Детали машин и основы конструктирования

61

ски оптимальную достаточность для потребителей изделий,

-унификация частей (блоков, модулей, агрегатов) для обеспечения создания новых и разных сложных систем по принципу агрегатирования,

-нормирование методов и средств метрологического обеспечения единства измерений от эталона до рабочих измерений,

-нормативно-техническое обеспечение контроля (испытаний, анализа и измерений), сертификации и оценки качества продукции,

-нормирование единых систем документации, классификации и кодирования всей продукции,

-установление единых терминов, определений и обозначений параметров и величин, применяемых в различных областях науки и техники.

При разработке стандартов руководствуются следующими принципами:

-принцип целесообразности стандарта,

-принцип консенсуса заинтересованных сторон,

-принцип соответствия стандартов нормативным документам и государственному законодательству РФ и органов госконтроля и госнадзора,

-принцип иерархической соподчиненности стандартов разных уровней,

-принцип системности,

-принцип совместимости и взаимозаменяемости элементов сложных систем,

-принцип унификации,

-принцип оптимальности унифицируемых систем,

-принцип предпочтительности элементов в системе,

-принцип перспективности.

Объектами стандартизации являются продукция, работа (процесс создания продукции) и услуга (процесс создания нематериальной продукции), подлежащие или подвергшиеся стандартизации. В частности, объектом может быть конкретная продукция, параметрические ряды однотипных изделий, отдельные свойства изделия, меры и единицы измерения, нормы, правила, требования, условия, термины и определения, обозначения и т.д., имеющие перспективу многократного применения в различных сферах деятельности человека.

Стандарты разрабатывают на наиболее распространенные и типовые ситуации. Они могут относиться к выбору параметров и видов технических систем и их частей (например, стандарты на резьбы, асинхронные двигатели), процедур и методик расчетов (например, стандарты на проведение расчетов механических зубчатых передач, механических испытаний материалов). Все правила до оформления их в стандарты проходят длительную проверку на практике, и поэтому заключают в себе богатый опыт предшествующих поколений инженеров и ученых.

Стандартизация ведет к снижению себестоимости продукции, поскольку:

•позволяет экономить время и средства за счет применения уже разработанных типовых ситуаций и объектов;

•повышает надежность изделия или результатов расчетов, поскольку применяемые технические решения уже неоднократно проверены на практике;

•упрощает ремонт и обслуживание изделий, так как стандартные узлы и детали – взаимоза-

меняемые (при условии, что сборка осуществлялась без пригоночных операций). Эффективность стандартизации может быть незначительной или же вообще отрицатель-

ной при разработке изделий с очень высокими эксплуатационными (функциональными) характеристиками. Это также заметно в процессе оптимального проектирования, когда оптимальные значения параметров могут не соответствовать стандартным значениям.

Соотнося стандартизацию с этапами проектирования, различают стандартизацию конструктивную и технологическую. Конструктивная стандартизация подразумевает использование стандартных конструктивных решений – параметров, деталей и узлов. Технологическая стан-

62

дартизация основана на применении стандартного инструмента и оборудования, технологического процесса.

Уровень конструктивной стандартизации изделия можно выразить коэффициентом, равным отношению числа стандартных узлов и деталей к общему их количеству, определяемому по спецификации, т.е. кс = zc / zΣ . Возможна оценка этого коэффициента по отношению массы или стоимости стандартных деталей к общей массе или стоимости всего изделия.

Стандартизации конструктивная и технологическая взаимосвязаны. На этапе проектирования уровень технологической стандартизации можно повысить следующими способами:

•номинальные размеры деталей должны соответствовать размерам, получаемым при использовании стандартного инструмента (диаметры и шаги резьбы, модули зацепления, радиусы галтелей и т.д.), либо величинам из ряда предпочтительных чисел (поскольку, например, диаметры сверл тоже соответствуют таким значениям);

•посадки и отклонения размеров деталей должны быть стандартными. Это особенно касается сопряжений стандартных деталей (например, подшипников качения) и назначения допусков на отверстия (в целях применения стандартных сверл);

•назначать материалы со стандартными значениями параметров (состав, физико-химические свойства);

•применять стандартные формы и параметры технологических элементов – фасок, галтелей, проточек, – получаемые типовым инструментом.

Стандартизация тесно связана с взаимозаменяемостью.

Взаимозаменяемостью называется свойство независимо изготовленных с заданной точностью деталей, узлов и изделий в целом без дополнительной их обработки и подгонки обеспечивать возможность сборки при соблюдении установленных показателей качества данного. Взаимозаменяемость бывает полная и неполная.

При полной взаимозаменяемости требуемая точность узла и изделия обеспечивается автоматически, без применения дополнительных доводочных операций.

При неполной взаимозаменяемости для обеспечения установленных показателей качества по отдельным параметрам требуется применение доводочных операций.

Также различают взаимозаменяемость по видам параметров, характеризующих изделие – функциональные, внешние, внутренние и т.д.

7.2 Унификация

Унификация – это устранение излишнего многообразия посредством сокращения перечня допустимых элементов и решений. Унификация в процессе конструирования изделия – это многократное применение в конструкции одних и тех же деталей, узлов, форм поверхностей. Унификация в технологическом процессе – это сокращение номенклатуры используемого при изготовлении изделия инструмента и оборудования (например, все отверстия одного или ограниченного значений диаметров, все обрабатывается только на токарном станке, применение одной марки материала). Унификация позволяет повысить серийность операций и выпуска изделий и, как следствие, удешевить производство, сократить время на его подготовку. С другой стороны, унификация ведет к увеличению габаритов, массы, снижению КПД и т.п. вследствие неоптимальных значений используемых параметров и изделий. Поэтому целесообразность повышения степени унификации должна подтверждаться, например, на основе сравнения разных вариантов технических решений и соответствующего им соотношения затрат и выгод.

Оценить степень унификации изделия со всех сторон достаточно трудоемко. Степень унификации может определяться:

•для всего изделия, например, как отношение числа унифицированных элементов (деталей, узлов, поверхностей) к общему их числу в конструкции, т.е. ку = zу / zΣ;

•для определенной группы используемых элементов. Например, степень унификации стан-

63

дартных подшипников качения как отношение числа типоразмеров использованных подшипников к общему их числу. Если в конструкции имеется несколько групп унифицированных элементов, то общий коэффициент обычно получается сверткой, например, ку = к1

к2 ... кi , где кi= zуi / zΣ ;

•для характеристики частоты встречаемости параметров деталей, например, как отношение числа типоразмеров определенного вида параметров (числа разных размеров резьб, диа-

метров отверстий и т.п.) к общему их числу.

Возможна оценка степени унификации по отношению массы или стоимости унифицированных деталей к общей массе или стоимости всего изделия.

Заранее заложенная в конструкцию унификация упрощает последующее совершенствование таких изделий и их приспособление к новым условиям. Существуют следующие направления создания унифицированных конструкций:

•метод базового агрегата. Разнообразие получаемых изделий основывается на наличии у них общей, базовой части (агрегата) и дополнительных частей, создающих это разнообразие. Например, разные по виду салона модели легковых автомобилей могут обладать одним и тем же двигателем и шасси (это – базовый агрегат);

•компаундирование. Увеличение производительности изделия достигается параллельным присоединением и одновременной работой ряда однотипных изделий. Например, подключение дополнительных насосов, установка второго двигателя (а не увеличение мощности прежнего);

•модифицирование. Это – приспособление уже выпускаемого изделия к новым условиям без изменения в них наиболее дорогих и ответственных частей. Например, замена материала корпуса асинхронного двигателя на другой с целью возможности эксплуатации его в новых климатических условиях;

•агрегатирование (принцип модульности). Новое изделие создается на основе комбинации уже имеющихся унифицированных агрегатов, которые обладают полной взаимозаменяемостью по эксплуатационным показателям и присоединительным размерам.

Преемственность – это продолжение использования в новом изделии элементов еще выпускающегося или уже выпускавшегося изделия с сохранением прежней технологии их производства. Преемственность значительно сокращает сроки и затраты на технологическую подготовку производства и проведение испытаний новой конструкции, повышает ее надежность (благодаря применению уже проверенных в эксплуатации частей). Она особенно эффективна при выпуске продукции, требующей специальной технологической подготовки, т.е. изготовления специального инструмента и приспособлений, наладки оборудования (это обычно связано с поточным производством). Преемственность позволяет постепенно, без больших затрат перейти на выпуск новой сложной продукции.

Степень преемственности характеризуется коэффициентом, равным отношению числа наименований используемых в новом изделии уже выпускающихся элементов, к общему числу наименований элементов. Коэффициент определяется по таблице составных частей, входящей в комплект чертежа общего вида. Для нового изделия обычно он составляет 0,7...0,9.

Разновидностью преемственности является использование готовых покупных элементов в разрабатываемом изделии. Это сильно снижает требования к необходимым для его выпуска ресурсам (применяется при слабой производственной базе, для ускорения выпуска продукции на рынок, но усиливает зависимость от производителя этих элементов). Целесообразность применения готовых элементов подтверждается сравнением затрат на покупку нужных элементов с затратами на организацию их производства собственными силами.

64

7.3 Основы метрологии

Понятие о параметрах.

Каждое изделие или его составная часть характеризуется совокупностью признаков качества, каждый из которых будем называть параметром. Различают нормированные и действительные значения параметров. Часто, хотя это и не корректно, оперируют только с номинальными значениями параметров.

Номинальное значение параметра – это базовое значение, служащее началом отсчета возможных действительных и допускаемых предельных отклонений. Предположительно назначается человеком либо является результатом операций с такими же значениями.

Действительные значения параметра определяют путем испытаний или измерительного эксперимента с точностью, достаточной для контроля параметра. Характеризует признаки качества конкретного реального изделия. Обычно их значения неповторимы и зависят от внешних условий, условий изготовления, способа измерения и многих других факторов. Совпадение действительных значений одних и тех же параметров изделий из их партии возможно только в пределах точности измерения или для целочисленных величин.

Например, мощность двигателя автомобиля, указанная в паспорте для определенного режима работы, составляет 100 кВт. Это – номинальное значение параметра, определяющее одно из свойств (признаков качества) двигателя.

При испытании в указанном в паспорте режиме работы измерениями была установлена мощность 98±1 кВт. Это – действительное значение, которое при другом испытании с более точными измерениями может дать другой результат, например, 98,5±0,5 кВт. При этом 98 и 98,5 – номинальные значения, выбранные составителем документации исходя, например, из удобства представления указанного действительного параметра, ±1 и ±0,5 – предельные отклонения.

Отклонения действительных значений параметров от номинальных неизбежны. Но изделие считается годным, если действительные значения его параметров соответствуют предварительно назначенным или указанным в документации. Поэтому в документации (особенно предназначенной для других пользователей – заказчика, исполнителя, покупателя, других специалистов) принято приводить нормированные значения параметров.

Нормированное значение параметра является его теоретическим значением и выражается предельными значениями параметра или номинальным значением с указанием предельных отклонений в виде допустимых пределов их изменения. Например, твердость материала –

150...200 HB.

На рис.1 показаны отличия в представлении параметров на примере геометрического размера (диаметра) детали-вала.

Нормирование номинальных значений параметров.

Для устранения излишнего многообразия при назначении величин номинальных значений параметров их рекомендуют приводить в соответствие (например, округлять расчетные значения) с предпочтительными значениями параметрических рядов.

Такой ряд является последовательностью чисел. Это могут быть:

•арифметическая прогрессия. Например, шкала обычной линейки – 0 - 5 - 10 - 15 -... , с постоянным членом ряда (разность между последующими и предыдущими значениями), равным 5;

•ступенчато-арифметическая прогрессия. Например, ряды посадочных размеров внутренних колец подшипников качения, для которых в ряду диаметров от 20мм до 110 мм постоянный член ряда составляет 5 мм, в ряду диаметров от 110мм до 200мм – 10мм и в ряду диаметров свыше 200мм – 20мм;

•геометрическая прогрессия. Любой член этой прогрессии вычисляется по формуле an=ao·qn, где ao – нулевой член, q – знаменатель прогрессии, n – номер члена. Например, количество листов в тетрадях разных объемов – 12 - 24 - 48 - 96 , со знаменателем прогрессии 2 (q=2, n=1);

65

•смешанная арифметическо-геометрическая прогрессия. Например, стандартные диаметры метрической резьбы – ...- 1,2 - 1,6 - 2 - 2,5 - 3 - 4 - 5 - 6 - 8 - 10 - ... .

Арифметическим рядам свойственна относительная неравномерность расположения со-

седних членов, т.е. старшие члены ряда расположены относительно ближе, чем младшие. У геометрических прогрессий этот недостаток отсутствует, и поэтому они применяются чаще.

Наиболее распространены геометрические прогрессии со знаменателем q= n 10 , где степень корня n= 5, 10, 20, 40, 80. Это – стандартные (ГОСТ 8032–84) параметрические ряды, соответственно обозначаемые R5, R10, R20, R40, R80. Они связаны с именем француза Ренара, который первый предложил использовать геометрическую прогрессию со знаменателем n=5. Более предпочтительны ряды с большим знаменателем прогрессии. Приведем значения часто используемых первых трех рядов в порядке их предпочтения:

R5: 1 - 1,6 - 2,5 - 4 - 6,3;

R10: 1 - 1,25 - 1,6 - 2 - 2,5 - 3,15 - 4 - 5 - 6,3 - 8;

R20: 1 - 1,12 - 1,25 - 1,4 - 1,6 - 1,8 - 2 - 2,24 - 2,5 - 2,8 - 3,15 - 3,55 - 4 - 4,5 - 5 - 5,6 - 6,3 - 7,1 - 8;

Члены этих рядов по сравнению с точными значениями округлены в пределах 1,3%. Предпочтительные числа других десятичных порядков получают умножением или делением на 10, 100 и т.д.

В электротехнике применяют ряды E, рекомендованные МЭК ИСО, со знаменателем геометрической прогрессии q= k 10 , степени корня которого равны 3, 6, 12 ... : Е3, Е6, Е12,… .

На основе рядов предпочтительных чисел разработаны ряды нормальных линейных размеров (ГОСТ 6636–69). Они обозначаются как Ra5, Ra10, Ra20, Ra40, Ra80 и имеют большую степень округления (порядка 5%). Так, ряд Ra20 включает следующие члены:

1 - 1,1 - 1,2 - 1,4 - 1,6 - 1,8 - 2 - 2,2 - 2,5 - 2,8 - 3,2 - 3,6 - 4 - 4,5 - 5 - 5,6 - 6,3 - 7,1 - 8 - 9.

Остальные величины получаются умножением или делением на 0.1, 10, 100 и т.д., но для рядов, старше Ra5, есть исключения, например, числа 125, 1120.

Для угловых размеров в ГОСТ 8908–81 приведены три ряда нормальных углов. Так, второй, часто употребляемый, ряд имеет следующие значения (в градусах):

0 - 0,5 - 1 - 2 - 3 - 5 - 8 - 10 - 15 - 20 - 30 - 45 - 60 - 75 - 90 - 120 - ... .

Приведение величин назначаемых размеров в соответствие со значениями нормальных линейных размеров сокращает многообразие используемых величин размеров (повышает уровень унификации). Это позволяет:

-унифицировать посадочные размеры деталей (как следствие, например, в серийном производстве сокращается количество типоразмеров деталей, необходимых для комплектации разных изделий),

-использовать типовой сортамент и заготовки (листы, трубы, круги, проволока и т.д.),

-использовать типовой инструмент (сверла, фрезы и т.д.).

Использование нормальных линейных размеров не распространяется:

-в случае применения стандартных величин размеров (например, модуль зацепления, диаметр резьбы),

-на случаи применения стандартных деталей и сопряженных с ними размеров (например, посадочные диаметральные размеры стандартных подшипников качения),

-при назначении величин размеров, являющихся результатом оптимизационных расчетов.

Способы указания нормируемых параметров.

В простейшем случае нормируемый параметр приводят в виде допустимых предельных значений. Например, предельные размеры диаметра вала – 28,1...28,7мм.

Другим видом представления предельных значений служит запись в виде номинального значения с указанием предельно-допустимых по отношению к нему отклонений. Так, приняв в последнем примере в качестве номинального значения диаметра вала величину, равную

28мм, форма записи нормируемого параметра примет вид 28++00,,17 мм. Здесь верхний индекс (верхнее отклонение, es) соответствует отклонению наибольшего предельного размера от но-

69

-инструмент. Не имеет шкалы и служит для контроля,

-прибор. Позволяет получить информацию о значении измеряемого параметра. Основные показатели средств измерений:

-точность измерения, т.е. степень близости к истинному значению,

-погрешность измерения, т.е. разность между измеренным и истинным результатом,

-погрешность прибора, т.е. разность между показанием прибора и истинным значением,

-цена деления, т.е. шаг между соседними отметками шкалы,

-предел измерения, т.е. наибольшие и наименьшие измеряемые величины,

-диапазон измерений, т.е. область с нормированной погрешностью на шкале прибора,

-воспроизводимость измерений, т.е. близость результатов измерений в различных условиях,

-измерительная сила, т.е. сила воздействия на измеряемую поверхность.

Контролем называется получение информации об объекте с целью определения его годности. Является частным случаем измерения.

Результатом измерения длин является действительный размер, т.е. значение геометрического параметра элемента детали, определенное с точностью, достаточной для данной цели. Точность оценивается погрешностью измерения, которая представляет собой разность между действительным (Lд) и истинным (Lи) размерами

∆и = Lд – Lи .

Истинный размер – идеальный размер, к которому стремится действительный размер при повышении точности измерения. Истинный размер не может быть определен экспериментально, поскольку все средства измерения имеют некоторую погрешность измерения. Вместо истинного значения для оценки погрешности измерения берут действительный размер Lд , определенный другим средством измерения, погрешность которого на порядок меньше допустимого значения для данной цели.

Погрешность измерения включает в себя три составляющие, причинами возникновения которых являются средства измерения, метод измерения и оператор (субъект), т.е.

∆и = ∆си + ∆м + ∆сб ,

где ∆си – погрешность, происходящая от самого средства измерения, ∆м - погрешность, происходящая от несоответствия принятой теории измерения идеаль-

ной (например, температура детали и прибора должна быть 20°С, а при измерении допускается 20±5°С, или валик представляется идеальным цилиндром, а в действительности его диаметр в разных сечениях различен, и т.д.),

∆сб - погрешность, вызванная ошибкой человека при снятии показаний, например, параллаксом стрелки и циферблата при изменении положения глаза оператора.

Погрешность средства измерения указывается в его паспорте (аттестате). Погрешность методическую ∆м должен уметь оценивать контролер или ответственный за контроль.

Например, погрешность микрометра 1 класса с ценой деления 0,01 мм по паспорту – 0,0025 мм (∆си). Допустим, запись результата измерения производится округлением показания до целого деления, например, 32,83мм, т.е. без учета действительного положения указателя (отсчетной риски) на шкале барабана. В таком случае максимальное значение округления составит половину деления (0,005 мм, ∆м), а действительный размер по показаниям прибора может быть 32,825…32,835мм. Тогда погрешность измерения без учета «субъекта» будет равна

∆и = ∆си + ∆м = 0,0025 + 0,005 = ±0,0075 мм.

Если записывать результат с округлением до 1/2 (половины) шкалы деления, например, 32,835, то погрешность округления будет в пределах четверти цены деления ∆м=0,0025 мм. Тогда погрешность измерения составит

∆и = 0,0025 + 0,0025 = ±0,005 мм.

Есть операторы, имеющие большой опыт работы, которые берут «на глаз» 0,1 цены деления. Из сказанного следует, что действительная погрешность измерения всегда больше указанной в паспорте погрешности СИ. В итоге, действительный размер как результат измерения записывается следующим образом: L = Lд ± ∆и.

70

Пределы допускаемой погрешности измерения устанавливает ГОСТ 8.051-81.

Значения предела допускаемой погрешности определяются в зависимости от допуска и размеров контролируемой детали по следующей формуле

∆и доп = (0,1…0,33) Т,

где Т – допуск нормируемого размера.

Наиболее часто применяют ∆и доп = 0,25Т. Устанавливать ∆и доп < 0,1Т экономически нецелесообразно, так как необходимо использовать более точные и, как следствие, более дорогие приборы. Например, для контроля валика 40h7(40-0,025) с Т=0,025 мм и ∆и доп = 0,25Т= 0,00625

ммдля проведения измерения размера можно взять микрометр 2 класса (∆си = 0,004 мм).

. Методы измерения размеров Применяют два метода измерения размеров: метод непосредственной оценки и метод

сравнения.

При методе непосредственной оценки значение измеряемой величины определяется по показанию средства измерения. Например, при измерении микрометром результат измерения будет получен по показаниям двух шкал.

При методе сравнения измеряемая величина сравнивается с мерой, а средство измерения показывает разность измеряемой величины и меры. Например, для измерения валов 40h7(40- 0,025) можно применить индикатор часового типа, который с помощью кронштейна устанавливается на стойке на расстоянии примерно 40 мм от измерительного стола. На стол устанавливают, допустим, концевую меру длины размером (М=) 40,000 мм, и опускают индикатор в цанге кронштейна таким образом, чтобы стрелка индикатора сделала один оборот после контакта измерительного наконечника индикатора с мерой, и закрепляют индикатор в цанге. Далее поворотом шкалы устанавливают показания индикатора на нуль. Подняв измерительный наконечник, вынимают меру и устанавливают ее вновь. Прибор должен показывать нуль. Затем вынимают меру и устанавливают контролируемую деталь. Показания индикатора будут соответствовать отклонению размера валика от размера меры. Например, показание индикатора равны минус 2,5 делениям, что при цене деления индикатора 0,001 мм соответствует (П=) - 0,025 мм. Измеряемый размер определяется по формуле

Lд = М + П = 40,000 + (-0,025) = 39,975 мм.

Виды погрешностей измерения.

Погрешности измерения могут быть систематическими и случайными. Систематическая погрешность либо постоянна по значению, либо изменяется во време-

ни по некоторому закону. Значение погрешности или закон ее изменения могут быть установлены, а в результат измерения введена поправка. Например, после проведения серии измерений микрометром было обнаружено, что микрометр не установлен на нуль, т.е. при измерении установочной меры (контрольного валика) размером 25,000 мм микрометр показывал 25,03 мм. Следовательно, все ранее проведенные измерения содержат систематическую погрешность, равную +0,03 мм. Можно не проводить повторных измерений, а ввести поправку в ранее полученные результаты

L = Lд + θ.

Поправка θ равна систематической погрешности, взятой с обратным знаком. В нашем примере θ = -0,03 мм.

Правило: поправку всегда прибавляют.

Например, если Lд = 40,35 мм, то исправленный результат будет

Lд = 40,35 + (-0,03) = 40,32 мм.

Результаты измерения, в которых систематическая погрешность известна и исключена,

называются правильными.

Случайная погрешность обнаруживается при повторении измерений, когда показания средства измерения изменяются от опыта к опыту. Результатом однократного измерения в этом случае называется результат наблюдения. На основе теории вероятностей и математиче-