Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)»

Кафедра «Механика»

ВЗАИМОЗАМЕНЯЕМОСТЬ И СИСТЕМА

ДОПУСКОВ И ПОСАДОК

Учебно-методическое пособие по дисциплине «Детали машин и основы конструирования»

для студентов направления подготовки «Энергетическое машиностроение»

Составитель В.Н. Никитин

Омск

СибАДИ

2014

1.ПОНЯТИЕ О ВЗАИМОЗАМЕНЯЕМОСТИ

ИЕЁ ВИДАХ

Для проектирования, изготовления и ремонта машин большое техническое и экономическое значение имеет взаимозаменяемость деталей и узлов.

Взаимозаменяемостью называется свойство независимо изготовляемых деталей, узлов и агрегатов машин, позволяющее устанавливать их при сборке или ремонте без дополнительной обработки и выполнять при этом свои функции в соответствии с заданными техническими условиями. Под независимым изготовлением деталей или узлов понимается их изготовление в разное время и в разных местах (цехах, заводах, городах и даже странах). Другими словами, свойство взаимозаменяемости деталей и сборочных единиц позволяет изготавливать детали в одних цехах машиностроительных заводов серийного и массового производства, а собирать их

– в других.

Благодаря принципу взаимозаменяемости ускоряется проектирование машин, обеспечивается обработка деталей высокопроизводительными методами, значительно облегчается и ускоряется сборка, при ремонте машин детали, выбывшие из строя, быстро заменяются запасными и т.д.

Различают полную и ограниченную взаимозаменяемость. Полностью взаимозаменяемыми называются детали и узлы, которые

при сборке могут занимать определённые места в машине без пригонки, т.е. без каких-либо дополнительных операций подбора или регулирования при обеспечении необходимой работоспособности сборочной единицы. 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, что особенно важно при сборке на конвейере. Полная взаимозаменяемость находит наиболее широкое применение.

Ограниченно взаимозаменяемыми называются такие детали и узлы,

при сборке или замене которых требуются дополнительные работы по подбору или регулированию, но без механической обработки.

При применении ограниченной взаимозаменяемости могут применяться компенсаторы, регулирующие положение некоторых частей маши-

~3 ~

ны относительно друг друга. В ряде случаев в сопряжении, где требуется обеспечить, например, очень малый зазор, полную взаимозаменяемость применять технологически нецелесообразно, так как это требует изготавливать детали сопряжения с очень большой точностью, что значительно удорожает производство. В этом случае для получения требуемой точности сборки применяют групповой подбор деталей, так называемую селективную сборку, т.е. переходят к ограниченной взаимозаменяемости. При этом после изготовления сопрягаемых деталей с достаточно большими колебаниями размеров их делят по размеру (сортируют) на несколько групп и собирают между собой, например, валы 1-й группы с втулкой 1-й группы, валы 2-й группы с втулкой 2-й группы и т.д., обеспечивая требуемый по чертежу очень малый зазор в сопряжении, и всё это при значительных колебаниях сопрягаемых размеров каждой из деталей при их изготовлении. Селективную сборку применяют, в частности, в сопряжении наружного и внутреннего кольца подшипников качения с шариками или роликами.

Как правило, ограниченную взаимозаменяемость применяют не по всем, а только по отдельным геометрическим параметрам.

Взаимозаменяемость может быть внешней и внутренней. Для заво- да-получателя важна только внешняя взаимозаменяемость. К примеру, завод по производству двигателей внутреннего сгорания собирает двигатели, получая при этом бензонасос с другого завода. В этом случае для завода по окончательной сборке двигателя важна взаимозаменяемость только по присоединительным размерам бензонасоса (фланцы с отверстиями), чтобы любой насос мог без всякой пригонки быть присоединен к любому двигателю.

Другой характерный пример внешней взаимозаменяемости – подшипники качения. Как известно, эти подшипники изготавливаются на специализированных подшипниковых заводах огромными партиями и поставляются на разные заводы по производству автомобилей, тракторов, самолетов, сельхозмашин и т.п. Для упомянутых заводов-получателей также важна только внешняя взаимозаменяемость, т.е. взаимозаменяемость по наружному и внутреннему диаметрам подшипника, которые определяют характер сопряжения подшипника соответственно с отверстием в корпусе и цапфой вала конкретного узла машины.

~4 ~

но и к поверхностям деталей другой формы, например ограниченным двумя параллельными плоскостями (паз, шпонка).

В процессе конструирования и изготовления деталей различают номинальный, действительный и предельный размеры (рис. 2 и 3).

Номинальный размер – размер детали, полученный из расчётов на прочность, жёсткость и по другим критериям работоспособности, а также выбранный из конструктивных или технологических соображений. Номинальный размер является одинаковым для сопрягаемых деталей и обозначается D (для отверстий) и d (для вала). Если речь идёт о сопряжении двух деталей, то номинальный размер обычно обозначают как Dном.

Рис. 2. Графическое изображение размеров, предельных отклонений и полей допусков вала

~6 ~

Таким образом, сравнение действительного размера с предельными дает возможность судить о годности детали.

Допуск размера T – разность между наибольшим и наименьшим предельными размерами. Обозначается TD (для отверстия) и Td (для вала), т.е.

Допуск – абсолютная величина без знака.

Допуск определяет допустимое поле рассеивания действительных размеров годных деталей в партии, т.е. заданную точность изготовления. С увеличением допуска качество изделий, как правило, ухудшается, но стоимость изготовления уменьшается. Поэтому конструктор должен назначать допуски с учётом обоих этих факторов.

Для упрощения чертежей, чтобы не указывать в каждом случае два размера, характеризующих годность детали (наибольший и наименьший предельные размеры), введены предельные отклонения от номинального размера − верхнее и нижнее.

Верхнее предельное отклонение – алгебраическая разность между наибольшим предельным и номинальным размерами. Обозначается ES (для отверстия) и es – для вала.

т.е. наибольший предельный размер отверстия или вала есть сумма номинального размера и верхнего предельного отклонения.

Нижнее предельное отклонение – алгебраическая разность между наименьшим предельным и номинальным размерами. Обозначается EI

~8 ~

Из формул (7) и (8) следует, что

т.е. наименьший предельный размер отверстия или вала есть сумма номинального размера и нижнего отклонения.

Отклонение является положительным, если предельный размер больше номинального, и отрицательным, если предельный размер меньше номинального. Как видно из рис. 2 и 3, верхнее и нижнее отклонения могут быть оба положительными или отрицательными, одно из них может быть положительным, а другое отрицательным, или одно из них может быть равным нулю.

С введением предельных отклонений допуск можно определять как алгебраическую разность между верхним и нижним отклонениями, т.е.

Для упрощения допуски изображают графически в виде полей допусков. Поле допуска – поле, ограниченное верхним и нижним отклонениями, определяемое величиной допуска и его положением относительно нулевой линии.

Нулевая линия − горизонтальная линия 0-0, соответствующая номинальному размеру, от которой откладывают отклонения размеров при графическом изображении. Положительные отклонения откладывают вверх от нулевой линии, а отрицательные – вниз.

Для наглядности поля допусков схематически показывают в виде прямоугольников без вычерчивания самих деталей, как показано в нижней части рис. 2 и 3.

3. ПОСАДКИ

Сборка деталей в узлы, узлов в агрегаты заключается в основном в надлежащем сопряжении парных поверхностей одинаковой формы, кото-

~9 ~

рые либо входят одна в другую, либо примыкают друг другу. Например, сопряжение поршень-цилиндр, в котором наружная цилиндрическая поверхность поршня представляет собой «вал», а внутренняя цилиндрическая поверхность цилиндра – «отверстие».

Характер сопряжения бывает различным в зависимости от функций, которые сопряжение выполняет в узле. Как уже было сказано, могут быть два вида соединений – подвижное и неподвижное. В первом случае во время работы машины детали перемещаются относительно друг друга (например вал и подшипник скольжения). Во втором случае во время работы машины детали относительно друг друга сохраняют неподвижность (например зубчатый венец и ступица червячного колеса).

Посадкой называется характер соединения двух деталей, обеспечивающий за счет разности действительных размеров их относительное перемещение или прочность неподвижного соединения.

Посадки разделяются на три группы: с зазором, натягом и переходные.

3.1. Посадки с зазором

Характерным признаком посадки с зазором является наличие в соединении гарантированного зазора S. Зазором называется положительная разность между размерами отверстия и вала, когда размер отверстия больше размера вала. Схема полей допусков посадки с зазором приведена на рис. 4. Поле допуска отверстия в этой посадке располагается над полем допуска вала.

Рис. 4. Схема полей допусков посадки с зазором

~10 ~

В связи с тем, что действительные размеры сопрягаемых деталей колеблются в пределах заданных допусков, зазоры, которые будут получаться при сборе этих деталей, также будут колебаться от своего наибольшего значения до наименьшего.

Наибольшим зазором Smax называется разность между наибольшим предельным размером отверстия и наименьшим предельным размером вала

или разность между верхним отклонением отверстия и нижним отклонением вала

Наименьшим зазором Smin называется разность между наименьшим предельным размером отверстия и наибольшим предельным размером вала

или разность между нижним отклонением отверстия и верхним отклонением вала

Действительный зазор в соединении определяется как разность между действительным размером отверстия и действительным размером вала.

3.2. Посадки с натягом

Характерным признаком посадки с натягом является наличие в соединении гарантированного натяга N. Натягом называется положительная разность между размерами вала и отверстия, когда размер вала больше размера отверстия.

Схема полей допусков посадки с натягом приведена на рис. 5. Поле допуска отверстия в этой посадке расположено под полем допуска вала.

~11 ~

и натяги. Поля допусков отверстия и вала перекрываются частично или полностью (рис. 6).

Рис. 6. Схема полей допусков переходной посадки

Наибольший зазор получается при наименьшем предельном размере вала и наибольшем предельном размере отверстия, т.е.

Наибольший натяг получается при наибольшем предельном размере вала и наименьшем предельном размере отверстия, т.е.

Допуск посадки, независимо от её вида, есть сумма допусков отверстия и вала, составляющих соединение.

На практике получение наибольших или наименьших зазоров или натягов в переходных посадках маловероятно, поскольку рассеивание размеров детали при обработке подчиняется закону нормального распределения. Реально имеют место относительно небольшие зазоры или натяги в зависимости от расположения полей допусков, что обеспечивает достаточно хорошее центрирование деталей. Переходные посадки предназначены для неподвижных соединений деталей, подвергающихся при ремонтах или по условиями эксплуатации сборке и разборке. Взаимная неподвижность деталей обеспечивается шпонками, штифтами и винтами.

Все посадки могут быть осуществлены по системе отверстия или по системе вала.

Посадки в системе отверстия – посадки, в которых требуемые зазоры и натяги получаются в сочетании различных полей допусков валов с

~13 ~

полем допуска основного отверстия, нижнее отклонение которого равно нулю (рис. 7).

Dном

Рис. 7. Схема полей допусков в системе отверстия

Посадки в системе вала − посадки, в которых требуемые зазоры и натяги получаются в сочетании различных полей допусков отверстий с полем допуска основного вала, верхнее отклонение которого равно нулю

(рис. 8).

Dном

Рис. 8. Схема полей допусков в системе вала

~14 ~

Выбор системы отверстия или системы вала для той или иной посадки определяется конструктивными, технологическими и экономическими соображениями. Точные отверстия обрабатываются дорогостоящим режущим инструментом (зенкерами, развертками, протяжками и т.п.). Каждый из них применяется для обработки только одного размера с определенным полем допуска. Валы независимо от их размера обрабатываются одним и тем же резцом или шлифовальным кругом. В системе отверстия различных по предельным размерам отверстий меньше, чем в системе вала, а следовательно, меньше номенклатура режущего инструмента, необходимого для обработки отверстий. В связи с этим преимущественное распространение получила система отверстия. Уменьшение номенклатуры позволяет увеличить партии изготавливаемого инструмента, применить производительное специализированное оборудование и тем самым увеличить выпуск инструмента с наименьшими затратами.

Однако в некоторых случаях по конструктивным соображениям приходится применять систему вала.

На рис. 9 показан узел двигателя внутреннего сгорания, состояний из поршня, шатуна и пальца, причем сопряжение пальца с шатуном должно осуществляться по посадке с зазором, а в сопряжении с поршнем – по посадке с натягом. Из схем полей допусков видно, что при применении системы отверстия палец должен иметь ступенчатую форму, что нерационально как с технологической, так и с конструктивной точек зрения. При применении системы вала палец будет гладким, а различные посадки будут обеспечены за счет изменения предельных размеров отверстия в поршне и шатуне.

При монтаже подшипников качения применяются одновременно обе системы. Как известно, подшипники качения стандартизованы и поля допусков их посадочных поверхностей (отверстия внутреннего кольца и внешней поверхности наружного кольца) заложены в стандарте. При установке подшипников в узлы самых разнообразных машин различные посадки в соединении внутреннего кольца с валом осуществляются путём изменения предельных размеров валов, т.е. по системе отверстия. В соединении наружного кольца с корпусом различные посадки осуществляются путём изменения предельных размеров отверстий в корпусе, т.е. по системе вала.

~15 ~

единений деталей машин с различной точностью, даёт возможность стандартизировать режущие и мерительные инструменты, облегчает конструирование, производство и достижение взаимозаменяемости изделий и их частей, а также обуславливает повышение их качества.

Разные детали машин в зависимости от назначения и условий работы требуют разной точности изготовления. В ЕСДП предусмотрено несколько рядов точности, называемых квалитетами.

Квалитет – совокупность допусков, рассматриваемые как соответствующие одному уровню точности для всех номинальных размеров. Для номинальных размеров от 1 до 500 мм установлено 20 квалитетов: 01; 0; 1; 2; 3; 4; ..; 16; 17; 18. Допуски в каждом квалитете обозначаются двумя буквами латинского алфавита (IT) с добавлением номера квалитета. Например, IT6 означает допуск по 6-му квалитету, IT10 – допуск по 10-му квалитету. Квалитет определяет величину допуска – с возрастанием номера квалитета допуск увеличивается, т.е. точность убывает и наоборот.

Наиболее широко во всех отраслях машиностроения для ответственных сопряжений применяются 6-й и 7-й квалитеты, в случае относительно больших зазоров и натягов – 8...10-й квалитеты, 11-й 12-й квалитеты используются для грубых соединений. Остальные квалитеты (чаще всего 14-й) используются для несопрягаемых деталей. В таких случаях размеры называют свободными. Квалитеты от 01 до 5 предназначены для допусков средств измерения, в частности для калибров.

Для упрощения построения системы допусков и посадок весь диапазон номинальных размеров разбит на интервалы. Для наиболее широко используемых номинальных размеров от 1 до 500 мм предусмотрено 13 интервалов: от 1 до 3, свыше 3 до 6, свыше 6 до 10,…, свыше 400 до 500 мм. Для всех размеров, объединённых в один интервал, например для размеров свыше 6 до 10 мм, значения допусков приняты одинаковыми, поскольку назначать допуск для каждого номинального размера нецелесообразно − таблицы допусков в этом случае получились бы громоздкими, а сами допуски для смежных размеров отличались бы одним от другого незначительно.

Для образования посадок с различными зазорами и натягами предусмотрены 27 основных отклонений отверстий и валов (рис. 10).

~17 ~

Основные отклонения – это одно из двух отклонений (верхнее или нижнее), используемые для определения положения поля допуска относительно нулевой линии. Таким отклонением являются отклонения, ближайшие к нулевой линии. Для всех полей допусков, расположенных ниже нулевой линии, основным является верхнее отклонение (ES или es), а для расположенных над нулевой линией основным является нижнее отклонение (EI или ei). Основные отклонения отверстий обозначают прописными буквами латинского алфавита (A, B, C и т.д.), а для валов

– строчными (a, b, c и т.д.). Основное отверстие, т.е. отверстие в системе отверстия обозначают буквой H, основной вал (вал в системе вала) буквой h.

В системах отверстия и вала отклонения A-H (a-h) предназначены для образования полей допусков в посадках с зазором; отклонения Js-N (js- n) – в переходных посадках, отклонения P-ZC (p-zc) – в посадках с натягом.

Из рис. 10 видно, что каждому основному отклонению соответствует горизонтальная черта, от которой начинается поле допуска, а конец его, т.е. второе предельное отклонение не указано, поскольку оно зависит от того, с каким допуском (квалитетом) будет сочетаться данное основное отклонение. Из рис. 11 видно, что второе отклонение будет равно:

для валов

или

для отверстий

или

~18 ~

инструмента отобрано оптимальное количество полей, удовлетворяющих требованиям промышлености. Из основного отбора полей допусков выделены поля допусков для предпочтительного применения, которые в таблицах справочников указаны в рамках, например g6 , H7 .

Посадки образуются путём сочетания полей допусков отверстия и вала. Обозначается посадка в виде дроби, при этом числителем является поле допуска отверстия, а знаменателем − поле допуска вала. Например, в системе отверстия H7/g6, H7/p6; в системе вала G7/h6, P7/h6.

Выбор различных посадок в соединениях производится на основе расчета, экспериментальных исследований или ориентируясь на аналогичные конструкции: выбор посадки и квалитета зависит как от точности соответствующего узла механизма или машины, так и от эксплуатационных требований, предъявляемых к соединению. При этом необходимо учитывать конкретные условия эксплуатации, требования к монтажу и демонтажу, технологический процессизготовления сопрягаемых деталей и т.д.

В связи с тем, что число сочетаний полей допусков отверстий и валов может быть достаточно большим, в ЕСДП введен ряд рекомендованных посадок. Из них выделены посадки предпочтительного применения, которые в соответствующих таблицах приведены в рамках.

При применении системы отверстия для номинальных размеров от 1 до 500 мм рекомендуется применять следующие предпочтительные по-

садки: с зазором − , , , , , , , , , ,

; с натягом − , , , ; переходные − , , , . Рекомендуемые посадки в системе вала:

выбор конкретной посадки в сопряжении двух деталей. Например, посадки с натягом выбираются из условия нераскрытия стыка при действии определённой нагрузки. На основании проведенных расчётов разработаны рекомендации по выбору посадок типовых сопряжений деталей, которыми и руководствуются при конструировании.

При проектировании редуктора, которое является основой выполнения курсового проекта по дисциплине «Детали машин и основы конст-

~21 ~

рассеивания размеров в пределах поля допуска при изготовлении шпоночных пазов на валу и втулке для нормального типа соединения возникает большая́ вероятность получения натяга в сопряжении шпонки с валом и зазора в сопряжении со втулкой, что не позволяет шпонке выпадать из паза вала при монтаже и компенсировать неизбежные неточности размеров, формы и расположения пазов и тем самым обеспечить собираемость в процессе сборки.

Для наблюдения за уровнем масла в корпусе редуктора среди других методов применяют контроль с помощью жезловых маслоуказателей (щупов). Если такой маслоуказатель имеет гладкую цилиндрическую шейку для сопряжения с отверстием в корпусе редуктора, то рекомендуется в указанном соединении посадка с зазором H9/d9.

Посадки подшипников качения на вал и в корпус рассмотрены в разделе 6 настоящего пособия.

5.ОБОЗНАЧЕНИЕ ПРЕДЕЛЬНЫХ ОТКЛОНЕНИЙ

ИПОСАДОК НА ЧЕРТЕЖАХ

Предельные отклонения линейных размеров указывают на чертежах деталей условными обозначениями полей допусков (рис. 12, а) или численными значениями предельных отклонений в миллиметрах (рис. 12, б), а также буквенными значениями полей допусков с одновременным указанием справа в скобках числовых значений предельных отклонений

(рис. 12, в)

~23 ~

Рис. 12. Примеры обозначения предельных отклонений

При записи предельных отклонений значения верхних отклонений помещают над нижними. Предельные отклонения, равные нулю, не указывают. При симметричном поле допуска абсолютная величина отклонения указывается в один ряд со знаком ±, при этом высота цифр, определяющих отклонения, должна быть равна высоте шрифта номинального размера, например 60 ± 0,23. Предельные отклонения, указываемые числовым значением, выраженным десятичной дробью, записывают до последней значащей цифры включительно, выравнивая количество знаков в

верхнем и нижнем отклонении добавлением нулей, например 10 ;

35 .

Посадки и предельные отклонения размеров деталей, изображенных на чертеже в сборе, указывают одним из следующих способов:

а) в виде дроби, в числителе которой указывается условное обозначение поля допуска отверстия, а в знаменателе − условное обозначение поля допуска вала (рис. 13, а);

б) в виде дроби, в числителе которой указывается числовое значение предельных отклонений отверстия, а в знаменателе − числовое значение предельных отклонений вала (рис. 13, б)

в) в виде дроби, в числителе которой указывают условное обозначение поля допуска отверстия с указанием справа в скобках его численного значения, а в знаменателе − условное обозначение поля допуска вала с указанием справа его численного значения (рис. 13, в).

~24 ~