I. Определение и структура

Шлица – это соединительная конструкция в механической передаче. Он состоит из внешней шлицы на валу и внутренней шлицы на таких деталях, как ступица. Внешний шлиец обычно имеет несколько шпоночных зубьев, выточенных на поверхности вала и имеющих форму цветка. Внутренний шлиец имеет шпоночные канавки на стенке отверстия ступицы, соответствующие внешнему шлицу. Его функция заключается в передаче крутящего момента и обеспечении соосности между валом и ступицей, что позволяет им сохранять хорошее соосное взаимодействие во время вращения.

II. Классификация

Классификация по профилю зубов:

(1) Прямоугольная шлица: профиль зуба прямоугольный. Прямоугольный шлиец обладает высокой точностью центрирования и относительно высокой несущей способностью. Технология его обработки относительно проста, а стоимость невелика, поэтому он широко используется в механических трансмиссиях общего назначения. Например, в редукторах станков он используется для соединения шестерен и валов для реализации функций передачи мощности и изменения скорости.

(2) Эвольвентная шлица: Профиль зуба имеет форму эвольвенты. Преимуществом эвольвентного шлица является его хорошая производительность автоматического центрирования. Благодаря характеристикам эвольвенты в процессе сборки поверхности зубьев могут автоматически корректировать свое положение для обеспечения концентричности. Кроме того, корень его зуба относительно толстый, а прочность высокая, поэтому он подходит для передачи больших крутящих моментов и более высоких скоростей вращения. Например, в соединении между полуосью и ступицей автомобиля часто используется эвольвентная шлица, чтобы выдерживать сложные нагрузки во время движения автомобиля.

(3) Треугольная шлица: профиль зуба треугольный. Этот тип шлица отличается высокой точностью центрирования, но его несущая способность относительно слаба. В основном он используется в случаях соединения с небольшими нагрузками и высокой точностью, например, при соединении валов и деталей в некоторых прецизионных инструментах. (Слева направо по порядку: прямоугольный шлиец, эвольвентный шлиец, треугольный шлиец)

III. Характеристики шлицевых муфт

Шлицевые муфты подходят для соединений с высокими требованиями к точности центрирования, большими нагрузками или частым скольжением. Число зубьев, размеры, посадки и т. д. шлицевых муфт следует выбирать в соответствии со стандартами.

(1) Поскольку на валу и отверстии ступицы непосредственно и равномерно выполнено относительно большое количество зубьев и канавок, силы на соединении распределяются относительно равномерно.

(2) Поскольку канавки относительно неглубокие, концентрация напряжений в основании зуба относительно невелика, а снижение прочности вала и ступицы меньше.

(3) Зубьев больше, а общая площадь контакта относительно велика, поэтому он может выдерживать относительно большие нагрузки.

(4) Соосность деталей на валу и валу хорошая (что очень важно для высокоскоростных и прецизионных машин).

(5) Направляющие характеристики относительно хорошие (что очень важно для динамических соединений).

(6) Точность обработки и качество соединения можно улучшить с помощью методов шлифования.

(7) Недостатками шлицевых муфт является то, что у корня зуба все еще сохраняется концентрация напряжений; иногда для обработки требуется специальное оборудование; и стоимость высока.

IV. Проектирование шлицевых муфт

1. Определите тип шлица. Прямоугольный шлиец: он имеет высокую точность центрирования и высокую несущую способность. Прямоугольный сплайн имеет две серии: легкую и среднюю. Легкая серия часто используется для статических соединений с более легкими нагрузками, например, для соединения скользящей шестерни и вала в коробке передач. Средняя серия подходит для соединений со средними нагрузками. Эвольвентный шлиец: он обладает характеристикой автоматического центрирования, а корень зуба относительно толстый и обладает высокой прочностью. Его часто используют для соединений с большими нагрузками и высокими требованиями к точности центрирования, например, соединения автомобильной полуоси со ступицей. Стандартные углы давления включают три типа: 30°, 37,5° и 45°. Эвольвентная шлица с углом прижима 30° имеет более высокую несущую способность. Для двух типов корней зубов определены четыре основных профиля зуба, а именно: плоский корень зуба с углом давления 30°, закругленный корень зуба с углом давления 30°, закругленный корень зуба с углом давления 37,5° и закругленный корень зуба с углом давления 45°. Треугольный шлиец: он обладает хорошими характеристиками центрирования и может автоматически центрироваться, чтобы обеспечить соосность вала и ступицы, а также снизить вибрацию и шум. Он подходит для точной передачи, например, для соединения шпинделя прецизионного станка и шестерни. Он имеет относительно высокую несущую способность и может выдерживать нагрузки через несколько зубьев. При разумной конструкции он может выдерживать значительные нагрузки. Его часто используют в местах с легкими и средними нагрузками и ограниченным пространством, например, в местах соединения шестерен и вала в трансмиссии небольшого автомобиля. Его структура компактна. В тех же условиях он занимает меньше места, чем прямоугольный шлиец, что полезно для миниатюризации конструкции, например, для соединения ручных электроинструментов, микродвигателей и редукторов.

2. Определите основные параметры сплайна.

(1) Прямоугольная шлица. Во-первых, определите основные параметры, такие как меньший диаметр d, большой диаметр D, ширина ключа B и количество зубьев z. Меньший диаметр d является основным размером и изначально выбирается в зависимости от диаметра вала и передаваемого крутящего момента. Ширина ключа B и количество зубцов z определяются в зависимости от несущей способности и конструктивных требований. Число зубьев z обычно четное для удобства обработки и контроля.

(2) Эвольвентный шлиец Определите основные параметры, такие как модуль m, количество зубьев z и угол давления (обычно 30° или 45°). Модуль является важным параметром эвольвентной шлицы, определяющим размер и несущую способность шлица. Чем больше модуль, тем больше толщина зуба и высота зуба шлица и тем выше несущая способность. Малый диаметр является основным размерным параметром прямоугольного шлица и определяется в зависимости от прочности вала и требований к соединению. Например, в некоторых системах автомобильной трансмиссии модуль m может составлять 2–3 мм. Количество зубьев z также должно учитывать несущую способность и структуру, и обычно оно не менее 10. Эвольвентный шлиец с углом давления 30 ° имеет более высокую несущую способность, а эвольвентный шлиец с углом 45 °. Угол давления больше подходит для случаев с легкими нагрузками и небольшими размерами.

(3) Основные параметры Определите основные параметры, такие как модуль m, количество зубьев z и угол давления (обычно 30° или 45°). Выбор числа зубьев z зависит от диаметра вала, требований к передаваемому крутящему моменту и общей конструктивной схемы оборудования. Вообще говоря, на валах меньшего диаметра будет относительно меньше зубьев, а на валах большего диаметра и с более высоким передаваемым крутящим моментом количество зубьев соответственно увеличится, чтобы обеспечить достаточную несущую способность и равномерное распределение нагрузки. Модуль m является ключевым параметром, определяющим размер и несущую способность треугольной шлицы. Чем больше модуль, тем больше размер зубьев и соответственно выше несущая способность шпонки. Величина угла давления α напрямую влияет на форму профиля зуба и характеристики напряжений. Профиль зуба треугольной шлицы с углом давления 30° относительно «мягкий». При передаче больших крутящих моментов распределение контактного напряжения на поверхности зуба является относительно равномерным, что способствует повышению несущей способности и износостойкости поверхности зуба и подходит для случаев с большими нагрузками и относительно стабильной работой. При этом профиль зуба треугольного шлица с углом давления 45° относительно «крутой». Его преимущество состоит в том, что при одинаковых условиях модуля и числа зубьев толщина у корня зуба относительно велика и может выдерживать относительно большие напряжения изгиба. Поэтому его часто используют в некоторых системах трансмиссии с относительно большими изменениями нагрузки и возможными ударными нагрузками. Однако, условно говоря, распределение контактных напряжений на поверхности зуба не такое равномерное, как при угле давления 30°, и износ поверхности зуба может быть относительно быстрым при длительной работе под высокими нагрузками.

3. Расчет на прочность. Основными видами разрушения шлицевых муфт являются смятие рабочей поверхности (для статических соединений) или чрезмерный износ рабочей поверхности (для динамических соединений). Для статических соединений расчет прочности проводят по напряжению выдавливания на рабочей поверхности, а для динамических соединений расчет условной прочности проводят по давлению на рабочую поверхность.

(1) Проверка прямоугольных шлицов

① Расчет прочности контакта с поверхностью зуба:

Когда прямоугольный шлиец передает крутящий момент T, формула расчета контактного напряжения на поверхности зуба σH равна σH = 2T / (ψzhlDm). Здесь ψ – коэффициент неравномерности распределения нагрузки (обычно принимается равным 0,7 – 0,8), h – рабочая высота шпоночного зуба (для прямоугольного шлица h = [(D – d)/2] – 2C, где C – размер фаски), l – рабочая длина шлица, Dm = (D + d)/2.

После расчета контактного напряжения σH оно должно быть меньше допустимого контактного напряжения [σH]. Значение допустимого контактного напряжения определяется в зависимости от материала шлицев и условий работы (например, наличия смазки, рабочей температуры и т. д.). Например, для стали 45 после закалки и отпуска при хороших условиях смазки допустимое контактное напряжение [σH] может составлять 100–150 МПа.

② Расчет прочности на изгиб корня зуба:

Напряжение изгиба корня зуба σF = 2T/(zblDm), где b – ширина корня зуба (для прямоугольного шлица b = B – 2C).

Рассчитанное напряжение изгиба корня зуба σF должно быть меньше допустимого напряжения изгиба [σF]. Допустимое напряжение изгиба связано с механическими свойствами материала и состоянием термической обработки шлица. Например, для стали 40Cr после закалки и отпуска допустимое напряжение изгиба [σF] может составлять около 150–200 МПа.

③ Проверка точности центрирования:

Для прямоугольных шлицев, если для центрирования используется меньший диаметр, необходимо проверить точность размеров и цилиндричность малого диаметра. Класс допуска меньшего диаметра следует выбирать в соответствии с требованиями точности центрирования соединения. Например, для прецизионной передачи класс допуска меньшего диаметра может быть выбран как IT6–IT7; для общей передачи можно выбрать IT8–IT9. Погрешность цилиндричности следует контролировать в пределах допустимого диапазона, чтобы обеспечить точность центрирования.

(2) Проверка эвольвентных шлицев

① Расчет прочности контакта с поверхностью зуба:

Когда эвольвентный шлиец передает крутящий момент T, формула расчета контактного напряжения на поверхности зуба σH равна σH = ZE[(2T / (ψzm²l)) · 1 / (1 / ρ1 + 1 / ρ2)]¹/². Здесь ZE — коэффициент упругости (относительно материала), ρ1 и ρ2 — радиусы кривизны в точках контакта двух поверхностей зубьев, ψ — коэффициент неравномерности распределения нагрузки (диапазон значений аналогичен таковому у прямоугольный шлиец), l — рабочая длина шлица.

Рассчитанное σH должно быть меньше допустимого контактного напряжения [σH]. Допустимое контактное напряжение определяется в зависимости от материала шлицев и условий работы. Например, для эвольвентных шлицев, изготовленных из высококачественной легированной стали, при хорошей смазке и нормальных рабочих температурных условиях допустимое контактное напряжение [σH] может составлять 200–300 МПа.

② Расчет прочности на изгиб корня зуба:

Напряжение изгиба корня зуба σF = 2T YFKF / (zm²l), где YF — коэффициент формы зуба, а KF — коэффициент нагрузки (с учетом таких факторов, как динамические нагрузки).

Рассчитанное σF должно быть меньше допустимого напряжения изгиба [σF]. Допустимое напряжение изгиба связано с прочностью материала и состоянием его термической обработки. Например, для легированной стали после цементации и закалки допустимое напряжение изгиба [σF] может составлять около 250–350 МПа.

③ Проверка точности центрирования:

Эвольвентный шлиец центрируется по форме зуба. Необходимо проверить точность формы зуба, включая погрешности формы зуба, совокупные погрешности шага и т. д. Класс точности формы зуба выбирается в соответствии с требованиями точности центрирования соединения. Например, для эвольвентного шлицевого соединения в высокоточной авиационно-космической технике класс точности формы зуба может требоваться до 5 - 6 класса; для общепромышленного оборудования требованиям может соответствовать класс 7 – 8.

(3) Проверка треугольных сплайнов

① Расчет прочности контакта с поверхностью зуба:

Формула для расчета контактного напряжения на поверхности зуба σH: σH = 2T/(ψzhlDm). Здесь T — передаваемый крутящий момент, ψ — коэффициент неравномерности распределения нагрузки (обычно принимается в пределах 0,7–0,85, в частности, в зависимости от таких факторов, как точность обработки, качество сборки и условия работы шлица), h — рабочая высота шлица. зуб (для треугольного шлица h = m(1 + cosα), где m — модуль, а α — угол давления), l — рабочая длина шлица, а Dm = (d + D)/2 (d — меньший диаметр шлица, а D — большой диаметр шлица).

Сравните рассчитанное контактное напряжение на поверхности зуба σH с допустимым контактным напряжением [σH]. Величина допускаемого контактного напряжения зависит от материала, способа термообработки и условий смазки шлица. Например, для стали 45 после закалки и отпуска при хороших условиях смазки допустимое контактное напряжение [σH] составляет примерно 120–180 МПа; при использовании легированной стали и проведении соответствующей поверхностной закалки допустимое контактное напряжение может быть увеличено до 200 - 300 МПа и даже выше.

② Расчет прочности на изгиб корня зуба:

Формула расчета изгибного напряжения корня зуба σF: σF = 2T / (zblDm), где b – ширина корня зуба (для треугольного шлица b = mπsinα).

Рассчитанное напряжение изгиба корня зуба σF должно быть меньше допустимого напряжения изгиба [σF]. Допустимое напряжение изгиба тесно связано с прочностью, ударной вязкостью и твердостью после термической обработки материала. Например, для стали 40Cr после закалки и отпуска допустимое напряжение изгиба [σF] может находиться в пределах 180–250 МПа; тогда как для легированной стали после цементации и закалки допустимое напряжение изгиба может достигать около 250–350 МПа.

③ Проверка точности центрирования:

Метод центрирования: Треугольный шлиец использует метод центрирования по форме зуба. В процессе обработки и сборки центрирование достигается за счет точного зацепления внутренних и внешних форм шлицевых зубьев. Этот метод центрирования может обеспечить высокую точность центрирования, а во время рабочего процесса, даже при определенных колебаниях нагрузки или ударах, благодаря взаимному ограничению форм зубьев он все равно может сохранять соосность между валом и ступицей.

Требования к точности: Чтобы обеспечить хороший эффект центрирования и производительность передачи, предъявляются строгие требования к точности формы зуба, точности шага и шероховатости поверхности треугольного шлица. Точность формы зуба обычно контролируют по классам допуска, указанным в соответствующих стандартах. Например, в прецизионной передаче класс точности формы зуба может требоваться на уровне IT6–IT7; совокупный допуск шага также необходимо контролировать в небольшом диапазоне, чтобы обеспечить равномерное распределение каждого зуба по окружности и избежать явления концентрации нагрузки, вызванного отклонением шага. Что касается шероховатости поверхности, то значение шероховатости поверхности зуба обычно должно находиться в пределах Ra0,8–Ra3,2 мкм. Меньшая шероховатость поверхности помогает уменьшить трение и износ поверхности зубьев, повысить эффективность передачи и срок службы шлица. В процессе механической обработки для обеспечения этих требований к точности часто используются процессы прецизионного фрезерования, протяжки или шлифования. Между тем, перед сборкой требуется строгий осмотр шлица на предмет соответствия всех показателей точности проектным требованиям.

4. Допуск и подходящее проектирование

В соответствии с требованиями использования и условиями работы шлица выберите соответствующие классы допусков и типы посадки. Для соединений с высокими требованиями к точности, таких как соединение шпинделя станка и режущего инструмента, необходимо выбирать более высокие классы допуска, чтобы обеспечить точность и стабильность соединения. Типы посадок включают посадку с зазором, переходную посадку и посадку с натягом. Посадка с зазором используется в динамических соединениях для облегчения относительного скольжения шлица; посадка с натягом используется для статических соединений и может передавать большие крутящие моменты; переходная посадка находится между ними.

5. Расчет длины шлица

Длина шлица в основном определяется величиной крутящего момента, который необходимо передать соединением. Чтобы обеспечить передачу достаточного крутящего момента, постарайтесь максимально сократить длину шлица, чтобы уменьшить производственные ошибки и затраты. Между тем, если длина шлица слишком велика, это приведет к увеличению сложности обработки и может привести к неравномерному напряжению во время рабочего процесса.

6. Выбор материала

Углеродистая сталь: как и сталь 45, она обладает хорошими механическими свойствами и относительно низкой ценой. После соответствующей термообработки (например, закалки и отпуска) его можно использовать для треугольных шлицев с общими нагрузками и требованиями средней точности. Он широко используется в некотором механическом оборудовании, которое относительно недорогое и имеет менее суровые условия работы.

Легированная сталь: например, 40Cr, 20CrMnTi и т. д. Легированная сталь имеет более высокую прочность, вязкость и износостойкость. Благодаря соответствующим процессам термообработки (таким как закалка и отпуск, цементация и закалка и т. д.) можно значительно улучшить несущую способность и срок службы шлица. Он подходит для случаев, когда необходимо нести большие нагрузки, работать на высоких скоростях или в относительно суровых условиях работы (например, высокая температура, высокая влажность, наличие агрессивных сред и т. д.), например, в ключевых деталях трансмиссии в автомобилях. двигатели, авиационные двигатели и промышленные роботы.

В процессе проектирования шлицев также необходимо учитывать такие вопросы, как процессы механической обработки, смазка и уплотнение, чтобы обеспечить надежность и срок службы шлицевого соединения.