Типовые соединения в узлах машин

Лекция №2 по дисциплине «Взаимозаменяемость» ТИПОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ В УЗЛАХ МАШИН. РАСЧЕТ, ВЫБОР И НАЗНАЧЕНИЕ ДОПУСКОВ И ПОСАДОК ДЛЯ ТИПОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ Доцент кафедры «Технологическая информатика и информационные системы» Ерёмина Ксения Петровна 2. Методы выбора посадок. Выбор различных посадок производится на основании предварительных расчётов, экспериментальных исследований или ориентируясь на аналогичные соединения, условия работы которых хорошо известны. Существуют три метода выбора посадок. Расчетный метод. Это наиболее точный и обоснованный метод выбора посадок. Посадки рассчитываются по эмпирическим формулам, выведенным по экспериментальным зависимостям для различных видов посадок: с зазором, переходных и с натягом. Методики расчета посадок рассматриваются ниже. Метод аналогий (прецедентов). В этом случае посадка для проектируемого сопряжения выбирается без расчета, по аналогии с посадкой в качественно и надежно работающем узле аналогично разрабатываемой машины. Метод сложен и требует определенного опыта, так как необходимо достаточно точно оценить и сопоставить условия работы посадки в разрабатываемом узле и аналоге. Метод подобия. Посадка выбирается по рекомендациям технических комитетов международной организации ISO, отраслевых технических комитетов государств и материалов научных разработок, изложенных в технической литературе. Окончательное решение по применению выбранной посадки принимается после испытаний опытного образца разрабатываемого изделия перед запуском его в серийное производство. 2.1. Посадки с зазором. Посадки с зазором обеспечивают относительное перемещение соединяемых деталей при работе и сборку и разборку узлов и агрегатов машин. Это самая часто применяемая группа посадок в машиностроении как в точных, так и в грубых квалитетах. Посадки с зазором предназначены для подвижных и неподвижных соединений деталей. - В неподвижных соединениях посадки с зазором применяются для обеспечения свободной сборки деталей. Их относительная неподвижность обеспечивается креплением ступицы к валу винтами, болтами, штифтами, кольцами и др. Выбор посадки в этом случае производится таким образом, чтобы наименьший зазор обеспечивал компенсацию отклонений формы и расположения сопрягаемых поверхностей, а также свободное вхождение одной детали (вала) в другую (отверстие в ступице). - В подвижных соединениях зазор служит для обеспечения свободы перемещения, компенсации отклонения формы и расположения поверхностей, погрешности сборки и температурных деформаций, а также для размещения слоя смазки в подшипниках скольжения. ЕСДП рекомендуется 40 посадок в системе отверстия и 39 посадок в системе вала. Величина зазора в этих посадках изменяется в очень широких пределах. 2.1. Посадки с зазором. Схема расположения полей допусков посадок с зазором в системе отверстия для размеров до 500 мм. 2.1.1. Применение посадок с зазором. Посадки H/h - самые распространенные, применяются во всех 9 квалитетах (с 4-го по 12-й), где предусмотрены рекомендуемые посадки. Это самые плотные из скользящих посадок; они обеспечивают минимальные зазоры в соединении (наименьший зазор Smin = 0). Их называют скользящими. Они используются для легкоразъемных неподвижных соединений при частой разборке, или для сменных деталей при особо точном центрировании (пиноль задней бабки токарного станка). К высокоточным относятся посадки Н5/h4 и Н6/h5. Посадки типа H/g гарантируют небольшой зазор, изменяющийся с увеличением диаметра. К посадкам этой группы относятся посадки: H5/g4, H6/g6, H7/g6, G5/h5, G6/h5, G7/h6. Эти посадки обеспечивают взаимное осевое перемещение сопряженных деталей при сохранении высокой точности центрирования (золотники в гидро- и пневмоприводах, клапаны в ДВС, сменные кондукторные втулки, установочные пальцы приспособлений и др.). Посадки типа H/f гарантируют зазор для сопряжений деталей, вращающихся со средней скоростью. Посадки H7/f7, F7/h6 являются ходовыми и предназначены для подвижных соединений, например, подшипников в коробках скоростей и подач станков, подшипников в различных деталях для их свободного вращения - в зубчатых колесах, шкивах и др. 2.1.1. Применение посадок с зазором. Посадки типа Н/е - свободные, применяются в 6 - 9-м квалитетах при различных режимах работы узлов, точности центрирования, относительной трудоемкости изготовления посадочных поверхностей отверстия и вала, требуемой долговечности. Применяют в механизмах малой точности: в подшипниках скольжения, в направляющих осевых перемещений и др. Посадки типа H/d применяются для легкоподвижных соединений, допускающих радиальное перемещение и компенсацию погрешностей: взаимного расположения трущихся поверхностей (вследствие перекоса или прогиба вала), формы деталей (в осевом и радиальном направлениях), сборки и температурных деформаций (в подшипниках турбин, валков прокатных станов). Посадки Н/а, Н/b, Н/c применяются в основном в грубых квалитетах (11-м, 12-м) и характеризуются очень большими зазорами. 2.1.2. Расчет посадок с зазором. Расчетный метод выбора посадок с зазором применяется для наиболее ответственных соединений, работающих в условиях жидкостного трения (например, подшипники скольжения). В частности, используют гидродинамическую теорию трения, в основе которой лежит положение о неразрывности слоя смазки. При выборе посадки учитываются не только расчетные зазоры, но и шероховатость поверхности, при этом должны выполняться следующие условия: , где - минимальный, максимальный и средний стандартный зазор - минимальный, максимальный и средний расчетный зазор После выбора посадки проверяется условие неразрывности масляного слоя где , - минимальная толщина масляного слоя; - высотные параметры шероховатости вала и отверстия. Сущность расчета посадки заключается в том, чтобы определить интервал значений зазоров , при которых будет обеспечена минимально допустимая толщина масляного слоя . 2.2. Переходные посадки. Переходные посадки применяют с целью центрирования неподвижных разъемных соединений - Применяются только в точных квалитетах — с 4-го по 8-й. - Предназначены для неподвижных, но разъемных соединений, так как обеспечивают легкую сборку и разборку соединения. - Требуют, как правило, дополнительного крепления соединяемых деталей шпонками, штифтами, болтами и т. п. Выбор посадок для центрирования деталей производится в большинстве случаев методом подобия - по аналогии с хорошо работающими узлами машин и механизмов. 2.2.1. Применение переходных посадок. «Глухие» посадки (Н/п, N/h) характеризуются наибольшей вероятностью получения натяга в соединении (PN ~ 0,90), при сборке используют тяжелые съёмники, прессы и т. п. Применяются для тяжелонагруженных зубчатых колес, муфт, кривошипов с валами и т. п. Такие посадки обладают высокой степенью центрирования. «Тугие» посадки (Н/m, M/h) дают вероятность получения натяга более 60 %. Ими обеспечивается высокая степень центрирования, они применяются для сопряжения зубчатых колес, маховиков, шкивов, тонкостенных втулок в корпуса. «Напряженные» посадки (H/k, К/h) дают вероятность получения натягов от 24 до 68 %. Они обеспечивают хорошее центрирование. Сборка и разборка таких соединений происходит без значительных усилий. Применяются для сопряжения зубчатых колес, маховиков, муфт с валами. «Плотные» посадки (H/js, JS/h) дают вероятность натяга до 5 %, обеспечивают легкую собираемость и удовлетворительное центрирование. Применяются для сопряжения подшипников с корпусами, небольших шкивов и ручных маховичков с валами. 2.2.2. Расчет переходных посадок. Расчетный метод выбора переходных посадок применяется редко, только в качестве проверочного расчета. Этот метод может включать в себя: 1) расчет максимально допустимого зазора, исходя из необходимости ограничения радиального биения; 2) расчет вероятности получения зазоров и натягов в соединении; 3) расчет усилия запрессовки и распрессовки при наибольшем натяге. Таблица - Процент натягов PN для переходных посадок по СТ СЭВ 144-75 (при размерах от 1 до 500 мм) 2.2.2. Расчет переходных посадок. Практический опыт обработки деталей на металлообрабатывающих станках показывает, что полученные после обработки детали имеют различные размеры, т. е. происходит рассеяние размеров. Это связано с несовершенством и износом оборудования, инструментов, приспособлений, средств измерения и другими причинами. Рассеяние (распределение) размеров подчиняется определенным законам, таким как:  закону нормального распределения (Закон Гаусса), когда на рассеяние размеров влияет большое число факторов, не являющихся доминирующими;  закону равной вероятности (равномерной плотности), когда на формирование размера оказывает влияние один редко доминирующий фактор, например, износ резца;  закону равнобедренного треугольника (закон Симпсона). В области машиностроения наиболее часто используется закон нормального распределения (Закон Гаусса). 2.3. Посадки с натягом. Используются для передачи крутящих моментов и осевых сил без дополнительного крепления, а иногда для создания предварительно напряженного состояния у сопрягаемых деталей. Посадки предназначены для неподвижных и неразъемных соединений. Относительная неподвижность деталей обеспечивается силами трения, возникающими на контактирующих поверхностях вследствие их упругой деформации, создаваемой натягом при сборке соединения. Преимущество посадок — отсутствие дополнительного крепления, что упрощает конфигурацию деталей и их сборку. Посадки обеспечивают высокую нагрузочную способность сопряжения, которая резко возрастает с увеличением диаметра сопряжения. В то же время прочность и качество сопряжения зависят от материала сопрягаемых деталей, шероховатостей их поверхностей, формы, способа сборки (сборка под прессом или способ термических деформаций) и т. п. 2.3.2. Расчет посадок с натягом. В процессе эксплуатации соединения с гарантированным натягом без дополнительного крепления могут испытывать воздействия осевых (сдвигающих) и радиальных сил, крутящего момента или их совокупности. Противодействовать им должны напряжения, возникающие за счет сил трения на контактирующих поверхностях благодаря натягу. При этом эти напряжения должны обеспечивать: • неподвижность (прочность) соединения в условиях максимально допустимого напряжения; • прочность отдельно взятых деталей, входящих в соединение (втулка или ступица могут лопнуть, а тонкостенный вал - смяться). Для обеспечения этих двух условий существуют разные подходы расчета и назначения. При первом подходе: • определяется допустимое контактное давление на поверхности соединения и затем определяется наибольший допустимый натяг; • рассчитывается наименьший натяг, за счет которого возможна передача внешней нагрузки; • выбирается стандартная посадка с гарантированным натягом при соблюдении следующих соотношений: При втором подходе: • определяется наименьший расчетный натяг, обеспечивающий прочность соединения; • по наименьшему натягу выбирается стандартная посадка; • по наибольшему стандартному натягу проверяется прочность деталей, составляющих это соединение. Методика расчета и выбора посадки с натягом, основанная на втором подходе, представлена в задании к практической работе №2. 2.4. Рекомендации по выбору посадок гладких соединений. 1. В первую очередь следует выбирать посадки для наиболее ответственных и точных сопряжений, определяющих качество работы узла. 2. При назначении посадок необходимо применять соответствующие стандарты и нормативнотехнические документы, устанавливающие виды посадок, предельные отклонения и порядок их выбора. Например, выбор посадок подшипников качения, посадок типовых соединений (шпоночных, шлицевых, резьбовых и т. д.), назначение предельных отклонений для деталей уплотнительных элементов, сопрягаемых со стандартной манжетой, и т. п. 3. Перед выбором посадки необходимо определить: ■ характер сопряжения (подвижное или неподвижное); ■ основные конструктивные требования, предъявляемые к сопряжению (скорость относительного перемещения деталей, компенсация погрешностей монтажа, необходимость центрирования сопрягаемых деталей или величина и характер нагрузок, передаваемых сопряжением). 4. После выбора вида посадки необходимо решить вопрос о точности выполнения сопряжения. При этом не следует забывать, что излишне высокая точность выполнения деталей ведет к значительным и неоправданным затратам при их изготовлении. 2.4. Рекомендации по выбору посадок гладких соединений. Выбор квалитета зависит: ■ от точностных требований непосредственно к сопряжению; ■ от типа выбранной посадки, например, при применении переходных посадок изменение квалитета незначительно; ■ от точности, обусловленной эксплуатационным назначением механизма или машины в целом, особенно это относится к ответственным сопряжениям, например, точность сопряжения деталей в коробке скоростей прецизионного станка может значительно отличаться от точности посадок аналогичных деталей в коробке скоростей трактора. В общих чертах можно указать следующее применение квалитетов: Квалитеты 4-й и 5-й применяются сравнительно редко, в особо точных соединениях, требующих высокой однородности зазора или натяга (приборные подшипники в корпусах и на валах, высокоточные зубчатые колеса на валах и оправках в измерительных приборах). Квалитеты 6-й и 7-й применяются для ответственных соединений в механизмах, где к посадкам предъявляются высокие требования в отношении определенности зазоров и натягов для обеспечения точности перемещений, плавного хода, герметичности соединения, механической прочности сопрягаемых деталей, а также для обеспечения точной сборки деталей (подшипники качения нормальной точности в корпусах и на валах, зубчатые колеса высокой и средней точности на валах, подшипники скольжения и т. п.). Квалитеты 8-й и 9-й применяются для посадок при относительно меньших требованиях к однородности зазоров или натягов и для посадок, обеспечивающих среднюю точность сборки (посадки с зазором для компенсации погрешностей формы и расположения сопрягаемых поверхностей, опоры скольжения средней точности, посадки с большими натягами). Квалитет 10-й применяется в посадках с зазором и в тех же случаях, что и 9-й, если условия эксплуатации допускают некоторое увеличение колебания зазоров в соединениях. Квалитеты 11-й и 12-й применяются в соединениях, где необходимы большие зазоры и допустимы их значительные колебания (грубая сборка). Эти квалитеты распространены в неответственных соединениях машин (крышки, фланцы, дистанционные кольца и т. п.).