Экономично использовать метод групповой взаимозаменяемости для малозвенных размерных цепей, к точности замыкающих звеньев которых предъявляются высокие требования. 2 страница

можно подойти к значениям аргументов с позиции обеспечения требуемой динамической связи исполнительных поверхностей двигателя. Так как , то, используя выбранные значения и можно установить номинальный диаметр якоря.

Для установления норм точности двигателя необходимо перейти от допусков на параметры продукции двигателя к допускам на показатели размерных связей и свойств материалов. Например, зависимость поля допуска на частоту вращения от полей допусков на параметры электромагнитных связей выглядит следующим образом:

.

Средние допустимые значения аргументов и функции находятся в следующей зависимости:

.

Помимо задания требуемой точности связей в машине методом расчета, являющегося основным, в практике машиностроения используют и другие пути. Требуемая точность связи может быть установлена:

· на основании экспериментов, поставленных на опытных образцах, первых экземплярах или макетах машин;

· путем имитационного моделирования процесса работы машины и явлений, сопутствующих ее работе;

· в результате опыта эксплуатации аналогичных машин создаваемой;

· путем логических умозаключений и на основании опыта лица, проектирующего машину.

Однако последние два пути менее надежны, так как отражают лишь то, что достигнуто в прошлом, и не могут быть избавлены от субъективизма.

ЛЕКЦИЯ 12

12. Этапы конструирования машины и разработка размерных связей в машине

12.1. Этапы конструирования машины

Цель конструирования машины – выбор материалов с соответствующими свойствами и придание им нужных конструктивных форм, размеров, положения, т.е. построение такой системы связей, которая была бы способна качественно и экономично осуществлять предписанный процесс.

Конструирование машины обычно начинают с обеспечения в машине требуемых форм движения. Движение любой формы создается каким-то источником движения. В машинах с механической формой движения исполнительных поверхностей источником движения чаще всего является двигатель (электрический, гидравлический и др). Выбор двигателя зависит от назначения машины, законов относительного движения исполнительных поверхностей, требуемой мощности, коэффициента полезного действия и экономичности применения. Дальнейшее конструирование машины может быть следующим.

1. После выбора источника движения и форм движения определяют исполнительные поверхности или заменяющие их сочетания поверхностей надлежащей формы.

2. Выбирается закон относительного движения исполнительных поверхностей, обеспечивающий выполнение машины ее служебного назначения.

3. Разрабатывается кинематическая схема машины и всех ее составляющих звеньев.

4. Рассчитываются силы, действующие на исполнительные поверхности, и характер их действия.

5. Зная служебное назначение каждого звена кинематических цепей машины и ее механизм, закон движения, характер, величину действующих сил и ряд других факторов выбирают материал для каждого звенья.

6. Путем расчета определяют основные конструктивные формы, то есть звенья кинематической цепи превращают в детали машин.

Для того чтобы детали, несущие исполнительные поверхности машины, а также все другие детали, выполняющие функции звеньев кинематических цепей двигались в соответствии с выбранными законами и занимали требуемое положение, их соединяют при помощи ряда деталей, называемых базирующими (станины, кронштейны, корпуса и тому подобное) деталями.

Конструктивные формы каждой детали создают исходя из ее служебного назначения путем ограничения необходимого объема выбранного материала различными поверхностями и их сочетаниями.

Разработку начинают с деталей несущих исполнительные поверхности машины, затем переходят к деталям, осуществляющим в машине передачу движения, и, наконец, разработку конструктивной формы базирующих деталей.

Конструктивные формы поверхностей детали рекомендуются разрабатывать в следующей последовательности:

1. исполнительные поверхности – это поверхности, с помощью которых деталь непосредственно выполняют свое служебное назначение;

2. вспомогательные поверхности (базы) — поверхности, определяющие положение деталей, присоединяемых к данной детали;

3. основные поверхности (базы) – поверхности, определяющие в машине положение самой детали;

4. свободные поверхности – поверхности свободные от прикосновения других деталей.

Например, необходимо разработать конструктивные формы вала II редуктора, приведенного на рис. 12.1.

а) б)

Рис.12.1. Кинематическая схема редуктора (а) и конструктивные формы вала II (б)

Вал II предназначен для передачи вращательного движения и крутящего момента от колеса 2 к колесу 3, каждый из них относительно вала надо лишить 6 степеней свободы. Для этого необходимо создать два комплекта вспомогательных баз, в качестве которых могут быть взяты поверхности любой геометрической формы. Однако ради экономичности изготовления детали для первого комплекта вспомогательных баз целесообразно избрать в качестве двойной направляющей базы цилиндрическую поверхность 1 (рис.12.1 б), в качестве опорной базы, лишающей зубчатое колесо перемещение вдоль оси вала, плоскую поверхность 2. Вторую опорную базу, лишающую зубчатое колесо вращение вокруг оси вала, удобнее создать с помощью промежуточной детали – шпонки, для размещения которой на валу надо предусмотреть паз 3. По аналогии с этим поверхности вала 4, 5, 6 составят второй комплект вспомогательных баз. Чтобы определить положение с сидящими на нем зубчатыми колесами относительно других деталей узла, требуется создать комплект основных баз. В принципе опорные поверхности могут быть любой формы (конические, бочкообразные и т.д.), но с точки зрения экономичности изготовления детали выгоднее сделать их цилиндрическими. Две опорные короткие цилиндрические поверхности 7 и 8 образуют основную двойную направляющую базу вала. Перемещения вдоль оси вала может быть лишен с помощью плоской поверхности 9, которая будет основной опорной базой. Наконец, для ограничения длины вала необходимо избрать две плоские поверхности 10, 11 и использовать цилиндрическую поверхность 12 для придания удобной формы средней части вала. Тогда объем материала окончательно примет конструктивные формы вала, являющегося звеном кинематической цепи.

Аналогичным путем разрабатывают конструктивные формы любых деталей машин.

12.2. Разработка размерных связей в машине

При разработке размерных связей в машине определяют размеры поверхностей деталей, положение поверхностей деталей, относительное положение деталей в механизмах, относительное положение механизмов в машине.

Размеры поверхностей деталей устанавливается в результате преобразования кинематических связей:

· длин плеч рычагов;

· шаги резьбы ходовых винтов;

· число зубьев зубчатых колес и т. д.

Расчеты на прочность, жесткость, выносливость, износостойкость позволяет определить основные размеры поверхностей исходя из их служебного назначения и свойств выбранного материала. В результате таких расчетов устанавливают, например, модули, диаметры делительных окружностей и ширину зубчатых венцов, типы подшипников, длины и диаметры шеек валов и т. д.

Переход от действующих нагрузок на кинематических звеньях к размерам поверхностей с учетом избранных материалов является преобразованием динамических связей в размерные.

Положение поверхностей деталей зависит от их служебного назначения (исполнительные, основные, вспомогательные, свободные).

Комплекты баз образуются основными и вспомогательными поверхностями, материализующими соответствующие прямоугольные системы координат (рис.12.2).

Рис.12.2. Установление размерных связей между поверхностями вала

В комплекте положение баз должно быть вполне определенным. Например, в комплекте баз для:

· призматической детали (3–2–1) опорная база должна быть перпендикулярна к направляющей, а направляющая — перпендикулярна к установочной;

· детали типа диска (3–2–1) опорная база должна быть перпендикулярна к двойной опорной, а двойная опорная – перпендикулярна к установочной;

· цилиндрической детали (4–1–1) опорные должны быть перпендикулярны к двойной направляющей.

Участие каждого размера детали в решении задачи строго определено. Поэтому каждая деталь в соответствии со своим служебным назначением может иметь лишь единственный вариант простановки размеров в ее чертежах.

К сожалению, это учитывается не всегда.

Построение машины осуществляется путем соединения деталей в СЕ и СЕ между собой. Происходит это в результате соприкосновения основных баз присоединяемых деталей и СЕ со вспомогательными базами базирующих деталей или СЕ. Иначе говоря, соединение деталей и СЕ представляет собой совмещение соответствующих систем координат.

12.3. Обеспечение требуемой точности связей исполнительных поверхностей машины

Обеспечение требуемой точности размерных связей исполнительных поверхностей машины чаще всего решается с помощью размерных цепей с использованием одного из пяти методов достижения требуемой точности замыкающего звена.

Например: токарно-винторезный станок, в соответствии с его служебным назначением должен быть способен нарезать различные резьбы. Параметр резьбы, зависящий от кинематики – шаг P (рис.12.3).

Рис.12.3. Кинематическая цепь токарно-винторезного станка, обеспечивающая получение резьбы с шагом Р

Образование шага резьбы осуществляется посредством кинематической цепи. Связь продольного перемещения резца с вращением заготовки в образовании шага резьбы при одном обороте шпинделя может быть представлена уравнением:

,

где i_n – передаточное отношение коробки скоростей с постоянным по номиналу передаточным отношением;

i_ув.ш. – передаточное отношение звена увеличения шага;

i_r – передаточное отношение гитары сменных колес;

i_k – передаточное отношение коробки подач;

р_х.в. – шаг ходового винта.

В служебном назначении станка заданы допуски, ограничивающие отклонение шагов резьбы (Т_Р) разных типов. Исходя из Т_Р, можно ограничить допусками отклонения передаточных отношений механизмов токарно-винторезного станка:

.

Определив допуск каждого кинематического звена, необходимо задать допуски на размеры кинематического звена на основе преобразования кинематических связей в размерные.

Например: так как передаточное отношение зубчатой передачи есть отношение радиусов основных окружностей, находящихся в зацеплении пары колес,

то,

.

Таким образом, можно перейти к точности размеров деталей, выполняющих в станке роль кинематических звеньев.

Любая машина представляет собой не абсолютно жесткую, а упругую систему, детали которой деформируются: под действием нагрузок, изменением температур и остаточных напряжений. К тому же детали машин изнашиваются.

Все перечисленное приводит к тому, что точность деталей, достигнутая при изготовлении, не остается постоянной.

Изменяются значения всех показателей геометрической точности деталей (размеров, расстояний, относительных поворотов, формы), а также положение самих деталей в машине.

Поэтому при точностных расчетах должны быть установлены допустимые границы действия каждого динамического фактора, исходя из допуска на показатели геометрической точности и положения деталей, а также предусмотрены средства, обеспечивающие действия факторов в установленных границах. Однако, пока нет общей методики расчета точности машин с учетом действия динамических факторов, расчеты ведут выборочно в местах, где воздействие отдельных динамических факторов проявляется наиболее активно. Так как в конечном счете, динамические явления проявляются в изменении размеров деталей, то на сегодня расчеты ведут основываясь на теории размерных цепей.

Например: В машине (рис.12.4) необходимо обеспечить, чтобы за все время эксплуатации поверхности К и М (исполнительные) находились на расстоянии с допускаемым отклонением в пределах поля допуска . Это требование может быть выполнено. Если в работающей машине отклонения составляющих звеньев А_i размерной цепи будут находиться в пределах полей допусков , установленных в результате расчета размерной цепи А:

Рис.12.4 Изменения размеров звеньев размерных цепей в работающей машине

Причинами отклонений значений каждого составляющего звена могут быть погрешности изготовления деталей, погрешности монтажа деталей, упругие перемещения, возникающее под действием рабочих нагрузок Р, тепловые деформации из-за нагрева и неравномерности нагрева, деформации деталей из-за перераспределения остаточных напряжений, износ детали.

Если попытаться учесть перечисленные факторы, то каждого звена будет являться суммой допусков, ограничивающих эти факторы. Например, для звена А₁ допуск будет равен:

,

где – допуск, ограничивающий погрешность изготовления детали;

– допуск, ограничивающий погрешность сборки;

– допуск, ограничивающий погрешность от упругих деформаций;

– допуск, ограничивающий погрешность от тепловых деформаций;

– допуск, ограничивающий погрешность от остаточных напряжений;

– допуск, ограничивающий погрешность изнашивания.

Соблюдение допуска полностью связано с технологией изготовления детали. Остальные составляющие зависят от технологии изготовления и конструирования.

В процессе конструирования точность обеспечивается путем решения целого ряда задач.

Так на допуск влияет оформление основных и вспомогательных баз, требования, предъявленные к ним, решение задачи закрепления, результаты расчета контактных деформаций и деформаций самой детали под действием закрепления.

Так на допуск влияют упругие перемещения под воздействием нагрузок, зависящих от жесткости детали. Исходными данными для определения жесткости детали являются, с одной стороны допуск, ограничивающий упругое перемещение в направлении , с другой стороны – максимальное значении р^maх действующих сил при работе. Характеристикой минимально необходимой жесткости j^min детали является прямая, проходящая через начало координат системы y, Р и точку с координатами y^max и P^max (рис.12.5 а). Исходя из значения j^min и допуска Т_j,ограничивающего отклонения жесткости, конструктор должен предпринять меры по обеспечению необходимой жесткости детали.

Рис.12.5. Разработка требований к жесткости детали (а) и тепловому режиму ее работы (б)

Обеспечение тепловых деформаций детали в пределах допуска связано с поддержанием температурного режима работающей машины. Для соблюдения требуемого теплового режима в машине может оказаться необходимым оснащение ее устройствами стабилизации температуры (рис.12.5 б).

Малоизученным и трудно управляемым являются процессы деформирования деталей из-за перераспределения остаточных напряжений. Опасны деформации тем, что они могут проявляться спустя много времени после изготовления машины, когда она попадает к потребителю и будет находиться в эксплуатации. Пока основные мероприятия по борьбе с деформированием деталей из-за перераспределения остаточных напряжений предпринимают при изготовлении деталей и сборки машины.

Мерами предотвращения изнашивания детали машины являются следующие:

· выбор материала надлежащей износостойкости;

· конструирование разветвленной и надежной системы смазывания;

· выбор вида смазывающего материала, соответствующего условиям и режимам работы машины;

· создание защиты трущихся поверхностей детали от проникновения пыли и грязи.

Таким образом, первый этап создания машины ? ее проектирование, завершается выдачей чертежей, являющихся графическим отображением машины, т.е. системы множеств связей, свойств материалов и размерных связей. Второй этап ? изготовление машины, является реализацией этой системы связей с помощью производственного процесса.

ЛЕКЦИЯ 13

13. Реализация размерных связей в машине в процессе сборки

Технологический процесс сборки складывается из ряда переходов, включающих соединения деталей в СЕ и общую сборку машины. В процессе соединения придается требуемое относительное положение деталей и различных СЕ и фиксируется.

К технологическому процессу сборки относятся также переходы, связанные:

· с проверкой правильности действия СЕ и различных устройств;

· с регулированием машины и ее механизмов;

· с очисткой;

· с мойкой;

· окраской деталей, СЕ и машины в цепи;

· c разборкой (если машина отправляется потребителю в разобранном виде).

Процесс сборки – заключительный этап в изготовлении машины и определяющий этому процессу подчиняются все остальные.

В общем случае достижение требуемой точности машины в технологическом процессе сборки осуществляется не через конструкторские, а через технологические размерные цепи. Технологические размерные цепи полностью совпадают с конструкторскими при достижении точности замыкающего звена размерной цепи методами взаимозаменяемости: полной, неполной, групповой. При использовании регулировки и пригонки технологические цепи отличаются от конструкторских. Примером может служить размерная цепь (рис.13.1), определяющая зазор между торцами шестерни простановочного кольца в редукторе.

Рис.13.1. Конструкторская размерная цепь

Точность замыкающего звена будет достигаться не с помощью размерной цепи , а уже с помощью технологической размерной цепи (рис.13.2), в которой и .

Значение звена может быть выявлено двумя способами: непосредственным измерением звена (рис.13.3 ) или путем расчета размерной цепи (рис.13.4 ).

При первом способе достижения точности замыкающего звена ограничение отклонений допусками определяется схемой:

Рис.13.2. Технологическая размерная цепь

Рис.13.3. Первый способ определения звена

При втором способе достижения точности замыкающего звена ограничение отклонений допусками определяется схемой:

Рис.13.4. Второй способ определения звена

При втором способе размерные цепи оказываются более сложными. Однако этот способ может оказаться предпочтительней из-за меньшей трудоемкости.

13.2. Причины отклонений размерных связей, возникающих при сборке машины

Точность реализации размерных связей в машине в процессе ее сборки зависит от многих факторов, основными из которых является:

· отклонение формы, относительного поворота, и расстояний деталей при их изготовлении. Эти отклонения приводят к отклонениям положения деталей от требуемого, к неправильному сопряжению и так далее;

· деформации самих деталей и стыков между ними. Деформации являются причинами нарушения геометрической точности деталей по всем показателям, а следовательно, и изменения их положения, достигнутого до приложения силового замыкания;

· погрешность измерения;

· неточность и состояние технической оснащенности;

· относительные сдвиги деталей в промежутке между базированием и закреплением;

· культура производства (грязь, заусеницы, задиры на поверхностях соединения);

· квалификации сборщика.

13.3. Деформирование деталей в процессе сборки машины

Деформация деталей под воздействием сил тяжестинаблюдается в тех случаях, когда недостаточно жесткая деталь имеет большую массу, например станины, рамы, основания и т.п. Такие детали деформируются под действием собственной силы тяжести уже при установке их на фундамент, стенд. Если деформации оказываются сопоставимыми с допусками, ограничивающими отклонение геометрических показателей, принимают меры по уменьшению последствий деформирования.

Мерами, по уменьшению последствий деформаций, могут быть следующие.

1. Повышение жесткости базирующих деталей за счет увеличения числа опор (к шести неподвижным опорам устанавливают дополнительные подвижные опоры в виде регулируемых клиновых опор, домкратов и т. п.).

2. Преднамеренное наделение изготовляемой детали погрешностью противоположной по характеру и значению деформации детали, возникающей в процессе сборки машины. Например, для обеспечения прямолинейности длинных направляющих некоторых станков при установке станины на операции отделочной обработки ее деформируют, придавая направляющим отклонение в сторону вогнутости.

3. Исправление деформированных поверхностей шабрением при сборке машины. Обрабатываются шабрением основные (вспомогательные) базы базирующих деталей СЕ, деформированные под тяжестью смонтированных на ней деталей.

13.3.1.Деформации деталей при закреплении

В резьбовых соединениях на детали и СЕ при закреплении воздействует случайно сформировавшаяся система сил, по следующим причинам:

· отклонения формы, поворотов основных и вспомогательных баз деталей приводят к случайному местоположению точек контакта сопрягаемых поверхностей;

· отклонения поворота крепежных отверстий относительно баз деталей, неперпендикулярность площадок, на которые опираются гайки и головки болтов, относительно осей крепежных отверстий, а также неперпендикулярность торцов болтов к их резьбе смещают точки приложения сил закрепления:

· колебания сил затяжки, сил сопротивления в резьбах приводит к тому, что значение силового замыкания отличается от расчетного:

· последовательность затяжки крепежных деталей.

Перечисленные факторы приводят к пластическому и упругому деформированию стыков. Самих деталей и СЕ. При этом в процессе закрепления могут возникнуть деформации изгиба, кручения и т.д., снижающие качество сборки и работоспособность изделий. Например при установке редуктора на основание (рис.13.2) отклонения формы поверхностей баз приведут к контакту корпуса редуктора с основанием в трех случайно подобравшихся точках (1—3).

При закреплении винтом 4 под воздействием пары сил N₁N₁ редуктора опрокинется относительно линии, соединяющей точки 1 и 2, и соприкоснется с основанием в точке 5, оторвавшись от точки 3. Установка винта 6 и его затяжка вызовет деформацию корпуса и его касание с основанием справой стороны. При закреплении деформации подвергнутся донная часть, полки корпуса, его боковые стенки, что может нарушить положение подшипников и привести к защемлению вала. Деформируются при этом и крепежные детали из-за чего их работа, не будет соответствовать расчетной схеме.

Рис.13.2. Деформирования деталей редуктора при закреплении

Уменьшению погрешностей сборки, вызванных деформированием деталей при закреплении, способствуют:

1. Правильное конструктивное оформление баз деталей и средств крепления. Исключающее (уменьшающее) возможность возникновения пар сил, изгибающих и скручивающих детали.

2. Затяжка крепежных деталей с равномерной силой и требуемым моментом затяжки. Использование предельных (тарированных) ключей позволяет обеспечить требуемый момент затяжки.

3.Обеспечение при изготовлении деталей правильного положения крепежных отверстий и площадок под гайки и головки болтов. Отклонение от перпендикулярности оси резьбового отверстия относительно площадки под головку болта приведет к перекосу болта при ввинчивании и изгибу при затяжке (рис.13.3).

Рис.13.3. Погрешности, возникающие при сборке резьбовых соединений

4. Соблюдение определенной последовательности завинчивания гаек или винтов при большом их числе. Последовательность закрепления гаек и винтов основана на принципе сокращения упругих деформаций сопрягаемых деталей в направлении от середины к краям (рис.13.4).

Рис. 13.4. Последовательность затяжки гаек или винтов

13.3.2.Деформации деталей при сборке соединений с натягом

Соединения деталей с натягом достаточно широко распространены. На процесс запрессовки влияют:

· макрогеометрические отклонения поверхностей сопряжения деталей, их волнистость и шероховатость;

· неоднородность свойств материала;

· нецентральное приложение усилий запрессовки;

· дефекты и загрязнение поверхностей сопряжения соединяемых деталей.

Повышению качества и уменьшению трудоемкости соединения деталей с натягом способствует следующее.