Метрология





Допуски и посадки



Основные понятия о допусках и посадках

Механизмы машин и приборов состоят из деталей, совершающих в процессе работы определенные относительные движения или соединенных неподвижно. Детали, в той или иной степени взаимодействующие между собой в механизме, называют сопряженными.
допуски, посадки, квалитеты Абсолютно точное изготовление любой детали невозможно, как невозможно и измерить ее абсолютный размер, поскольку точность любого измерения ограничена возможностями средств измерения на данном этапе научно-технического прогресса, при этом предела этой точности не существует. Впрочем, выполнение деталей механизмов с наибольшей точностью зачастую нецелесообразно, в первую очередь - с экономической точки зрения, поскольку высокоточные изделия значительно дороже в изготовлении, а для нормального функционирования в механизме вполне достаточно выполнить деталь с меньшей точностью, т. е. дешевле.

Производственный опыт показал, что задачу выбора оптимальной точности можно решить установлением для каждого размера детали (особенно для сопрягаемых ее размеров) пределов, в которых может колебаться ее действительный размер; при этом исходят из того, что узел, в который входит деталь, должен соответствовать своему назначению и не терять работоспособность.

Рекомендации по выбору предельных отклонений размеров деталей разработаны на основании многолетнего опыта изготовления и эксплуатации различных механизмов и приборов и научных исследований и изложены в единой системе допусков и посадок (ЕСДП СЭВ). Допуски и посадки, установленные ЕСДП СЭВ, могут быть осуществлены по системам отверстия или вала.
Рассмотрим основные понятия из этой системы.

***

Номинальным называют основной размер, получаемый из расчета на прочность, жесткость или выбираемый конструктивно и проставляемый на чертеже. Проще говоря, номинальный размер детали получен конструкторами и разработчиками расчетным путем и указывается на чертеже детали в виде основного размера.
Номинальный размер соединения является общим для отверстия и вала, составляющих соединение. По номинальным размерам выполняют в том или ином масштабе чертежи деталей, сборочных единиц и приборов.

Для унификации и стандартизации установлены ряды номинальных размеров (ГОСТ 8032-84 "Предпочтительные числа и ряды предпочтительных чисел"). Полученный расчетом или выбранный размер следует округлять до ближайшего значения из стандартного ряда. Это особенно относится к размерам деталей, получаемым стандартным или нормализованным инструментом, или присоединительным по отношению к другим стандартным деталям или узлам.
Для сокращения номенклатуры применяемого в производстве режущего и измерительного инструмента в первую очередь рекомендуется применять размеры, оканчивающиеся на 0 и 5, а затем - на 0; 2; 5 и 8.

Размер, полученный в результате измерения детали с наибольшей возможной точностью, называют действительным.
Не следует путать действительный размер детали с ее абсолютным размером.
Абсолютный размер – реальный (фактический) размер детали; его невозможно измерить никакими сверхточными средствами измерения, поскольку всегда будет присутствовать погрешность, обусловленная, в первую очередь, уровнем развития науки, техники и технологий. Кроме того, любое материальное тело при температуре выше абсолютного нуля "дышит" - на его поверхности постоянно перемещаются микрочастицы, молекулы и атомы, отрываясь от тела и возвращаясь обратно. Поэтому, даже имея в распоряжении сверхточные средства измерений, абсолютный размер детали определить невозможно; можно лишь говорить о реальном размере в бесконечно малый отрезок (момент) времени.
Вывод очевиден - абсолютный размер детали (как и любого тела) - понятие абстрактное.

Размеры, между которыми может находиться действительный размер изготовленной детали, называют предельными, при этом различают наибольший и наименьший предельные размеры.
Выполненная в интервале между предельными размерами деталь считается годной, если же ее размер выходит за предельные ограничения – она считается браком.
По предельным размерам устанавливают тип соединения деталей и допустимую неточность их изготовления.
Для удобства на чертежах указывают номинальный размер детали, а каждый из двух предельных размеров определяют по его отклонению от этого размера. Величину и знак отклонения получают в результате вычитания номинального размера из соответствующего предельного размера.

Разность между наибольшим предельным и номинальным размерами называется верхним отклонением (обозначается es или ES), разность между наименьшим предельным и номинальным - нижним отклонением (обозначается ei или EI).
Верхнее отклонение соответствует наибольшему предельному размеру, а нижнее - наименьшему.

Все сопрягаемые (взаимодействующие) в механизме детали подразделяют на две группы – валы и отверстия.
Вал обозначает наружный (охватываемый) элемент детали. При этом вал не обязательно должен иметь круглую форму: в понятие «вал» входит, например, шпонка, а шпоночный паз в этом случае называют «отверстием». Основным называют вал, верхнее отклонение которого равно нулю.
Размеры вала на схемах и при расчетах обозначаются строчными (маленькими) буквами: d, dmax, dmin, es, ei и т. д.

Отверстие обозначает внутренний (охватывающий) элемент детали. Как и в случае с валом, отверстие не обязательно должно быть круглым – его форма может быть любой. Основным называют отверстие, нижнее отклонение которого равно нулю.
Размеры отверстия на схемах и при расчетах обозначаются прописными (заглавными) буквами: D, Dmax, Dmin, ES, EI и т. д.

основные понятия о размере, отклонениях, допусках и посадках

Допуском (Т) называется разность между наибольшим и наименьшим предельными размерами детали. Т. е. допуск – это интервал между предельными размерами, в пределах которого деталь не считается браком.
Допуск на размер вала обозначают Тd, отверстия – TD. Очевидно, что чем больше допуск на размер, тем легче изготовить деталь.
Допуск на размер детали может быть определен, как разность между предельными размерами или как сумма предельных отклонений:

TD(d) = D(d)max – D(d)min = ES(es) + EI(ei),

при этом следует учитывать знаки предельных отклонений, поскольку допуск на размер детали всегда положителен (не может быть меньше нуля).

***

Посадки

Характер соединения, определяемый разностью между охватывающим и охватываемым размером, называется посадкой.
Положительная разность между диаметрами отверстия и вала называется зазором (обозначается буквой S), а отрицательная – натягом (обозначается буквой N).
Иными словами, если диаметр вала меньше диаметра отверстия – имеет место зазор, если же диаметр вала превышает диаметр отверстия – в сопряжении присутствует натяг.
Зазор определяет характер взаимной подвижности сопряженных деталей, а натяг - характер их неподвижного соединения.

В зависимости от соотношения действительных размеров вала и отверстия различают подвижные посадки - с зазором, неподвижные посадки - с натягом и переходные посадки, т. е. посадки, в которых может присутствовать и зазор, и натяг (в зависимости от того, какие отклонения имеют действительные размеры сопрягаемых деталей от номинальных размеров).
Посадки, в которых обязательно присутствует зазор, называют посадками с гарантированным зазором, а посадки, в которых обязателен натяг – с гарантированным натягом.
В первом случае так выбирают предельные размеры отверстия и вала, чтобы в сопряжении был гарантированный зазор.
Разность между наибольшим предельным размером отверстия (Dmax) и наименьшим предельным размером вала (dmin) определяет наибольший зазор (Smax):

Smax = Dmax – dmin.

Разность между наименьшим предельным размером отверстия (Dmin) и наибольшим предельным размером вала (dmax) - наименьший зазор (Smin):

Smin = Dmin – dmax.

Действительный зазор будет находиться между указанными пределами, т. е. между максимальным и минимальным зазором. Зазор необходим для обеспечения подвижности соединения и размещения смазки. Чем выше число оборотов и выше вязкость смазки, тем больше должен быть зазор.

В посадках с натягом так выбирают предельные размеры вала и отверстия, чтобы в сопряжении был гарантированный натяг, ограниченный минимальным и максимальным значениями – Nmax и Nmin:

Nmax = dmax – Dmin,       Nmin = dmin – Dmax.

Переходные посадки могут дать зазор или натяг небольшой величины. До изготовления деталей нельзя сказать, что будет в сопряжении. Это становится ясным только при сборке. Зазор не должен превышать величины наибольшего зазора, а натяг - величины наибольшего натяга. Переходные посадки применяются в том случае, если необходимо обеспечить точное центрирование отверстия и вала.
Всего в ЕСДП СЭВ предусмотрено 28 типов основных отклонений для валов и столько же для отверстий. Каждый из них обозначается строчной латинской буквой (ГОСТ 2.304 — 81), если отклонение относится к валу, или прописной, если отклонение относится к отверстию.
Буквенные обозначения основных отклонений приняты в алфавитном порядке, начиная от отклонений, обеспечивающих самые большие зазоры в соединении. Сочетанием различных отклонений вала и отверстия можно получить посадки разного характера (зазор, натяг или переходная).

***

Посадки в системе отверстия и системе вала

Посадки, установленные ЕСДП СЭВ, могут быть осуществлены по системам отверстия или вала.

Система отверстия характеризуется тем, что в ней для всех посадок предельные размеры отверстия остаются постоянными, а посадки осуществляются соответствующим изменением предельных размеров вала (т. е. вал подгоняется по отверстию). Размер отверстия называется основным, а размер вала - посадочным.

Система вала характеризуется тем, что в ней для всех посадок предельные размеры вала остаются постоянными, а посадки осуществляются изменением отверстия (т. е. отверстие подгоняется по размеру вала). Размер вала называется основным, а отверстия - посадочным.

На промышленных предприятиях в основном применяют систему отверстия, так как она требует меньшего количества режущего и измерительного инструмента, т. е. более экономична. Кроме того, технологически удобнее подгонять вал под отверстие, а не наоборот, поскольку удобнее производить обработку и контрольные измерения внешней поверхности, а не внутренней.
Систему вала, как правило, применяют для наружных колец шарикоподшипников и в тех случаях, когда на гладкий вал насаживают несколько деталей с различными посадками.

В машиностроении наиболее распространены посадки, расположенные в порядке убывания натяга и возрастания зазора: прессовая (Пр), легкопрессовая (Пл), глухая (Г), тугая (Т), напряженная (Н), плотная (П), скольжения (С), движения (Д), ходовая (X), легкоходовая (Л), широкоходовая (Ш).
Прессовые посадки дают гарантированный натяг. Глухая, тугая, напряженная и плотная посадки являются переходными, а остальные имеют гарантированный зазор.
Для скользящей посадки гарантированный зазор равен нулю.

Для оценки точности соединений (посадок) пользуются понятием допуска посадки, под которым понимается разность между наибольшим и наименьшим зазорами (в посадках с зазором) или наибольшим и наименьшим натягами (в посадках с натягом). В переходных посадках допуск посадки равен разности между наибольшим и наименьшим натягами или сумме наибольшего натяга и наибольшего зазора.
Допуск посадки равен также сумме допусков отверстия и вала.

***



Квалитеты

Совокупность допусков, соответствующих одинаковой степени точности для всех номинальных размеров, называется квалитетом (I). Иными словами, квалитет – степень точности, с которой выполнена деталь, при этом учитывается размер этой детали.
Очевидно, что если выполнить с одинаковым допуском очень большую и очень маленькую деталь, то относительная точность изготовления большой детали будет выше. Введение системы квалитетов позволяет избежать такой путаницы, поскольку точность изготовления деталей привязывается к их размерам.

По ЕСДП СЭВ квалитеты стандартизованы в виде 19 рядов. Каждый квалитет обозначается порядковым номером 01; 0; 1; 2; 3;...; 17, возрастающим с увеличением допуска.
Два самых точных квалитета - 01 и 0.
Ссылка на допуски по квалитетам ЕСДП СЭВ может быть сделана сокращенно буквами IT «Международный допуск» с номером квалитета.
Например, IT7 означает допуск по 7-му квалитету.

В системе СЭВ для обозначения допусков с указанием квалитетов применяются следующие условные обозначения:

  • Используются буквы латинского алфавита, при этом отверстия определяются прописными буквами, а валы - строчными.
  • Отверстие в системе отверстия (основное отверстие) обозначается буквой Н и цифрами - номером квалитета. Например, Н6, Н11 и т. д.
  • Вал в системе отверстия обозначается символом посадки и цифрами - номером квалитета. Например, g6, d11 и т. д.
  • Сопряжение отверстия и вала в системе отверстия обозначается дробно: в числителе - допуск отверстия, в знаменателе - допуск вала.

***

Графическое изображение допусков и посадок

Для наглядности часто используют графическое изображение допусков и посадок с помощью, так называемых, полей допусков (см. Рис. 1).

графическое построение полей допусков и посадок

Построение выполняется следующим образом.
От горизонтальной линии, условно изображающей поверхность детали при ее номинальном размере, откладывают предельные отклонения в произвольно выбранном масштабе. Обычно на схемах величины отклонений указывают в микронах, но можно строить поля допусков и в миллиметрах, если отклонения достаточно большие.

Линия, которая при построении схем полей допусков соответствует номинальному размеру и служит началом отсчета отклонений размеров, называется нулевой (0-0).
Поле допуска - поле, ограниченное верхним и нижним отклонениями, т. е. при графическом изображении поля допусков показывают зоны, которые ограничены двумя линиями, проведенными на расстояниях, соответствующих верхнему и нижнему отклонению в избранном масштабе.
Очевидно, что поле допуска определяется величиной допуска и его положением относительно номинального размера.
На схемах поля допусков имеют вид прямоугольников, верхние и нижние стороны которых параллельны нулевой линии и отображают предельные отклонения, а боковые стороны в избранном масштабе соответствует допуску размера.

На схемах указывают номинальный D и предельные (Dmax, Dmin, dmax, dmin) размеры, предельные отклонения (ES, EI, es, ei) поля допусков и другие параметры.

Предельное отклонение, которое ближе к нулевой линии, называют основным (верхним или нижним). Оно определяет положение поля допусков относительно нулевой линии. Для полей допусков, расположенных ниже нулевой линии, основным является верхнее отклонение.
Для полей допусков, расположенных выше нулевой линии, основным является нижнее отклонение.

Принцип образования полей допусков, принятый в ЕСДП, допускает сочетание любых основных отклонений с любыми квалитетами. Например, можно образовать поля допусков а11, u14, с15 и другие, не установленные в стандарте. Исключение представляют основные отклонения J и j, которые заменяются основными отклонениями Js, и js.

Использование всех основных отклонений и квалитетов позволяет получить 490 полей допусков для валов и 489 для отверстий. Такие широкие возможности образования полей допусков позволяют применять ЕСДП в различных специальных случаях. Это является ее существенным достоинством. Однако на практике использование всех полей допусков неэкономично, так как вызовет чрезмерное разнообразие посадок и специальной технологической оснастки.

При разработке национальных систем допусков и посадок на базе систем ИСО из всего многообразия полей допусков отбирают только те поля, которые обеспечивают потребности промышленности страны и ее внешнеэкономические связи.

  • h и H - верхнее и нижнее отклонения вала и отверстия, равные нулю (допуски с основными отклонениями h и H приняты для основных валов и отверстий).
  • а - h (А - H) — отклонения, образующие поля допусков при посадках с зазорами.
  • js - n (Js - N) — отклонения, образующие поля допусков переходных посадок.
  • p – zc (P - ZC) — отклонения, образующие поля допусков посадок с натягом.

Схематически основные отклонения показаны на Рис. 3 .

схема основных отклонений валов и отверстий

Поле допуска в ЕСДП СЭВ образуется сочетанием одного из основных отклонений с допуском по одному из квалитетов. В соответствии с этим поле допуска обозначается буквой основного отклонения и номером квалитета, например 65f6; 65e11 — для вала; 65Р6; 65H7 — для отверстия.
Основные отклонения зависят от номинальных размеров деталей и остаются постоянными для всех квалитетов. Исключение составляют основные отклонения отверстий J, К, М, N и валов j и k, которые при одинаковых номинальных размерах, в разных квалитетах имеют различные значения. Поэтому на схемах поля допусков с отклонениями J, К, М, N, j, k, обычно разделены на части и показаны ступенчатыми.

Специфичны поля допусков типа js6, Js8, Js9 и т.д. Они фактически не имеют основного отклонения, поскольку расположены симметрично относительно нулевой линии. По определению основное отклонение – это отклонение ближайшее к нулевой линии. Значит, оба отклонения таких специфических полей допусков могут быть признаны основными, что недопустимо.

Особое значение имеют основные отклонения H и h, которые равны нулю (рисунок). Поля допусков с такими основными отклонениями расположены от номинала «в тело» детали; их называют полями допусков основного отверстия и основного вала.
Обозначения посадок строятся как дроби, причем в числителе всегда находится обозначение поля допуска охватывающей поверхности (отверстия), а в знаменателе – поля допуска охватываемой (вала).

При выборе квалитета соединения и вида посадки конструктору следует учитывать характер сопряжения, эксплуатационные условия, наличие вибрации, срок службы, колебания температуры и стоимость изготовления.
Квалитет и вид посадки рекомендуется выбирать по аналогии с теми деталями и узлами, работа которых хорошо известна, или руководствоваться рекомендациями справочной литературы и нормативных документов (ОСТов).
В соответствии с квалитетом посадки выбирается чистота поверхности сопрягаемых деталей.

Допуски и посадки установлены для четырех диапазонов номинальных размеров:

  • малый - до 1 мм;
  • средний - от 1 до 500 мм;
  • большой - от 500 до 3150 мм;
  • очень большой - от 3150 до 10 000 мм.

Средний диапазон является наиболее важным, поскольку применяется значительно чаще.

***

Пример решения задачи на расчет допусков и посадок подшипникового соединения