Определение полей допусков размеров элементов деталей, образующих гладкие соединения

ЛЕКЦИЯ № 6 определение полей допусков размеров элементов деталей, образующих гладкие соединения ПЛАН ЛЕКЦИИ 6.1 Методы назначения допусков и посадок 6.2 Выбор и расчет посадок с зазором 6.3 Выбор переходных посадок 6.4 Выбор посадок с натягом 6.1 Методы назначения допусков и посадок Повышение надежности и долговечности подвижных и неподвижных соединений в машиностроении в значительной степени зависит от выбора оптимальных величин зазоров и натягов, а в условиях реального производства - от их предельных значений. В настоящее время основываются на следующих методах выбора допусков и посадок: прецедентов, подобия и расчетном. Метод прецедентов заключается в том, что конструктор находит в ранее спроектированных изделиях случай соединения деталей, аналогичный проектируемому, и принимает его для нового изделия. Метод приемлем ,если проектируемый узел полностью тождественен найденному прецеденту (прототипу) и оптимальность выбранной посадки проверена научным экспериментом и подтверждена производственными испытаниями. Развитием метода прецедентов является метод подобия. Он возник в результате классификации деталей машин по конструктивным и эксплутационным признакам. Для выбора посадки нужно установить аналогию конструктивных признаков и условий эксплуатации проектируемого узла с признаками, указанными в руководящих материалах или справочниках. Более надежным и прогрессивным методом является расчетный, основанный на функциональной взаимозаменяемости и заключающийся в том, что конструктор зная условия и длительность эксплуатации, рассчитывает функциональные параметры и их максимальные значения; корреляционную связь и ее математическое выражение; оптимальные показатели долговечности и надежности на основе учета величин изменения размера изделия во времени; конструктивный допуск; коэффициент запаса точности, гарантирующий запас долговечности работы и др. Задача поиска допусков размеров, а также границ их годности решается конструктором в процессе проектирования. Порядок решения этой задачи определяется местом размера, которое он занимает в проектируемом устройстве. Возможны три варианта: 1 размер принадлежит элементу детали несоприкасающимися с другими элементами (такие размеры на практике называют свободными). Уровень точности таких размеров обычно невысок и устанавливается квалитетами с 12 по 17. Границы их годности устанавливаются в соответствии с правилами указания точности размеров с неуказанными предельными отклонениями; 2 размер принадлежит элементу, входящему в соединение (соединение - это состояние, при котором 2 детали имеют элементы входящие друг в друга); 3 Размер входит в замкнутый контур с другими размерами. Рассмотрим порядок решения задачи для случая, когда размер элемента детали принадлежит соединению. Эта задача сводится к отысканию стандартного сочетания полей допусков, при котором соединение отвечает своему функциональному назначению. Решение задачи зависит от характера проектируемого соединения. Рассмотрим условия выбора посадок с зазором, переходных и с натягом, наиболее часто применяемых в изделиях машиностроения. 6.2 Выбор и расчет посадок с зазором Посадки с зазором применяются в подвижных соединениях в качестве направляющих вращательного (подшипники) и поступательного движения (поршни, плунжеры и т.д.) движений, а также в неподвижных соединениях - как центрирующие и монтажные. Зазор служит для обеспечения свободы перемещения, размещения слоя смазки, компенсации температурных деформаций, компенсации отклонений формы и т. д. В большинстве случаев такие посадки выбираются по аналогии с хорошо зарекомендовавшими себя случаями. Описание случаев применения посадок с зазором дается в справочниках. Ориентируясь на эти данные, конструкторы выбирают рекомендуемую посадку, при этом возможны некоторые коррективы. Так например, следует выбирать посадку с несколько большим средним зазором, если предполагается использовать более густую смазку, соединение будет работать при повышенной температуре, будет использоваться большая длина соединения, вал будет устанавливаться более чем в две опоры. И наоборот, необходимо выбрать сочетание полей допусков, дающих несколько менее средний зазор, если планируется использовать более жидкую смазку, соединение будет работать при повышенных вибрациях, к соединению будут предъявляться более жесткие требования к центрированию деталей. В ответственных случаях посадки с зазором рассчитываются. Расчет сводится к отысканию допустимых предельных зазоров: smax и smin. Зависимости, используемые при этом могут быть более или менее сложными, однако принципы, заложенные в поиске допустимых предельных зазоров как правило одинаковы. Рассмотрим расчет посадки с зазором на примере проектирования подшипника скольжения, работающего в условиях жидкой смазки (условие жидкостного трения). Посадки с зазором характеризуются свободой относительного перемещения вала и отверстия. Надежность их перемещения определяется величиной наименьшего зазора Smin, который должен обеспечивать соответствующий характеристике режима вид трения и компенсировать технологические погрешности размеров, формы и расположения поверхностей. В подшипниках трения-скольжения должно происходить скольжение не поверхностей вала и отверстия втулки (вкладыша), а слоев смазки один по другому. Это состояние называется жидкостным трением. Расчет зазора сводится к определению такой величины, при которой слой смазки будет больше высоты неровностей на поверхностях деталей и будет осуществляться жидкостное трение, обеспечивающее минимальный износ подшипника. При отсутствии вращения вала между ним и втулкой образуется зазор S и эксцентриситет emax (рис.35 а). При высокой частоте вращения, достаточно густой смазке и ее хорошей схватываемостью с трущимися поверхностями, смазка увлекается в клиновой зазор, создает гидродинамическое давление и смещает в направлении вращения вал (рис.35 б). а б Рисунок 35 – Схема расчета посадки с зазором (подшипник - вал) При этом между валом и втулкой образуется зазор hmin - минимальная толщина масляного слоя, обеспечивающая жидкостное трение. Между h и S есть связь (рис.36). Рисунок 36 – График зависимости толщины масляного слоя h от величины зазора S При зазоре, называемым оптимальным, толщина масляного слоя достигает максимального при данных условиях h/. Определенной толщине масляного слоя соответствует 2 зазора – Smax и Smin Слишком малые и слишком большие зазоры S не дают оптимальную толщину масляного слоя. Принимая hmin = K (RZd + RZD) можно расчетом или по графику найти значения максимальных и минимальных зазоров K - коэффициент запаса, учитывающий погрешность формы вала d и втулки D. RZd и RZD - высота микронеровностей поверхностей вала и втулки. В золотниковых парах минимальный зазор устанавливается из условия, что в процессе работы не возникнет заклинивание рабочих органов (из-за деформаций, связанных с температурой, силами и т.п.). Максимальный зазор можно установить из допустимой утечки (рис.37). Рисунок 37 – Схема расчета посадки с зазором (золотниковая пара) В тех случаях, когда требуется обеспечить совмещение осей вала и отверстия, величина зазора рассчитывается исходя из допустимого угла перекоса -  или допустимого параллельного смещения осей - . По найденным значениям допустимых предельных зазоров конструктор должен выбрать стандартные сочетания полей допусков, обеспечивающие предельные зазоры, близкие к допустимому. При этом удобно пользоваться таблицами предельных зазоров. Которые даются в справочнике Мягкова. Из возможных вариантов предпочтение следует отдавать тем, которые дают больший запас на износ (рис.38). Посадка 1 не годится для рассмотренного примера подшипника скольжения, так как в части соединений будут нарушаться условия чисто жидкостного трения. Посадка 4 не годится по тепловым соображениям, так как в части соединений зазор будет недостаточным для отвода тепла от детали. Рисунок 38 – Выбор посадок с зазором Функциональному назначению соединения будут удовлетворять посадки 2 и 3. Предпочтение следует отдать 4 -ой посадке, так как она обеспечит больший запас на износ. Дополнительный запас на износ можно создать. Ужесточив допуски на размеры деталей, образующих соединение. 6.3 Выбор переходных посадок Переходные посадки относятся к неподвижным и применяются тогда, клгда по эксплуатации изделий требуется больше одной переборки соединения. Неподвижность посадки достигается крепежными средствами в виде шпонок, штифтов, стопорных винтов и др. Предусматриваются переходные посадки только в квалитетах 4, 5, 6 и 7, поскольку большие зазоры или натяги недопустимы по эксплуатационным условиям. Переходные посадки обеспечивают высокую точность центрирования при относительно легкой разборке и сборке. Точность центрирования характеризуется величиной абсолютного эксцентриситета, возникающего при наибольшем зазоре. Действительный зазор может быть больше на величину смятия шероховатости поверхности и износа ее при повторных сборках и разборках соединения Δш, а также на величину разности температурных деформаций сопрягаемых деталей Δt. Smax = ES – ei + Δш + Δt Степень легкости сборки и разборки соединений с переходной посадкой так же, как и характер этих посадок определяется вероятностью получения в них зазоров или натягов. При выборе переходных посадок необходимо учитывать опыт применения этих посадок в проверенных работой аналогичных машинах, работающих в тех же условиях, что и проектируемая сборочная единица. При высоких требованиях к точности центрирования, а также при больших ударных нагрузках и вибрациях назначают посадки с большим средним натягом. Посадки типа H/m относятся к повышенно центрирующим, а H/n обеспечивают полное центрирование, при котором посадочный эксцентриситет равен нулю. Чем чаще требуется разборка (сборка) соединения, тем с меньшим натягом следует выбирать переходную посадку. Например, посадки типа H/jS применяются в легкоразъемных соединениях, неподвижность которых достигается с помощью неподвижных средств крепления. Посадки типа H/k применяются для обеспечения хорошего центрирования, имеют незначительные натяги, не вызывающие затруднений при разборке. При выборе посадок следует учитывать также нагрузку, материал деталей, шероховатость обработанных поверхностей, отклонения формы, температурные условия работы и т.д. Сборка узлов с переходными посадками осуществляется с помощью маломощных прессов, специальных гидро- и пневмо- приспособлений, ударами по собираемым деталям, иногда используют разность температур. Примеры применения переходных посадок – соединения шкивов, зубчатых колес, маховиков, звездочек, цепной передачи, обгонных и предохранительных муфт с валами. 6.4 Выбор посадок с натягом Неподвижность посадки с натягом достигается за счет напряжений, возникающих в материале, вследствие деформации контактных поверхностей и сил трения при относительном смещении деталей. При сопряжении двух деталей, когда диаметр отверстия меньше диаметра вала D < d, величина натяга I складывается из деформации сжатия вала Δd и деформации растяжения втулки ΔD, т.е. i = Δd + ΔD Возникающие деформации должны быть в пределах упругости материала. Очень большие натяги могут вызвать наряду с областью упругих деформаций, зону пластических деформаций, или такое состояние, когда весь материал пластически деформируется. Предельные значения натягов должны быть такими, чтобы при наименьшем натяге не было относительного поворота деталей от действия внешнего крутящего момента или осевого усилия или совместного их действия. А при наибольшем - обеспечивалась прочность сопрягаемых деталей, т.е. наибольшие напряжения, возникающие в материалах деталей не должны превышать допустимого значения. Для обеспечения взаимной неподвижности деталей в осевом направлении необходимо выдержать условие: Pос ≤ Fтр где Fтр = πdlpminf – сила трения pmin – удельное контактное давление на поверхностях деталей соединения, вызванное наличием сил упругости; f –коэффициент трения, для стальных деталей, вдавливаемых при сборке одна в другую f ≈ 0,08; если при сборке не требуется f ≈ 0,14. Условие отсутствия проворота под действием крутящего момента Мкр имеет следующий вид: Мкр ≤ . На выбор посадки с натягом влияет множество различных факторов, среди которых физико – механические свойства материала, геометрические и конструктивные параметры, технология формирования соединения, условия эксплуатации и т.д. Методы сборки соединений с натягом Существует два основных метода: 1 Сбора под прессом, при нормальной температуре. При этом происходит вдавливание одной детали в другую – продольная запрессовка; 2 Сборка с предварительным разогревом втулки при охлаждении вала. Первый метод прост и применяется при небольших (≤ 0,001d) натягах. Недостатком метода является возможность повреждения тонкостенных деталей, потребность в мощных прессах и высокие требования к шероховатости поверхностей. Второй метод дает более высокое качество сборки. Охватывающая деталь может нагреваться в воде, маслянной ванне, при температуре 110…1300 С, в печах и установках ТВЧ. Максимальная температура ≈ 4000С. Для охлаждения охватываемой детали можно использовать сухой лед (≈ -790С), жидкий воздух, азот (≈ - 1960 С). Нагрев одной детали и охлаждение другой применяют при больших натягах. Примеры применения посадок с натягом: бандажи колесных пар железнодорожного транспорта, направляющие втулки в штампах листовой штамповки, втулки в головках шатунов, поршневой палец в поршне. Посадки с натягом нашли весьма широкое применение в технике, т.к. они позволяют резко упростить конструкцию. Однако эти соединения имеют ряд недостатков, которые конструктор должен учитывать при их применениии. В частности, необходимость изготовления деталей с высокой степенью точности (не грубее 8 квалитета), а также резкое снижение усталостной прочности в месте соединения.