Направляющая шлицевого вала: типы, стандарты и материалы

Шлицевые валы являются основными механическими компонентами, используемыми для передачи крутящего момента между валом и ступицей (или шестерней), обеспечивая при этом относительное осевое перемещение или точное угловое положение. По сути, это эволюция шпоночного паза и шпонки, предлагающая значительно большую прочность, лучшее выравнивание и более сбалансированное распределение нагрузки благодаря множеству встроенных обработанных шпонок (шлицев), которые соединяются с соответствующими внутренними шлицами на ступице. Понимание различных типов, стандартизированных размеров и подходящих материалов для шлицевых валов необходимо для проектирования надежных и эффективных систем передачи мощности в таких отраслях, как автомобилестроение, тяжелое оборудование, аэрокосмическая промышленность и станки.

Типы профилей шлицевых валов

Геометрия профиля шлицев является определяющей характеристикой, которая определяет его несущую способность, свойства выравнивания и пригодность для различных применений. Основными типами профилей шлицевых валов являются:

1. Параллельные шпоночные шлицы (шлицы с прямыми сторонами):

Это самый старый и простой тип. Шлицы равномерно расположены по периферии вала, имея прямые стороны, параллельные оси вала. Они передают крутящий момент через стороны шпонок.

• Преимущества: Простота изготовления (часто фрезерованием или зубонарезанием) и относительно простота измерения. Они допускают осевое перемещение под нагрузкой.

• Недостатки: Распределение нагрузки часто неравномерное, концентрируя напряжение в углах. Они могут страдать от люфта (свободы) и не идеальны для применений с очень высоким крутящим моментом, где требуется точное центрирование.

2. Шлицы с насечками:

Насечки похожи на параллельные шпоночные шлицы, но обычно имеют более мелкий, более тонкий шаг зубьев и не предназначены для осевого перемещения под нагрузкой. Они используются в основном для полупостоянных соединений или там, где ступица должна быть жестко закреплена на валу. Они часто определяются большим количеством зубьев.

• Преимущества: Обеспечивают высокоточное центрирование и отличную жесткость для статических соединений.

3. Эвольвентные шлицы:

Это наиболее распространенный и надежный тип шлицев, использующий эвольвентную кривую — тот же профиль, который используется для зубьев шестерен. Эвольвентный профиль обеспечивает гораздо лучшее распределение нагрузки и обеспечивает самоцентрирующее действие. Крутящий момент передается через боковые стороны эвольвентных зубьев.

• Преимущества: Высокая прочность и долговечность благодаря благоприятному распределению напряжений. Они обеспечивают отличный эффект центрирования, который минимизирует радиальные нагрузки и вибрацию. Процесс изготовления (зубонарезание, формование или накатка) хорошо стандартизирован из-за его сходства с производством шестерен. Они могут быть изготовлены для скольжения (осевого перемещения) или фиксированных условий.

• Недостатки: Более сложны в изготовлении и измерении, чем шлицы с прямыми сторонами.

Основные стандарты шлицев

Чтобы обеспечить взаимозаменяемость и стабильную производительность, размеры шлицевых валов регулируются несколькими ключевыми международными и национальными стандартами. Эти стандарты определяют критические размеры, допуски и требования к посадке.

1. ANSI B92.1 (Американский национальный институт стандартов):

Это доминирующий стандарт в Северной Америке для эвольвентных шлицев. Он охватывает геометрию как шлицев с плоским корнем, так и шлицев с радиусным корнем (радиус у основания зуба). Он определяет взаимосвязь между диаметром делительной окружности, углом зацепления (обычно $30^{circ}$, $37.5^{circ}$ или $45^{circ}$) и количеством зубьев. Стандарт также определяет четыре различных класса посадки (Класс 1, 2, 3 и 4), от плотной скользящей до прессовой посадки, в зависимости от допусков.

2. DIN 5480 (Deutsches Institut für Normung):

Основной европейский стандарт для эвольвентных шлицев, DIN 5480 является всеобъемлющим и широко используется во всем мире, часто предпочтительным из-за его подробных спецификаций и жестких допусков. Он использует модульную систему (аналогичную метрическим шестерням) для определения размера и особенно строг в определении допусков по боковым сторонам, которые напрямую влияют на люфт и качество посадки.

3. ISO 4156 (Международная организация по стандартизации):

Этот стандарт предназначен для гармонизации различных национальных стандартов для шлицев с прямыми сторонами и эвольвентных шлицев, обеспечивая всемирно признанный набор спецификаций для взаимозаменяемости, уделяя особое внимание цилиндрической посадке для эвольвентных шлицев.

4. SAE J499 (Общество автомобильных инженеров):

Этот стандарт фокусируется конкретно на шлицах с параллельными сторонами, определяя размеры и допуски, часто используемые в автомобильной промышленности и тяжелом оборудовании, где приоритетом являются простота и надежность.

Эти стандарты служат чертежом для всего производственного процесса, от выбора правильного зуборезного или зубофрезерного резца до определения Go/No-Go калибров, используемых в контроле качества. Посадка определяется допуском на люфт и посадками по большому и малому диаметрам, которые в совокупности обеспечивают работу шлицевого вала в соответствии с назначением, будь то плавное скольжение или жесткая фиксация.

Материалы для шлицевых валов

Выбор материала для шлицевого вала определяется требованиями применения к прочности, твердости, износостойкости и, иногда, коррозионной стойкости. Поскольку шлицевые валы являются передатчиками крутящего момента, они подвергаются высоким напряжениям кручения, изгиба и контактного давления по боковым сторонам.

1. Низкоуглеродистые стали (например, AISI 1018, 8620):

Они часто используются, когда вал будет подвергаться поверхностной закалке (цементации) после механической обработки. Цементация создает твердую, износостойкую поверхность (высокая твердость поверхностного слоя), сохраняя при этом прочную, ударопоглощающую сердцевину (низкая твердость сердцевины). Это стандартный выбор для высокообъемных валов автомобильных трансмиссий.

2. Среднеуглеродистые стали (например, AISI 4140, 4340):

Эти стали обеспечивают высокую прочность сердцевины и отлично подходят для валов, требующих большей общей прочности и высокой усталостной прочности. Они обычно закаливаются и отпускаются (термически обрабатываются) для достижения желаемого баланса твердости и пластичности. 4140 — распространенный, универсальный выбор, в то время как 4340 предназначен для применений с чрезвычайно высокими нагрузками из-за его превосходной прокаливаемости и прочности.

3. Нержавеющие стали (например, серии AISI 300 и 400):

Используются в агрессивных средах, таких как морское оборудование или оборудование для пищевой промышленности. Серия 400 (например, 416) часто используется, когда требуется как коррозионная стойкость, так и умеренная прочность, поскольку они могут быть подвергнуты термической обработке для повышения твердости.

4. Инструментальные стали (например, D2, H13):

Они редко используются для самого вала, но могут быть выбраны для сильно нагруженных компонентов в специализированном оборудовании, где первостепенное значение имеют экстремальная износостойкость и стабильность размеров, часто в условиях холодной обработки или при высоких температурах.

Последовательность изготовления имеет решающее значение: материал вала обычно обрабатывается до почти окончательных размеров, нарезаются шлицы (зубонарезанием, формованием или прокаткой), а затем компонент подвергается термической обработке для достижения окончательной требуемой твердости и профиля прочности. Прецизионное шлифование может следовать за термической обработкой для исправления любых искажений и достижения окончательных, точных допусков по размерам, особенно по диаметру делительной окружности, который является наиболее критическим размером для правильной работы шлицев. Выбор материала и термической обработки в конечном итоге определяет срок службы и надежность всей сборки трансмиссии.