28. 3.3 Основные понятия о допусках и посадках

При сборке 2-х деталей, входящих одна в другую, различают охватываемые и охватывающие поверхности, смысл которых ясен по названию.

Охватывающую поверхность называют отверстием, охватываемую - валом.

Например, внутренняя цилиндрическая поверхность втулки и поверхность шпоночного паза – охватывающие поверхности, отверстия; наружная цилиндрическая поверхность втулки и поверхность шпонки – охватываемые поверхности, валы.

Разность между размерами охватывающей и охватываемой поверхностями (между размерами отверстия и вала) определяет характер соединения деталей или посадку, т.е. большую или меньшую степень подвижности деталей или степень прочности соединений (для неподвижных соединений).

Если размер отверстия D больше размера вала d, то положительная разность между ними, характеризующая степень подвижности (свободы относительного перемещения) называется зазором S:

S = D – d; D d; S0. (3.8)

Если размер вала d больше размера отверстия D, то положительная разность между ними, характеризующая степень прочности соединения, называется натягом N:

N = d – D; d D; N0. (3.9)

Натяг (при необходимости) можно выразить как отрицательный зазор и наоборот:

S= -N;N= -S. (3.10)

Номинальный размер – основной расчетный размер, округленный до стандартного. Номинальные размеры отверстия и вала в посадке проставляются на чертеже и от него отсчитываются отклонения, которые приведены в таблице стандартов по допускам.

Номинальные размеры (при округлении после расчета на прочность, жесткость, устойчивость ...) выбираются по ГОСТ 6636-69^* “Нормальные линейные размеры”. Использование только стандартных линейных размеров приводит к уменьшению типоразмеров заготовок, режущих, мерительных инструментов и удешевлению производства.

По ГОСТу предусмотрен диапазон размеров от 0,001 до 20000 мм, построенных на базе предпочтительных чисел. Установлено четыре ряда размеров, возрастающих по геометрической прогрессии со знаменательными =; ; ; . Ряды обозначаются Ra5, Ra10, Ra20, Ra40. Наибольшее число размеров в последнем ряду, наименьшее – в первом. При выборе номиналов каждый предыдущий ряд надо предпочитать последующему.

Действительным размером называется размер, полученный в результате измерения с допустимой погрешностью.

Размеры между которыми должен находиться (или быть равным) действительный размер годных деталей в партии называются предельными – соответственно наибольший предельный D_max, d_max и наименьший предельный D_min, d_min.

Для упрощения на чертежах и в таблицах ставят вместо предельных размеров соответствующие предельные отклонения – верхнее и нижнее.

Верхнее отклонение (ES, es) – алгебраическая разность между наибольшим предельным размером и номинальным размером соединения.

ES = D_max - d_нс; (3.11)

еs = d_max - d_нс, (3.12)

где d_нс – номинальный диаметр соединения.

Нижнее отклонение (EI, ei) – алгебраическая разность между наименьшим предельным размером и номинальным размером соединения:

EI = D_min - d_нс; (3.13)

ei = d_min - d_нс. (3.14)

Отклонения могут быть положительными, отрицательными или равными нулю.

Допуском размера Т называется разность между предельными размерами:

Т_D = D_max - D_min; (3.15)

Т_d = d_max - d_min. (3.16)

Допуск – величина всегда положительная, поэтому он указывается в документах без знака.

Подставляя в выражения (3.15) и (3.16) значения предельных размеров, выраженные через отклонения и номинал, определим:

Т_D= (ES + d_нс) - (EI + d_нс) = ES – EI; (3.17)

Т_d= (еs+ d_нс) – (ei + d_нс) = еs - ei. (3.18)

Допуск равен разности предельных отклонений (со своим знаком!).

Допуск характеризует точность размера. Чем меньше допуск, тем выше точность, меньше возможный диапазон изменения размеров в партии и наоборот. Величина допуска влияет на эксплуатационные свойства соединения и изделия, а также на трудоемкость изготовления и себестоимость детали. Изготовление деталей с меньшим допуском требует применения более точного оборудования, точных средств измерения, приспособлений, соответствующих режимов обработки, что удорожает изделие.

При сборке деталей (например, вал соединяют с втулкой), изготовленных в пределах допуска, в зависимости от случайных сочетаний размеров отверстий и валов могут быть получены различные посадки. Их обычно разделяют на посадки с зазором (S), натягом (N), переходные (N-S).

Посадкой с зазоромназывают посадку, при которой во всех соединениях на сборке обеспечиваются зазоры. Аналогично определяютсяпосадки с натягом.

Переходнойназывается посадка, при которой у некоторой части соединений на сборке получаются зазоры, а у остальных – натяги.

Каждая посадка характеризуется предельными (наибольшими, наименьшими) зазорами или натягами, значение которых определяется предельными размерами деталей.

Наименьший зазор S_minв соединении образуется, если в отверстие с размером D_minбудет установлен вал с размером d_max:

S_min=D_min-d_max(3.19)

или

S_min= (EI + d_нс) – (еs+ d_нс) = EI – еs. (3.20)

Наибольший зазор S_maxв соединении получится, если в отверстие с наибольшим предельным размером D_maxбудет установлен вал с наименьшим предельным размером d_min:

S_max =D_max-d_min (3.21)

или

S_max = (ES + d_нс) - (ei + d_нс) = ЕS - ei. (3.22)

Аналогично,

N_min = d_min - D_max = ei – ES = - S_max; (3.23)

N_max = d_max- D_min = еS – EI = - S_min. (3.24)

Средний зазор или натяг равен:

S_c(N_c) = . (3.25)

Диапазон изменения зазора или натяга определяет допуск зазора, натяга или посадки (Т_S, T_N).

Допуск посадки (Т_S, T_N) – разность между предельными зазорами или натягами:

Т_{S =} (T_N) = S_max(N_max) - S_min(N_min). (3.26)

В это выражение вместо S_max , S_minподставим их значения по (3.20), (3.22):

T_S = (ES – ei) – (EI – es) = (ES – EI) + (es – ei) = T_D + T_d. (3.27)

Таким образом, допуск посадки равен сумме допусков отверстия и вала.

Аналогично,

T_N = N_max – N_min = T_D + T_d. (3.28)

Представим себе, что имеется партия втулок и валов, которые необходимо собрать. В этой партии втулок с наибольшими размерами D_max будет очень мало (например, 1 из 100 штук), аналогично – в партии валов с наименьшими размерами d_min будет также мало (например, 1 из 100). Естественно предположить, что сборщик, без подбора выбирая детали и собирая соединения, вряд ли одновременно возьмет детали с размерами D_max и d_min (вероятность этого события для нашего примера 1/1001/100 = 1/10⁴). Вероятность такого события очень мала, поэтому на сборке практически не будет соединений с зазором, равном S_max. По тем же причинам на сборке практически не будет соединений с зазором, равном S_max.

Для того, чтобы определить величины наибольших и наименьших (вероятностных) зазоров, получающихся на сборке, подойдем к этой инженерной задаче с позиций теории вероятностей.

Предполагаем, что распределение размеров деталей следует нормальному закону и допуск на изготовление равен размаху размеров при изготовлении, т.е. Т = 6. Предполагаем также, что подбора деталей при сборке не производят (сборка случайна).

Известно, что композиция (объединение) двух нормальных законов также дает нормальный закон. Следовательно, распределение значений зазоров (натягов) следует нормальному закону.

Из курса теории вероятности известно, что математическое ожидание суммы случайных величин равно сумме их математических ожиданий. Действительные размеры деталей являются случайными величинами, математические ожидания которых будут близки к средним размерам в партии.

Математическое ожидание суммы случайных размеров есть математическое ожидание зазора:

М S = M D + M -d . (3.29)

Тогда

S_c = D_c - d_c, (3.30)

где S_c, D_c, d_c – средние значения зазора, размеров отверстия и вала.

Дисперсия суммы независимых случайных величин равна сумме их дисперсий. Дисперсия D есть среднее квадратическое отклонение в квадрате:

D S = DD + D d; (3.31)

. (3.32)

Тогда, принимая T = 6, получим:

Т_S = . (3.33)

С вероятностью Р = 0,9973 значения действительных зазоров будут находиться в пределах:

. (3.34)

Тогда наибольший вероятностный зазор будет равен:

, (3.35)

а наименьший вероятностный зазор:

. (3.36)

Выражения (3.35) и (3.36) приблизительны (ранее было оговорены условия их получения). Более точно эти значения будут определены в разделе “Размерные цепи”.

Для упрощения расчетов допусков и посадок используют схемы расположения полей допусков. Построения на них проводят относительно линии номинала, обозначенной 0 – 0. Линии предельных и номинального размеров отложены от одной границы.

Следовательно, линии размеров, больших номинального, будут расположены выше линии 0 – 0, а линии размеров, меньших номинального – ниже.

Вверх от линии 0 – 0 в выбранном масштабе показывают положительные отклонения, вниз – отрицательные. Две линии предельных размеров или предельных отклонений отверстия и вала образуют два поля допуска, которые обозначают в виде прямоугольников (по длине масштаб прямоугольника произволен). Полем допуска называется зона изменения размеров, заключенная между линиями верхнего и нижнего отклонений (или соответствующих размеров). Поле допуска – понятие более широкое, чем допуск. Оно характеризуется не только значением допуска, но и расположением его относительно номинала. Различные (по расположению) поля допусков могут иметь один и тот же допуск.

В посадках с зазором поле допуска отверстия расположено выше поля допуска вала, в посадках с натягом поле допуска отверстия должно располагаться ниже поля допуска вала. В переходных посадках поля допусков должны перекрываться.