1 Эксплуатационное назначение и принцип работы сборочной единицы

Заданная сборочная единица “Задний мост с тормозами и ступицами в сборе” является составной частью всего заднего моста автомобиля ГАЗ-53А [1].

В автомобиле ГАЗ-53 А [2] задний мост является ведущим. Он предназначен для обеспечения вращения задних колес 1,2 , крутящий момент на которые передается от двигателя через коробку передач, карданную передачу, главную передачу, включающую в себя зубчатый редуктор, дифференциал и полуоси 13, прикрепленные к ступицам колес 1,2. При этом редуктор обеспечивает изменение направления вращения полуосей 13 на перпендикулярное к направлению вращения полуосей на перпендикулярное к направлению вращения карданного вала, а дифференциал обеспечивает независимое друг от друга вращение задних колес 1,2 при поворотах, пробуксовке и т.д.

Все механизмы заднего моста размещены в картере заднего моста 12, который представляет собой жесткую пустотелую балку, состоящую из трех основных частей: двух полуосевых кожухов (рукавов) и средней части – картера главной передачи. К рукавам балки приварены стальные трубчатые цапфы, на которых установлены роликовые конические подшипники 11,15 ступиц колес. Внутри полой цапфы расположена полуось 13, передний конец которой представляет собой фланец с отверстиями под шпильки. Фланец шпильками 22 жестко скреплен со ступицей, а ступица в свою очередь жестко соединена с диском колеса. Второй конец полуоси (шлицевой) соединен с шестерней полуоси установленной внутри редуктора главной передачи. ( на сборочном чертеже отсутствует )

При работе полуоси 13 передают от двигателя на колеса только крутящий момент и полностью разгружены от осевых нагрузок и боковых ударов. Изгибающие моменты осевые нагрузки и боковые удары воспринимаются цапфами и ступицами колес 1,2. Ступицы опираются на конические однорядные роликовые подшипники 11,15. Наружные колеса подшипников запрессованы в корпус-ступицу. Передний подшипник 15, посаженный наружным кольцом в упор ступицы, по наружному кольцу зажат гайкой 16. Задний подшипник внутренним кольцом упирается во втулку 10 сальника 9, наружным в уступ ступицы.

При включенных передачах (движении) автомобиля крутящий момент передается от двигателя, через коробку передач, карданную передачу, главную передачу и полуоси 13 на задние колеса 1,2. Колеса вращаются вместе со ступицей, поэтому наружные кольца нагружены циркуляционно, а внутренние, расположенные на неподвижных цапфах – местно.

Ступица в сборе заднего колеса с подшипниками крепится на цапфе балки заднего моста с помощью гайки 16, стопорной шайбы 17 и контргайки 21. Затяжку подшипников ступиц колес нужно тщательно регулировать. При слабой затяжке подшипники могут разрушиться от ударов, а при тугой затяжке – от перегрева в результате выдавливания смазки, будет происходить интенсивный износ подшипников.

2 Расчет и выбор посадок колец подшипника качения на вал и в корпус

2.1 Определение вида нагружения колец подшипника

Задний мост автомобиля ГАЗ-53А предназначен для передачи крутящего момента от двигателя через муфту, коробку скоростей, карданный вал, дифференциал главной передачи к задним колесам. На картер 12 заднего моста (см.Приложение А) опирается рама с кузовом.

Исходя из функционального назначения той части заднего моста, в которую входят диски колес, тормозные барабаны со ступицами 1, 2, подшипники11 и 15, посаженные на цапфу, приваренную к картеру 12, нагружение колец подшипников качения осуществляется следующим образом. Наружные кольца подшипников вместе со ступицей и дисками колес вращаются вокруг оси, испытывая при этом удары и толчки. Внутренние кольца посажены на шейки цапфы и, следовательно, неподвижны относительно цапфы.

Согласно рассматриваемым схемам нагружения подшипников [6,4] принимаем, что наружные кольца нагружены циркуляционно, а внутренние – местно.

2.2 Расчет и выбор посадок колец подшипника

Исходные данные для расчета и выбора посадок подшипника качения на вал и в корпус представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Исходные данные для расчета и выбора посадок подшипника качения

Номер подшипника	Класс точности	% перегрузки	Радиальная нагрузка, кН
7612	0	200	4,5

Определим основные размеры подшипника по ГОСТ 333-81 [7]:

d = 60 мм – диаметр внутреннего кольца;

D = 130 мм – диаметр наружного кольца;

b = 46 мм – ширина внутреннего кольца;

r = 3,5 мм – радиус фаски;

класс точности подшипника - 0.

Для расчета и выбора посадки циркуляционно-нагруженного кольца из условия интенсивности радиальной нагрузки воспользуемся формулой:

F

Р_F = -------------- * k₁*k₂*k₃, (2.1)

b –2r

где Р_F- интенсивность радиальной нагрузки, Н/мм;F – радиальная нагрузка, Н;

k₁ – динамический коэффициент; k₂ – коэффициент, учитывающий ослабление посадочного натяга при полом вале или тонкостенном корпусе;

k₃ – коэффициент, учитывающий неравномерность распределения радиальной нагрузки в двухрядных или сдвоенных подшипниках.

При заданных условиях нагружения подшипникового узла выбираем коэффициенты [8,4]: k₁= 1,8 - при перегрузке 200 % [8, таблица 15]; k₂= 1 ;

k₃ =1 - при однорядном подшипнике.

Подставив исходные данные в формулу (2.1), получим

P_F =

Используя полученное значение P_Fпо [8, таблица 18] выбираем поле допуска К7, т.е. посадка наружного кольца подшипника в отверстие корпуса К7/l 0.

Для построения схемы расположения полей допусков посадки наружного кольца подшипника класса точности Р0и отверстия ступицы колеса найдем отклонения наружного кольца по среднему диаметру D_mпо таблице 3[6, с.282]: es = 0; ei = -18мкм.

Предельные отклонения для диаметра отверстия ступицы К7 найдем по [8, таблица 3]:

основное отклонение верхнее ES = -3 + = -3 + 15 = +12мкм;

второе отклонение нижнее EI = ES – IT7 = +12 - 40 = -28мкм.

Вычислим предельные размеры:

наибольший и наименьший средние диаметры наружного кольца подшипника:

D_{m max}= D_m + es = 130 + 0 = 130мм;

D_{m min}= D_m+ ei =130 + (-0,018) = 129,982 мм;

наибольший и наименьший диаметры отверстия ступицы

D_max = D_н + ES = 130 + 0,012= 130,012 мм;

D_min =D_н + EI = 130+ (-0,028) = 129,972мм.

Наибольший и наименьший натяги:

N_max = D_mmax– D_min = 130 – 129,972 = 0,028 мм;

N_min = D_{m min} – D_max = 129,982 – 130, 012 = -0,03мм,

т.е. вместо наименьшего натяга получился зазор.

Построим схему расположения полей допусков посадки наружного кольца подшипника в отверстие ступицы (рисунок 2.1).

2.3 Для гарантирования неподвижности соединения необходимо, чтобы наименьший табличный натяг циркуляционно-нагруженного кольца N_min.T был больше или равен наименьшему расчетному натягу N_min.р.

N_min.T≥N_min.р (2.2)

Наименьший расчетный натяг определим по формуле

13 · F · K_k

N_min.р = —————, (2.3)

10³(B-2r)

где K_k – конструктивный коэффициент, определяемый при циркуляционном нагружении наружного кольца по формуле

K_k= 1/1 – (D₀/D)² (2.4)

где D₀ – приведенный диаметр

D₀ = D-(D – d)/4. (2.5)

Подставив исходные данные из пункта 2.2 в формулы (2.5) и (2.4), определим:

Рисунок 2.1- Схемарасположения полей допусков посадки наружного кольца подшипника в отверстие ступицы К7/l 0

приведенный диаметр

D₀ = 130 - ;

конструктивный коэффициент

K_k= ,

после чего по формуле (2.3) рассчитаем наименьший натяг, гарантирующий неподвижность соединения

N_min.р = = 6 мкм.

В ранее выбранной посадке Ø130 N_min = -0,03 мм, т.е. не соблюдается условие (2.2), поэтому необходимо назначить другую посадку.

По [8, таблица 21] выбираем посадку Ø130 для которой N_min.T. = 10 мкм, а N_miax.T. = 68 мкм.

2.4 Построим схему расположения полей допусков для посадки Ø130 и определим ее основные параметры (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2- Схемарасположения полей допусков посадки наружного кольца подшипника в отверстие ступицы P7/l 0

Основное отклонение отверстия Ø130P7 по [8, таблица 3] верхнее

ES = - 43+ Δ = -43+15 = -28 мкм,

второе отклонение нижнее EI = ES–IT7 = -28 – 40 = -68 мкм.

Предельные размеры наружного кольца вычислены ранее (см. рисунок 2.1).

Наибольший и наименьший диаметры

D_max = D_н+ ES = 130 + (-0,028) =129,972 мм;

D_min = D_н + EI = 130 + (-0,068) = 129,932 мм.

Наибольший, наименьший и средний натяги находим по формулам:

N_max = D_{m max} – D _min = 130 – 129,932 = 0,068 мм;

N_min = D_{m min} – D _max = 129,982 – 129,972 = 0,01мм;

N_m = /2 = 0,068 + 0,01/ 2 = 0,039 мм = 39 мкм.

2.5 Проверим наличие зазора между телами качения и дорожками колец после осуществления посадки S_n (в мкм) при циркуляционном нагружении внутреннего кольца по формуле

S_n=G_r–δ^/d, (2.6)

где G_r – зазор в состоянии поставки, определяемый по формуле

G_{r max} + G_{r min}

G_r = ——————— , (2.7)

2

где G_rmax и G_rmin – наибольший и наименьший зазоры, зависящие от группы зазоров (ГОСТ 24810-81) [3, таблица 22]; δ^/d – наиболее вероятностная деформация внутреннего кольца, определяемая по формуле

d

δ^/d = N_в — , (2.8)

d₀

где N_в – вероятностный натяг принимаем

N_в = 0,85N_m. (2.9)

Если в результате расчетов полученная величина S_n> 0, то выбранная посадка при данной группе зазоров подшипника гарантирует наличие зазора после посадки, если S_n< 0, то следует выбрать подшипник из группы с большими зазорами.

Подставив в формулу (2.9) ранее вычисленные параметры, определим вероятностный натяг

N_в = 0,85*39 = 33 мкм.

Вероятностную деформацию внутреннего кольца вычислим по (2.8)

δ^/d = 33*

Следовательно, чтобы не произошло заклиниваниетел качения при посадке подшипника, средний (нормальный) радиальный зазор подшипника в состоянии поставки G_r должен быть больше 28,7 мкм.

По [3, таблица 22] выбираем подшипник группы зазоров 7, у которого

G_{r min} = 23мкм, G_{r max} = 43 мкм. Подставив эти величины в формулу (2.7), получим

G_r =

Тогда зазор между телами качения и дорожками колец после посадки (посадочный зазор) по формуле (2.6) будет равен

S_n = 33 – 28,6 = 4,4 мкм.

2.6 Проверим возможность разрушения циркуляционно-нагруженного наружного кольца при посадке по формуле

11,4[σ_р]· K_k·D

N_доп = ——————— , (2.10)

(2K_k – 2)·10³

где N_доп – допускаемый натяг, не вызывающий разрушения колец, мкм;

[σ_р] = 400 Н/м² – допускаемые напряжения при растяжении подшипниковых сталей; K_k– конструктивный коэффициент.

Подставив исходные данные в формулу (2.10) получим

N_доп =

N_доп>N_max.T, значит выбранную посадку Ø130 принимаем окончательно.

2.7 Определим силу запрессовки циркуляционно-нагруженного кольца по формуле

N_в · f · E · π · B₁

F = ——————— , (2.11)

2K_k

где N_в –вероятностный натяг N_в=0.85N_m ; f - коэффициент трения при запрессовке, f = 0,12…0,15 при стальном вале и корпусе; Е – модуль упругости материалов вала и корпуса, для стали Е = 2 · 10¹¹Па; В₁ = В – 2r – ширина кольца, контактирующая с сопрягаемой поверхностью, м; K_k – конструктивный коэффициент.

Подставив исходные данные в формулу (2.11) получим

F=

Прессовое оборудование для запрессовки подшипников выберем согласно [8, таблица 12]. В нашем случае можно использовать ручной реечный или винтовой пресс усилием до 50 кН.

2.8 Выберем посадку местно нагруженного внутреннего кольца [8, таблица 23]. Для валов диаметром до 80 мм при нагрузке с ударами и вибрацией рекомендуется поле допуска h6, т.е. выбираем посадку внутреннего кольца на вал - 60L0/h6.

Для построения схемы расположения полей допусков посадки внутреннего кольца подшипника на вал (рисунок 2.3) по таблице 3 [6,с.282] выберем отклонения внутреннего кольца подшипника по среднему диаметру d_m для класса точности P0: ES = 0; EI = -15мкм.

Предельные отклонения для вала h 6 найдем по таблицам 1, 2 [8]:

es = 0; ei = es – IT6 = 0 - 19 = - 19мкм.

Рисунок 2.3 - Схемарасположения полей допусков посадки внутреннего кольца подшипника на вал 60L0/h6

Вычислим предельные размеры:

наибольший и наименьший средние диаметры внутреннего кольца подшипника:

d_{m max} = d_m+ ES = 60 + 0 = 60мм;

d_{m min} = d_m + EI = 60 + (-0,015) = 59,985мм;

наибольший и наименьший диаметры вала:

d_max = d_н + es = 60 + 0 = 60 мм;

d_min = d_н + ei = 60 + (-0,019) = 59,981мм;

Наибольший и наименьший натяги:

N_max = d_max– d_mmin= 60 – 59,985 = 0,015мм;

N_min= d_min– d_{m max}= 59,981 – 60 = -0,019 мм,

т.е. вместо наименьшего натяга получился зазор.

2.9 Выполним эскизы подшипникового узла и деталей, сопрягаемых с подшипником, с указанием посадок, отклонений размеров, формы и расположения поверхностей, шероховатости поверхностей (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 – Обозначение допусков и посадок подшипников качения на чертежах: а – узла в сборе - Р7/l 0, 60L0/h6; б – корпуса Ø130P7;

в – вала 60h6

На ксерокопии сборочной единицы (Приложение А) укажем выбранные посадки. Выполним чертежи деталей, сопрягаемых с подшипником (Приложения Б и В), с указанием отклонений размеров, формы и расположения поверхностей, шероховатости поверхностей.

Отклонения формы и расположения поверхностей назначим по уровню точности С, по [3, таблицы 5,24], шероховатость по [3, таблица 4].

2.10 Выполним расчет предельных и исполнительных размеров гладких предельных рабочих калибров и построим схемы расположения их полей допусков.

На гладкие рабочие калибры установлены допуски по ГОСТ 24853-81. Схемы расположения полей допусков приведены на рисунке 2.5, а их значения находим в [3, таблица 25], где Н и Н₁ – допуски на изготовление калибров для контроля отверстия и вала; Z и Z₁ – смещение полей допусков проходных калибров – скобы и пробки от проходных пределов внутрь полей допусков изделий; Y и Y₁ – грани износа проходных калибров за проходные пределы.

Для рассматриваемого примера по [3, таблица 25] находим: Н = 8 мкм;

Z = 6 мкм; Y = 4 мкм – допуски калибров-пробок; Н₁ = 5 мкм; Z₁ = 4 мкм;

Y₁ = 3 мкм – допуски калибров-скоб.

Предельные размеры проходной (Пр) и (НЕ) калибров – пробок:

Пр_max = D_min + Z + H/2 = 129,932 + 0,006 +0,004 = 129,942 мм;

Пр_min = D_min + Z - H/2 = 129,932 + 0,006 – 0,004 = 129,934 мм;

Пр_изн = D_min – Y =129,932 – 0,004 = 129,928 мм;

НЕ_max = D_max + H/2 = 129,972 + 0,004 = 129,976 мм;

НЕ_min = D_max - H/2 = 129,972 – 0,004 = 129,968 мм.

Предельные размеры проходной (Пр) и непроходной (НЕ) калибров-скоб:

Пр_min = d_max – Z₁ - H₁/2 = 60 – 0,004 – 0,0025 = 59,9935 мм;

Пр_max = d_max - Z₁+ H₁/2 = 60 – 0,004 + 0,0025 = 59,9985 мм;

Пр_изн = d_max + Y₁ = 60 + 0,003 = 60,003 мм;

НЕ_max = d_min + H₁/2 = 59,981 + 0,0025 = 59,9835 мм;

НЕ_min = d_min - H₁/2 = 59,981 – 0,0025 = 59,9785 мм.

Исполнительные размеры рабочих калибров, проставляемые на рисунке 2.6 включают в себя номинальные размеры и допуски на изготовление, а поскольку допуски даются в материал, то исполнительные размеры запишутся следующим образом:

проходной пробки Пр_исп = (Пр_max)_-H = 129,942_-0,008;

непроходной пробки НЕ_исп = (НЕ_max)_-H = 129,976_-0,008;

проходной скобы Пр_исп = (Пр_min)^+H₁ = 59,9935^+0,005;

непроходной скобы НЕ_исп = (НЕ_min)^+H₁ = 59,9785^+0,004.

Рисунок 2.5- Схемы расположения полей допусков калибров: а – пробок - Ø130Р7ПР, Ø130Р7НЕ; б – скоб - Ø60h6ПР, Ø60h6НЕ

Рисунок 2.6 – Гладкие предельные рабочие калибры: а – пробка проходная Ø130Р7ПР; б - пробка не проходная Ø130Р7НЕ; в – скоба Ø60h6ПР, Ø60h6НЕ

2.11 Выбор универсальных средств измерения для контроля размеров деталей выполним по [8, таблица 7] в последовательности, изложенной в [5, п.1.4.9]. Результаты выбора внесем в таблицу 2.2.

Таблица 2.2 – Результаты выбора универсальных средств измерения

Условное обозначе ние отверстия, вала	Вели чина допус ка, мкм	Допускае мая погре шность измерения δ, мкм	Универсальные средства измерения
			Пределы допускае мой погре шности ∆ lim, мкм	Наименование и основные метрологические показатели
Ø130Р7 Ø60h6	40 19	12 5	±4 ±2	Нутромер мод.155 ГОСТ 9244-75 с головкой 2ИГ с ценой деления0,002 мм и диапазоном измерения 100-160 мм. Скоба рычажная СР-75ГОСТ 11098-75 с ценой деления 0,002 мм и диапазоном измерения 50-75 мм