Шлицевые валы и ступицы изготовляют из среднеуглеродистых и легированных сталей с временным сопротивлением σв > 500 Н/мм2 (МПа). В Таблице 1 приведены значения [σ]см, принятые с учетом опыта эксплуатации при длительном сроке службы. Большие значения [σ]см принимают при легких режимах работы, когда соединение большую часть времени нагружено моментами, значительно меньшими максимально длительно действующего вращающего момента.
Таблица 1. Допускаемые напряжения смятия при средних условиях эксплуатации
Тип соединения
[σ]см, Н/мм2
≤ 350 HB
> 40 HRC
Неподвижное
60 ... 100
100 ... 140
Подвижное
20 ... 30
30 ... 60
Подвижное под нагрузкой
-
5 ... 15
Примечание: допускаемые напряжения приведены для средних условий эксплуатации: знакопостоянная переменная нагрузка с амплитудой ≤ 10% от постоянной, соединение смазывается.
***
Расчет шлицевых соединений на прочность
Основным критерием работоспособности шлицевых соединений является сопротивление рабочих поверхностей смятию и изнашиванию.
Изнашивание боковых поверхностей зубьев (фреттинг-коррозия) обусловлено микроперемещениями деталей соединения вследствие упругих деформаций при действии радиальной нагрузки и вращающего момента или несовпадения осей вращения (из-за зазоров, погрешностей изготовления и монтажа).
Смятие и изнашивание рабочих поверхностей зубьев связаны с действующими на контактирующих поверхностях напряжениями смятия, поэтому напряжение смятия σсм рассматривают, как обобщенный критерий расчета и на смятие, и на изнашивание.
Такой расчет называется упрощенным (приближенным) расчетом по обобщенному критерию работоспособности.
Параметры шлицевого соединения выбирают по таблицам стандарта в зависимости от диаметра вала, а затем проводят упрощенный расчет, который является основным для большинства шлицевых соединений. Он основан на равномерном распределении нагрузки по зубьям, по их длине и на ограничении напряжений смятия допускаемыми значениями [σ]см, назначаемыми на основе опыта эксплуатации подобных конструкций.
σсм = 2×103ТКз / dсрzhlр≤ [σ]см, (1)
где: Т – расчетный вращающий момент (наибольший из длительно действующих моментов при переменном режиме нагружения, Нм); Кз = коэффициент неравномерности распределения нагрузки между зубьями из-за ошибок изготовления по шагу; Кз = 1,1…1,5; dср – средний диаметр соединения (мм); z – число зубьев; h – рабочая высота зубьев (мм); lср – рабочая длина соединения (мм); [σ]см – допускаемое напряжение смятия (Н/мм2).
Для соединения прямобочными зубьями:
dср = 0,5(D + d); h = 0,5(D – d) – 2f,
где: f – размер фаски шлицев.
Если расчетное напряжение σсм > [σ]см более чем на 5%, то увеличивают длину ступицы, изменяют размеры, термообработку или принимают другой вид соединения и повторяют проверочный расчет.
При проектировочном расчете шлицевых соединений после выбора размеров сечения зубьев по стандарту (Таблица 2) определяют рабочую длину зубьев lр из формулы (1).
Таблица 2. Соединения шлицевые прямобочные (выборка)
Серия
Номинальный размерz × d × D
b
f
Wи мм3
Wк мм3
А мм2
Легкая
8 × 36 × 40
7
0,4
5100
10200
1130
8 × 42 × 46
8
0,4
8000
16000
1510
8 × 46 × 50
9
0,4
10450
20900
1810
Средняя
8 × 36 × 42
7
0,4
5750
11500
1180
8 × 42 × 48
8
0,4
8825
17650
1580
8 × 46 × 54
9
0,5
11500
23000
1950
Тяжелая
10 × 36 × 45
5
0,4
5700
11400
1240
10 × 42 × 52
6
0,4
8200
16400
1680
10 × 46 × 56
7
0,5
11300
23800
2010
Примечание:Wи и Wк - моменты сопротивления поперечного сечения соответственно при изгибе и кручении; А - площадь поперечного сечения.
Если получается, что lр > 1,5d, то изменяют размеры, термообработку или принимают другой вид соединения.
Длину ступицы принимают lст = lр + 4…6 мм и более в зависимости от конструкции соединения.
Проектировочный расчет ведут в последовательности, изложенной в решении приведенного ниже примера.
Утонченный расчет шлицевого соединения является сложным и выполняется отдельно на смятие и на изнашивание. Он разработан только для прямобочных шлицевых соединений. В расчете учитываются конструктивные особенности соединения, влияние поперечных сил и изгибающих моментов. Неравномерность распределения нагрузки по зубьям и длине зубьев, приработка рабочих поверхностей, ресурс и другие факторы.
