Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Шлицевые соединения — разъёмные соединения вала и ступицы с осевыми зубьями и впадинами, передающие крутящий момент по нескольким несущим поверхностям. По профилю зубьев различают прямобочные (ГОСТ 1139-80) и эвольвентные (ГОСТ 6033-80, угол профиля 30°). По сравнению со шпонкой такое соединение даёт более высокую нагрузочную способность, лучшее центрирование вала и ступицы и больший ресурс при знакопеременных и ударных нагрузках.
В статье разобраны: виды профиля шлицев и серии прямобочных соединений, три способа центрирования (по d, по D, по боковым сторонам), формула расчёта на смятие с примером, правила условного обозначения по ГОСТ и сравнение шлицевого соединения со шпоночным.
Шлицевое (зубчатое) соединение передаёт крутящий момент от вала к ступице (или наоборот) через несколько одновременно работающих зубьев, расположенных вдоль оси соединения. Геометрически и кинематически шлицевое соединение — это многошпоночное соединение, в котором роль шпонок выполняют выступы (зубья) вала, входящие во впадины ступицы.
За счёт того, что нагрузка распределяется на несколько несущих поверхностей и опорные площадки прилегают непосредственно к телу вала (а не к шпоночному пазу, ослабляющему вал), шлицевое соединение обеспечивает:
Шлицевое соединение — это многоопорный аналог шпонки: тот же принцип передачи момента сдвиговыми поверхностями, но число опор больше, а несущие зубья — одно целое с валом.
Шлицевые соединения с прямобочным профилем нормируются ГОСТ 1139-80 «Основные нормы взаимозаменяемости. Соединения шлицевые прямобочные. Размеры и допуски». Стандарт распространяется на шлицевые соединения общего назначения с прямобочным профилем зубьев, расположенных параллельно оси соединения, и устанавливает число зубьев, номинальные размеры, допуски и посадки для соединений с центрированием по внутреннему диаметру d, наружному диаметру D и боковым сторонам зубьев b.
Основные параметры прямобочного шлица:
По нагрузочной способности и числу зубьев ГОСТ 1139-80 предусматривает три серии прямобочных шлицевых соединений — лёгкую, среднюю и тяжёлую.
Внутри каждой серии для одного значения внутреннего диаметра d задаётся фиксированный набор D, b и z. Серии различаются не только числом зубьев, но и высотой зуба: чем тяжелее серия при том же d, тем выше зуб и больше суммарная площадь смятия.
Шлицевые соединения с эвольвентным профилем зубьев и углом профиля 30° нормируются ГОСТ 6033-80 «Основные нормы взаимозаменяемости. Соединения шлицевые эвольвентные с углом профиля 30°. Размеры, допуски и измеряемые величины». Стандарт устанавливает исходный контур, форму зубьев, номинальные диаметры, модули, числа зубьев, номинальные размеры и измеряемые величины при центрировании по боковым поверхностям зубьев, а также допуски и посадки.
Основные параметры эвольвентного шлица:
Геометрически зубья эвольвентного шлица образованы участком эвольвенты — той же кривой, по которой строятся профили зубьев цилиндрических зубчатых колёс. Это даёт два важных следствия. Во-первых, эвольвентный шлиц прочнее прямобочного при одинаковом наружном диаметре: профиль с угловыми боковыми сторонами создаёт у основания зуба меньшую концентрацию напряжений, чем прямые боковые грани прямобочного шлица. Во-вторых, эвольвентный шлиц технологичнее: он нарезается тем же червячным или зуборезным инструментом, что и зубья колёс, и легко контролируется по стандартным эвольвентным параметрам (размер по роликам, длина общей нормали).
ГОСТ 6033-80 определяет именно эвольвентный шлиц с углом профиля 30°. Эвольвентные шлицевые соединения с другими углами профиля (например, 45° для мелкомодульных и приборных применений) либо специальные соединения под действие настоящего стандарта не подпадают и проектируются по отдельным техническим условиям.
Центрирование задаёт, по какой поверхности обеспечивается совпадение оси ступицы с осью вала. От выбора центрирующей поверхности зависят требования к точности обработки шлицев, метод изготовления и применимая термообработка.
Для прямобочного профиля по ГОСТ 1139-80 предусмотрены три способа центрирования; для эвольвентного по ГОСТ 6033-80 основной способ — по боковым поверхностям зубьев, дополнительные — по наружному и по внутреннему диаметру.
Выбор центрирования — компромисс между точностью базирования, технологичностью и условиями нагружения. По D — самый простой в изготовлении, по d — точный для закалённых ступиц, по b — наиболее равномерно нагружает зубья при тяжёлых режимах.
Шлицевое соединение проверяют по напряжению смятия рабочих боковых поверхностей зубьев. Смятие и контактный износ связаны с одним параметром — контактным давлением, поэтому проверка на смятие одновременно ограничивает и износ при подвижных соединениях.
Расчётная модель упрощённая: окружное усилие на среднем диаметре F = 2M/dср распределяется по длине каждого зуба равномерно и между зубьями неравномерно (последнее учитывается коэффициентом ψ). Условие прочности по смятию:
σсм = 2M / (ψ · z · h · l · dср) ≤ [σсм]
где
Допускаемое напряжение [σсм] подбирается по справочнику в зависимости от характера нагрузки (спокойная, переменная, ударная), наличия термообработки рабочих поверхностей зубьев и подвижности соединения. Ориентировочные значения для неподвижных соединений среднего режима по справочным данным учебников:
При лёгком режиме работы приведённые значения допустимо увеличить на 20–40 %, при тяжёлом (ударные и знакопеременные нагрузки, отсутствие смазки в подвижных соединениях) — снизить на 30–50 %. Конкретные значения берутся из расчётных таблиц справочников по деталям машин с учётом фактических условий эксплуатации.
Дано: момент M = 250 Н·м = 250 000 Н·мм; прямобочное соединение средней серии: z = 8, средний диаметр dср = 41 мм, рабочая высота зуба h = 3 мм, рабочая длина l = 50 мм; ψ = 0,75; рабочие поверхности без термообработки, режим средний, [σсм] = 80 МПа.
σсм = 2 · 250 000 / (0,75 · 8 · 3 · 50 · 41) ≈ 13,6 МПа.
Условие 13,6 МПа ≤ 80 МПа выполняется с большим запасом — соединение проходит по смятию. Окончательный выбор параметров делается с учётом износа, ресурса и заданного запаса прочности.
При невыполнении условия прочности целесообразнее не увеличивать число зубьев или серию, а увеличить рабочую длину соединения l, повысить твёрдость зубьев термообработкой или поверхностной обработкой, либо перейти к эвольвентному профилю с большим модулем.
Обозначение шлицевого прямобочного соединения, вала или втулки содержит букву центрирующей поверхности (d, D или b), число зубьев z, размеры d, D, b и обозначения полей допусков, поставленные после соответствующих размеров. Пример обозначения соединения с центрированием по внутреннему диаметру:
d 8 × 36H7/f7 × 40 × 7F8/f8 ГОСТ 1139-80
где d — центрирование по внутреннему диаметру; 8 — число зубьев; 36 — внутренний диаметр в мм с посадкой H7/f7; 40 — наружный диаметр в мм; 7 — ширина зуба в мм с посадкой по b — F8/f8.
При центрировании по наружному диаметру в начале обозначения ставится буква D, при центрировании по боковым сторонам — буква b. Для отдельной втулки (отверстия) или вала указываются поля допусков только этой детали, а не посадки.
Обозначение шлицевого эвольвентного соединения содержит номинальный диаметр D, модуль m, поля допусков (или посадку) по центрирующей поверхности и номер стандарта. Типовая запись для соединения, центрируемого по боковым поверхностям зубьев:
50 × 2 × 9H/9g ГОСТ 6033-80
где 50 — номинальный диаметр в мм; 2 — модуль в мм; 9H — поле допуска отверстия по толщине впадины; 9g — поле допуска вала по толщине зуба.
Число зубьев в обозначении не указывается: оно однозначно определяется парой «номинальный диаметр — модуль» по таблицам ГОСТ 6033-80. При центрировании по наружному (D) или внутреннему (d) диаметру в обозначение добавляется буква центрирующей поверхности и посадка по этому диаметру.
Выбор между шлицевым и шпоночным соединением определяется не только передаваемым моментом, но и условиями работы — реверсивностью, ударной нагрузкой, требуемой точностью центрирования и стоимостью изготовления.
Шпоночное соединение остаётся предпочтительным для умеренных моментов, спокойной нагрузки и при ограниченном бюджете на изготовление. Шлицевое соединение обязательно при больших моментах, реверсивной и ударной работе, в подвижных соединениях с продольным перемещением ступицы и там, где требуется точное центрирование.
Шлицевые валы изготавливают из конструкционных среднеуглеродистых и легированных сталей (типа 40, 45, 40Х, 40ХН, 18ХГТ и др. по ГОСТ 1050-2013 и ГОСТ 4543-2016) в зависимости от уровня нагрузки и режима работы. Ступицы — из тех же или близких по составу марок, с учётом технологии посадочного отверстия (протягивание, долбление).
Для повышения нагрузочной способности и сопротивления износу рабочие поверхности зубьев упрочняют:
Совместимость термообработки и способа центрирования критична: при центрировании по наружному диаметру D наружные торцы зубьев шлифуют по D, поэтому объёмная закалка с последующим шлифованием выполнима. При центрировании по d требуется доступ шлифовального круга к впадинам, что технологически сложнее.
Прямобочные шлицы (ГОСТ 1139-80) имеют зубья с прямыми параллельными боковыми гранями; эвольвентные (ГОСТ 6033-80) — зубья с боковыми гранями по эвольвенте и углом профиля 30°. Эвольвентный профиль прочнее за счёт меньшей концентрации напряжений у основания зуба, технологичнее в изготовлении (нарезается зуборезным инструментом) и легче контролируется. Прямобочные шлицы остаются распространёнными по историческим и технологическим причинам, особенно в существующих сериях изделий и при ремонте.
Для прямобочных шлицев ГОСТ 1139-80 предусматривает три способа: по внутреннему диаметру d, по наружному диаметру D и по боковым сторонам зубьев b. Для эвольвентных шлицев ГОСТ 6033-80 основной способ — по боковым поверхностям зубьев; допускается центрирование по наружному D или по внутреннему d диаметру.
Проверочная формула: σсм = 2M / (ψ·z·h·l·dср) ≤ [σсм], где M — передаваемый крутящий момент, z — число зубьев, h — рабочая высота зуба, l — рабочая длина соединения, dср — средний диаметр, ψ ≈ 0,75 — коэффициент неравномерности распределения нагрузки между зубьями, [σсм] — допускаемое напряжение смятия по справочнику с учётом характера нагрузки и наличия термообработки. Множитель 2 в числителе появляется из перевода момента в окружное усилие на среднем радиусе.
ГОСТ 1139-80 предусматривает три серии — лёгкую, среднюю и тяжёлую. Они отличаются числом зубьев и высотой зуба при одном и том же внутреннем диаметре d. Лёгкая серия (z = 6, 8, 10) — для лёгких нагрузок, средняя (z = 6, 8, 10) — для общего машиностроения, тяжёлая (z = 10, 16, 20) — для передачи больших крутящих моментов и работы при ударных и знакопеременных нагрузках.
При умеренных моментах, спокойной нагрузке и ограниченном бюджете применяют шпонку — это проще и дешевле. Шлицевое соединение выбирают при больших передаваемых моментах, ударной и знакопеременной нагрузке, в подвижных соединениях с осевым перемещением ступицы, а также там, где требуется точное центрирование вала и ступицы. Шлицевое соединение лучше переносит реверс и долговечнее при циклических нагрузках, но сложнее и дороже в изготовлении.
Прямобочное по ГОСТ 1139-80: буква центрирующей поверхности (d, D или b), число зубьев z, размеры d, D, b с полями допусков и ссылка на стандарт, например: d 8 × 36H7/f7 × 40 × 7F8/f8 ГОСТ 1139-80. Эвольвентное по ГОСТ 6033-80: номинальный диаметр D, модуль m, поля допусков по центрирующей поверхности и ссылка на стандарт, например: 50 × 2 × 9H/9g ГОСТ 6033-80; число зубьев не указывают — оно однозначно определяется парой «диаметр — модуль» по таблицам стандарта.
ГОСТ 6033-80 регламентирует эвольвентные шлицевые соединения с углом профиля 30°. Это единственный угол профиля, на который распространяется действие стандарта. Эвольвентные шлицы с другими углами (например, 45°, применяемые в приборостроении) под действие ГОСТ 6033-80 не подпадают.
Центрирование по боковым сторонам зубьев целесообразно при передаче больших и реверсивных крутящих моментов, когда важно равномерное распределение нагрузки между всеми зубьями. Точность центрирования при этом ниже, чем при центрировании по диаметру, поэтому такой способ не применяют там, где к радиальному биению ступицы предъявляются жёсткие требования.
Из конструкционных среднеуглеродистых и легированных сталей: 40, 45 (ГОСТ 1050-2013), 40Х, 40ХН, 30ХГТ, 18ХГТ, 20Х (ГОСТ 4543-2016). Конкретная марка выбирается по требуемой прочности сердцевины, виду термообработки и условиям работы. Цементуемые стали типа 18ХГТ и 20Х применяют для тяжелонагруженных соединений с цементацией и закалкой; среднеуглеродистые 40Х, 45 — при объёмной закалке или закалке ТВЧ.
Главные преимущества по ресурсу — распределение нагрузки на несколько зубьев и отсутствие глубокого паза в валу. Шпоночный паз ослабляет вал по сечению и создаёт концентратор напряжений у углов, а единственная шпонка несёт всю нагрузку. В шлицевом соединении нагрузка приходится на z параллельно работающих зубьев, что повышает выносливость при циклических и ударных режимах и снижает риск смятия рабочих поверхностей.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.