1.4. Основные понятия в области нормирования точности

Корректное использование терминов не только признак технически грамотного специалиста, но также необходимое и обязательное условие для однозначного истолкования и правильного понимания устанавливаемых требований.

Терминология единой системы допусков и посадок является базой для соответствующей области взаимозаменяемости и нормируется ГОСТ 25346-89 «Основные нормы взаимозаменяемости. Единая система допусков и посадок. Общие положения, ряды допусков и основных отклонений». Такие термины как «вал», «отверстие», «допуск», «отклонение» и ряд других используются для гладких, резьбовых, шлицевых, шпоночных и других поверхностей и сопряжений.

Под термином размер понимается числовое значение линейной величины в выбранных единицах измерения. «Линейная величина» есть физическая величина – длина, которая объединяет такие геометрические параметры изделий, как диаметры, высоты, толщины, глубины и т.д. (рис. 1.6).

Рис. 1.6. размеры изделия

В соединении деталей, входящих одна в другую, различают охватывающую и охватываемую поверхности.

Для гладких, цилиндрических и конических деталей охватывающая поверхность является отверстием, охватываемая – валом, а соответствующие размеры – диаметром отверстия и диаметром вала. Допускается применять термины «отверстие» и «вал» также и к другим охватывающим и охватываемым поверхностям, например, образуемых парой плоскостей (на рис.1.6 размеры l₁ и L₄).

Итак вал – термин, условно применяемый для обозначения наружных элементов деталей, включая и нецилиндрические элементы (рис. 1.7). Все обозначения элементов деталей подпадающих под термин «вал» записываются строчными буквами (например d₁, l₁ и т.д.).

Рис. 1.7. Наружные элементы деталей («валы»)

Отверстие – термин, условно применяемый для обозначения внутренних элементов деталей, включая и нецилиндрические элементы (рис. 1.8). Обозначения элементов деталей, подпадающих под термин «отверстие» обычно записывают прописными буквами (например D₁, L₁ и т.д.).

Рис. 1.8. Внутренние элементы деталей («отверстия»)

Действительный размер (D, d) – размер элемента, установленный измерением с допустимой погрешностью.

На чертеже должны быть указаны все размеры, необходимые для изготовления и контроля детали. Однако, как уже было сказано ранее, требуемые размеры не могут быть выполнены абсолютно точно, поскольку в процессе изготовления проявляется нестабильность физико-механических характеристик материала заготовки, приходит износ режущего инструмента, изменение температуры окружающей среды и т.д. Поэтому в процессе изготовления будут незначительно изменяться размеры на одной поверхности и от детали к детали. Успешное функционирование изделий возможно при условии исполнения поверхностей в пределах некоторого диапазона размеров, поэтому введено понятие предельных размеров.

Предельные размеры – два предельно допустимых размера элемента, между которыми должен находиться (или которым может быть равен) действительный размер годной детали (рис. 1.9).

Наибольший предельный размер – это наибольший допустимый размер элемента (D_max, d_max), а наименьший предельный размер, соответственно, наименьший допустимый размер элемента (D_min, d_min,).

Рис.1.9. Предельные размеры валов и отверстий

Для ограничения предельных контуров нормируемых поверхностей стандарт водит понятия интерпретации предельных размеров. Пределы максимума и минимума материала представлены следующим образом.

Для отверстий диаметр наибольшего правильного воображаемого цилиндра, который может быть вписан в отверстие так, чтобы плотно контактировать с наиболее выступающими точками поверхности на длине соединения (размер сопрягаемой детали идеальной геометрической формы, прилегающей к отверстию без зазора), не должен быть меньше, чем предел максимума материала. Дополнительно наибольший диаметр в любом месте отверстия, определенный путем двухточечного измерения, не должен быть больше, чем предел минимума материала.

Графическое отображение интерпретации предельных размеров отверстия представлено на рисунке 1.10.

Условия годности элементов

,

Рис. 1.10. К интерпретации предельных размеров отверстия

Для валов диаметр наименьшего правильного воображаемого цилиндра, который может быть описан вокруг вала так, чтобы плотно контактировать с наиболее выступающими точками поверхности на длине соединения (размер сопрягаемой детали идеальной геометрической формы, прилегающей к валу без зазора), не должен быть больше, чем предел максимума материала. Дополнительно наименьший диаметр в любом месте вала, определенный путем двухточечного измерения, не должен быть меньше, чем предел минимума материала.

На рисунке 1.11 представлена схема интерпретации предельных размеров вала.

Условия годности элементов

,

Рис. 1.11. К интерпретации предельных размеров вала

Допуск Т – разность между наибольшими и наименьшими предельными размерами или алгебраическая разность между верхним и нижним отклонениями. Для обозначений, относящихся к деталям типа «вал» будем использовать строчную букву «d», а к «отверстиям» – прописную букву «D» (по типу: диаметр отверстия D, допуск вала Т_d, допуск отверстия – Т_D).

Т_D = D_max – D_min;

Т_d = d_max – d_min.

Стандартный допуск T – любой из допусков, устанавливаемых данной системой допусков и посадок.

Допуск (величина заведомо положительная) определяет диапазон допустимого рассеивания действительных размеров годных деталей в партии, т.е. заданную точность изготовления.

Допустимый диапазон изменения размеров деталей можно показать схематически, в виде полей допусков, без изображения самих деталей. В общем случае поле допуска – поле, ограниченное наибольшим и наименьшим предельными размерами и определяемое шириной поля допуска и его положением относительно номинального размера.

При графическом изображении на схеме поле допуска заключено между двумя линиями, соответствующими наибольшему и наименьшему размерам или верхнему и нижнему отклонениям относительно нулевой линии. Линии, ограничивающие поле допуска при графическом отображении эквидистантны профилю номинальной поверхности.

При графическом изображении нулевая линия, как правило, располагается горизонтально, при этом положительные отклонения откладываются вверх от нее, а отрицательные – вниз (рис. 1.12).

Вместо стандартного выражения «величина допуска» можно использовать словосочетание «значение допуска», поскольку под величиной в метрологии понимают физическую величину (длину, угол и т.д.).

Сравнение размеров двух или нескольких взаимодействующих элементов деталей существенно облегчается, если задана некоторая система отсчета, роль которой исполняют номинальный размер и нулевая линия.

Номинальный размер – это размер, относительно которого определяются отклонения, а нулевая линия – линия, соответствующая номинальному размеру, от которой откладываются отклонения размеров при графическом изображении полей допусков.

Рис. 1.12. Графическое изображение номинального (D, d)

и предельных размеров вала (d_max, d_min) и отверстия (D_max, D_min),

а также и полей допусков вала (Т_d) и отверстия (Т_D)

Отклонение – алгебраическая разность между размером (действительным или предельным размером) и соответствующим номинальным размером.

Различают следующие виды отклонений (рис. 1.13)

Рис. 1.13. Графическое изображение

отклонений вала (es, ei) и отверстия (ES, EI)

– действительное отклонение – алгебраическая разность между действительным и соответствующим номинальным размерами;

– предельное отклонение – алгебраическая разность между предельным и соответствующим номинальным размерами.

Предельные отклонения в свою очередь могут быть верхними и нижними:

– верхнее предельное отклонение (для валов es, для отверстий ES) – алгебраическая разность между наибольшим предельным и соответствующим номинальным размерами , ;

– нижнее предельное отклонение (для отверстий EI, для валов ei) – алгебраическая разность между наименьшим предельным и соответствующим номинальным размерами , ;

– основное отклонение – одно из двух предельных отклонений (верхнее или нижнее), определяющее положение поля допуска относительно нулевой линии. Основным является одно из двух предельных отклонений (верхнее и нижнее) ближайшее к нулевой линии.

Основной вал – вал, верхнее отклонение которого es равно нулю (рис. 1.14 а)

Основное отверстие – отверстие, нижнее отклонение которого EI равно нулю (рис. 1.14 б)

а б

Рис 1.12. Графическое изображение полей допусков

основного вала (а) и основного отверстия (б)

Предел максимума материала – термин, относящийся к тому из предельных размеров, которому соответствует наибольший объем материала, т.е. наибольшему предельному размеру вала или наибольшему предельному размеру отверстия (рис 1.15 а).

Предел минимума материала – термин, относящийся к тому из предельных размеров, которому соответствует наименьший объем материала, т.е. наименьшему предельному размеру вала или наибольшему предельному размеру отверстия (рис 1.15 б)

а

б

Рис. 1.15. Пределы максимума и минимума материала

Термины и определения номинального, действительного и предельных размеров, предельных отклонений, допуска и поля допуска, принятые для геометрических параметров, относятся, в общем случае, и к механическим, физическим и другим параметрам определяющим качество деталей, узлов и изделий.

Понятие о соединениях и посадках

Две детали, подвижно или неподвижно соединенные друг с другом, образуют соединение.

Поверхности, по которым происходит соединение деталей, являются сопрягаемыми поверхностями.

Разнообразные виды соединений деталей, применяемые в машиностроении и приборостроении, целесообразно для удобства рассмотрения классифицировать на группы.

По форме сопрягаемых охватывающей и охватываемой поверхностей деталей различают:

а) гладкие цилиндрические соединения (к этой группе можно отнести соединения подшипниковых колец с валами и с отверстиями в корпусах, штифтовые соединения и т.д.);

б) конические соединения (например, соединения конусов режущего инструмента со шпинделем станка);

в) соединения призматических элементов деталей, состоящие из охватывающей и охватываемой поверхностей, образованных плоскостями (например, призматические прямоугольные направляющие, направляющие типа «ласточкин хвост», соединение шпонки с поверхностями пазов вала и втулки и т.п.);

г) шлицевые соединения, состоящие из охватывающей и охватываемой поверхностей, имеющих продольные закономерно расположенные по окружности шлицы прямобочного, эвольвентного или другого профиля;

д) сферические соединения, состоящие как правило из двух неполных сферических поверхностей;

е) резьбовые соединения (цилиндрические, конические), состоящие из охватывающей и охватываемых винтовых поверхностей, имеющих в нормальном сечении треугольный, трапецеидальный или иной профиль;

Кроме того, к соединениям относят зубчатые цилиндрические, конические, винтовые, реечные и червячные передачи. В них взаимодействующие элементы сложных поверхностей (поверхности зубьев колес, имеющих эвольвентный, циклоидальный или другой профиль) периодически контактируют друг с другом.

По степени свободы взаимного перемещения деталей различают:

• неподвижные неразъемные соединения,

• неподвижные разъемные соединения,

• подвижные соединения,

В неподвижных неразъемных соединениях сопрягаемые детали не перемещаются относительно друг друга в течение всего срока эксплуатации механизма. Такие соединения деталей получают сваркой, пайкой, склеиванием, соединением заклепками, а также применяя соединения с гарантированным натягом.

Неподвижные разъемные соединения характеризуются неподвижностью одной сопрягаемой детали относительно другой в период работы механизма. Однако при этом предусматривается возможность взаимного перемещения деталей при разборке соединения с целью регулировки, ремонта и т.д. К таким соединениям относятся, например, крепежные резьбовые соединения, штифтовые соединения и т.д. Для достижения таких целей применяют соединения с небольшим натягом или с гарантированным зазором. При необходимости неподвижность таких соединений обеспечивается дополнительными конструктивными элементами (стопорные кольца, штифты, шплинты и др.)

В подвижных соединениях одна сопрягаемая деталь во время работы механизма перемещается относительно другой в определенных направлениях. Например, в шлицевых соединениях полумуфты с валом полумуфта подвижна в осевом направлении. В подшипнике скольжения вал вращается в отверстии втулки, а в винтовой передаче винт может перемещаться в продольном направлении при вращении его в неподвижной гайке.

В каждый из рассмотренных видов соединений может входить множество разновидностей, имеющих свои конструктивные особенности и свою область применения (например, прямобочные, эвольвентные и треугольные шлицевые соединения), в соответствии с которыми осуществляют их группирование. Для кинематических пар применяются зубчатые, червячные и винтовые соединения, основное требование к которым – высокая точность взаимного перемещения сопрягаемых деталей. Для обеспечения герметичности применяются конические гладкие и конические резьбовые соединения, основное требование к которым – максимально полное прилегание сопрягаемых поверхностей.

Для центрирования деталей применяют цилиндрические и конические соединения, основное требование к которым – точность взаимного расположения поверхностей и осей сопрягаемых деталей. Для обеспечения движения в заданном направлении применяют цилиндрические, шлицевые, призматические направляющие основное требование к которым – точность взаимного расположения поверхностей и осей сопрягаемых деталей при их перемещении и остановках.

Сохранение постоянства высоких эксплутационных качеств соединений в процессе длительной работы, простота изготовления, сборки, измерения и эксплуатации являются общими требованиями для всех соединений.

В зависимости от различных эксплутационных требований сборка соединений осуществляется с различными посадками.

Посадка – характер соединения двух деталей, определяемый разностью их размеров до сборки.

Номинальный размер посадки – номинальный размер, общий для отверстия и вала, составляющих соединение.

Посадка характеризует большую или меньшую свободу относительно перемещения или степень сопротивления взаимному смещению соединяемых деталей. Вид посадки определяется взаимным расположением полей допусков отверстия и вала и их размерами.

Посадка с зазором – посадка, реализация которой всегда приводит к образованию зазора в соединении, т.е. наименьший предельный размер отверстия больше наибольшего предельного размера вала или равен ему.

Зазор (S) – разность между размерами отверстия и вала, если размер отверстия больше размера вала (рис.1.16).

Рис. 1.16. Графическая интерпретация понятия «зазор»

При графическом изображении посадки с зазором поле допуска отверстия расположено над полем допуска вала (рис.1.17 а, б). Различают наименьший S_min и наибольший S_max зазоры.

Наименьший зазор – разность между наименьшим предельным размером отверстия и наибольшим предельным размером вала в посадке с зазором.

S_min = D_min – d_max

Наибольший зазор – разность между наибольшим предельным размером отверстия и наименьшим предельным размером вала в посадке с зазором или в переходной посадке. S_max = D_max – d_min.

а

б

Рис. 1.17. Примеры расположение полей допусков посадок с зазором

Иногда, для количественной характеристики посадки прибегают к расчету среднего зазора (S_m) (рис. 1.18).

Рис. 1.18. Графическая интерпретация максимального (S_max),

минимального (S_min) и среднего (S_m) зазоров

Натяг (N) – разность между размерами вала и отверстия до сборки, если размер вала больше размера отверстия (рис. 1.19).

Рис. 1.19. Графическая интерпретация понятия «Натяг»

Посадка с натягом – посадка, при которой всегда образуется натяг в соединении, т.е. наибольший предельный размер отверстия меньше наименьшего предельного размера вала. При ее графическом изображении поле допуска отверстия расположено под полем допуска вала (рис. 1.20).

Наименьший натяг – разность между наименьшим предельным размером вала и наибольшим предельным размером отверстия до сборки в посадке с натягом. N_min = d_min - D_max.

Наибольший натяг – разность между наибольшим предельным размером вала и наименьшим предельным размером отверстия до сборки в посадке с натягом или в переходной посадке. N_max = d_max - D_min.

Рис. 1.20. Расположение полей допусков посадок с натягом

Средний натяг N_m равен полусумме наибольшего и наименьшего натягов (рис. 1.21). .

Рис. 1.21. Графическая интерпретация максимального (N_max),

минимального (N_min) и среднего (N_m) зазоров

Переходная посадка – посадка, при которой возможно получение как зазора, так и натяга в соединении в зависимости от действительных размеров отверстия и вала. При графическом изображении поля допусков отверстия и вала перекрываются полностью или (рис. 1.22).

Рис. 1.22. Графическая интерпретация переходной посадки

Переходная посадка представляет собой характеристику партии сопряжений с большей или меньшей вероятностью зазоров и натягов. В конкретном сопряжении двух деталей может быть либо зазор, либо натяг.

В связи с имеющим место рассеиванием размеров сопрягаемых валов и отверстий введем понятие допуск посадки, как сумму допусков отверстия и вала, составляющих соединение. Допуск посадки численно равен разности наибольшего и наименьшего зазоров (натягов) в посадках. T = T_D + T_d