Лекция 11. Расчет и выбор посадок

Выбор системы посадок. В машиностроении преимущественно применяют посадки системы отверстия. Посадки системы вала применяют для соединения нескольких деталей с гладким валом (штифтом) по разным посадкам; для установки изделий массового производства в корпусные детали (например, для соединения наружных колец подшипников качения с корпусами). В приборостроении точные оси малого диаметра (менее 3 мм) часто изготовляют из гладких калиброванных прутков, и в этих случаях система вала находит широкое применение.

Выбор квалитетов. При выборе квалитетов необходимо учитывать ряд общих положений.

Технико-экономические факторы. С уменьшением допуска повышается качество, но усложняется изготовление и резко увеличивается стоимость изделий, В связи с этим следует назначать точность, которая при наименьших затратах обеспечивает заданную работоспособность продукции.

Технологические возможности достижения намеченной точности. Каждый метод обработки металлов характеризуется определенной точностью. Точностные возможности одних и тех же технологических процессов (чистового обтачивания, шлифования и пр.) зависят от состояния станков и организации технологических процессов. На изношенном оборудовании получить такую же точность, как на новом нельзя.

Средний уровень точности, гарантирующий работоспособность продукции. Большинство соединений сельскохозяйственных машин выполняют по IT8, IT9.

Возможность проверки намеченной точности размеров. Требуется полное соответствие между уровнем точности продукции и достижимой точностью измерительных средств.

Требования к точности отдельных размеров и соединений.

Наличие посадок и их видов. В интервале размеров от 1 до 500 мм посадки с зазором установлены в квалитетах 4—12, переходные — в квалитетах 4—7, посадки с натягом — в квалитетах 5—8. Если вид посадки определяют по результатам расчета, то квалитет выбирают одновременно с посадкой.

При подборе квалитетов часто используют опыт проектирования и эксплуатации аналогичных изделий. Учитывая повышенные требования к качеству машин и приборов, рекомендуется шире применять квалитеты 6—8.

Основной причиной потери работоспособности машинами серийного выпуска является снижение точности в результате износа основных деталей и соединений, поэтому в настоящее время распространен метод назначения допусков и выбора посадок с зазором, основанный на гарантированных запасах точности эксплуатационных показателей машин. Суть этого метода заключается в том, что на основные детали и соединения назначают несколько завышенные допуски, которые должны обеспечивать эксплуатационные показатели машин (точность вращения шпинделя, перемещения суппорта и пр.), а также компенсировать погрешности изготовления и сборки.

Выбор посадок. Основными характеристиками посадок являются наименьшие натяги или зазоры и их допуски. При переходе от посадок с большими зазорами к посадкам с большими натягами при неизменном номинальном размере наименьшие зазоры уменьшаются и наименьшие натяги увеличиваются. У переходных посадок в том же направлении повышается вероятность получения натягов. При переходе к менее точным квалитетам при одинаковых посадках и номинальных размерах значения S_min и N_min не изменяются, но допуски посадок при этом увеличиваются. Например, допуск посадки H7/f7 в 1,5 раза больше допуска посадки H6/f6 при S_min = 20 мкм. С увеличением допуска посадки утрачивают определенность характера соединения, что особенно нежелательно для посадок с натягами и переходных. Поэтому указанные посадки образуют полями допусков не грубее IT8. Для правильного применения посадок необходимо знать их основные свойства.

Посадки с зазором образуются полями допусков а - h и A - H, установлены в квалитетах 4—12 и применяются в неподвижных и подвижных соединениях; для облегчения сборки при невысокой точности центрирования; для регулирования взаимного положения деталей; для обеспечения смазки трущихся поверхностей (подшипники скольжения) и компенсации тепловых деформаций; для сборки деталей с антикоррозийными покрытиями. Посадки с S_mim = 0 (H/h) обеспечивают высокую точность центрирования и поступательного перемещения деталей в регулируемых соединениях, могут заменять переходные посадки.

Примерные области применения некоторых рекомендуемых посадок с зазором (на примере посадок в системе отверстий). Посадку Н5/h4 назначают для пар с точным центрированием и направлением, в которых допускается проворачивание и продольное перемещение деталей при регулировании. Для вращающихся деталей их применяют только при малых скоростях и нагрузках.

Посадку H6/h5 назначают при высоких требованиях к точности центрирования, посадку H7/h6 (предпочтительную) — при менее жестких требованиях к точности центрирования. Посадку Н8/h7 (предпочтительную) назначают для центрирующих поверхностей, когда можно расширить допуски на изготовление при несколько пониженных требованиях к соосности.

ЕСДП допускает применение посадок H/h, образованных из полей допусков квалитетов 9—12 для соединений при низких требованиях к точности центрирования.

Посадки H5/g4; H6/g5 и H7/g6 (последняя предпочтительная) имеют наименьший гарантированный зазор из всех посадок с зазором. Их применяют для точных подвижных соединений, требующих гарантированного, но небольшого зазора для обеспечения точного центрирования.

Из всех подвижных посадок наиболее распространены Н7/f7, (предпочтительная), H8/f8 и подобные им посадки, образованные из полей допусков квалитетов 6, 8 и 9.

Посадки Н7/е8, Н8/е8 (предпочтительные), Н7/е7 и посадки, подобные им, образованные из полей допусков квалитетов 8 и 9) обеспечивают легкоподвижное соединение при жидкостной смазке. Их применяют для быстровращающихся валов больших машин. Посадку Н9/е9 применяют для крупных подшипников в тяжелом машиностроении, свободно вращающихся на валах зубчатых колес и других деталей, включаемых муфтами сцепления, для центрирования крышек цилиндров. В целях увеличения надежности машин эту посадку следует заменять аналогичной посадкой Н8/е8.

Посадки H8/d9, H9/d9 (предпочтительные) и подобные им посадки, образованные из полей допусков квалитетов 7, 10 и 11, применяют сравнительно редко.

Посадки Н7/с8 и Н8/с9 характеризуются значительными гарантированными зазорами, используют для соединений с невысокими требованиями к точности центрирования. Наиболее часто эти посадки назначают для подшипников скольжения, работающих при повышенных температурах.

При выборе посадок (на основе расчета) необходимо учитывать отношение l/d: чем меньше это отношение, тем меньше должен быть наименьший зазор.

Переходные посадки предусмотрены только в квалитетах 4—8. Точность вала в этих посадках должна быть на один квалитет выше точности отверстия. Они характеризуются возможностью получения сравнительно небольших зазоров или натягов и применяются в неподвижных разъемных соединениях при необходимости точного центрирования; необходимо дополнительное крепление собранных деталей.

Посадки H/n (H7/n6, N7/h6 и др.) характеризуются наибольшими средними натягами из всех переходных посадок. Их назначают для соединений, предающих значительные силы, при наличии ударов и вибраций, также для тонкостенных втулок, не позволяющих применять крепежные детали. Соединения собирают с помощью пресса. Эти посадки назначают преимущественно для соединений, разбираемых только при капитальном ремонте изделия, а также при затрудненной сборке вместо посадок с минимальным гарантированным натягом.

Посадки H/m (H7/m6, M7/h6,) характеризуются меньшими средними натягами, чем посадки Н/n, но для разъема соединений с этими посадками необходимы значительные усилия, поэтому их назначают при высоких статических и небольших динамических нагрузках, когда разборка-сборка соединения производится редко.

Посадки с равновероятными натягами и зазорами (H7/k6, K7/h6 и др.) имеют наибольшее применение из переходных посадок, так как для сборки и разборки не требуют больших усилий и обеспечивают высокую точность центрирования.

Посадки с более вероятными зазорами H/j_s (H7/j_s6, J_s7/h6 и др.) применяют при небольших статических нагрузках, частых разборках и затрудненной сборке, а также для регулирования взаимного положения деталей. Иногда эти посадки применяют вместо посадок H/h с целью повышения точности центрирования, а также когда при пониженной точности изготовления необходимо получить такую же точность центрирования (например, H7/ j_s6 вместо H6/h5).

В переходных посадках при сочетании наибольшего предельного размера вала и наименьшего предельного размера отверстия всегда получается наибольший натяг, при сочетании наибольшего предельного размера отверстия и наименьшего предельного размера вала — наибольший зазор.

Выбор переходных посадок определяется требуемыми точностью центрирования и легкостью сборки и разборки соединения. Точность центрирования определяется радиальным биением втулки на валу (или вала во втулке), возникающим при зазоре и одностороннем смещении вала в отверстии.

Выбор посадок с натягом. Посадки с натягом предназначены в основном для получения неподвижных неразъемных соединений без дополнительного крепления деталей. Относительная неподвижность деталей обеспечивается силами сцепления (трения), возникающими на контактирующих поверхностях вследствие их деформации, создаваемой натягом при сборке соединения. Благодаря надежности и простоте конструкции деталей и сборки соединений эти посадки применяют во всех отраслях.

Посадки с натягом по значению гарантированного натяга подразделяют на три подгруппы.

Посадки с минимальным гарантированным натягом (Н7/р6, Р7/h6, Н6/р5, P6/h5) применяют при малых нагрузках и для уменьшения деформаций собранных деталей. Неподвижность соединения обеспечивают дополнительным креплением. Эти посадки допускают редкие разборки.

Посадки с умеренными гарантированными натягами (0,0002—0,0006) D (H7/r6, H7/s6, H8/s7, H7/t6, R7/h6, T7/h6, H6/r5, H6/s5) допускают передачу нагрузок средней величины без дополнительного крепления, а также с дополнительным креплением. Могут применяться для передачи больших нагрузок, если прочность деталей не позволяет применить посадки с большими натягами, сборка может производиться под прессом или способом термических деформаций.

Посадки с большими гарантированными натягами (0,001—0,002) D) (H7/u7, Н8/u8, U8/h7, H8/x8, H8/z8) передают тяжелые и динамические нагрузки без дополнительного крепления. Необходима проверка соединяемых деталей на прочность; сборка осуществляется в основном способом термических деформаций.

Выбор способа получения соединения (под прессом, с нагревом охватывающей или охлаждением охватываемой детали и др) зависит от конструкций деталей, их размеров, требуемого натяга и других факторов. Прочность соединений с натягом можно повысить путем нанесения на детали гальванопокрытий, правильного выбора конструктивных форм деталей, стабилизации технологических факторов при сборке и т. д.

Надежность посадок с натягом зависит от механических свойств материалов соединяемых деталей, шероховатости и отклонений формы их поверхностей, конструктивных факторов, натяга, метода сборки соединения, условий эксплуатации и т. д. Посадку считают годной, если при наименьшем натяге гарантируется неподвижность соединения, а при наибольшем — прочность соединяемых деталей. При этих условиях соединение передает заданные крутящий момент или осевую силу, а детали выдерживают без разрушения напряжения, вызванные натягом и другими факторами.

Следует иметь в виду, что в процессе эксплуатации прочность соединений с натягом в большинстве случаев уменьшается, что объясняется влиянием ползучести материала и релаксации напряжений. При сочетании некоторых металлов под влиянием давления, температуры и других факторов происходит диффузия и спекание части металла, увеличивается коэффициент сцепления и повышается прочность соединения.

Для подбора посадок применяют методы подобия и расчетный. В методе подобия используют рекомендации по применению различных посадок, разработанные в результате обобщения опыта проектирования и эксплуатации разнообразных машин, механизмов, приборов. При подборе посадок необходимо учитывать конструктивные и эксплуатационные особенности проектируемого соединения. Например, зазоры и натяги для стандартных посадок установлены для следующих условий: нормальная температура работы соединений t = 20°С; соединяемые детали изготовлены из материалов с одинаковыми или близкими температурными коэффициентами линейного расширения; отношение длины соединения к диаметру l/D ≈ 1,5.

Если перечисленные условия не выполнены, то выбор посадок корректируется. При l/D > 1,5 принимают посадки с большими зазорами, а при 1/D < 1,5 — с меньшими. При больших тепловых деформациях отверстия выбирают посадку с уменьшенным зазором, а при больших тепловых деформациях вала — с увеличенным, зазором. Для посадок с натягами при малой длине напрессовки увеличивают натяги и уменьшают их с увеличением длины; для соединения тонкостенных деталей или деталей, изготовленных из малопрочных материалов, применяют посадки с меньшими натягами и т. д. Метод подобия характеризуется отсутствием точных критериев и требует большого опыта проектирования.

Расчетный метод дает более обоснованные результаты. Однако разнообразие соединений препятствует созданию универсального метода расчета посадок. Пока разработаны методы расчета натягов в неподвижных посадках, в соединении подшипников качения с валами, для вычисления зазоров в подшипниках скольжения.

Расчет переходных посадок. Легкость сборки и разборки соединений с переходными посадками, а также характер этих посадок определяются вероятностью получения в них зазоров и натягов. Рассмотрим методику определения вероятного числа соединений с натягами и зазорами в этих посадках.

Дано соединение Ø60Н7/m6.

Для такой посадки натяг может быть в пределах от 0 до 30 мкм, зазор от 0 до 19 мкм. Допуск посадки, равный сумме допусков вала и отверстия составляет 49 мкм. Считаем, что рассеяние размеров отверстия и валов, а также зазоров (натягов) подчиняется закону нормального распределения и допуск деталей равен полю рассеяния, т. е. Т = 6σ.

Учитывая принятые условия, получим

σ_отв = 30/6 = 5 мкм;

σ_вала = 19/6 = 3,17 мкм.

Среднее квадратическое отклонение

(9.16)

т.е. для данного примера = 5,92 ≈ 6 мкм.

При средних значениях размеров отверстия и вала получается натяг 5,5 мкм. Вычислим вероятность того, что значения натяга находятся в пределах от 0 до 5,5 мкм. Для рассматриваемого примера х = 5,5 мкм, z = х/σ_поc = 5,5/6 ≈ 0,91. Пользуясь таблицей значений интегралов функций Ф (z), находим Ф (z) = 0,3186. Вероятность получения натягов в соединении: 0,5 +0.3186 = 0,8186, или 81,86 %. Вероятность получения зазоров: 1 - 0,8186 = 0,1814, или 18,14%. Вероятные натяг - 5,5 — 3σ = - 23,5 мкм и зазор — 5,5 + 3σ = + 12,5 мкм практически являются предельными. При высоких требованиях к точности центрирования, а также при больших (особенно ударных) нагрузках и вибрациях назначают посадки с большим средним натягом, т. е. H/n, H/m. Чем чаще требуется разборка (сборка) узла и чем она сложнее и опаснее в смысле повреждения других деталей соединения (особенно подшипников качения), тем меньше должен быть натяг в соединении, т. е. следует назначать переходные посадки H/k, H/j_s.