05 семестр / К экзамену-зачёту / Ответы на экзаменационные вопросы / отвыеты на вопросы / Принципы констр. конспект 2010

16

Рис. 2.12. Базирование валиков: а – по цилиндру (связь Р4) и буртику (связьР1); б – по цилиндрическому пояску (связь Р2) ифланцу (связь Р3).

Рассмотрим допущения, встречающиеся при базировании деталей призматической формы; наиболее характерно для них базирование по плоскостям. Оптимальной по геометрической определенности и несущей способности для призматических тел является схема базирования по рис. 2.13, в, у которой точечные связи заменены выступами, образующими регламентированные пятна контакта, как показано на рис. 2.13, а (базируемая деталь изображена условно штрихами в виде призмы).

Наибольшим приближением к оптимальной схеме могут служить конструкции призматических направляющих поступательного движения, приведены на рис. 2.13, б, в, у которых высота ползуна Bz мала по сравнению с шириной By . На опорной плоскости ползуна

делают обычно продольную выборку (в целях повышения геометрической определенности пары), создающую по бокам две плоскости; вместе с опорной плоскостью они выполняют функцию связи класса Р3. Одно из допущений при определении класса состоит в том, что эти полости не

рассматривают как независимые связи класса Р3 в соответствии с рис. 5; другое допущение

относится к боковой грани ползуна, ограничивающей поперечные его смещения: ее считают связью класса Р2, хотя по рис. 5 она, как плоскость, относится к классу Р3. Объясняется это тем, что ввиду малой ее ширины по сравнению с шириной ползуна (Bz By ) она не может

дублировать опорную плоскость в ограничении поворотов ползуна вокруг оси x.

Аналогичные допущения принимаются в отношении призматических V-образных направляющих (рис. 2.13, г), где боковые грани призмы считают связями класса Р2 (вместо Р3 по табл. 2.5) ввиду малой их ширины по сравнению с шириной направляющих By . Призму в целом

обычно рассматривают как связь класса Р4, а призму вместе с узкой площадкой – связью класса Р5.

17

Рис. 2.13. Базирование деталей призматической формы: а – замена точечных связей Р1 площадками выступов на сопрягаемых поверхностях; б – г – типы призматических направляющих поступательного движения.

При базировании призматических тел в неподвижных соединениях оптимальную схему по рис. 2.13, а применяют весьма редко из-за сложности ее конструктивной реализации и нетехнологичности при изготовлении и сборке. На практике используют упрощенные схемы базирования. Рассмотрим два примера базирования неподвижного кронштейна 2 на плоской поверхности некоторой базовой детали 1 (рис. 2.14). В соответствии с исходной схемой (рис. 2.6, б) оставляют нижнюю опорную плоскость, представляющую связь класса Р3, остальные же три степени свободы ограничивают цилиндрическими штифтами. На опорной плоскости базируемой детали делают выборку в целях повышения геометрической определенности ее контакта, но обе образовавшиеся площадки рассматривают совместно как связь класса Р3 (первое допущение). Роль штифтов различна: один из них выполняет функцию связи класса Р2, второй – функцию связи класса Р1 (второе допущение). Остановимся на этих допущениях более подробно. Принятие как первого, так и второго допущений основано на предположении о совместной обработке и малых размерах базирующих элементов, а также отсутствии смещений одного элемента относительно другого, что возможно только в случае зависимой обработки отверстий под штифты в обеих деталях.

Отметим еще одно широко распространенное допущение в отношении использования конических штифтов для ограничения степеней свободы тел вращения (шкал, зубчатых колес, кулачков и т.д.), базируемых на валиках при замыкании соединений формой (рис. 2.1, а). Штифт выполняет функции класса Р2, ограничивая смещение вдоль валика и поворот вокруг оси, хотя по

рис. 5 он представляет собой связь класса Р5. Противоречия с этим рисунком в данном случае не

возникает только потому, что обработка отверстий под штифт выполняется одновременно в обеих деталях – валике и базируемой детали и никакого базирования не происходит!!!

18

Рис. 2.14. Неподвижное базирование кронштейна на плоскости.

Таким образом, ввиду неизбежности технологических погрешностей размеров, форм и положений базирующих элементов, соединяемых деталей действительные схемы базирования могут отличаться от исходных (теоретических) схем, приведенных в п. 2.6. Поводом к отступлениям от них служит стремление к упрощению конструкции и к ее технологичности.

2.8. Геометрическая неопределенность базирования

Базирование является геометрически неопределенным (или недостаточным), когда выбранные схема базирование и сочетание контактных пар для ее реализации не обеспечивают однозначное (принудительное) ограничение лишних степеней свободы базируемых деталей. Характерным признаком такого базирования является необходимость выполнения комплекса регулировок положения базируемой детали и применение дополнительных средств для фиксации этого положения (рис. 2.14 и 2.1, а).

Для конструирования соединений характерно противоречие между технологичностью конструкций базируемых деталей и технологичностью сборки соединений. Возникает задача, чему отдать предпочтение. Не существует способа получения однозначных решений подобных задач, каждая из них требует анализа. Критериями выбора являются требования к точности базирования и соответствие технологичности заданному типу производства.

Известно, что производственный уровень точности для сборки с регулировками выше, чем для изготовления деталей, поэтому, если точность базирования такова, что при сборке без регулировок требуется технический уровень точности для изготовления базирующих элементов деталей, то следует конструировать соединения с регулировками; в противном случае их необходимо избегать (допустимы лишь для грубых согласований).

Сборочные процессы малопроизводительны, так как с трудом поддаются механизации и автоматизации и выполняются преимущественно вручную. Поэтому объем специальных регулировок при сборке должен быть тем меньше, чем выше тип производства. Особенно важно, чтобы мал был объем так называемых избыточных регулировок, не требующихся по условиям точности, а выполняемых лишь из-за недостаточного исходного базирования. Рассмотрим примеры.

19

Рис. 2.15. Варианты конструкции призматических направляющих.

На рис. 2.15 приведены конструкции призматических направляющих поступательного движения с различной определенностью исходного базирования. Конструкция (рис. 2.15, а) с наименьшей определенностью характерна для мелкосерийного и штучного производства и недопустима для серийного и особенно крупносерийного, так как содержит значительный объем избыточных и специальных регулировок. Конструкция (рис. 2.15, б) предназначена для серийного производства при требованиях к зазору на техническом уровне точности. При менее жестких требованиях и при крупносерийном производстве во всех случаях должна применяться конструкция на рис. 2.15, в. Данный пример можно считать характерным для иллюстрaции связи степени определенности исходного базирования с требованиями к точности и технологичности в зависимости от типа и , с фиксацией призмы тремя ограничительными планками (хотя достаточно двух) см. рис. 2.17.производства.

Рис. 2.16. Усложненные способы базирования: а – тел вращения; б – стоек и кронштейнов на плоскости.

Известны конструкции соединений, ставшие типовыми, у которых, несмотря на наличие избыточных регулировок, предпочтение отдается технологичности конструкций деталей. Примерами могут служить базирование со штифтовкой тел вращения на валиках (рис. 2.1, а) и различных кронштейнов и стоек на плоскости (рис. 2.14), применяемое в приборах при любом типе производства. Объясняется это тем, что в подобного рода случаях другие возможные варианты базирования существенно сложнее конструктивно или технологически (рис. 2.16).

Для элементов оптических систем, ввиду высоких требований к точности их согласования, характерно широкое применение недостаточного исходного базирования, допускающего юстировки в виде весьма малых смещений элементов с последующей фиксацией достигнутого положения; подобные регулировки нельзя считать избыточными, так как без них не может быть обеспечена требуемая функциональная точность системы. Примером может служить приведенное на рис. 2.17, б базирование на плоскости прямоугольной отражательной призмы, где юстировки производятся по степеням свободы x, y

20

1. Принципы конструирования соединений

Господа студенты! В этой главе приводятся принципы конструирования, знание которых

существенно уменьшает количество методов компенсации.

1.1. Принципы конструирования соединений

Невредно напомнить, что соединением деталей в конструкторском смысле (как элемента

конструкции) называют конструкцию элементарной сборочной единицы, состоящую из двух или

нескольких деталей, находящихся в непосредственном контакте (сопряжении) друг с другом.

Соединение –это не процесс надевания одной детали на другую – это состояние.

Рис. 2.17 примеры соединяемых деталей

Соединяемые детали образуют контактные пары, которые классифицируют на: подвижные и неподвижные: замыкающиеся формой, силой и креплением: сопрягающиеся (контактирующие) по поверхности, по линии и по точке.

В соединении различают базовую и рабочую (присоединяемую) детали, а также базовые (БЭС) и рабочие (РЭС) элементы (поверхности) соединения

(подробно cм. Рис.2.1).

На рис. 17, а изображено соединение лимба 1 с валом 2. Базовой деталью здесь является вал,. а рабочей – лимб, базовым элементом соединения – цапфы вала под подшипники, рабочим элементом — поверхность лимба, на которой нанесены деления его штрихов. На рис. 17, б показано соединение линзы (рабочая присоединяемая деталь 1) с оправой 2 (базовая деталь) с помощью резьбового кольца 3, являющегося в соединении вспомогательной деталью, осуществляющей силовое замыкание линзы на торцевую посадочную поверхность оправы.

Показатели качества соединений подразделяются на: эксплуатационные (точность, надежность, износостойкость, несущая способность и т.д.); конструктивные (габаритные размеры, масса, компактность и т.д.): технологические (технологичность сборки, технологичность юстировки и контроля).

Конструируя соединения, в первую очередь стараются достичь их точности (характеризуемой погрешностью расположения РЭС относительно БЭС, рис.2 17), надежности и технологичности.

Конструктор должен руководствоваться не только рассмотренными выше (п. 2.9) общими принципами конструирования соединений (выполнение которых, как правило, повышает их

21

технологичность), но и частными правилами, касающимися автоматизации сборочных операций. Эти правила изложены, например, в работах [3], [12] и заключается: в обеспечении полной взаимозаменяемости деталей; минимизации числа соединительных элементов; осуществлении центрирования с помощью вращательно-симметричных деталей и т.д.

Одно из основных требований к качеству соединений – точность расположения их рабочих элементов (РЭС) относительно базовых (БЭС), см. рис.2. 17. Повышение точности соединения достигается благодаря точному изготовлению контактирующих поверхностей деталей или с помощью доводок, регулировок, юстировок в соединении. Получаемую при этом точность соединений можно отнести к группам пониженной, средней и высокой точности, которые по соответствующей трудоемкости их достижения аналогичны точности изготовления деталей, поэтому их часто называют экономическим, производственным и техническим уровнями точности сборки.

На основании известных данных заводов точного приборостроения указанные уровни точности можно определить следующим образом:

Экономическому уровню точности (Э) соответствуют процессы, выполняемые при сборке в основном низших контактных пар (Р3-Р5), не требующих доводок или пригонок и специальных регулировок;

Производственному уровню точности (П) соответствуют процессы сборки как низших, так и высших пар с регулировками, юстировками для точного согласования положений соединяемых деталей и компенсации погрешностей, контроль которых выполняется производственными методами;

Техническому уровню точности (Т) соответствует сборка всех видов контактных пар с применением пригонок и всех видов специальных регулировок при контроле лабораторными методами.

Конкретное содержание процессов сборки и достигаемые точности по линейным и угловым размерам приведены в табл. 2.2, отражающей средние данные заводов точного приборостроения.

Рассмотрим принципы конструирования соединений, позволяющие обеспечить эти показатели, основанные на общих правилах и законах наложения материальных связей деталей друг на друга в соединении.

22

1.1.1. Принцип совмещения рабочих элементов деталей в соединении

При конструировании соединений предпочтительной является конструкция, позволяющая осуществлять контакт сопрягаемых деталей по их рабочим элементам. В этом случае происходит объединение рабочего и базового элементов присоединяемой детали, уменьшается размерная цепь и повышается точность расположения РЭС относительно БЭС.

Например, в случае расположения штрихов лимба на поверхности Г (см. рис. 2.17, а) принцип выполняться не будет, так как рабочий элемент (поверхность D) базовой детали (валика) не совмещен с рабочим элементом присоединяемой детали. В случае же расположения штрихов лимба на поверхности В, по которой происходит сопряжение лимба с поверхностью (D) валика, принцип соблюдается, и можно утверждать, что точность расположения РЭС относительно БЭС (цапф валика) будет выше, чем в первом случае. Деталь 1 будет технологичней, так как не нужно выдерживать строгий допуск на ее клиновидность по сравнению с первым вариантом.

На рис. 2.18 изображена конструкция соединения зеркала 1 с кронштейном 2. Конструкция, изображенная на рис. 2.18, б, позволяет точнее ориентировать отражающую поверхность зеркала (РЭС) относительно основания кронштейна (БЭС) и не требует жесткого допуска на клиновидность зеркала по сравнению с конструкцией, изображенной на рис. 2.18, а. Кроме того, в конструкции на рис. 2.18, б уменьшен продольный вылет L, а на рис. 2.19 L=0.( подробнее о вылете см. ниже)

На рис.2.19 показано совмещение РЭ и БЭ, применена выборка для геометрической определенности, и уменьшено до нуля расстояние L от РЭС до центра поворота С.

Рис. 2.18. Пример установки зеркала: а) с нарушением принципа соединения РЭ; б) без нарушения;

23

Рис. 2.19. Пример применения трех принципов конструирования в одном соединении

1.1.2. Принцип геометрической определенности контакта пар в соединении

Этот принцип заключается в определенности положения и формы контакта сопрягаемых поверхностей деталей. Реальные поверхности деталей имеют макро и микро погрешности формы поверхностей. В результате детали контактируют друг с другом не по линиям и поверхностям, а по пятнам (площадкам) неопределенной формы, размеры и положение которых в сопряжении также неопределенны.

Рис. 2.20. Выполнение геометрической определенности при базировании зеркал

Эта неопределенность снижает точность расположения присоединяемой детали и несущую способность базовой детали. Наибольшее влияние на точность оказывает неопределенность расположения пятен контакта.

На рис.2.20, а изображено соединение зеркала 1 с оправой 2 с помощью трех угольников. Из-за погрешностей формы сопрягаемых поверхностей зеркала и оправы их контакт будет

24

происходить не по плоскости, а по трем площадкам, расположение и форма которых могут быть произвольными в пределах сопрягаемых поверхностей. В результате возникает объемная деформация зеркала под действием сил F со стороны угольников и реакции R со стороны оправы, приводящая к порче качества изображения.

Соединение, изображенное на рис.2.20, б, обладает определенностью расположения площадок контакта, благодаря специальным выборкам (либо прокладкам) на оправе. Здесь возникает только контактная деформация зеркала в пределах контактирующих зон, не приводящая к ухудшению качества изображения.

Рис. 2.21. Создание определенности базирования выборкой.

Неопределенность расположения и формы контакта цилиндрической оси вращения с подшипником (рис. 2.21, а) не позволяет определить базу В между элементами поверхности, ограничивающими ее наклоны вокруг координатных осей X, Y; требует тщательной обработки всей поверхности и отсутствия бочкообразности. Выборка на поверхности оси (рис. 2.21, б) приводит к соблюдению рассматриваемого принципа и позволяет избежать упомянутые недостатки конструкции соединения. Тоже и на рис.2.21, в для конической поверхности.

1.1.3. Принцип силового замыкания соединений

Силовое замыкание соединений следует осуществлять так, чтобы линия действия замыкающей силы проходила через зону (площадку) контакта сопрягаемых поверхностей. Тогда сила и возникающая реакция не образуют изгибающего момента, действующего на присоединяемую и базовые детали.

Примерами выполнения этого принципа могут служить рассмотренное крепление зеркала (см. рис. 2.20, б), а также известный способ крепления тонкой линзы, опирающейся на три выступа оправы с помощью резьбового и упругого кольца, имеющего три выступа, которые расположены против выступов оправы (рис. 2.22), посредством направляющей шпонки (винта) 1.

Когда соединение передает усилие (кронштейны, зубчатые и фрикционные пары, муфты и т.п.) или требуется распределение сил (разгрузка зеркал, опор вращения и т.п.), следует руководствоваться принципами передачи сил (прямого и короткого пути, согласованных деформаций, компенсации силы, определенного распределения сил), изложенными в работе [3].

Например, на рис. 2.23 а, б, в показаны схемы минимизации деформации детали 1 под действием силы F (например, массы) при установке ее на несколько точек опоры [3]. На рис. 2.24 изображена конструкция разгрузки зеркала телескопа, позволяющая минимизировать деформации зеркала, благодаря равномерному распределению его массы на 18 опор.

25

Рис.2.22. Пример крепления тонкой линзы по трем выступам упругого кольца

Рис.2.23. Схема силового замыкания

1.1.4.Принцип ограничения смещений в соединении деталей

Согласно этому принципу поверхности, ограничивающие смещение присоединяемой

детали относительно базовой, следует располагать перпендикулярно к направлению ограничиваемого смещения. В этом случае более точно обеспечивается расположение рабочих элементов соединения относительно базовых, более благоприятным будет силовой режим в

соединении (связанный с деформациями деталей, их износом), технологичней будут детали.

На рис. 2.24 а, б изображены два варианта ограничения смещения

штока 1 вдоль оси Y деталью 2. В первом варианте поверхность детали 2, ограничивающая смещение штока, расположена перпендикулярно к оси Y, а во втором – под углом -α к оси Y.

В результате для первого варианта погрешность расположения штока вдоль оси Y из-за