Обеспечение точности сборки при производстве и ремонте машин


В. И. Ковалевский, С. В. Ковалевский, Ю. Д. Шевцов












                ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ СБОРКИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РЕМОНТЕ МАШИН





Учебное пособие





















2-е издание, переработанное и дополненное





















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 621.01
ББК 34.4
      К56


Рецензент:
доктор технических наук, профессор Кубанского государственного аграрного университета Григораш О. В.





     Ковалевский, В. И.
К56       Обеспечение точности сборки при производстве и ремонте машин :
     учебное пособие / В. И. Ковалевский, С. В. Ковалевский, Ю. Д. Шевцов. -2-е изд., перераб. и доп. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. -252 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0913-1

     Изложены принципы обеспечения требуемой точности сборки сборочных единиц и механизмов машин в процессе их проектирования, изготовления и ремонта. Даны общие понятия о показателях качества машин, способах их обеспечения, методах достижения точности сборки, сборочных размерных цепях и их свойствах. Кратко изложена теория построения и расчета размерных цепей в вероятностном аспекте. Рассмотрены расчеты показателей точности сборки методами взаимозаменяемости и компенсации.
     Для студентов, изучающих технологию машиностроения, автомобили и автомобильное хозяйство. Может быть полезно преподавателям и инженерно-техническим работникам производств при решении практических задач обеспечения качества производства и ремонта машин.

                                                          УДК 621.01
                                                          ББК 34.4








ISBN 978-5-9729-0913-1

© Ковалевский В. И., Ковалевский С. В., Шевцов Ю. Д., 2022
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                         © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

            ОГЛАВЛЕНИЕ



ПРЕДИСЛОВИЕ ...........................................................5

ВВЕДЕНИЕ...............................................................6

1. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ....................................7
  1.1. Технологический процесс сборки. Основные понятия и определения..7
  1.2. Обеспечение показателей качества машин и механизмов при сборке.10
  1.3. Общая характеристика методов достижения точности сборки........13
  1.4. Сборочные размерные цепи в машинах и их свойства...............18
  1.5. Элементы теории вероятностей и математической статистики.......23
  1.6. Распределение случайной величины...............................27

2. ОСНОВЫ ТЕОРИИ РАСЧЕТА РАЗМЕРНЫХ ЦЕПЕЙ..............................36
  2.1. Рассеивание размеров деталей...................................36
  2.2. Рассеивание показателей точности сборки........................40
  2.3. Определение коэффициентов приведения составляющих размеров.....44

3. РАЗМЕРНЫЕ ЦЕПИ ТИПОВЫХ СБОРОЧНЫХ ЕДИНИЦ............................49
  3.1. Выявление сборочных размерных цепей............................49
  3.2. Установка двух сборочных единиц на общем основании.............50
  3.3. Сборочные единицы механизмов привода машин.....................54
  3.4. Размерные цепи сборочных единиц агрегатов автомобиля...........57

4. РАСЧЕТ РАЗМЕРНЫХ ЦЕПЕЙ.............................................69
  4.1. Общие положения................................................69
  4.2. Метод расчета на максимум-минимум..............................69
  4.3. Вероятностный метод расчета....................................74
  4.4. Расчет компенсаторов...........................................82

5. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ СБОРКИ МЕТОДОМ ГРУППОВОЙ ВЗАИМОЗАМЕНЯЕМОСТИ................................................85
  5.1. Основы теории и принципы метода............................85
  5.2. Компенсация износа деталей в сопряжении методом групповой взаимозаменяемости..................................................90

6. ТОЧНОСТЬ СБОРКИ ЗУБЧАТЫХ И ЧЕРВЯЧНЫХ ПЕРЕДАЧ МЕТОДОМ ВЗАИМОЗАМЕНЯЕМОСТИ............................................99
  6.1. Показатели качества и точности сборки..........................99
  6.2. Передачи зубчатые цилиндрические..............................102
   6.2.1. Обеспечение точности межосевого расстояния.................102
   6.2.2. Обеспечение точности по перекосу осей валов................107
   6.2.3. Обеспечение точности по параллельности осей валов..........109
   6.2.4. Точность осевого зазора в радиально-упорных подшипниках.110
  6.3. Передачи зубчатые конические (ГОСТ 1758-81)................113
   6.3.1. Совпадение вершины делительного конуса шестерни с осью вращения колеса................................................113

3

   6.3.2. Совпадение вершины делительного конуса колеса с осью вращения шестерни.......................................116
   6.3.3. Точность межосевого угла конической передачи............118
   6.3.4. Точность межосевого расстояния конической передачи......122
  6.4. Обеспечение точности сборки червячной передачи.............125

7. ЭФФЕКТИВНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ПРЯМОЗУБЫХ КОНИЧЕСКИХ ПЕРЕДАЧ................................................131
  7.1. Пространственное регулирование зацепления..................131
  7.2. Обеспечение полноты контакта зубьев........................140
  7.3. Точность полнорегулируемых прямозубых конических передач...150
   7.3.1. Компенсирующее устройство из поворотных косых шайб......150
   7.3.2. Конические редукторы с пространственным регулированием зацепления.........................................................156
  7.4. Оценка точности сборки прямозубой конической передачи методом размерного анализа..................................................159
   7.4.1. Анализ способа компенсации отклонений межосевого расстояния в конической передаче..........................................159
   7.4.2. Сравнительный анализ способов регулирования зазора в прямозубой конической передаче............................................164

8. ТОЧНОСТЬ СБОРКИ ЦЕПНЫХ ПЕРЕДАЧ В МАШИНАХ.......................169
  8.1. Влияние погрешностей сборки цепной передачи на качество зацепления..........................................................169
  8.2. Условия полного прилегания зуба и ролика в зацеплении......175
  8.3. Компенсация торцового биения звездочки.........................177
  8.4. Компенсация перекосов в зацеплении продольной модификацией зубьев звездочки................................................185

9. МЕТОДИКА И ПРИМЕРЫ ПРАКТИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ ТОЧНОСТИ СБОРКИ...................................................192
  9.1. Выявление сборочных размерных цепей в сборочных единицах...193
  9.2. Расчет размерных цепей при обеспечении точности сборки методами взаимозаменяемости..............................................201
  9.3. Обеспечение точности сборки методами технологической компенсации.203
   9.3.1. Метод регулирования неподвижным компенсатором...........203
   9.3.2. Метод групповой взаимозаменяемости (селективная сборка).213
  9.4. Расчет размерной цепи кривошипно-шатунного механизма двигателя.217
  9.5. Расчет режима сборки соединений с натягом..................222
   9.5.1. Сборка продольным прессованием..........................222
   9.5.2. Сборка при помощи температурного деформирования.........226

ЛИТЕРАТУРА........................................................229

ПРИЛОЖЕНИЕ А......................................................230

4

            ПРЕДИСЛОВИЕ



     Актуальность производства машин высокого качества на современном этапе развития машиностроительного и других производств требует соответствующего уровня конструкторской и технологической подготовки выпускников вузов. В дипломных и курсовых проектах выполняются чертежи общих видов сборочных единиц машин и рабочие чертежи деталей, на которых задают посадки сопряжений, а также допуски размеров, формы и взаимного положения поверхностей деталей. При разработке технологии производства или ремонта изделия машиностроения требуется обязательно обеспечить соответствие собранного изделия заданным техническим требованиям. В связи с этим при подготовке бакалавров, специалистов и магистров, как конструкторов, так и технологов, предусматривается изучение в соответствующих дисциплинах систем допусков и посадок, конструкций деталей и сборочных единиц, методов их расчета.
     Настоящее учебное пособие основывается на материалах учебных дисциплин и его цель - подготовить студента к решению практических задач обеспечения точности сборки при проектировании технологических процессов изготовления и ремонта машин. В пособии в кратком изложении даны сведения о показателях качества машин и способах их обеспечения. Рассмотрены методики выявления размерных цепей в типовых сборочных единицах механизмов привода машин и агрегатов автомобиля. Методика расчета показателей точности сборки базируется на основных положениях теории вероятностей, что позволяет получать результаты, хорошо согласующиеся с практикой.
     При подготовке учебного пособия авторы широко использовали учебную и методическую литературу, которая полностью приведена в библиографическом списке. Однако из методических соображений ссылки сделаны лишь на те литературные источники, конкретные сведения из которых необходимы для практического использования.
     Авторы выражают искреннюю благодарность д-ру техн. наук профессору О. В. Григорашу за рецензирование учебного пособия.

5

ВВЕДЕНИЕ


      Комплексным показателем качества машин, технологического оборудования, транспортных средств и других изделий машиностроения является их конкурентоспособность, которая становится основой технического прогресса. Всё более высокие требования, предъявляемые к машинам, связаны с их производительностью, работоспособностью, эксплуатационными свойствами, трудоемкостью и стоимостью производства. Указанные качества машина приобретает в результате производственного процесса, завершающим этапом которого является сборка. Трудоемкость сборочных работ в машиностроении составляет 30 ... 35 % общих трудозатрат на производство машин. В связи с этим значение качества сборки в формировании технических и экономических показателей машины и ее агрегатов является в значительной степени определяющим.
      Под качеством сборки машины предполагается в первую очередь ее точность - степень соответствия точностных параметров и показателей отдельных элементов, сборочных единиц и машин значениям, заданным техническими требованиями. Точность сборки обеспечивается совместной работой конструктора и технолога. На стадии проектирования с помощью размерного анализа определяют методы достижения точности сборки сборочных единиц и общей сборки всего изделия и одновременно определяют допуски на размеры деталей. На основе методов достижения точности сборки формируют структуру технологического процесса, оснащенность и форму организации производства.
      Сборка изделий по методу полной взаимозаменяемости позволяет исключить малопроизводительные регулировочные и пригоночные работы, а сборка по методу неполной и групповой взаимозаменяемости свести их до минимума. Поэтому при проектировании изделия используют все возможности для применения методов взаимозаменяемости. Однако при назначении допусков на размеры деталей часто требуемая точность не соответствует точности, достижимой в производственных условиях. В таком случае в конструкцию вводят специальные детали - компенсаторы, которые позволяют расширить допуски на механическую обработку деталей и перейти к сборке методами технологической компенсации.
      Эксплуатационные показатели машин тесно связаны с точностью всех ее составных частей и машины в целом. Наиболее эффективным направлением повышения качества машин является применение в практике их производства расчетных принципов обоснования показателей точности сборки. В результате сборки детали в машине или сборочной единице должны находиться в заданных функциональных взаимосвязи и взаимозависимости. По этой причине показатели точности деталей и сопряжений должны соответствовать их назначению в сборочной единице.

6

            1. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ


            1.1. Технологический процесс сборки.
            Основные понятия и определения


     Сборка - завершающая стадия производства машин. От качества сборки зависят основные показатели качества машины - надежность и долговечность. В свою очередь качество сборки и ее трудоемкость зависят от правильности проектирования технологического процесса. При организации сборочных процессов различают общую сборку, объектом которой является конечное изделие, узловую сборку, объектом которой являются составные части конечного изделия -сборочные единицы (агрегаты или узлы), поступающие затем на общую сборку.
     Таким образом, изделие состоит из деталей и сборочных единиц различной степени сборки в зависимости от их сложности. Так, сборочная единица первой степени сборки состоит только из деталей, второй степени - из одной или нескольких единиц первой степени сборки и деталей и т. д. Элемент, с которого начинают сборку изделия или его составной части, называется базовым. Готовое изделие должно удовлетворять показателям, техническим требованиям и нормам точности, установленным в зависимости от служебного назначения машины. Под служебным назначением машины при этом понимается формулировка задачи, для решения которой она предназначена.
     Все работы, выполняемые при сборке машин, подразделяются на вспомогательные и сборочные. При сборке изделия осуществляются соединения, классификация которых представлена на рисунке 1.1, с их помощью устанавливаются размерные связи между деталями и узлами, образующими сборочные единицы и машины. Любое соединение получают посредством ориентации собираемых деталей и сообщения им необходимых относительных перемещений. Сборочным работам обычно предшествуют вспомогательные работы для предварительной подготовки сопрягаемых деталей. Целью вспомогательных работ, классификация которых приведена на рисунке 1.2, является подбор деталей для сборки, передача собранной сборочной единицы на общую сборку либо подготовка к складированию и отправке потребителю.
     Технологический процесс сборки представляет собой последовательное соединение, взаимную ориентировку и фиксацию деталей и узлов для получения готового изделия, удовлетворяющего установленным требованиям. К технологическому процессу сборки относятся также операции, связанные с проверкой правильности действия отдельных механизмов, узлов и машины в целом, операции по очистке, промывке, окраске изделия или сборочных единиц и деталей.
     Сборочная операция - это технологическая операция установки и образования соединений составных частей заготовки или изделия.


7

Рисунок 1.1. Классификация соединений деталей машины

Рисунок 1.2. Классификация вспомогательных работ

     Переход сборочного процесса - законченная часть операции сборки, выполняемая над определенным участком сборочного соединения неизменным методом одним и тем же инструментом или приспособлением. Прием (элемент) сборочного процесса - отдельное законченное действие рабочего при сборке или подготовке к сборке изделия или узла. Содержание операций и переходов технологического процесса сборки определяется конструкцией изделия, совершенством технологии механической обработки деталей, состоянием сборочного производства и размерами программного задания.


8

      При установлении последовательности и содержания сборочных операций и составлении технологической схемы сборки изделие условно разбивается на составные части, исходя из следующих принципов:
      -      сборочная единица не должна расчленяться в процессе сборки; габаритные размеры сборочных единиц должны обеспечить возможность их сборки наличными техническими средствами;
      -      перед сборкой должны быть выполнены подготовительные и пригоночные работы, сборочная единица не должна состоять из большого числа деталей и сопряжений;
      -      большинство деталей должно войти в те или иные сборочные единицы за исключением базовых деталей и деталей крепления;
      -      расчленение изделия должно обеспечивать сборку наибольшего числа сборочных единиц независимо одну от другой.
      Последовательность сборки представляется в виде технологической схемы сборки, - условным изображением порядка комплектования изделия и сборочных единиц при сборке. На схеме каждый элемент изделия обозначается прямоугольником с наименованием составной части, ее номером и количеством (рисунок 1.3, 6). Горизонтальной линией изображается процесс сборки от базовой детали до изделия. Выше этой линии в порядке последовательности сборки прямоугольниками условно обозначаются детали, а ниже прямоугольниками сборочные единицы первого уровня сборки, еще ниже - второго и более высоких уровней до изделия. На рисунке 1.3 приведен пример оформления технологической схемы сборки. Последовательность общей сборки во многом определяется заложенными в конструкции методами получения точности машины. Оптимальный вариант последовательности сборки машины или сборочной единицы (заданного качества при наименьших затратах средств и труда) находят в результате проведения их размерного анализа. При наличии образца изделия последовательность сборки может быть установлена в процессе его пробной разборки. Элементы, которые могут быть сняты в неразобранном виде, принимаются как составные части изделия, на которые далее составляют технологические схемы узловой сборки. Детали, снимаемые отдельно, являются элементами, непосредственно входящими в общую сборку изделия.
      После разработки технологической схемы сборки устанавливается состав необходимых сборочных и вспомогательных работ и определяется содержание технологических операций и переходов.
      В условиях мелкосерийного и единичного производства ограничиваются проектированием маршрутного технологического процесса, устанавливающего последовательность и содержание сборочных и вспомогательных операций. При этом последовательность выполнения переходов строго регламентируется схемой сборки и оформляется в виде маршрутной технологической карты. При средне- и крупносерийном типах производства, кроме указанных, оформляются операционные технологические карты и соответствующие технологические документы.

9

       1.  Колесо зубчатое      1
       2.   Шпонка              1
       3.   Корпус              1
       4.   Шпонка              1
       5.   Вал                 1
       6.   Крышка              1
       7.   Шайба               4
       8.   Ось                 4
       9.   Штуцер              2
       10.   Прокладка          2
       11.   Шестерня           1
       12.   Ось                1
       13.   Шестерня           1
                                                      14.  Гайка корончатая    1
                                                      15.  Шплинт              1

Рисунок 1.3. Пример оформления технологической схемы сборки а - масляный шестеренчатый насос; б - технологическая схема сборки



            1.2. Обеспечение показателей качества машин и механизмов при сборке


     Задача повышения эксплуатационных показателей машин является одной из основных задач машиностроения. К числу качественных показателей современных изделий машиностроения относятся точность, долговечность, надежность и др., которые обеспечиваются в процессе конструирования, изготовления и ремонта машин. Современный уровень конструирования позволяет,

10

используя расчетные принципы, обосновывать качественные показатели изделий, в значительной мере зависящие от правильности выбора допусков размеров и посадок, допусков формы и отклонений взаимного положения поверхностей деталей.
     В собранном изделии детали находятся во взаимосвязи и взаимозависимости. Поэтому отклонение размеров, формы и взаимного положения поверхностей или осей деталей суммируясь, оказывают определенное воздействие на качественные характеристики изделия. Основные показатели качества машины исходят из ее служебного назначения и выражаются техническими требованиями и нормами точности.
     Формулировка служебного назначения, в общем случае содержит ряд сведений, которые учитывают в процессе проектирования и изготовления. Например, для редуктора: передача вращательного движения с преобразованием его параметров (угловых скоростей, ы, крутящих моментов, Т, передаточного отношения, i); заданное взаимное положение (межосевое расстояние, aw, межосевой угол, £). Исходя из служебного назначения машины, и, соответственно, редуктора обосновывают и назначают технические требования и нормы точности - основные показатели их качества.
     Свое служебное назначение машина и ее механизмы выполняют посредством ряда поверхностей или их сочетаний, принадлежащих отдельным деталям машины (или сборочной единицы). Эти поверхности называются исполнительными, например, оси шпинделя и пиноли, оси валов соединяемых механизмов, боковые поверхности зубьев в зубчатых передачах, поверхности кулачка и элемента толкателя и т. д. Основные показатели качества машины обеспечиваются, как было сказано, в процессе ее производства и ремонта. При этом наибольшие трудности связаны с обеспечением требований точности. Конструктор при разработке машины (сборочной единицы) закладывает методы достижения точности каждого параметра. Технолог же должен: вскрыть заложенные методы достижения точности, оценить их для заданного масштаба выпуска, проверить правильность простановки размеров и допусков (либо проставить их самому), убедиться в наличии компенсаторов (для метода регулирования или пригонки), выбрать и обосновать методы достижения точности сборки.
     Обеспечение точности сборки машин и механизмов связано с обеспечением технологичности и ремонтопригодности конструкции и требует совместной работы конструктора и технолога. В процессе этой работы находятся и реализуются взаимосвязи конструкции изделия с прогрессивной технологией и требованиями к механизации и автоматизации производства. На стадии проектирования большое место занимает размерный анализ конструкции, с помощью которого определяют методы достижения точности сборки сборочных единиц и общей сборки изделия. Одновременно решаются задачи по определению точностных параметров деталей: предельных отклонений размеров, формы и положения поверхностей.
     На основании выбранных методов достижения точности формируется структура технологического процесса, оснащенность и форма организации сборочного производства. Сборка изделий по методу полной взаимозаменяемости

11

позволяет исключить трудоемкие работы, выполняемые вручную, а по методу неполной и групповой взаимозаменяемости свести их до минимума.
     При проектировании изделий используются все технические возможности для сохранения методов взаимозаменяемости. Однако опыт машиностроения показывает, что назначение допусков на размеры детали связано с возникновением сложных противоречий. С одной стороны точность детали, назначаемой конструктором из требований функциональной целесообразности, с другой - достижимая точность, определяемая технологом с учетом производственных условий. Если требования точности детали не могут быть выполнены на данном производстве, то методы полной и неполной взаимозаменяемости не применяют. В конструкцию вводят специальные детали - компенсаторы, которые позволяют расширить допуски на механическую обработку деталей изделия до приемлемых либо экономически оправданных.
     Следует заметить, что расширение допусков на размеры деталей приводит к возникновению и росту значений отклонений формы и взаимного положения базовых поверхностей вследствие появления технологической наследственности. Кроме того, возникают перекосы осей из-за контактной деформации деталей в сопряжениях, появляющихся в ходе сборки по причине неравномерной затяжки крепежных болтов. Эти явления, в конечном счете, влияют на точность сборки и надежность машины и приводят к возникновению новых отрицательных качеств. Возникшие противоречия разрешаются методами и средствами компенсаций погрешностей при сборке машин. Очевидно, что расширение допусков на размеры и отклонения формы и взаимного положения поверхностей при механической обработке обусловливает увеличение объема трудоемких ручных работ на сборке при подгонке компенсаторов и регулировании выходных параметров точности.
     Сравнительную оценку трудоемкости сборки, в которой точность обеспечивается методами взаимозаменяемости и компенсации, можно дать, воспользовавшись уравнениями:

Z = ^^Eₜ + Е; Z' = ^Eᵢ ₊ E',

где Z и Z' - общая трудоемкость сборки одного изделия в случае применения методов полной взаимозаменяемости и компенсации соответственно: £’'!_■] Е,, Z"=iEt- суммы трудоемкостей изготовления деталей, входящих в сборочную единицу (n +1 учитывает появление компенсатора); Е и Е' - трудоемкости сборки по соответствующим методам.
     На рисунке 1.4 показаны графики функций трудоемкости изделия при методах сборки полной взаимозаменяемости (сплошная линия) и компенсации (штриховая линия) в зависимости от числа n деталей в изделии.

12