Основы взаимозаменяемости

2. Основы взаимозаменяемости

Взаимозаменяемостью называется свойство одних и тех же деталей, узлов или агрегатов машин и т. д., позволяющее устанавливать детали (узлы, агрегаты) в процессе сборки или заменять их без предварительной подгонки при сохранении всех требований, предъявляемых к работе узла, агрегата и конструкции в целом. Указанные свойства изделий возникают в результате осуществления научно-технических мероприятий, объединяемых понятием «принцип взаимозаменяемости» .

Наиболее широко применяют полную взаимозаменяемость, которая обеспечивает возможность беспригоночной сборки (или замены при ремонте) любых независимо изготовленных с заданной точностью однотипных деталей в сборочные единицы, а последних — в изделия при соблюдении предъявляемых к ним (к сборочным единицам или изделиям) технических требований по всем параметрам качества. Выполнение требований к точности деталей и сборочных единиц изделий является важнейшим исходным условием обеспечения взаимозаменяемости. Кроме этого, для обеспечения взаимозаменяемости необходимо выполнять и другие условия: устанавливать оптимальные номинальные значения параметров деталей и сборочных единиц, выполнять требования к материалу деталей, технологии их изготовления и контроля и т. д. Взаимозаменяемыми могут быть детали, сборочные единицы и изделия в целом. В первую очередь такими должны быть детали и сборочные единицы, от которых зависят надежность и другие эксплуатационные показатели изделий. Это требование, естественно, распространяется и на запасные части.

При полной взаимозаменяемости:

упрощается процесс сборки — он сводится к простому соединению деталей рабочими преимущественно невысокой квалификации;

появляется возможность точно нормировать процесс сборки во времени, устанавливать необходимый темп работы и применять поточный метод;

создаются условия для автоматизации процессов изготовления и сборки изделий, а также широкой специализации и кооперирования заводов (при которых завод-поставщик изготовляет унифицированные изделия, сборочные единицы и детали ограниченной номенклатуры и поставляет их заводу, выпускающему основные изделия);

упрощается ремонт изделий, так как любая изношенная или поломанная деталь или сборочная единица может быть заменена новой (запасной).

Иногда для удовлетворения эксплуатационных требований необходимо изготовлять детали и сборочные единицы с малыми экономически неприемлемыми или технологически трудно выполнимыми допусками. В этих случаях для получения требуемой точности сборки применяют групповой подбор деталей (селективную сборку), компенсаторы, регулирование положения некоторых частей машин и приборов, пригонку и другие дополнительные технологические мероприятия при обязательном выполнении требований к качеству сборочных единиц и изделий. Такую взаимозаменяемость называют неполной (ограниченной). Ее можно осуществлять не по всем, а только по отдельным геометрическим или другим параметрам.

Внешняя взаимозаменяемость — это взаимозаменяемость покупных и кооперируемых изделий (монтируемых в другие более сложные изделия) и сборочных единиц по эксплуатационным показателям, а также по размерам и форме присоединительных поверхностей. Например, в электродвигателях внешнюю взаимозаменяемость обеспечивают по частоте вращения вала и мощности, а также по размерам присоединительных поверхностей; в подшипниках качения — по наружному диаметру наружного кольца и внутреннему диаметру внутреннего кольца, а также по точности вращения.

Внутренняя взаимозаменяемость распространяется на детали, сборочные единицы и механизмы, входящие в изделие. Например, в подшипнике качения внутреннюю групповую взаимозаменяемость имеют тела качения и кольца.

Уровень взаимозаменяемости производства можно характеризовать коэффициентом взаимозаменяемости Кв, равным отношению трудоемкости изготовления взаимозаменяемых деталей и сборочных единиц к общей трудоемкости изготовления изделия. Значение этого коэффициента может быть различным, однако степень его приближения к единице является объективным показателем технического уровня производства.

Совместимость — это свойство объектов занимать свое место в сложном готовом изделии и выполнять требуемые функции при совместной или последовательной работе этих объектов и сложного изделия в заданных эксплуатационных условиях.

Взаимозаменяемость, при которой обеспечивается работоспособность изделий с оптимальными и стабильными (в заданных пределах) во времени эксплуатационными показателями или с оптимальными показателями качества функционирования для сборочных единиц и взаимозаменяемость их по этим показателям, называют функциональной.

Функциональными являются геометрические, электрические, механические и другие параметры, влияющие на эксплуатационные показатели машин и других изделий или служебные функции сборочных единиц. Например, от зазора между поршнем и цилиндром (функционального параметра) зависит мощность двигателей (эксплуатационный показатель).

В России действуют Единая система допусков и посадок (ЕСДП) и Основные нормы взаимозаменяемости, которые базируются на стандартах и рекомендациях ИСО. ЕСДП распространяется на допуски размеров гладких элементов деталей и на посадки, образуемые при соединении этих деталей. Основные нормы взаимозаменяемости включают системы допусков и посадок на резьбы, зубчатые передачи, конуса и др.

2.1. Основные понятия и определения

Размеры, предельные отклонения и допуски. При конструировании определяются линейные и угловые размеры детали, характеризующие ее величину и форму. Они назначаются на основе результатов расчета деталей на прочность и жесткость, а также исходя из обеспечения технологичности конструкции и других показателей в соответствии с функциональным назначением детали. На чертеже должны быть проставлены все размеры, необходимые для изготовления детали и ее контроля.

Размеры, непосредственно или косвенно влияющие на эксплуатационные показатели машины или служебные функции узлов и деталей, называются функциональными. Они могут быть как у сопрягаемых (например, у вала и отверстия), так и у несопрягаемых поверхностей (например, размер пера лопатки турбины, размеры каналов жиклеров карбюраторов и т. п.)

Параметр — это независимая или взаимосвязанная величина, характеризующая какое-либо изделие или явление (процесс) в целом или их отдельные свойства. Параметры определяют техническую характеристику изделия или процесса преимущественно с точки зрения производительности, основных размеров, конструкции.

Размер — это числовое значение линейной величины (диаметра, длины и т. д.) в выбранных единицах измерения. Размеры подразделяют на номинальные, действительные и предельные.

Номинальный — это размер, относительно которого определяются предельные размеры и который служит также началом отсчета отклонений. Номинальный размер — это основной размер, полученный на основе кинематических, динамических и прочност-ных расчетов или выбранный из конструктивных, технологических, эксплуатационных, эстетических и других соображений.

Действительный — это размер, установленный измерением с допустимой погрешностью.

Предельные — это два предельно допустимых размера, между которыми должен находиться или которым может быть равен действительный размер.

Предельные размеры на предписанной длине должны быть истолкованы следующим образом:

для отверстий — диаметр наибольшего правильного воображаемого цилиндра, который может быть вписан в отверстие так, чтобы плотно контактировать с наиболее выступающими точками поверхности (размер сопрягаемой детали идеальной геометрической формы, прилегающей к отверстию без зазора), не должен быть меньше, чем проходной предел размера. Дополнительно наибольший диаметр в любом месте отверстия не должен превышать непроходного предела размера;

для валов — диаметр наименьшего правильного воображаемого цилиндра, который может быть описан вокруг вала так, чтобы плотно контактировать с наиболее выступающими точками поверхности (размер сопрягаемой детали идеальной геометрической формы, прилегающей к валу без зазора), не должен быть больше, чем проходной предел размера. Дополнительно минимальный диаметр в любом месте вала не должен быть меньше, чем непроходной предел размера.

Наибольший предельный размер — это бо’льший из двух предельных, наименьший — это меньший из двух предельных размеров (рис. 2.1). ГОСТом 25 346 — 89 установлены связанные с предельными размерами новые термины — «проходной» и «непроходной» пределы.

Термин «проходной предел» применяют к тому из двух предельных размеров, который соответствует максимальному количеству материала, а именно верхнему пределу для вала, нижнему — для отверстия. В случае применения предельных калибров речь идет о предельном размере, проверяемом проходным калибром.

Термин «непроходной предел» применяют к тому из двух предельных размеров, который соответствует минимальному количеству материала, а именно нижнему пределу для вала, верхнему — для отверстия. В случае применения предельных калибров речь идет о предельном размере, проверяемом непроходным калибром.

Отклонение — это алгебраическая разность между размером (действительным, предельным и т. д.) и соответствующим номинальным размером.

Действительное отклонение — это алгебраическая разность между действительным и номинальным размерами.

Предельное отклонение — это алгебраическая разность между предельным и номинальным размерами.

Классификацию отклонений по геометрическим параметрам целесообразно рассмотреть на примере соединения вала и отверстия. Термин «вал» применяют для обозначения наружных (охватываемых) элементов деталей, термин «отверстие» — для обозначения внутренних (охватывающих) элементов деталей. Термины «вал» и «отверстие» относятся не только к цилиндрическим деталям круглого сечения, но и к элементам деталей другой формы (например, ограниченным двумя параллельными плоскостями — шпоночное соединение).

Предельные отклонения подразделяют на верхнее и нижнее. Верхнее — это алгебраическая разность между наибольшим предельным и номинальным размерами, нижнее отклонение — это алгебраическая разность между наименьшим предельным и номинальным размерами.

В ГОСТе 25 346 — 89 приняты условные обозначения: верхнее отклонение отверстия ЕS, вала — еs, нижнее отклонение отверстия EI, вала — ei. В таблицах стандартов верхнее и нижнее отклонения указаны в микрометрах (мкм), на чертежах — в миллиметрах (мм). Отклонения, равные нулю, не указываются. На рис. 2.1 даны примеры простановки отклонений на чертежах деталей и соединения.

Допуск—это разность между наибольшим и наименьшим предельными размерами или абсолютная величина алгебраической разности между верхним и нижним отклонениями (см. рис. 2.1). По ГОСТу 25 346 — 89 введено понятие «допуск системы» — это стандартный допуск (любой из допусков), устанавливаемый данной системой допусков и посадок.

Нулевая линия — это линия, соответствующая номинальному размеру, от которой откладываются отклонения размеров при графическом изображении допусков и посадок. При горизонтальном расположении нулевой линии положительные отклонения откладываются вверх от нее, а отрицательные — вниз (см. рис. 2.1).

Поле допуска — это поле, ограниченное верхним и нижним отклонениями. Поле допуска определяется величиной допуска и его положением относительно номинального размера. При графическом изображении поле допуска заключено между двумя линиями, соответствующими верхнему и нижнему отклонениям относительно нулевой линии (см. рис. 2.1).

Для упрощения допуски можно изображать графически в виде полей допусков (рис. 2.1, б). При этом ось изделия (на рис. 2.1, б не показана) всегда располагают под схемой.

Соединения и посадки. Две или несколько подвижно или неподвижно соединяемых деталей называют сопрягаемыми. Поверхности, по которым происходит соединение деталей, называют сопрягаемыми. Остальные поверхности называют несопрягаемыми (свободными). В соответствии с этим различают размеры сопрягаемых и несопрягаемых (свободных) поверхностей. В соединении деталей, входящих одна в другую, есть охватывающие и охватываемые поверхности.

Посадкой называют характер соединения деталей, определяемый величиной получающихся в нем зазоров или натягов. Посадка характеризует свободу относительного перемещения соединяемых деталей или степень сопротивления их взаимному смещению.

В зависимости от взаимного расположения полей допусков отверстия и вала посадка может быть: с зазором (см. рис. 2.1, а), натягом или переходной, при которой возможно получение как зазора, так и натяга. Схемы полей допусков для разных посадок даны на рис. 2.2.

0 0 0 0 0 0

а) б) в) Рис. 2.2. Схемы полей допусков посадок:

а — с зазором; б — натягом; в — переходной Зазор S — разность размеров отверстия и вала, если размер отверстия больше размера вала. Наибольший, наименьший и средний зазоры определяют по формулам

Smax = Dmax — dmin; Smin = Dmin — dmax; Sm = (Smax + Smin)/2.

Натяг N — разность размеров вала и отверстия до сборки, если размер вала больше размера отверстия. Натяг обеспечивает взаимную неподвижность деталей после их сборки. Наибольший, наименьший и средний натяги определяют по формулам

Nmax = dmax — Dmin; Nmin = dmin — Dmax; Nm = (Nmax + Nmin)/2.

Посадка с зазором — посадка, при которой обеспечивается зазор в соединении (поле допуска отверстия расположено над полем допуска вала, рис. 2.2, а).

Посадка с натягом — посадка, при которой обеспечивается натяг в соединении (поле допуска отверстия расположено под полем допуска вала, рис. 2.2, б).

Переходная посадка — посадка, при которой возможно получение как зазора, так и натяга (поля допусков отверстия и вала перекрываются частично или полностью, рис. 2.2, в).

Допуск посадки — разность между наибольшим и наименьшим допускаемыми зазорами (допуск зазора ТS в посадках с зазором) или наибольшим и наименьшим допускаемыми натягами (допуск натяга ТN в посадках с натягом): ТS = Smax — Smin; ТN = Nmax — Nmin .

В переходных посадках допуск посадки — сумма наибольшего натяга и наибольшего зазора, взятых по абсолютному значению, TSN = Smax + Nmax. Для всех типов посадок допуск посадки численно равен сумме допусков отверстия и вала, т. е. ТS (ТN) = ТD + Тd.

2.2. Взаимозаменяемость гладких цилиндрических деталей

2.2.1. Общие положения

Точность детали определяется точностью размеров, шероховатостью поверхностей, точностью формы поверхностей, точностью расположения и волнистостью поверхностей.

Для обеспечения точности размеров в России действует Единая система допусков и посадок (ЕСДП), которая создана на основе системы ИСО. В 1949 г. было решено в основу системы ИСО положить систему ИСА, опубликованную в бюллетене ISA25 (1940 г.) и отчете комитета ISA-3 об этой системе (декабрь 1935 г.). В настоящее время система ИСО принята большинством стран-членов ИСО.

В ЕСДП в первую очередь стандартизованы базовые элементы, необходимые для получения различных полей допусков, а не посадки и образующие их поля допусков отверстий и валов. Каждое поле допуска можно представить сочетанием двух характеристик, имеющих самостоятельное значение, — величины допуска и его положения относительно номинального размера.

Допуск зависит от квалитета и размера Т = аi, (2.1)

где, а — число единиц допуска, зависящее от квалитета и не зависящее от номинального размера; iединица допуска.

Для нормирования требуемых уровней точности установлены квалитеты изготовления деталей и изделий. Под квалитетом (по аналогии с франц. qualiti — качество) понимают совокупность допусков, характеризуемых постоянной относительной точностью (определяемой коэффициентом а) для всех номинальных размеров данного диапазона (например, от 1 до 500 мм). Точность в пределах одного квалитета зависит только от номинального размера. В ЕСДП установлен 21 квалитет: 01, 0, 1, 2, …, 19. Квалитет определяет допуск на изготовление и, следовательно, методы и средства обработки и контроля деталей машин.

Для квалитетов 5 — 19 число единиц допуска, а соответственно равно 7, 10, 16, 25, 40, 64, 100, 160, 250, 400, 640, 1000, 1600, 2500 и 4000.

Единица допуска (мкм) для размеров до 500 мм

i = 0,45; (2.2)

для размеров свыше 500 до 10 000 мм

i = 0,004D + 2,1, (2.3)

где D — среднее геометрическое крайних размеров каждого интервала, мм.

Для размеров менее 1 мм допуски по квалитетам 14 — 19 не назначают.

Основное отклонение — одно из двух отклонений (верхнее или нижнее), используемое для определения положения поля допуска относительно нулевой линии. В системе ЕСДП таким отклонением является отклонение, ближайшее к нулевой линии.

Основное отклонение (положение поля допуска относительно нулевой линии), зависящее от нормального размера, обозначается буквой латинского алфавита — прописной для отверстий (от, А до Z) и строчной — для валов (от, а до z) На рис. 2.3 приведены основные отклонения отверстий и валов в системах ИСО и ЕСДП.

Отклонения a — h (A — H) предназначены для образования посадок с зазором, js — zc (Js — ZC) — для посадок с натягами и переходных, причем для переходных обычно применяют отклонения js, k, m, n (Js, K, M, N). Поля допусков вала js и отверстия Js располагаются симметрично по обе стороны от нулевой линии. Для каждого буквенного обозначения абсолютная величина и знак основного отклонения вала определяются по эмпирическим формулам, приведенным в государственном стандарте.

Абсолютная величина и знак основного отклонения отверстия определяются по основному отклонению вала, обозначенному той же буквой, по общему или специальному правилам.

Общее правило определения основных отклонений отверстий — основное отклонение отверстия должно быть симметрично относительно нулевой линии основному отклонению вала, обозначенному той же буквой:

ЕI = - es — для отверстий от, А до Н, ЕS = - ei — для отверстий от I до ZC. Исключение составляет отклонение отверстий квалитетов от 9 до 16 размеров свыше 3 мм, у которых основное отклонение ЕS = 0.

Рис. 2.3. Основные отклонения отверстий и валов

Специальное правило определения основных отклонений отверстий: две соответствующие друг другу посадки в системе отверстия и в системе вала, в которых отверстие данного квалитета соединяется с валом ближайшего, более точного квалитета (например, Н7/р6 и Р7/h6), должны иметь одинаковые зазоры и натяги (рис. 2.4):

Es = - ei +, (2.4)

где = ITn — ITn-1, т. е. равна разности между допуском рассматриваемого квалитета, с которым будет сочетаться данное основное отклонение, и допуском ближайшего, более точного квалитета. Правило действительно для отверстий размером свыше 3 мм: J, K, M и N до IT8 включительно и от Р до ZC до IT7 включительно.

Различают две равноценные системы образования посадок — систему отверстия и систему вала (рис. 2.5). Посадки в системе отверстия — это посадки, в которых различные зазоры и натяги получаются соединением различных валов с основным отверстием. У основного отверстия нижнее отклонение равно нулю, а основное обозначается Н. На чертеже такие посадки обозначаются следующим образом: 50Н9/d9; 50H7/r6; 50H7/k6.

Посадки в системе вала — это посадки, в которых различные зазоры и натяги получаются соединением различных отверстий с основным валом. У основного вала верхнее отклонение равно нулю, а основное обозначается h. На чертеже такие посадки обозначаются, например, 50 D9/h9; 50R7/h6; 50K7/h6.

Посадки в системе вала — это посадки, в которых различные зазоры и натяги получаются соединением различных отверстий с основным валом. У основного вала верхнее отклонение равно нулю, а основное обозначается h. На чертеже такие посадки обозначаются, например, 50 D9/h9; 50R7/h6; 50K7/h6.

Допускается применение комбинированных посадок, в которых отверстие и вал выполнены в разных системах. Например, у посадки 50F8/f7 отверстие выполнено в системе вала, а вал — в системе отверстия.

Для построения рядов допусков каждый из диапазонов размеров, в свою очередь, разделен на несколько интервалов. Для номинальных размеров от 1 до 500 мм установлено 13 интервалов: до 3, свыше 3 до 6, свыше 6 до 10 мм, …, свыше 400 до 500 мм.

Для полей, образующих посадки с большими зазорами или натягами, введены дополнительные промежуточные интервалы, что уменьшает колебание зазоров и натягов и делает посадки более определенными. Для всех размеров, объединенных в один интервал, значения допусков приняты одинаковыми, поскольку назначать допуск для каждого номинального размера нецелесообразно, т. к. таблицы допусков в этом случае получились бы громоздкими, а сами допуски для смежных размеров отличались бы один от другого незначительно.

В формулы (2.2) и (2.3) для определения допусков и отклонений в системе ИСО и ЕСДП подставляют среднее геометрическое крайних размеров каждого интервала:

. (2.4)

Для интервала до 3 мм принимают .

Диаметры по интервалам распределены так, чтобы допуски, подсчитанные по крайним значениям в каждом интервале, отличались от допусков, подсчитанных по среднему значению диаметра в том же интервале, не более чем на 5—8%.

Допуски и отклонения, устанавливаемые стандартами, относятся к деталям, размеры которых определены при нормальной температуре, которая во всех странах принята равной +20 °С (ГОСТ 9249 — 59). Такая температура принята как близкая к температуре рабочих помещений машиностроительных и приборостроительных заводов.

Сочетание любых основных отклонений с любым квалитетом ИСО дает свыше 1000 полей допусков для валов и отверстий. Поэтому внедрение системы ИСО происходит на базе отбора ограниченного числа полей допусков из этой системы. Рекомендация ИСО/Р 1829 — 1970 «Отбор полей допусков для общего применения» включает 45 полей допусков для валов и 43 — для отверстий. Из них выделено по 17 полей допусков для валов и отверстий для предпочтительного применения.

Полями допусков предпочтительного применения, выделенными по принципу унификации по ГОСТу 25 347 — 82 (для размеров 1 — 500мм) являются 16 полей валов (g6, h6, js6, k6, n6, p6, r6, s6, js7, h7, e7, h8, d9, h9, d11 и h11) и 10 полей отверстий (Н7, Js7, K7, P7, N7, F8, H8, E9, H9 и Н11).

Посадки, как правило, должны назначаться в системе отверстия или системе вала. Применение системы отверстия предпочтительнее. Систему вала следует применять только в тех случаях, когда это оправдано конструктивными или экономическими условиями, например, если необходимо получить разные посадки нескольких деталей с отверстиями на одном гладком валу. При посадке подшипников качения в корпус в первую очередь рекомендуется назначать предпочтительные посадки.

При номинальных размерах от 1 до 500 мм рекомендуется на-значать предпочтительные посадки в системе отверстия: Н7/е8; Н7/f7; Н7/g6; Н7/h6; Н7/ls6; Н7/k6; Н7/n6; Н7/р6; Н7/r6; Н7/s6; Н8/е8; Н8/h7; Н8/h8; Н8/d9; Н9/d9; Н11/d11; Н11/h1; в системе вала: F8/H6; Н7/h6; Js7/h6; К7/h6; N7/h6; Р7/h6; Н8/h7: Е9/h8; Н8/h8; Н11/h11.

Кроме указанных посадок допускается применение других по-садок, образованных полями допусков валов и отверстий по ГОСТу 25 347 — 82*. При этом рекомендуется, чтобы посадка относилась к системе отверстия или системе вала и чтобы при неодинаковых допусках отверстия и вала больший допуск был у отверстия и допуски отверстия и вала отличались не более чем на два квалитета.

Пример. Определить предельные размеры, допуски, зазоры в соединении при посадке с зазором 40Н7/f7. Предельные отклонения взяты по ГОСТу 25 346—82. Отверстие: номинальный размер 40 мм; ЕS == 0; ЕI == +25 мкм; Dmin == 40 мм; Dmах == 40,000 + 0,025 == 40,025 мм; TD == 40,025 — 40,000 = 0,025 мм. Вал: номинальный размер 40 мм; ei = -50 мкм; es = -25 мкм; dmin = 40,000 — 0,050 = 39,950 мм; dmax = 40,000 — 0,025 = 39,975 мм; Td = 39,975 — 39,950 = 0,025 мм. Соединение: номинальный размер 40 мм; Smax = 40,025 — 39,950 = 0,075 мм; Smin = 40,000 — 39,975 = 0,025 мм; TS = 0,075 — 0,035 = 0,050 мм или TS = TD + Td = 0,025 + 0,025 = 0,050 мм.

Системы допусков и отклонений для размеров св. 500 до 3150 мм установлены по ГОСТу 25 346 — 89; для размеров св. 3150 до 10 000 мм — по ГОСТу 25 348 — 82*; для размеров свыше 10 000 до 40 000 мм — по ГОСТу 26 179 — 84; для деталей из пластмасс — по ГОСТу 25 349 — 88.

2.2.2. Обозначение полей допусков, предельных отклонений и посадок на чертежах

Предельные отклонения линейных размеров указывают на чертежах условными (буквенными) обозначениями полей допусков или числовыми значениями предельных отклонений, а также буквенными обозначениями полей допусков с одновременным указанием справа в скобках числовых значений предельных отклонений (рис. 2.6, а и б).

Посадки и предельные отклонения размеров деталей, изображенных на чертеже в собранном виде, указывают дробью: в числителе — буквенное обозначение или числовые значения предельных отклонений отверстия либо буквенное обозначение с указананием справа в скобках их числовых значений, в знаменателе — аналогичное обозначение поля допуска вала (рис. 2.6, в).

Иногда для обозначения посадки указывают предельные отклонения только одной из сопрягаемых деталей (рис. 2.6, г).

В условных обозначениях полей допусков обязательно указывать числовые значения предельных отклонений в следующих случаях: для размеров, не включенных в ряды нормальных линейных размеров, например, 41,5Н7(+0,025); при назначении предельных отклонений, условные обозначения которых не предусмотрены ГОСТом 25 347 — 82*, например, для пластмассовой детали с предельными отклонениями по ГОСТу 25 349 — 88.

Для поверхности, состоящей из участков с одинаковым номинальным размером, но разными предельными отклонениями, наносят границу между этими участками тонкой сплошной линией и номинальный размер с соответствующими предельными отклонениями указывают для каждого участка отдельно.

2.2.3. Неуказанные предельные отклонения размеров

Предельные отклонения, не указанные непосредственно после номинальных размеров, а оговоренные общей записью в технических требованиях чертежа, называются неуказанными предельными отклонениями. Неуказанными могут быть только предельные отклонения относительно низкой точности.

Основные правила назначения неуказанных предельных отклонений размеров установлены ГОСТом 25 670 — 83. Для линейных размеров, кроме радиусов закругления и фасок, неуказанные предельные отклонения могут быть назначены либо на основе квалитетов по ГОСТу 25 346 — 89 и ГОСТу 25 348 — 82* (по 11—13-му квалитетам для размеров менее 1 мм и по 12 — 17-му квалитетам для размеров от 1 до 10 000 мм), либо на основе спе-циальных классов точности неуказанных предельных отклонений, установленных в ГОСТе 25 670 — 83. Эти классы точности имеют условные наименования «точный», «средний», «грубый», «очень грубый». Допуски по ним обозначаются соответственно t1, t2, t3 и t4 и получены грубым округлением допусков по 12, 14, 16 и 17-му квалитетам при укрупненных интервалах номинальных размеров.

Для размеров валов и отверстий неуказанные предельные отклонения допускается назначать как односторонними — «в тело» материала (для валов от нуля в минус, для отверстий — от нуля в плюс), так и симметричными. Для размеров элементов, не относящихся к валам или отверстиям, назначаются только симметричные неуказанные предельные отклонения. Согласно ГОСТу 25 670 — 83 допускается четыре варианта назначения неуказанных предельных отклонений линейных размеров (табл. 2.1).

Отклонения по 13-му квалитету могут сочетаться в одной общей записи с классом «средний», а по 15-му квалитету — с классом точности «грубый» .

Для радиусов закругления и фасок в ГОСТе 25 670 — 83 установлено два ряда особых (более грубых, чем для других линейных размеров) предельных отклонений. Применение этих рядов увязано с квалитетом или классом точности, предписанным в общей записи для других линейных размеров .

Подобным же образом в ГОСТе 25 670 — 83 регламентируются неуказанные предельные отклонения углов. Общие записи в технических требованиях чертежа о неуказанных предельных отклонениях рекомендуется давать условными обозначениями, например (для отклонений по 14-му квалитету и классу точности «средний») по:

варианту 1: H14; h14; t2/2 или H14; h14; IT14/2;

варианту 2: +t2; - t2; t2/2;

варианту 3: t2/2 или IT14/2;

варианту 4: H14; h14; t2/2 или H14; h14; IT14/2.

Таблица 2.1

Варианты назначения неуказанных предельных отклонений линейных

размеров по ГОСТу 25 670 — 83

Допускается дополнять условные обозначения поясняющими словами, например, «Неуказанные предельные отклонения размеров: Н14; h14; t2/2 «или «Неуказанные предельные отклонения размеров: отверстий по Н14, валов по h14, остальных t2/2»; «Неуказанные предельные отклонения размеров t2/2» .

2.2.4. Расчет и выбор посадок

Выбор различных посадок для подвижных и неподвижных соединений можно производить на основании предварительных расчетов, экспериментальных исследований или ориентируясь на аналогичные соединения, условия работы которых хорошо известны.

Посадки с зазором. Рассмотрим один из вариантов расчета посадки подшипника скольжения.

Известно, что при гидродинамическом режиме работы масляный клин в подшипнике скольжения возникает только в области определенных зазоров между цапфой вала и вкладышем подшипника. Поэтому задачей настоящего расчета является нахождение оптимального расчетного зазора и выбор по нему стандартной посадки.

Рассмотрим упрощенный метод расчета и выбора посадок, изложенный в.

Толщина масляного слоя в месте наибольшего сближения поверхностей отверстия и вала ,

где S — диаметральный зазор; - относительный эксцентриситет;

е — абсолютный эксцентриситет вала в подшипнике при зазоре S.

Принципиальный график зависимости толщины масляного слоя от величины зазора S приведен на рис. 2.7.

Как видно из рис. 2.7, определенной толщине масляного слоя соответствуют два зазора. Например, [hmin] соответствуют зазоры [Smin] и [Smax]. Допустимая минимальная толщина масляного слоя, при которой еще обеспечивается жидкостное трение:

[hmin] = K (RZD+RZD+g) =

=K (4RaD+4Rad+g),

где К2 — коэффициент запаса надежности по толщине масляного слоя; g — добавка на неразрывность масляного слоя (g = 2 — 3 мкм).

Поэтому необходимо соблюдать условие

h [hmin], Smin [Smin], (2.1)

где [Smin] - минимальный допустимый зазор, при котором толщина масляного слоя равна допустимой [hmin].

Относительный эксцентриситет хmin, соответствующий зазору Smin, из-за возможности возникновения самовозбуждающихся колебаний вала в подшипнике рекомендуется принимать не менее 0,3, т. е. xmin 0,3.

Для определения х используем полученную в зависимость

(2.2)

где — угловая скорость вала, рад/с; СR — коэффициент нагруженности подшипника; P — среднее удельное давление (Па),

.

Здесь Fr — радиальная нагрузка на цапфу, Н; l, dH.C. — длина подшипника и номинальный диаметр соединения, м; - динамическая вязкость смазочного масла при рабочей температуре tn (Hс/м2),

(2.3)

где tи — температура испытания масла (50°С или 100°С); - динамическая вязкость при tи = 50oC (или 100оС); n — показатель степени, зависящий от кинематической вязкости масла (табл.2.2).

Таблица 2.2

Значения показателей степени n в уравнении (2.3)

Обозначив, из формулы (2.2) получим

. (2.4)

На рис. 2.8 приведены зависимости, А от х и отношения l/dH.C. Для определения хmin необходимо по формуле (2.4) определить Аh, соответствующее [hmin]:

.

По рис. 2.8 можно определить хmin — относительный эксцентриситет, соответствующий зазору [Smin]; хопт и Аопт — относительный зазор и параметр А, соответствующие оптимальному зазору Sопт, при котором толщина масляного слоя достигает своего наибольшего значения h/ (см. рис.2.7); Ах — значение параметра, А при х = 0,3.

Минимальный допустимый зазор

где К — коэффициент, учитывающий угол охвата (табл.2.3).

Максимальный допустимый зазор при h = [hmin]

.

Таблица 2.3

Коэффициенты, учитывающие угол охвата

При выборе посадки необходимо выполнить условие

Smax [Smax]. (2.5)

При этом

где — поправка, связанная с различием коэффициентов линейных расширений материалов вала и втулки или существенным различием температур соединенных деталей,. Здесь D, d — коэффициенты линейного расширения втулки и вала; tD, td — разность между рабочей и нормальной (200С) температурами; - поправка, связанная с наличием неровностей на поверхностях вала и втулки, =8(RaD + Rad); Тизн — допуск на износ.

Величина допуска на износ может задаваться числовым значением, рассчитанным по требуемой долговечности подшипника, или определяться по предписанному коэффициенту запаса точности КТ:

где .

При выборе посадки необходимо использовать дополнительное условие, по которому средний зазор SC в посадке должен быть примерно равен оптимальному Sопт:

.

Если при выборе посадки не удается выполнить условия (2.1) и (2.5), то следует произвести проверку правильности выбора посадки теоретико-вероятностным методом, определив для этого вероятностные зазоры:

;

.

При невыполнении условий и необходимо

провести повторный расчет.

Рекомендации по применению некоторых посадок с зазором. Посадку Н5/h4 (Smin= 0 и Smax = Td +Td) назначают для пар с точным центрированием и направлением, в которых допускается проворачивание и продольное перемещение деталей при регулировании. Эти посадки можно использовать вместо переходных (в том числе для сменных частей). Для вращающихся деталей их применяют только при малых скоростях и нагрузках.

Посадку Н6/h5 назначают при высоких требованиях к точности центрирования (например, пиноли в корпусе задней бабки токарного станка, измерительных зубчатых колес на шпинделях зубоизмерительных приборов), посадку Н7/h6 (предпочтительную) — при менее жестких требованиях к точности центрирования (например, сменных зубчатых колес в станках, корпусов под подшипники качения в станках, автомобилях и других машинах, поршня в цилиндре пневматических инструментов, сменных втулок кондукторов и т. п.). Посадку Н8/h7 (предпочтительную) назначают для центрирующих поверхностей, когда можно расширить допуски на изготовление при несколько пониженных требованиях к соосности.

Посадки Н5/g4; Н6/g5 и Н7/g6 (последняя предпочтительная) имеют наименьший гарантированный зазор из всех посадок с зазором. Их применяют для точных подвижных соединений, требующих гарантированного, но небольшого зазора для обеспечения точного центрирования (например, золотника в пневматической сверлильной машине, шпинделя в опорах делительной головки, в плунжерных парах и т. п.).

Для подвижных посадок наиболее распространены Н7/f7 (предпочтительная), Н8/f8 и подобные им посадки, образованные из полей допусков квалитетов 6, 8 и 9.

Посадки Н7/е8, Н8/е8 (предпочтительные), Н7/е7 и посадки, подобные им, образованные из полей допусков квалитетов 8 и 9, обеспечивают легкоподвижное соединение при жидкостной смазке. Их применяют для быстровращающихся валов больших машин.

Посадки Н8/d9, Н9/d9 (предпочтительные) и подобные им посадки, образованные из полей допусков квалитетов 7, 10 и 11, применяют сравнительно редко. Например, посадку Н7/d8 используют при большой частоте вращения и малом давлении в крупных подшипниках, а также в сопряжении поршень — цилиндр в компрессорах, посадку Н9/d9 — при невысокой точности механизмов.

Посадки Н7/c8 и Н8/с9 характеризуются значительными гарантированными зазорами, используются для соединений с невысокими требованиями к точности центрирования. Наиболее часто эти посадки назначают для подшипников скольжения (с различными температурными коэффициентами линейного расширения вала и втулки), работающих при повышенных температурах (в паровых турбинах, двигателях, турбокомпрессорах, турбовозах и других машинах, в которых при работе зазоры заметно уменьшаются вследствие того, что вал нагревается и расширяется больше, чем вкладыш подшипника).

При выборе посадок (на основе расчета) необходимо учитывать отношение l/d: чем меньше это отношение, тем меньше должен быть наименьший зазор.

Переходные посадки. Переходные посадки Н/js, Н/k, Н/m, Н/n используют в неподвижных разъемных соединениях для центрирования сменных деталей или деталей, которые при необходимости могут передвигаться вдоль вала. Эти посадки характеризуются малыми зазорами и натягами, что, как правило, позволяет собирать детали при небольших усилиях (вручную или с помощью молотка). Для гарантии неподвижности одной детали относительно другой соединения дополнительно крепят шпонками, стопорными винтами и другими крепежными средствами.

Переходные посадки предусмотрены только в квалитетах 4 — 8. Точность вала в этих посадках должна быть на один квалитет выше точности отверстия.

В переходных посадках при сочетании наибольшего предельного размера вала и наименьшего предельного размера отверстия всегда получается наибольший натяг, при сочетании наибольшего предельного размера отверстия и наименьшего предельного размера вала — наибольший зазор.

Посадки с натягом. Посадки с натягом предназначены в основном для получения неподвижных неразъемных соединений без дополнительного крепления деталей. Иногда для повышения надежности соединения дополнительно используют шпонки, штифты и другие средства крепления, как, например, при креплении маховика на коническом конце коленчатого вала двигателя. Относительная неподвижность деталей обеспечивается силами сцепления (трения), возникающими на контактирующих поверхностях вследствие их деформации, создаваемой натягом при сборке соединения.

Рассмотрим общий случай расчета посадок с натягом, когда соединение состоит из полого вала и втулки (рис. 2.9). Разность между диаметром вала и внутренним диаметром втулки до сборки определяет натяг N. При запрессовке деталей происходит растяжение втулки на величину ND и одновременно сжатие вала на величину Nd, причем N = ND + Nd. Из зада-чи определения напряжений и перемещений в толстостенных полых цилиндрах (задачи Ламе) известны зависимости ND = pC1/E1; Nd = pC2/E2. Cложив почленно эти равенства и выполнив простые преобразования, получаем

N = pdНС[(С1/E1) + (C2/E2)],

где N — расчетный натяг; р — давление на поверхности контакта вала и втулки, возникающее под влиянием натяга; dНС — номинальный диаметр сопрягаемых поверхностей; Еd и ЕD — модули упругости материалов соответственно охватываемой (вала) и охватывающей (отверстия) деталей, Па; Сd и CDкоэффициенты Ламе, определяемые по формулам

; ,

где d1 — диаметр отверстия полого вала, м; d2 — наружный диметр охватывающей детали, м; d и D — коэффициенты Пуассона соответственно для охватываемой и охватывающей деталей. Для сплошного вала (d1 = 0) Cd = 1 — d; для массивного корпуса (d2 ?) CD = 1 + D.

Расчет посадок с натягом производят в следующем порядке:

По значениям внешних нагрузок — осевой силы, крутящего момента (Fa, TK) и размерам соединения (dH.C, l) определяется требуемое минимальное давление (Па) на контактных поверхностях соединения:

при действии ТК ;

при действии Fa ;

при действии ТК и Fa ,

где Fa — продольная осевая сила, стремящаяся сдвинуть одну деталь относительно другой, Н; ТК — крутящий момент, стремящийся повернуть одну деталь относительно другой, Нм; l — длина контакта сопрягаемых поверхностей, м; f — коэффициент трения при установившемся процессе распрессовки или проворачивания (табл.2.4).

Таблица 2.4

Коэффициенты трения для материалов

По полученным значениям [Pmin] определяется необходимое значение наименьшего расчетного натяга Nmin (м), который должен обеспечить передачу крутящего момента и осевой силы:

.

3. Определяется величина минимального допустимого натяга с учетом поправок к, то есть

где ш — поправка, учитывающая смятие неровностей контактных поверхностей деталей при образовании соединения;

ш = 1,2 (Rzd + RzD) = 5 (Rad + RaD),

где t — поправка, учитывающая различие рабочей температуры деталей (tD и td) и температуры сборки (tсб), различие коэффициентов линейного расширения материалов соединяемых деталей (D и d),

;

ц — поправка, учитывающая ослабление натяга под действием центробежных сил (существенна для крупных быстровращающихся деталей); для сплошного вала и одинаковых материалов соединяемых деталей

.

Здесь V — окружная скорость на наружной поверхности втулки, м/с; - плотность материала. Поправка ц для стальных деталей диаметром до 500 мм, вращающихся со скоростью до 30 м/с, не учитывается; n — добавка, компенсирующая уменьшение натяга при повторных запрессовках, определяется опытным путем.

Определяется максимальное допустимое удельное давление [Pmax], при котором отсутствует пластическая деформация на контактных поверхностях деталей. В качестве Pmax берется наименьшее из двух значений

; ,

где Тd и ТD — предел текучести материалов охватываемой и охватывающей деталей.

Устанавливается наибольший расчетный натяг (м) Определяется величина максимального допустимого натяга, при котором не произойдет разрушения деталей, с учетом поправок к :

где уд — коэффициент увеличения удельного давления у торцов охватывающей детали, принимается по графику (рис. 2.10); t — температурная поправка, учитываемая, если при рабочей температуре натяг увеличивается.

Выбирается посадка из таблиц системы допусков и посадок с соблюдением следующих условий: максимальный натяг Nmax в подобранной посадке должен быть не больше [Nmax], т. е. Nmax [Nmax]; минимальный натяг

Nmin в подобранной посадке должен быть больше [Nmin], т. е. Nmin [Nmin].

Рассчитывается необходимое усилие при запрессовке собираемых деталей по формуле

Fn = fnPmaxdH. Cl,

где fn — коэффициент трения при запрессовке; fn = (1,15−1,2)f; Pmax — удельное давление при максимальном натяге (Nmax),

.

Рекомендации по применению некоторых посадок с натягом. Посадки Н/р; Р/h — «легкопрессовые» — характеризуются минимальным гарантированным натягом. Установлены в наиболее точных квалитетах (валы 4 — 6-го, отверстия 5 — 7-го квалитетов). Применяются в таких случаях, когда крутящие моменты или осевые силы малы или случайное относительное смещение деталей несущественно для их служебной роли; для соединения тонкостенных деталей, не допускающих больших деформаций; для центрирования тяжелонагруженных или быстровращающихся крупногабаритных деталей (с дополнительным креплением).

Посадки H/r; H/s; H/t и R/h; S/h; T/h — «прессовые средние» — характеризуются умеренными гарантированными натягами в пределах (0,0002 — 0,0006)dНС, обеспечивающими передачу нагрузок средней величины без дополнительного крепления. Установлены для относительно высоких точностей деталей (валы 5 — 7-го, отверстия 6 — 7-го квалитетов). Сборка соединений возможна как под прессом, так и способом термической деформации.

Посадки H/u; H/ x; H/z и U/h — «прессовые тяжелые» — характеризуются большими гарантированными натягами (0,001 — 0,002)dНС. Предназначены для соединений, на которые воздействуют тяжелые, в том числе и динамические нагрузки. Применяются, как правило, без дополнительного крепления соединяемых деталей. Сборка обычно осуществляется методом термической деформации. Для посадок с большими натягами предусмотрены относительно широкие допуски деталей (7 — 9-го квалитетов).

2.3. Шероховатость поверхности

Шероховатостью поверхности согласно ГОСТу 25 142 — 82 называют совокупность неровностей поверхности с относительно малыми шагами, выделенную с помощью базовой длины. Базовая длина l — длина базовой линии, используемой для выделения неровностей, характеризующих шероховатость поверхности. Базовая линия (поверхность) — линия (поверхность) заданной геометрической формы, определенным образом проведенная относительно профиля (поверхности) и служащая для оценки геометрических параметров поверхности.

Шероховатость поверхности оказывает существенное влияние на эксплуатационные свойства поверхностного слоя, следовательно, детали в целом. К показателям, характеризующим эксплуатационные свойства поверхностного слоя, относятся: действительное напряжение на поверхности двух взаимодействующих тел и, как следствие, контактная жесткость; прочность деталей из-за концентрации напряжений в отдельных рисках на поверхности; характер процесса трения между сопрягаемыми поверхностями в паре трения; изменение посадки в процессе сборки (с натягом) или при эксплуатации (с зазором); антикоррозионная стойкость повехностей; плотность и герметичность соединений; адгезионная способность к гальваническим и лакокрасочным покрытиям; декоративные свойства; удобство содержания поверхностей в чистоте и т. п.

Числовые значения шероховатости поверхности определяют от единой базы, за которую принята средняя линия профиля т, т. е. базовая линия, имеющая форму номинального профиля и проведенная так, что в пределах базовой длины среднее квадратическое отклонение профиля до этой линии минимально. Систему отсчета шероховатости от средней линии профиля называют системой средней линии.

Если для определения шероховатости выбран участок поверхности длиной l, другие неровности (например, волнистость), имеющие шаг больше l, не учитывают.

Длина оценки L — длина, на которой оценивают шероховатость. Она может содержать одну или несколько базовых длин l. Числовые значения базовой длины выбирают из ряда: 0,01; 0,03; 0,08; 0,25; 0,80; 2,5; 8; 25 мм.

Параметры шероховатости. Согласно ГОСТу 2789 — 73* шероховатость поверхности изделий независимо от материала и способа изготовления можно оценивать следующими параметрами (рис. 2.11):

1. Среднее арифметическое отклонение профиля Ra — среднее арифметическое из абсолютных значений отклонений про-филя в пределах базовой длины:

где l — базовая длина; n — число выбранных точек профиля на базовой длине; у — расстояние между любой точкой профиля и средней линией (отклонение профиля).

2. Высота неровностей профиля по десяти точкам Rz — сумма средних абсолютных значений высот пяти наибольших выступов профиля и глубин пяти наибольших впадин профиля в пределах базовой длины:

или ,

где определяются относительно средней линии, а hi max, hi minотносительно произвольной прямой, параллельной средней линии и не пересекающей профиль.

3. Наибольшая высота неровностей профиля Rmax — расстояние между линией выступов профиля и линией впадин профиля в пределах базовой длины.

4. Средний шаг неровностей профиля Sm — среднее арифметическое значение шага неровностей профиля в пределах базовой длины:

где Smi — шаг неровностей профиля, равный длине отрезка средней линии, заключенного между точками пересечения смежных выступов и впадин профиля со средней линией.

5. Средний шаг неровностей профиля по вершинам S — среднее арифметическое значение шага неровностей профиля по вершинам в пределах базовой длины:

Si — шаг неровностей профиля, равный длине отрезка средней линии, заключенного между проекциями на нее наивысших точек двух соседних местных выступов профиля.

6. Относительная опорная длина профиля tр — отношение опорной длины профиля к базовой длине:

где р — опорная длина профиля — сумма длин отрезков bi, отсекаемых на заданном уровне р в материале профиля линией, эквидистантной средней линии т в пределах базовой длины (см. рис. 2.11):

.

Опорную длину профиля определяют на уровне сечения профиля р, т. е. на заданном расстоянии между линией выступов профиля и линией,

пересекающей профиль эквидистантно линии выступов профиля, и строят кривую изменения опорной длины профиля (рис. 2.12). Значение уровня сечения профиля р отсчитывают по линии выступов и выбирают из ряда: 5; 10; 15; 20; 25; 30; 40; 50; 60; 70,; 80; 90% от Rmax.

Числовые значения параметров шероховатости Ra, Rz, Rmax, Sm, S и tp приведены в ГОСТе 2789 — 73*.

Обозначение шероховатости на чертежах. ГОСТ 2.309 — 73* устанавливает обозначения шероховатости поверхностей и правила нане;

сения их на чертежах изделий.

На рис. 2.13 приведена структура обозначения шероховатости. При обозначении шероховатости только по параметру применяют знак без полки.

Примеры обозначения шероховатости на чертежах приведены на рис. 2.14. В обозначении числового значения

параметра Ra символ не указывается (см. рис. 2.14).

Если параметры Rа, Rz, Rmax определены на базовой длине в соответствии с ГОСТом 2789 — 73*, то эти базовые длины не указываются в требованиях к шероховатости (рис. 2.14, б).

При необходимости дополнительно к параметрам шероховатости поверхности устанавливаются требования по направлению неровностей поверхности (табл. 2.5), а также по способу или последовательности спосо-бов получения (обработки) поверхности. При этом способ обработки указывают только в случаях, когда он является единственно приемлемым для получения требуемого качества поверхности.

Таблица 2.5

Направления неровностей поверхности по ГОСТу 2789 — 73*

При указании двух и более параметров шероховатости поверхности значения параметров записывают сверху вниз в следующем порядке: высота неровностей профиля, шаг неровностей профиля, относительная опорная длина профиля (рис. 2.14, а).

Допускается применять упрощенное обозначение шероховатости поверхностей с разъяснением его в технических требованиях чертежа (рис. 2.14, в).

Допускаемые значения Rа и Rz в зависимости от допуска размера и формы установлены по четырем уровням относительной геометрической точности, определяемых соотношением допусков геометрии и размера соответственно: A=60%, B=40%, С=25% и D 25% (табл. 2.6).

Таблица 2.6

Параметры шероховатости в зависимости от

допусков размера IT и формы Tф