Файл: Елизаветин М.А. Повышение надежности машин. Технологические основы повышения надежности машин.pdf

стимой погрешностью. Аналогично определяются номинальный и действительные профили, номинальное и действительное располо­ жение поверхностей и осей. Под профилем понимается контур се­ чения соответствующей поверхности плоскостью, ориентирован­ ной в заданном направлении.

Исходя из эксплуатационных, технологических и метрологи­ ческих соображений ГОСТом 10356—63 введены дифференциро­ ванные (элементарные) показатели, которые используются в ос­ новном для характеристики точности процесса изготовления, для выбора упрощенных методов контроля и для установления точ­ ности формы, если известно специфическое влияние того или ино­ го отклонения формы деталей на работу сопряжения. Кроме того, используют комплексные показатели отклонений формы профиля, характеризующие совокупность всех отклонений формы сечения поверхности и необходимые для контроля, так как большинство измерительных средств позволяет контролировать форму поверх­ ности в отдельных сечениях; эти показатели могут быть использо­ ваны также и для установления точностных требований исходя из эксплуатационных требований.

Для нормирования предельных отклонений формы и распо­ ложения поверхностей диаметром до 2000 мм установлено 12 ступеней точности (ГОСТ 10356—63). Ряды предельных откло­ нений формы и расположения поверхностей, установленные ГОСТом 10356—63, соответствуют 10-му ряду предпочтитель­ ных чисел.

Предельные отклонения формы и расположения поверхно­ стей должны назначаться только тогда, когда по условиям экс­ плуатации или изготовления деталей соединения величины от­ клонений формы и расположения должны быть меньше допус­ ка на размер. Отклонения формы должны регламентироваться комплексными показателями, так как они, характеризуя сово­ купность встречающихся отклонений, позволяют наиболее пол­ но ограничить отклонения формы и более обоснованно устано­ вить требования к точности формы исходя из эксплуатационно­ го назначения детали. Исключения могут быть допущены лишь в тех случаях, когда по конструктивным или технологическим условиям требуется установление дифференцированных пока­ зателей отклонений формы, например, в подшипниках каче­ ния. Отклонение формы и расположения поверхностей умень­ шает контактную жесткость стыковых поверхностей деталей машин и быстро изменяет установленный при сборке началь­ ный характер подвижных посадок. В подвижных посадках де­ талей, работающих при жидкостном трении, когда между тру­ щимися поверхностями находится слой смазки и они не имеют непосредственного контакта, указанные погрешности приводят к неравномерному зазору в продольных и поперечных сечениях, что нарушает ламинарное течение смазки, повышает температу­ ру и снижает несущую способность масляного слоя.

При пуске, торможении, уменьшении скоростей, перегрузках машин и в других случаях, когда не могут быть созданы условия жидкостного трения, возникает полужидкостное трение, при ко­ тором смазка не полностью разделяет трущиеся поверхности. В этом случае вследствие отклонений формы, шероховатости по­ верхности и других погрешностей контакт сопрягаемых поверх­ ностей деталей машин происходит по наиболее высоким верши­ нам неровностей поверхностей, что снижает эксплуатационные свойства деталей.

В процессе монтажа и эксплуатации машин форма деталей может изменяться. Для повышения качества сборочных единиц иногда преднамеренно искажают формы деталей при изготовле­ нии. Например, вкладыши коренных подшипников коленчатого вала некоторых двигателей имеют не цилиндрическую, а гипербо­ лическую форму, что обеспечивает контакт с валом по всей длине подшипника при деформации вала во время работы.

Экспериментально установлено, что отклонения формы дета­ лей в процессе работы механизма изменяются. Установлено, что исходная овальность зеркала цилиндра двигателей ГАЗ-69, ГАЗ-51, ГАЗ-12 и других не более 0,04 мм увеличивается до 0,1— 0,12 мм после 400 ч работы двигателя под нагрузкой, тогда как при исходных значениях овальности до 0,025 мм она увеличивает­ ся за такое же время работы двигателя до 0,05—0,06 мм.

Отклонения формы снижают долговечность деталей машин. Например, уменьшение конусности, овальности и корсетности шеек коленчатого вала двигателей указанных выше марок авто­ мобилей с 0,01 до 0,006 мм повысило срок службы вкладышей подшипников в 2,5—4 раза без появления очагов растрескива­ ния и выкрашивания рабочей поверхности.

В неподвижных посадках отклонения формы, волнистость и шероховатость поверхности сказываются на уменьшении проч­ ности соединения деталей вследствие неоднородности величины натяга и смятия неровностей на сопрягаемых поверхностях при запрессовке. Например, прочность прессового соединения вагон­ ных осей со ступицами колес со средней высотой неровностей по­ верхности около 36 мкм была на 40—50% ниже прочности соеди­ нения тех же деталей со средней высотой неровностей поверхно­ сти около 18 мкм, несмотря на то, что величина натяга до запрес­ совки в первом случае была на 15% больше, чем во втором.

Волнистость и шероховатость поверхности особенно влияют на точность посадок и герметичность ответственных соединений. Неровности, являясь концентраторами напряжений, снижают усталостную прочность, особенно при наличии переходов, выто­ чек и т. п. Коррозия металла возникает и распространяется бы­ стрее на грубо обработанных поверхностях, особенно в местах концентрации напряжений, корродированные же детали имеют значительно меньшую усталостную прочность. Для обеспечения высоких качеств деталей машин кроме ограничения оптимальной

высоты неровностей необходимо устанавливать оптимальный шаг и форму неровностей, т. е. радиусы закругления впадин, углы на­ клона боковых сторон выступов. Следовательно, для получения оптимальных эксплуатационных показателей машин, приборов или других изделий необходимо нормировать и определять дейст­ вительную точность линейных и угловых размеров, точность фор­ мы поверхности, точность расположения поверхностей, волнис­ тость и шероховатость поверхности. Для обеспечения заданной надежности машин, приборов и других изделий надо применять такие методы расчета посадок, которые бы обеспечили необходи­ мый запас точности.

Расчет посадок с зазором. Для обеспечения долговечности подшипники скольжения должны работать в условиях жидко­ стного трения, когда смазка полностью отделяет цапфу вала от вкладыша подшипника. В этом случае зазор в подшипниках должен определяться на основе гидродинамической теории смазки.

Несущая способность масляного клина, создаваемая при вращении элементов пары, значительно уменьшается при нали­ чии погрешностей в расположении цапфы и вкладыша подшип­ ника, а также погрешностей их формы в поперечном и продоль­ ном сечениях. При увеличении зазора увеличивается расход мас­ ла для смазки и ухудшаются эксплуатационные показатели ма­ шин. Если при изготовлении часть вкладышей будет иметь наи­ большие, а часть цапф—наименьшие предельные размеры, то при определенном сочетании запаса на износ практически не останет­ ся. Для обеспечения запаса на износ посадку подбирают по наи­ меньшему зазору, обеспечивающему жидкостное трение, с учетом температурных и силовых деформаций цапфы и вкладыша, а так­ же других конструктивных и эксплуатационных факторов.

Расчет посадок с гарантированным натягом. Для повышения долговечности и надежности посадок с натягом их необходимо вы­ бирать по расчетному натягу, определенному по воспринимаемой соединением осевой силе или крутящему моменту, или по наи­ большему натягу, определенному в соответствии с условиями прочности соединяемых деталей. Часть допуска натяга, идущая на запас прочности при сборке соединения (технологический за­ пас прочности), всегда должна быть меньше запаса прочности соединения при эксплуатации, так как она нужна для случая возможного повышения силы запрессовки, перекосов соединяе­ мых деталей, колебания коэффициента трения, температуры и других факторов.

При соединениях с гарантированным натягом предел выносли­ вости валов значительно снижается. Это объясняется концентра­ цией напряжений от натяга, контактным трением и контактной коррозией, приводящими к механическому повреждению поса­ дочной поверхности вала и к образованию очагов усталостных трещин. Повышение предела выносливости валов при прессовых

посадках (в 1,5—2 раза) достигается обкаткой роликами или дробеструйным наклоном подступичной части вала, ее закалкой с нагревом т. в. ч., цементацией, а также приданием ступице ко­ нической формы, введением разгружающих поясков у вала и раз­ гружающих выточек у втулки. Большое повышение несущей спо­ собности соединений с гарантированным натягом достигается на­ несением на соединяемые детали мягких антикоррозионных пок­ рытий и сборки соединений с нагревом втулки.

Обеспечение надежности посадок в механизмах, работающих при низких температурах. При назначении посадок механизмов, предназначенных для работы при низких температурах, предпо­ лагается, что известна посадка, обеспечивающая работоспо­ собность соединения при нормальной температуре. Эту посадку

Для обеспечения работоспособности соединения в диапазоне температур от —60 до 20° С необходимо, чтобы предельные зазо­ ры (или натяги) расчетной посадки как при температуре —60° С, так и при +20° С по возможности не выходили за предельные за­ зоры (или натяги) исходной посадки. Изменение зазора (или на­ тяга) в соединении, вызванное отклонением температуры, при которой эксплуатируется соединение, от нормальной, называется температурным изменением посадки. Расчетная величина темпе­ ратурного изменения посадки At определяется по формуле

Аt = dAat,

где d — номинальный диаметр соединения;

Act = ад — «в — разность коэффициентов линейного расшире­

(рис. 36).

Например, требуется определить температурное изменение по­ садки At при диаметре соединения d = 50 мм. В первом случае втулка изготовлена из стали, а вал из латуни, а во втором вал — из стали, а втулка — из латуни. Пользуясь графиком, показан­ ным на рис. 36, для первого случая опускаем перпендикуляр из точки d = 50 мм до пересечения с линией сталь — латунь (линия Ст—Л) в точке А, а затем из точки А опускаем перпендикуляр на ось At и находим At = —30 мкм. Для второго случая величи­ ну At = ±27 мкм получим путем пересечения линии Л —Ст в точке В.

Усредненные значения коэффициентов линейного расширения в интервале температур ( + 20ч— 60° С) для применяемых в ма­

шиностроении материалов можно найти в соответствующих справочниках.

Для удобства расчета температурное изменение посадки

значениях коэффициента (К > 0; ад > «в) с уменьшением темпе­

ратуры зазор уменьшается, а натяг увеличивается. При отрица­ тельных значениях коэффициента (К < 0; ад < ав) с уменьшени­ ем температуры зазор увеличивается, а натяг уменьшается.

Т а б л и ц а 12

Значения коэффициентов К для расчета температурных изменений посадок

При расчете температурного изменения посадки в соедине­ нии более чем двух деталей должно быть учтено влияние темпе­ ратурных изменений посадок между каждой парой деталей на посадку в рассматриваемой паре. Например, при расчете тем­ пературных изменений зазор между цапфой 1 и втулкой 3, за­