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.
Используется метод обкатки с применением долбяка. За высокое качество, получаемых поверхностей зубодолбежное оборудование используются в массовом производстве.
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.
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.
Расчет соединений
Расчет прямобочных шлицев и таблица нормированных размеров заложена в ГОСТ 1139-80. Для эвольвентных шлицевых соединений применяется ГОСТ 6033-80. В нем предусматривается посадка по наружному диаметру и поверхности сбоку.
Центрирование по внутреннему радиусу эвольвентных соединений применяется исключительно для теоретических расчетов. Практичное изготовление подобных эвольвентных соединений более сложное, просит специализированной доводки шлифовкой до нужного размера и форм зуба.
Посадка при центрировании по наружному диаметру:
Df – размер по вершине зуба;
da –размер самый большой по втулке.
Для применения в качестве центрирующей боковой эвольвентной поверхности:
Прежде чем определить модуль, рассчитывается номинальный диаметр вала и подбирается ближний нормализованный. После проходит проверочный расчет, подтверждающий безошибочность выбора эвольвентного соединения.
В таблице нормализованных эвольвентных валов есть 2 вида цифр. Жирным шрифтом или цветом выделяются предпочтительные значения модуля для разных диаметров. К примеру, не рекомендуется к исполнение самый маленький модуль для этого диаметра и самый большой по значению. Сами значения диаметров также размещены в 2 ряда. Размеры из первого лучше. Они повсеместно используются, легче в отделке, есть набор обычного инструмента, применяемого для нарезки зубьев. Детали из начального ряда обеспечиваются стандартизированными кольцами, крепежом и прочими деталями для сборки узла.
Расчет на сечение эвольвентного соединения, обозначение радиуса вала, выполняется по наименьшему диаметру на вращающий момент, крепость на изгиб и динамические нагрузки. Расчет номинального диаметра соединения выполняется по формуле:
Где D – внешний диаметр;
D? – номинальный диаметр;
При центрировании эвольвентного соединения – поверхности сбоку с учетом щелей
Угол профиля зуба зацепления эвольвентного соединения по ГОСТ 30°, в случае выполнения по Отраслевому Стандарту разрешается Наклон эвольвенты 20°. Такое зацепление встречается в старом оборудовании некоторых фирм, работающих по отраслевым нормам тяжёлого автомобилестроения.
При проведении расчетов на крепость зуба по сечению, построение эвольвенты и расчет нагрузок на шлицы выполняется по методике для прямозубых зацеплений. Вводится корректирующий показатель, потому как площадь для работы больше. Одновременно и каждый раз взаимодействуют под нагрузкой все зубья. Погрешность выполнения во время обработки не может обеспечить одинаковое соединение фактически всех боковых поверхностей. Вводится расчетный показатель 0,75 при центрировании по поверхности сбоку с точностью выполнения по 9 и 8 квалитетах.
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.
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:
- легкая;
- средняя;
- тяжелая.
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.
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.
Эвольвентные шлицы
Эвольвентные шлицы вызывают меньшую концентрацию напряжений по сравнению с прямобочными. Шли-цевое соединение меньше снижает выносливое гь вала, чем шпоночное.
Эвольвентные шлицы вызывают меньшую концентрацию напряжений по сравнению с прямобочными. Шлицевое соединение меньше снижает сопротивление усталости вала, чем шпоночное.
Эвольвентные шлицы во втулке обычно нарезаются на зубодолбежных станках. В настоящее время в массовом производстве внедрено протягивание эвольвентных шлицев. Протягивание эвольвентных шлицев во много раз производительнее долбления. Недостатком этого способа является сложность изготовления протяжки с эвольвентным профилем.
Эвольвентные шлицы обеспечивают точное центрирование сопрягаемых деталей, обладают повышенной прочностью, так как радиус во впадине может быть значительно больше, чем у шлиц других профилей, что уменьшает концентрацию напряжений у основания зуба ( см. гл.
Эвольвентные шлицы вызывают меньшую концентрацию напряжений по сравнению с прямобочными. Шли-цевое соединение меньше снижает выносливость вала, чем шпоночное.
Эвольвентные шлицы представляют собой зубья эвольвентного профиля.
Эвольвентные шлицы вызывают меньшую концентрацию напряжений по сравнению с прямобочными. Шлицевое соединение меньше снижает выносливость вала, чем шпоночное.
Эвольвентные шлицы представляют собой зубья эвольвентного профиля, характеризуемые модулем т и углом зацепления а. Центрирование – обычно по боковым граням. Посадка может быть с натягом, зазором или центрирующей. Реже применяют центрирование по наружному диаметру шлицев.
Эвольвентные шлицы с закругленной впадиной можно рассматривать как частный случай шлицев треугольного профиля. Напряжения в них определяются по диаграмме для соответствующих значений а 2а и рн.
Эвольвентные шлицы с закругленной впадиной можно рассматривать как частный случай шлицев треугольного профиля. Напряжения в них определяются по диаграмме для соответствующих значений а 2а0 и рц.
Эвольвентные шлицы с закругленной впадиной можно рассматривать как частный случай шлицев треугольного профиля. Напряжения в них определяются по диаграмме для соответствующих значений а 2о0 и рц.
Прямобочные и эвольвентные шлицы применяют в подвижных и неподвижных соединениях.
Кроме того, эвольвентные шлицы сравнительно легко обрабатываются по принципу обработки зубчатых колес.
Кроме того, эвольвентные шлицы сравнительно легко обрабатывать по принципу обработки зубчатых колес.
По общей прочности эвольвентные шлицы несколько уступают треугольным шлицам оптимального профиля.
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.
В обозначении шлицевого эвольвентного соединения свои отдельные маркировки имеют обе сопрягаемые детали:
- втулка – D×m×9H;
- вал – D×m×9g.
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.
Где:
D – наружный диаметр, который имеют эвольвентные валы до нарезки зуба;
m – модуль 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.
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.
