффициент, поскольку рабочая площадь больше. Одновременно и постоянно взаимодействуют под нагрузкой все зубья. Погрешность исполнения при обработке не может обеспечить одинаковое соединение практически всех боковых поверхностей. Вводится расчетный коэффициент 0,75 при центрировании по боковой поверхности с точностью исполнения по 9 и 8 квалитетах.

Большие и длительные нагрузки требуют соединений с большой площадью контакта. К таким относится шлицевое соединение. Зубья по всей длине вала позволяют перемешаться втулке с шестерней без остановки механизма. Передаточный момент возможен в несколько раз больше, чем при передаче через шпонку. Кроме достоинств у зубчатых соединений есть и свои недостатки.

Шлицевое соединение

Характеристики шлицевых соединений

По своей конструкции и способу передачи вращательного момента, шлицевые соединения можно отнести к многошпоночным. Несколько плоскостей взаимодействия при вращении, только вместо большого количества пазов и шпонок в них, только шлицевый вал и втулка. Шпонки отсутствуют, их заменяют шлицевые пазы и зубья, вырезанные непосредственно на сопрягаемых деталях. Конструкция позволяет значительно сократить погрешность изготовления и дает возможность перемещаться втулке вдоль оси вала, не прекращая радиальное движение.

К шлицевым соединениям относятся вал с зубьями, равномерно распределенными по диаметру и сопряженная с ним втулка, с ответными пазами.

Размеры шлицов определяются внутренним диаметром вала, их количеством и формой. В шлицевом соединении образуется несколько плоскостей контактов. Возможность передачи большого крутящего момента возрастает по сравнению со шпонками в несколько раз.

Зуб шлица нарезается фрезами на зуборезных станках и протяжкой. Для подвижных узлов делается последующая шлифовка боковых поверхностей. Длина зубьев может быть любой, у неподвижных шлицевых соединений равна высоте ступицы колеса. При скольжении шестерни вдоль оси, длина нарезанных выступов на валу определяется размером перемещения шестерни, ее высотой и технологическим припуском, равным радиусу фрезы для ее выхода при обработке.

Диаметр вала по наружной поверхности равен размеру втулки по впадинам. Втулка со шлицами в точности копирует своим отверстием профиль вала и плотно надевается на него. Шлицевые канавки по отверстию нарезаются на долбежном станке. Технология изготовления длительная, требует большой точности, которую не может обеспечить долбяк, поскольку длина резца большая относительно его сечения. При попытке ускорить обработку, сделать больше заход и подачу, инструмент отжимает, размер получается в минус.

При проектировании узла и подборе пар, основным параметром является внутренний диаметр по шлицам. Его рассчитывают на кручение и изгиб. Шлицевая втулка подвергается меньшим по силе воздействиям. Она выбирается по справочнику. Детали делают из среднеуглеродистых малолегированных сталей: Ст 45, Ст40Х, Ст 40ХН. Они имеют относительно высокую вязкость и низкую хрупкость в нормализованном состоянии и после объемной закалки на воздух при твердости 320–350 HB.

Определить количество зубьев при проектировании можно по таблицам. Они разделены для каждого внутреннего диаметра на 3 группы по нагрузкам:

Чертеж шлицевого соединения

Чем больше крутящий момент нужно передавать, тем выше сам шлиц и больше их количество. За счет этого увеличивается площадь контакта.

Зубчатые соединения рассчитываются с учетом погрешности изготовления. Между поверхностями сопряженных деталей имеется зазор соединения. При повороте ведущей детали он смещается в противоположную сторону от направления действия силы. В идеале все поверхности соприкасаются и нагружены одинаково. По факту зубчатые соединения изготавливаются с погрешностью в 0,01–0,03 мм, в зависимости от размера и способа обработки. Муфта одной плоскостью соприкасается сильнее, другими меньше. При расчете прочности выбирается по таблице поправочный коэффициент, позволяющий рассчитать параметры деталей на прочность с учетом неравномерных сил нагрузок.

Зазор в соединении определяет размер холостого хода. Начиная двигаться, ведущая деталь сначала выбирает просвет между рабочими плоскостями, затем начинается силовое воздействие и вращение ведомой детали и всего узла.

Классификация

Детали шлицевых узлов нормализованы – существует определенный список типоразмеров, с соответствующими парами. Под них изготавливается инструмент и настраивается оборудование. В зависимости от условий работы и нагрузок, шлицевые соединения на несколько групп. Они характеризуются:

  • формой зуба;
  • базовыми поверхностями;
  • возможностью смещения вдоль оси.

Форма выступа определяется по шлицевому валу. Втулка имеет только соответствующие вырезы – пазы. Характеристики определяются видами шлицов:

  • прямые или прямобочные;
  • эвольвентные;
  • треугольные.

Классификация производится по форме зуба в сечении поперек соединения.

Прямобочные – прямозубые

У прямобочных шлицевых соединений зуб в поперечном сечении представляет собой прямоугольник. Ширина по всей высоте одинаковая. Встречаются в механизмах чаще всего, поскольку изготовление относительно простое. Прямозубые шлицевые соединения различают по величине нагрузки: малая, средняя, высокая.

По способу движения вдоль оси различают типы соединений:

  • неразъемные;
  • подвижные без нагрузки;
  • подвижные под нагрузкой.

Неразъемные используют в редукторах и других узлах при передаче вращения между постоянной парой деталей.

Примером подвижных соединений без нагрузки служат коробки скоростей станков. При переключении смещается вал, и другая пара вступает в зацепление. Изменяется передаточное число и скорость вращения патрона или шпинделя.

Коробка скоростей автомобиля не требует полной остановки для переключения. Происходит передвижение втулки относительно оси вращения без остановки, под нагрузкой.

К классификации шлицевых соединений относится и способ центровки. Он может быть:

  • по внутреннему диаметру – d;
  • по наружному диаметру – D;
  • по боковым сторонам, ширине зуба – b.

Прямобочное шлицевое соединение
Прямозубое шлицевое соединение

При центровке по внутреннему диаметру минимальные допуска на изготовление даются на размер вала по впадине и внутренний диаметр втулки. Просвет образуется между вершиной зуба на валу и дном шлица. Точность соединения достигается шлифовкой отверстия втулки на внутришлифовальном станке. Обработка меньшего диаметра на валу производится абразивным кругом вдоль оси.

При центровке по наружному диаметру плотное прилегание происходит по вершине выступа на валу и диаметром по впадине на втулке. В этом случае производится наружная шлифовка вала и чистовая обработка – долбежка, втулки.

Центровка, точнее посадка по боковым поверхностям возможна только для неразъемных соединений, когда необходимо исключить холостой ход в начале движения.

Шлицы изготавливаются с высокой точностью по ширине зуба и его расположения относительно оси. Втулка запрессовывается на вал. По обоим диаметрам имеются зазоры.

На чертеже показывается поперечное сечение соединения с одним зубом и диаметрами пунктирной линией. Втулка заштриховывается. Прямозубые шлицевые соединения на основном виде обозначают выносом линии с характеристиками. Расшифровка включает в себя буквенное обозначение способа центровки, количество и ширина шлицев, размер внутреннего и наружного диаметра с указанием класса точности и чистоты обработки всех поверхностей.

Эвольвентные

Соединение получило свое название за форму боковой поверхности в виде эвольвенты, как у цилиндрического зубчатого зацепления. Большая площадь контакта и широкий зуб в основании позволяет передавать огромное усилие. Зуб отличается высокой прочностью на изгиб.

Изготавливают шлицевые валы на зубофрезерных станках. Получается высокая точность при использовании стандартного оборудования. Центрирование делается по наружному диаметру для механизмов, работающих с высокой точностью, и по боковой поверхности для сильно нагруженных узлов. Соединение неподвижное. При боковом смещении возникает большая сила трения.

Эвольвентное шлицевое соединение

На чертеже указывается один зуб и его форма, по аналогии с прямозубыми зацеплениями. Кроме диаметров и классом обработки под выносной линией указывается ГОСТ, по которому изготавливались шлицы.

Треугольный профиль

Для передачи вращения тонкостенными ступицами изготавливаются шлицевые соединения с треугольным профилем. Они соединяются неподвижно и используются для маломощных усилий, требующих большой точности передачи вращения.

Изготавливается зуб по отраслевым стандартам с углом: 30°, 36° и 45°. Зубья мелкие, количество большое, в пределах 20 – 70 шт. центрирование производится только по боковым поверхностям.

Стоят на приводе стеклоочистителя в автомобилях, торсионных валах триммеров.

Треугольный профиль

Достоинства и недостатки

При конструировании механизмов, передающих вращение с высокой нагрузкой, чаще всего останавливаются на выборе шлицевого соединения. Оно имеет в определенных случаях огромные преимущества и может заменить несколько шпоночных соединений. Недостатки также имеются. Надо взвешивать все аргументы за и против, выбирая способ соединения.

В сравнении со шпонками, к достоинствам шлицевых соединений относятся:

  • надежность при ударных нагрузках и вибрации;
  • возможность уменьшить длину ступицы;
  • малые радиальные зазоры;
  • увеличение срока эксплуатации;
  • отсутствие нагрузки на срез и малая на изгиб благодаря большому пятну контакта;
  • несколько линий приложения сил, возможность передавать большие усилия валами с малым диаметром;
  • осевое перемещение;
  • в соединении только 2 детали;
  • компактность;
  • точная центровка.

Шлицы изготавливаются по ГОСТ и Стандартам, имеют строго нормализованные размеры и детали для соединения легко подобрать. Упрощена сборка узлов и подгонка деталей.

К недостаткам шлицевых соединений относятся:

  • высокая стоимость деталей;
  • сложная технология изготовления;
  • использование специального оборудования и инструмента.

При перегрузках шпонка просто срезается, не допуская передачи повышенной нагрузки на рабочий механизм и предотвращая его поломку. Деталь простая и дешевая, легко меняется.

В шлицевых соединениях при аварийной ситуации может сломаться зуб или весь станок. Замена деталей сложная и дорогостоящая.

Применение

Необходимость в применении зубчатых соединений возникает, когда надо передать большой крутящий момент и предъявляются высокие требования к соосности ведущей и ведомой детали и точности движения. Шлицы позволяют втулке перемещаться вдоль оси, изменяя передаточное число зацепления без остановки механизма. Благодаря этому они применяются в коробках передач автомобилей, станков, загрузочных агрегатов.

Назначение шлица, как и шпонки, передавать крутящий момент с заданной угловой скоростью.

Распределение нагрузки относительно оси вращения равномерное, по количеству зубьев, исключается радиальное биение. Это используется в точных приборах, где необходима точность.

Вращение с помощью треугольных зубцов встречается в бытовых приборах, электроинструменте:

  • миксеры;
  • газонокосилки;
  • дрели;
  • роботы-пылесосы.

Шлиц в миксере
Шлиц в дрели

Во всех областях машиностроения, станкостроения, машинах и других средствах передвижения применяется компактный и мощный узел передачи вращения.

Государственные стандарты

Прямозубые шлицевые валы и втулки изготавливаются согласно ГОСТ 6033-80, которым предусмотрено обозначение шлицов по внутреннему и наружному диаметру валов, с указание способа центровки: D, d, b, количества зубьев, и класса точности изготовления сопрягаемых деталей. Например: d – 8×36H7/h7×40H12×7D9, где:

  • d – центрирование по малому диаметру;
  • 8 зубьев;
  • 36 – внутренний диаметр;
  • H7/h7, H12, D9 поле допуска соответствующих размеров;
  • 40 – наружный диаметр;
  • 7 – ширина зуба.

Стандарт предусматривает писать характеристики на выносной линии одной строкой без пробелов.

Изображение и изготовление эльвольвентных узлов выполняется по ГОСТ 1139-80, размеры и допуск на детали также располагаются на выносной линии. При этом указывается только характеристика размера центровки. Под линией пишется ГОСТ, по которому изготавливались детали.

В случае треугольного стыкования деталей ссылаются на отраслевой стандарт, указывают угол наклона и количество зубьев.

Шлицевое соединение используется для передачи вращательного движения между валами и втулками. В отличие от шпоночного соединения оно обеспечивает лучшее центрирование деталей. При этом нагрузка на некоторые элементы значительно ниже, а прочность при динамических и переменных нагрузках существенно выше. Такой тип соединения представляет из себя зубья определенной длины, соединенные в одно целое с телом вращения.

Нарезка шлицов

Существует три типа шлицевых соединений:

  • прямобочные;
  • эвольвентные;
  • треугольные.

Нарезка шлицов в машиностроительной отрасли выполняется преимущественно на фрезерном оборудовании, к которому предъявляются особые требования по точности.

Методы нарезки шлицов

Перед тем как нарезать шлицы на валу необходимо выбрать способ центрирования сопряженных деталей. Зубчатое колесо или втулку центрируют следующим образом:

  • по наружному диаметру вала D;
  • по внутреннему диаметру вала d;
  • по боковым сторонам b.

Виды шлицов

Первый способ применим в неподвижных соединениях, которые не требуют повышенной твердости. Центрирование по внутреннему диаметру применимо к деталям, подвергшимся закалке, а по боковым сторонам при реверсивном движении вала и больших крутящих моментах.

Нарезание шлицов проходит в несколько этапов, включающих черновой и чистовой виды обработки, фрезерование пазов канавок, снятие заусенцев, шлифование и термическую обработку.

В зависимости от диаметра вала фрезерование шлицев выполняется за один или два прохода. Черновое фрезерование шлицев на валах может осуществляться дисковыми фрезами, а чистовое специальной червячной фрезой, которая обеспечивает наибольшую точность.

Строгают такие сложные элементы шпинделя как правило на специальных строгальных полуавтоматах, когда есть расстояние для выхода резца и в сквозных отверстиях. Одновременно происходит нарезка всех пазов несколькими резцами. Заготовка крепится вертикально и совершаются возвратно-поступательные движения. После каждого хода выполняется установленное движение подачи. Строгание применяется в массовом производстве и дает высокое качество обработки с шероховатостью до 0,8 мкм.

Способы нарезки шлицов
Нарезка шлицов делением

Нарезка внутреннего шлица лучше всего выполняется на протяжном оборудовании. Каждый паз обрабатывается по очереди, но существуют протяжки для одновременной нарезки нескольких зубьев.
Высокоэффективным способом изготовления соединений такого типа является накатка. Она совершается на специальном оборудовании с использованием накатной головки, которая имеет вращающиеся ролики. С помощью этих роликов происходит выдавливание металла с поверхности заготовки и образуется шлицевой паз. Данный метод позволяет нарезать до 18 зубьев одновременно и используется в крупных производствах.

Выбор оборудования и инструмента

Нарезка выполняется на станках:

  • фрезерных;
  • строгальных;
  • долбежных;
  • токарных;
  • протяжных.

Затем детали подвергают шлифовке на шлифовальных станках.

В мелкосерийном и единичном производстве очень часто нарезание шлицев осуществляется на шлицефрезерном или зубофрезерном оборудовании с использованием червячной фрезы и метода обкатки. Использование такого инструмента эффективно как для прямобочных, так и для эвольвентных шлицев.

Горизонтально-фрезерный станок для нарезания шлицев используется в паре с фасонной дисковой фрезой. Для одновременной нарезки нескольких пазов используют делительную головку. Стоит отметить, что для изготовления шлицов такой способ используют крайне редко из-за неточностей по шагу и ширине. Целесообразно будет провести на горизонтально-фрезерном станке с дисковой фрезой черновую обработку детали, оставив припуск на чистовую обработку и шлифовку. Чистовую обработку пазов проводят специальными торцевыми фрезами, а для треугольного шлицевого соединения применяют треугольные фрезы.

Зубодолбежный шлицевой станок применяется в том случае, когда нет места для выхода фрезы.

Используется метод обкатки с применением долбяка. За высокое качество, получаемых поверхностей зубодолбежное оборудование используются в массовом производстве.

Зубодолбежный шлицевой станок
Нарезка шлицов на станке

Помимо долбежных станков, широкое распространение в массовом и крупносерийном производстве шлицевых соединений получили строгальные и протяжные станки. Такое оборудование в несколько раз эффективнее и производительнее фрезерных станков. Нарезка строганием осуществляется с применением набора резцов, количество и размеры которых зависят от числа зубьев, ширины и глубины пазов соединения. При протягивании используют инструмент под названием протяжка. Этот инструмент имеет несколько режущих зубьев разной высоты, которые при поступательном движении срезать часть металла с заготовки.

Для изготовления эвольвентных соединений применяют холодную накатку с использованием специальных роликовых головок. Таким инструментом изготавливают изделия с большим количеством зубьев. По своей эффективности метод холодной накатки выше фрезерования в 10 раз.

После нарезки зубьев и термической обработки, все изделия подвергают шлифовке. Это позволяет добиться требуемой шероховатости и избежать зацепления сопрягаемых деталей в работе. Для шлифования используют следующий инструмент:

  • фасонный круг;
  • дисковый круг;
  • конический круг.

Для шлифования внутренних поверхностей в некоторых случаях применяют оправку.

Нарезка шлицов в домашних условиях

Выполнить нарезание пазов на валу в домашних условиях затруднительно, так как такой технологический процесс требует использования станков с высокой точностью. Тем не менее в сети часто встречается вопрос как нарезать шлицы болгаркой на валу или сорвана шляпка болтов. Такие операции вполне по силам выполнить самостоятельно с использованием минимума инструмента и навыков. В тех случаях, когда требуется нарезка шлицов на полуоси автомобиля, необходимо закрепить изделие в тисках, разметить места будущих пазов и произвести нарезку с помощью болгарки. Восстановление шлицевого соединения привода таким методом не рекомендуется, по причине возникновения люфта между сопряженными деталями. Но если нет другого способа совершить ремонт, следует удерживать болгарку в неподвижном состоянии, чтобы не повредить пазы.

Нарезка шлицов в домашних условиях

Часто встречается вопрос как сделать длинный шлицевой вал. В первую очередь необходимо подобрать вал с уже имеющимся шлицевым соединением и заготовку, на котором будет выполняться резка пазов. Затем необходимо наварить торец одного вала к другому. Получившуюся заготовку закрепляют в патроне фрезерного, долбежного, строгального или протяжного станков и выполняют нарезку.

Шлицевым соединением,или зубчатым соединением, называется разъемное соединение вала с отверстием, когда на валу имеются зубья (выступы), а в отверстии — соответствующие впадины (шлицы).

Охватывающую поверхность внутреннего цилиндра обычно в этих соединениях называют втулкой.

Основное назначение этих соединений — передача крутящего момента, причем в отдельных случаях сопрягаемые детали могут иметь относительное осевое перемещение.

Шлицевые соединения, в принципе, можно представить себе как многошпоночное соединение с равномерно расположенными шпонками. В зависимости от формы профиля выступов у вала и пазов у втулки имеются прямобочные и эвольвентные шлицевые соединения.Значительно реже применяются шлицевые соединения с треугольным профилем. Шлицевые соединения используются в тех же случаях, что и шпоночные соединения, но для передачи больших крутящих моментов и, кроме того, в случаях, когда необходимо обеспечить относительно высокие требования к соосности (центрированию) вала и втулки.

ПРЯМОБОЧНЫЕ ШЛИЦЕВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Эти соединения (рис. 1) используются в подвижных (с зазором) и неподвижных (с натягом) соединениях.

Для того чтобы обеспечить передачу разных значений моментов, при выборе размеров шлицевых соединений (ГОСТ 1139—80), выделяют легкие, средние и тяжелые серии, которые отличаются, в основном, разными сочетаниями чисел зубьев (шлицев) (z), размерами внутреннего (d) и наружного (D) диаметров и шириной (b) зуба (паза). Прямобочные шлицевые соединения обычно предназначены для соединений с наружным диаметром от 14 до 125 мм (обратите внимание на расположение внутреннего и наружного диаметров для шлицевого вала и шлицевой втулки на рис. 1).


Рис. 1. Втулка и вал прямобочного шлицевого соединения

Необходимость нормирования сочетаний диаметров и числа зубьев объясняется тем, что втулки шлицевого соединения получаются способом протягивания. Инструмент для этого – протяжка – изготавливается под определенный размер втулки и для определенного числа шлицев (зубьев). Поэтому весьма важно внести ограничения типоразмеров этих втулок, так как инструмент протяжка очень сложный и дорогой. Нельзя допускать произвольное сочетание диаметров и количества зубьев. В прямобочных шлицевых соединениях зубья, по которым образуются сопряжения, расположены параллельно оси соединения и имеют плоские боковые поверхности.

Требования к параметрам шлицевого соединения задаются в зависимости от принятой системы центрирования между валом и втулкой, т.е. от той поверхности, по которой производится основное сопряжение, обеспечивающее расположение осей втулки и вала (рис. 2). Используют три способа центрирования: по наружной поверхности (D) (рис. 2, а), по внутренней поверхности (рис. 2, б) (d) и по боковым поверхностям зубьев (b) (рис. 2, в).


Рис. 2. Центрирование прямобочных шлицевых соединений: по наружному диаметру (а), по внутреннему диаметру (б), по боковым поверхностям (в)

Необходимо иметь в виду, что поскольку обработку поверхности втулки, в основном, осуществляют протягиванием, то это в свою очередь предопределяет требование к материалу детали и возможные точности сопряжений.

1. Центрирование в шлицевых соединениях.Прежде чем рассмотреть вопросы центрирования по разным поверхностям шлицевых деталей, коротко разберем понятие «центрирование» и способ осуществления его при образовании шлицевого соединения. Термин «центрирование» широко применяется в машиностроении и характеризует точность расположения осей поверхностей относительно друг друга.

Центрирование- это операция сборки, заключающаяся в выверке соосности детали с базовой поверхностью или общей осью.

Таким образом, термин «центрирование» не совсем точен, поскольку речь идет о действиях по совмещению осей,а не центров.Однако этот термин, характеризующий совмещение осей двух деталей, укоренился в машиностроении, и вызвано это, вероятно, процедурой действий при центрировании. В процессе центрирования измеряется радиальное биение центрируемой детали и по этому биению судят о совпадении осей.

Радиальное биение измеряется в сечении цилиндра плоскостью, перпендикулярной оси цилиндра, и, фактически, вместо совпадения осей определяется совпадение центров. Отсюда и термин «центрирование», который употребляется, например, при совмещении оси заготовки с осью планшайбы станка, при этом условно пренебрегают влиянием на радиальное биение отклонений от «круглости заготовки».

Центрирование при образовании шлицевого соединения обеспечивается совмещением осей вала и втулки.Точность совмещения этих осей обеспечивается точностью посадки с зазором между сопрягаемыми поверхностями. Но прежде чем рассмотреть эти посадки, надо обратить внимание на то, что шлицевое соединение отличается от обычного гладкого тем, что посадка (сопряжение) для шлицевых деталей осуществляется одновременно по тремповерхностям, т.е. по наружной поверхности, по внутренней и по боковым сторонам шлицев (зубьев).

Таким образом, при нормировании точности шлицевого соединения необходимо нормировать одновременно три посадки.Посадки эти должны быть разными по точности,так как невозможно изготовить все сопрягаемые поверхности с одинаковой точностью и невозможно будет обеспечить собираемость шлицевых деталей при одинаково высокой точности. Точность совпадения осей в шлицевом соединении обеспечивается точностью сопряжений, т.е. значениями зазоров или натягов. Поэтому точности посадокпо трем сопрягаемым поверхностям шлицевых деталей назначают разными. И,естественно, что поверхность, для которой назначена более высокая точность сопряжения, будет обеспечивать точность совмещения осей. Если говорится, что центрирование шлицевого соединения осуществляется по наружному диаметру, это означает, что посадка по наружному диаметру(наружной поверхности) должна быть наиболее точной из трех посадокв данном шлицевом соединении.

Поскольку поверхности шлицевого соединения либо обеспечивают точность центрирования, либо не выполняют этой функции, то возникает необходимость отдельного нормирования точности каждой поверхности, когда она является центрирующейи когда она не является центрирующей.

Центрирование по D(см. рис. 2, а) используется для подвижных и неподвижных соединений, при передаче небольших крутящих моментов и в других соединениях, подвергаемых малому износу. Для обеспечения этого сопряжения втулка должна изготавливаться с относительно не большой твердостью, чтобы обеспечить обработку чистовой протяжкой. Вал может иметь большую твердость и обрабатывается шлифованием по наружному диаметру (фрезерованием получают зубья). Этот способ центрирования наиболее простой и экономичный.

Центрирование по d(см. рис. 2, 6) используется для получения высокой точности совмещения осей вала и втулки. Для обеспечения этого сопряжения отверстия по внутреннему диаметру и у вала, и у втулки могут быть окончательно обработаны шлифованием. Это сопряжение используется, когда и вал, и втулка должны иметь большую твердость.Этот способ центрирования дорогой, но наиболее точный.

Центрирование по b(см. рис. 2, в) используется, когда необходимо передать большие крутящие моменты, особенно при знакопеременной нагрузке, тем более с реверсированием. При этом способе не обеспечивается высокая точность совпадения осей вала и втулки, и поэтому он применяется значительно реже, чем два других.

2. Поля допусков на размеры поверхностей прямобочного шлицевого соединения.Шлицевые детали образуют подвижные и неподвижные соединения, для которых нормируются отдельные поля допусков по ГОСТ 25347—82. Выше было сказано, что нормируются разные поля допусков для центрирующих и нецентрирующих поверхностей шлицевои детали.

А. Поля допусков для размеров центрирующих поверхностей.Эти поля допусков выбраны из ГОСТ 25347—82 в зависимости от характера соединения — подвижного или неподвижного. В стандарте выделены поля допусков предпочтительного применения, и это следует учитывать при выборе полей допусков.

При центрировании по внутреннему диаметру dдля подвижныхсоединений точность внутреннего диаметра втулки (d)нормируется всего двумя полями допусков Н8 и Н7, причем последнее поле допуска является предпочтительным, поскольку совпадает с нормируемым в международном документе ИСО. Для внутреннего диаметра валанормируется пять полей допусков, среди которых поля допусков f7, g6 и g7 являются предпочтительными.

Для ширины шлицев (зубьев) (b) при центрировании по внутреннему диаметру выделено шесть полей допусков для ширины шлицев втулок(поля Н9 и Н11 предпочтительные) и 12 полей допусков для ширины шлицев на валу(поля d10, f9 предпочтительные).

Для неподвижныхсоединений при центрировании по внутреннему диаметрунормируется одно поле допуска Н7 на внутренний диаметр втулкии четыре поля допусков на внутренний диаметр вала(из них п7 предпочтительное).

Для ширины шлицев(зубьев) втулкинормируются шесть полей допусков (из них Н9 и Н11 — предпочтительные) и пять полей допусков для шлицев вала(из них ЫО — предпочтительное).

При центрировании по наружному диаметру Dдля подвижныхсоеди­нений точность наружного диаметра втулкинормируется четырьмя полями допусков (из них рекомендуется к применению Н7). Для валанормируется шесть полей допусков (из них рекомендуются f7, g6, hi).

Для ширины шлицев при центрировании по наружному диаметру установлено четыре поля допуска для шлицев втулки(рекомендуются D9, F8, F10) и восемь полей допусков для шлицев вала(рекомендуются d9, h9, f7, f8).

Для неподвижныхсоединений точность центрирующего наружного диаметранормируется одним полем допуска Н7 для диаметра втулкии двумя полями допусков для вала(рекомендуется js6).

Для неподвижного соединения и центрирования по наружному диаметру для ширины шлицев установлено два поля допусков для шлицев втулки(рекомендуется F8) и два поля допусков для шлицев вала(рекомендуется js7).

При центрировании по боковым сторонам шлицевдля подвижногосо­единения установлены три поля допуска по ширине шлицев втулки(рекомендуются D9 и F10) и семь полей допусков — по ширине шлицев вала(рекомендуются е8 и f8).

Для неподвижногосоединения нормируются три поля допуска для шлицев втулки(рекомендуется F8) и два поля допуска — для шлицев вала(рекомендуется js7).

Перечисление полей допусков дано, естественно, не для запоминания, а для представления об ограниченности отобранных полей допусков. Для полноты картины надо иметь в виду, что одни и те же поля допус­ков повторяются для разных поверхностей центрирования, и общее ко­личество используемых полей допусков значительно меньше, чем сумма перечисленных в этом разделе.

Надо обратить внимание, что для всех поверхностей втулки дается значительно меньше полей допусков, чем для поверхностей валов, из-за трудности изготовления втулок и необходимости иметь дорогостоящий и сложный инструмент — протяжку.

Б. Поля допусков на размеры нецентрирующих поверхностей.Еще раз напомним, что при образовании шлицевого соединения необходимо нормировать требования к точности посадки по трем поверхностям — наружной, внутренней и боковым сторонам шлицев. И при этом самая точная посадка из трех обеспечивает центрирование, т.е. совмещение осей вала и втулки. Естественно, что по поверхностям, которые не обеспечивают центрирования, применяются более грубые поля допусков, поскольку они должны обеспечить, в основном, только собираемость. Для нецентрирующих боковых сторон шлицев поля допусков были указаны, когда рассматривались поля допусков по центрирующим поверхностям. Необходимость отдельного нормирования посадок по ширине шлицев связана с тем, что если по другим нецентрирующим поверхностям (наружному и внутреннему диаметрам) требуется только обеспечить собираемость, и в эксплуатации эти поверхности практически не участвуют, то боковые поверхности, даже если они не являются центрирующими, влияют на эксплуатационные свойства шлицевого сопряжения. Посадка по этим поверхностям влияет на величину относительного смещения вокруг оси вала и втулки, что особенно важно при работе шлицевого соединения с реверсом.

Наружныйдиаметр является нецентрирующим,когда центрирование осуществляется по поверхностям внутреннего диаметра (d) или по поверхностям боковых сторон шлицев (Ь). В этом случае для наружного диаметра вала (D) при подвижном соединении используются поля допусков a11, d10, f9, причем к применению рекомендуется первое поле допуска.

Для неподвижногосоединения точность наружного диаметра у валанормируется тремя полями допусков: al I, f9, h10, при этом к применению рекомендуется первое поле допуска.

Для нецентрирующегонаружного диаметра втулки,вне зависимости от вида сопряжения, нормируется три поля допуска: Н10, H11, HI2, при этом к применению рекомендуется первое поле допуска.

Внутреннийдиаметр является нецентрирующим,когда центрирование осуществляется по наружному диаметру или по боковым сторонам шлицев. В этом случае для внутреннего диаметра втулки установлено всего одно поле допуска HI 1, и для подвижного, и для неподвижного соединений. Для нецентрирующего внутреннего диаметра вала вообще не нормируется требование к точности. В стандарте указано, что внутренний нецентрирующий диаметр d вала должен быть не менее диаметра d1 (см. рис. 1).

В. Нормирование точности расположения поверхностей элементов прямобочных шлицевых деталей.Для прямобочных шлицевых соединений, несмотря на сложность геометрической формы втулки и вала, нормируется практически одно отклонение от симметричностибоковых сторон зубьев (шлицев). Допуск задается в диаметральном выражении (см. рис. 1)относительно центрирующего элемента.Нормирование только одного показателя отклонения расположения связано, видимо, с тем, что основным средством контроля деталей шлицевого соединения (вала и втулки) является комплексный (проходной) калибр, выявляющий возможность сборки этих элементов. В стандарте на эти калибры установлены требования на расположение элементов шлицевого сопряжения.

Допуск симметричности нормируется в зависимости от ширины зуба (шлица) и устанавливается значениями от 0,010 до 0,018 мм.

Установившаяся во всем мире система контроля шлицевых деталей с помощью калибров нашла отражение не только указанием об этом в стандарте, нормирующим точностные данные для шлицевого соединения, но и на дополнительные требования еще к одному параметру отклонения расположения. В ГОСТ 1139—80 указано, что если шлицевая деталь контролируется калибром, длина которого меньше длины детали, то дополнительно нормируются требования к отклонению от параллельности сторон зубьев (шлицев) вала и втулки относительно оси центрирующей поверхности. Отклонение от параллельности задается на длине 100 мм значением 0,03 мм при допусках на ширину шлицев от IT6 до IT8 и 0,05 мм при допусках IT9 и IT10.

Г. Посадки шлицевыхпрямобочных соединений. Как и для гладких цилиндрических соединений, для элементов шлицевых деталей в стандарте посадки непосредственно не нормируются. Они даны в виде рекомендацийв приложении к стандарту.

При центрировании по наружному диаметру даны рекомендуемые посадки по боковым сторонам шлицев, Таких посадок 16, с использованием полей допусков D9, F8, F10 для шлицеввтулок, и с использованием тех же основных отклонений для шлицев валов,что и при центрировании по внутреннему диаметру, кроме отклонения к. Выделено семь поса­док предпочтительного применения.

При центрировании по боковым сторонам шлицеврекомендуется 19 посадок с использованием тех же полей допусков, что и для шлицев при центрировании по наружному диаметру (D9, F.8, F10). При этом для шлицев валаиспользуются те же основные отклонения, что и при образовании посадок по боковым сторонам при центрировании по внутреннему диаметру. Допуски для ширины шлицев приняты по 7. 9 квалитетам.

Во всех рекомендуемых посадках обычно квалитет вала на один меньше, чем квалитет отверстия, а в некоторых случаях разница больше, чем на один квалитет. Такое соотношение рекомендуется и для гладких сопряжений.

Если тщательно проанализировать рекомендуемые посадки, то оказывается, что количество рекомендуемых посадок значительно меньше суммы посадок, приведенных выше при центрировании по разным поверхностям вала и втулки. Так, посадки, рекомендуемые по боковым Сторонам шлицев при центрировании по наружному диаметру и по боковым сторонам, почти полностью совпадают с рекомендуемыми посадками по этим сторонам при центрировании по внутреннему диаметру. Таким образом, рекомендуемые посадки по боковым сторонам, при центрировании по внутреннему диаметру содержат весь набор посадок при всех поверхностях центрирования.

Аналогично и с рекомендуемыми посадками при центрировании по наружному и внутреннему диаметрам для посадок по этим диаметрам. Эти рекомендации содержат шесть совпадающих посадок из восьми при центрировании по внутреннему диаметру и десять — по наружному.

Д. Условное обозначение прямобочных шлицевых соединений валов и втулок.При условном обозначении шлицевого соединения необходимо указать как основные конструктивные данные, так и точность изготов­ления размеров основных конструктивных поверхностей.

В обозначении указывается способ центрирования, число шлицев (зубьев), значение внутреннего диаметра и посадка по внутреннему диаметру, значение наружного диаметра и посадка по этому диаметру, значение ширины шлицев и посадка по шлицам.


Пример:

Это обозначение указывает, что шлицевое соединение должно быть образовано при центрировании по внутреннему диаметру (d), имеет число зубьев 8 (z), значение внутреннего диаметра d = 36 мм и посадка по внутреннему диаметру Н7/f7, значение наружного диаметра D = 40 мм и посадка по этому диаметру H12/d11, значение ширины шлицев (зубьев) b = 7 мм и посадка по шлицам H9/f9.

При центрировании по наружному диаметру (D):


При центрировании по боковым сторонам шлицев (b):


Структура обозначения вала и втулки аналогична обозначению сопряжения, но с указанием полей допусков только для одного элемента соединения, например, при центрировании по внутреннему диаметру.


При условном обозначении шлицевого соединения разрешается не указыватьпосадку или поле допуска по нецентрирующимповерхностям, но для ширины шлицев поля допусков и посадки надо указывать обязательно, даже если они нецентрирующие:

Читайте также: