ШЛИЦЕВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Шлицевое соединение конструктивно подобно многошпоночным и образуется наружными зубьями на валу и впадинами в отверстии ступицы (зубчатого колеса, шкива, блока шестерен и др.). Рабочими поверхностями являются боковые стороны зубьев. Зубчатые соединения служат для передачи вращающего момента и в ряде конструкций для перемещения деталей вдоль вала: перемещение блока шестерен коробок передач станков, автомобилей, в редукторах авиационных конструкций и т. п.
Зубья на валах получают на шлицефрезерном станке методом обкатки, в ступицах — протягиванием на протяжных станках Отделочной операцией является шлифование.
Достоинства шлицевых соединений:
высокая несущая способность:
лучшее центрирование соединяемых деталей;
при осевом перемещении деталей более точное направление;
большая усталостная прочность (концентрации напряжений изгиба меньше);
Основным недостатком шлицевых соединений является сложность технологии производства и, следовательно, высокая стоимость. Рекомендации по конструированию шлицевых соединений:
Рисунок 4.1.1
1. Для подвижных соединений рабочую длину ступицы принимать не менее диаметра вала (рис. 4.1.1). При коротких ступицах возможно защемление от перекоса и перемещении вдоль вала.
2. Для облегчения входа протяжки, сборки соединения в отверстии предусматривают заходные фаски.
3. Дли уменьшения изнашивания следует уменьшать зазоры в соединении, повышать точность изготовления и твердость поверхности (рабочей) зубьев.
Разновидности шлицевых соединений. Шлицевые соеди-нения могут быть подвижными или неподвижными (установленные детали закреплении на валу).
Стандартом предусмотрены три серии соединений: легкая, средняя и тяжелая. Отличаются они высотой шлицев и числом зубьев (z = 6...20).
Рисунок 4.1.2 – Соединение с прямобочными шлицами
а — центрирование по боковым граням; б — центрирование по наружному диаметру D; в – центрирование по внутреннему диаметру d.
По форме профиля различают зубья:
прямобочные;
эвольвентные;
треугольные (не стандартизированы).
Наиболее распространены соединения прямобочными шлицами. Их применяют для посадки подвижных и неподвижных деталей.
Соединения с прямобочиыми шлицами выполняют с различным центрированием (рис. 4.1.3, табл. 1.9).
Центрирование по D и d обеспечивает высокую точность вала и ступицы.
Центрирование по боковым граням обеспечивает более равномерное распределение нагрузки на зубья, применяют для валов диаметром до 125 мм.
Более совершенны эвольвентные шлипы с углом профиля 30°. Размеры установлены ГОСТ 6033—80 (рис. 4.1.4, табл. 1.10).
Эвольвентные шлицевые соединения по сравнению с прямобочиыми более технологичны, т. к. валы можно нарезать червячными фрезами с прямолинейным профилем, а ступицы нарезать на зубодолбежных станках. Обладают большей нагрузочной способностью.
Рисунок 4.1.4 – Эвольвентные шлицевые соединения
а - центрирование по боковым граням; б – по наружному диаметру
Критерии работоспособности шлицевых соединений.
Основными критериями работоспособности являются:
сопротивление рабочих поверхностей смятию;
сопротивление изнашиванию от коррозии, которое имеет механический характер вследствие перемещений соприкасающихся поверхностей.
Деформации изгиба вала носят циклический характер и передаются в отверстии ступицы, в связи с чем появляются микротрешины.
Расчет шлицевых соединений. Смятие и изнашивание рабочих поверхностей связаны с действующими напряжениями смятия 
на поверхностях контакта. Расчет ведется упрощенно, что допускает ГОСТ в таких случаях.
Рисунок 4.1.5
Условие прочности для прямобочных шлицов:
где Т — вращающий момент, Нм: 
— коэффициент неравномерности распределения нагрузки между зубьями, = 1,1... 1,5; 
- средний диаметр соединения, мм;
мм (рис. 4.1.5);
z — чисто зубьев;
h — рабочая высота зубьев, мм;
- рабочая длина соединения, мм;
— допускаемое напряжение смятия, МПа (табл. 1.9).
Для соединений прямобочными шлицами
где f — фаска зуба.
Для эвольвентных шлицов
где т — модуль зубьев, мм (табл. 1.10, ГОСТ 6033-80).
Если расчетное напряжение 
превышает , более, чем на 5 %, то увеличивают длину ступицы, изменяют размеры или принимают другой вид соединения и повторяют проверочный расчет.
При проектировочном расчете выбирают размеры сечения по ГОСТ 1139 80 (для прямобочных шлицевых соединений см. табл. 1.9) и определяют длину зубьев по формуле
Если получается больше 1,5 d, то изменяют размеры или принимают другой вид соединения. Длину ступицы принимают
мм.
Таблица 1.8 – Допускаемые напряжения смятия для шлицевых соединений
| Тип соединения | Условия эксплуатации | 
| |
 350 НВ
| > 40 HRС | ||
| Неподвижное | а б в | 35…50 | 40…70 |
| 60…100 | 100…140 | ||
| 80…120 | 120…200 | ||
| Подвижное без нагрузки (блок шестерен коробки передач) | а б в | 15…20 | 20…35 |
| 20…30 | 30…60 | ||
| 25…40 | 40…70 | ||
| Подвижное под нагрузкой (соединение карданного вала) | а б в | - | 3…10 |
| - | 5…15 | ||
| - | 10…20 |
Примечания: 1. а - тяжелые условия эксплуатации: нагрузка знакопеременная с ударами; вибрации большей частоты и амплитуды, плохие условия смазывания, невысокая точность изготавления; б — условия эксплуатации средние: в — условии эксплуатации хорошие.
2. Большие значения — для легких режимов нагрузки.
Таблица 1.9 – Соединения шлицевые прямобочные (из ГОСТ1139-80)
а) центровка по наружному краю б) центровка по внутреннему диаметру
| Основные параметры | d мм | |||||||||||||||
| Легкая серия | ||||||||||||||||
| D, мм | - | - | ||||||||||||||
| z | - | - | ||||||||||||||
| b, мм | - | - | ||||||||||||||
| f, мм | - | - | 0,3 | 0,3 | 0,3 | 0,4 | 0,4 | 0,4 | 0,4 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,5 |
| Средняя серия | ||||||||||||||||
| D, мм | ||||||||||||||||
| z | ||||||||||||||||
| b, мм | ||||||||||||||||
| f, мм | 0,3 | 0,3 | 0,3 | 0,4 | 0,4 | 0,4 | 0,4 | 0,4 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,5 |
| Тяжелая серия | ||||||||||||||||
| D, мм | ||||||||||||||||
| z | ||||||||||||||||
| b, мм | ||||||||||||||||
| f, мм | 0,3 | 0,3 | 0,3 | 0,4 | 0,4 | 0,4 | 0,4 | 0,4 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,5 |
Таблица 1.10 – Соединения шлицевые эвольвентные с углом профиля 300 (выборка). Размеры в мм
а) Центровка по верхней поверхности б) Центровка по наружному диаметру
| Номинальный размер D | Модуль т | ||||||||||
| Ряд 1 Ряд 2 | 0,8 - | - | 1,25 - | - 1,5 | - | 2,5 | - | - 3,5 | - | ||
| Ряд 1 | Ряд 2 | Число зубьев | |||||||||
| - | - | - | - | ||||||||
| - | - | - | |||||||||
| - | - | - | |||||||||
| - | - | - | |||||||||
| - | - | - | |||||||||
| - | - | -6 | |||||||||
| - | - | ||||||||||
| - | - | ||||||||||
| - | - | ||||||||||
| - | - | ||||||||||
| - | |||||||||||
| - | |||||||||||
| - | |||||||||||
| - | |||||||||||
| - | |||||||||||
| - | |||||||||||
| - | |||||||||||
| - | - | - | |||||||||
| - | - | - |
Применении: I. При выборе номинальных диаметров и модулей первый ряд следует предпочитать второму.
2. Число, зубьев, заключенное в рамки, являются предпочтительными.
3. Модуль, 3,5 по возможности не применять.
В зубчатых эвольвентных соединениях ГОСТ 6033—80 устанавливает номинальные диаметры, модули, числа зубьев (табл. 1.10). Центрирование чаще всего выполняют по боковым поверхностям зубьев, реже по наружному диаметру.
Задача 1. Проверить прочность прямобочного зубчатого соединения блока шестерен с валом коробки перемены передач (КПП) токарного станка по следующим данным: передаваемый вращающий момент Т = 100 Н м; D = 26 мм; длина ступицы блока l = 40 мм. Материл вала — сталь 45, блока шестерен — сталь 40, Рабочие поверхности зубьев термически обработаны и шлифованы. = 30...50 МПа.
Рисунок 4.2.1 – Прямобочное зубчатое соединение
Решение.
1.1. По ГОСТ 1139-80 (табл. 1.9) принимаем легкую серию (рис. 4.2.1), по заданному z = 6, принимаем D = 26 мм, d = 23 мм, фаска f = 0.3 мм.
1.2. Напряжение смятия (расчетное)
где Кз - коэффициент неравномерности распределения нагрузки между зубьями, Кз = 1,1... 1,5;
мм;
h - высота поверхности контакта зубьев,
Принимаем Кз = 1,3.
Задача 2. Подобрать шлицевое соединение зубчатого колеса с валом (рис. 4.2.2). Соединение передает вращающий момент Т = 210 Нм. Условия эксплуатации средние. Диаметр вала d = 45 мм, материал — сталь 45 с термообработкой — улучшение, твердость 290 НВ.
Рисунок 4.2.2
Решение.
2.1. Размеры соединения. Принимаем, как наиболее распространенное, прямобочное с центрированием по наружному диаметру.
2.2. По табл. 1.9 находим размеры для легкой серии. Для d = 45 мм:
фаска f = 0,4 мм;
средний диаметр и высота зуба
2.3. Допускаемые напряжения. Для неподвижного соединения при
средних условиях эксплуатации и твердости < 350 ПВ по табл. 1.8 принимаем = 60 МПа.
2.4. Расчетная длина зубьев при Kз = 1,3 из условия прочности на смятие
отсюда
2.5. Длина ступицы колеса
Принимаем ближайшее значение по Rв 40: 
= 28 мм (ГОСТ 6636-69. табл. 1.11).