CC BY
182
УДК 621.9.08:621.753.2:531.7:621.431
Н. Н. ЧИГРИК
Омский техникум высоких технологий машиностроения
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОГРЕШНОСТИ ОТКЛОНЕНИЯ ФОРМЫ СОПРЯГАЕМЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ ЦИЛИНДРО-ПОРШНЕВОЙ ГРУППЫ АВТОМОБИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ ЗМЗ-511.10 ПРИ СЕЛЕКТИВНОЙ СБОРКЕ НА ТОЧНОСТЬ ЭЛЕМЕНТНЫХ РАЗМЕРОВ
При рассмотрении определений предельных размеров отверстия и вала, данных ГОСТ 25346-89 с позиции предела максимума и минимума материала, учитывая, что допуск элементного размера ограничивает отклонение формы его поверхностей, при измерении и сортировке на размерные группы сопрягаемых деталей цилиндро-поршневой группы автомобильного двигателя ЗМЗ-511.10 отклонения формы реальных поверхностей элементных размеров, ограниченные полем допуска формы, уменьшают поле допуска действительных размеров на значение допуска формы. Выявлено, что расширить поле допуска размера можно посредством сужения допуска формы при установке между допуском формы и допуском размера рационального соотношения по ГОСТ 24643-81 и введением производственного допуска (Тпр), значение которого меньше табличного допуска на значение вероятностного выхода размера за пределы поля допуска (с) у неправильно принятых деталей, соответствующего отклонению формы реальных поверхностей сопряжений, при смещении внутрь поля допуска изделия (Тизд) относительно значений предельных отклонений элементных размеров.
Ключевые слова: метод групповой взаимозаменяемости, отклонение формы поверхностей, посадка, допуск посадки, допуск формы цилиндрической поверхности, погрешность.
В зависимости от назначения соединений все конструктивные элементы деталей с сопрягаемыми поверхностями, имеющими одинаковый номинальный размер, сохраняют полную неподвижность или обеспечивают возможность движения друг относительно друга. Все размеры с проставленными нормами точности подразделяются на элементные, или сопрягаемые, образующие посадку с сопрягаемой деталью и координирующие, определяющие положение элементов детали и присоединяемых деталей относительно комплекта основных конструкторских баз. Реальная форма поверхностей элементов делает элементный размер переменным, ограниченным двумя значениями — наибольшим и наименьшим. Наибольший диаметр вала есть диаметр прилегающего цилиндра, а его наименьший диаметр — минимальное расстояние между противолежащими точками цилиндрической поверхности. Допуск элементного размера ограничивает отклонение формы его поверхностей, а допуск координирующего размера ограничивает отклонения расположения образующих его элементов. При измерениях и сортировке деталей на размерные группы валы сортируются по наибольшему диаметру, а отверстия — по наименьшему. Действительные размеры годных отверстий и валов в партии деталей, изготовленных по одним и тем же чертежам, могут колебаться между заданными предельными размерами, соответственно, значение зазоров или натягов в сопряжении может колебаться в зависимости от изменения
значений действительных размеров сопрягаемых поверхностей деталей. Для обеспечения подвижности соединений действительный размер отверстия, представляющий собой охватывающий элемент, должен быть больше действительного размера вала — охватываемого элемента. Для обеспечения неподвижного соединения с натягом действительный размер вала, как охватываемый элемент, должен быть больше действительного размера отверстия — охватывающего элемента, что достигается запрессовкой с усилием вала в отверстие, либо посредством увеличения перед сборкой размера отверстия путем нагрева, при этом вследствие деформации сопрягаемых поверхностей деталей размеры вала и отверстия после сборки становятся одинаковыми.
Реальное расположение элементов деталей делает переменными координирующие размеры, которые также можно ограничить двумя значениями — наибольшим и наименьшим, измеренными как расстояния между прилегающими к реальным поверхностям или их осям в направлениях, определяемых конструкторскими базами по ГОСТ 2149576 [1]. Отклонения расположения не включают расположение формы рассматриваемой поверхности за счет использования прилегающих поверхностей, при этом исключения составляют радиальное и торцевое биение. Неизбежность искажения формы наружных и внутренних цилиндрических поверхностей изделий в процессе их изготовления вызывает негативные последствия искажения формы плоских
[¡рш&гощвя о?ру*чость
ж)
Рис. 1. Отклонение от цилиндричности, круглости и профиля продольного сечения: а — графическое пояснение образования отклонения (ДЕК) и допуска (Тн) цилиндричности; б — графическое пояснение образования отклонения (ДЕН) и допуска (Тк) профиля продольного сечения; в — графическое пояснение образования отклонения (ДЕН) и допуска (Тк) круглости; г — конусообразность; д — бочкообразность; е — седлообразость; ж — огранка
поверхностей. Отклонения формы отсчитываются от базовой поверхности формы и в зависимости от вида поверхности оцениваются комплексными и элементными параметрами геометрической точности формы. К нормируемым комплексным отклонениям формы относятся отклонения от цилиндричности, круглости, профиля продольного сечения, плоскостности и прямолинейности, а к элементным отклонениям формы действительного профиля поверхности относительно номинальной овальности, огранка, конусообразность, бочкообразность, сед-лообразность и изогнутость. Для плоскостей нормируемыми элементными отклонениями формы являются вогнутость и выпуклость. Измерение отклонения от цилиндричности, как комплексного параметра точности формы цилиндрических поверхностей часто недостаточно обеспечено производственными измерительными средствами, в связи с чем его раздельно нормируют и измеряют дифференциальными отклонениями от круглости и профиля продольного сечения.
При нормировании отклонений формы, ее количественной оценки и взаимного расположения поверхностей используется принцип прилегающих прямых, поверхностей и профилей. Определение предельных размеров отверстия и вала с учетом отклонений формы ГОСТ 25346-89 (СТ СЭВ 145-88) [2] дает с позиции предела максимума и минимума материала. Принимая во внимание, что, в соответствии с положениями ГОСТ 26642-81 (СТ СЭВ 301-88) [3], отклонение формы реальной поверхности (ЕР) относительно номинальной, заданной чертежом, оценивается наибольшим расстоянием (Д) от точек реального элемента по нормали к номинальной прилегающей поверхности в пределах нормируемого участка (L), за наибольший предельно допускаемый размер вала принимается диаметр описанного прилегающего цилиндра наименьшего возможного радиуса, который бы касался наиболее выступающих точек реальной цилиндрической поверхности, учитывая, что данный диаметр должен быть не больше предела максимума материала или наибольшего предельного размера (рис. 1). За наименьший пре-
дельно допускаемый размер вала принимается размер, измеренный двухточечным инструментальным измерительным средством, при условии, что данный размер должен быть не меньше предела минимума материала или наименьшего предельного размера. Соответственно, за наименьший размер отверстия принимается диаметр вписанного цилиндра наибольшего возможного радиуса, который бы касался наиболее выступающих точек реальной внутренней цилиндрической поверхности при условии, что данный диаметр должен быть не меньше предела максимума материала или наименьшего предельного размера отверстия. За наибольший размер отверстия принимается размер, измеренный двухточечным инструментальным средством измерений, который должен быть не больше предела минимума материала или наибольшего предельного размера отверстия. В соответствии с положениями ГОСТ 24643-81 (СТ СЭВ 636-77) [4] допуски формы цилиндрических поверхностей могут составлять 30, 20 и 12 % от допуска размера. При этом допуск формы (ТР) ограничивает отклонение радиуса цилиндрических поверхностей и определяется наибольшим допустимым отклонением формы, а допуск размера (1Т) ограничивается отклонением диаметра поверхностей. Поле допуска формы определяется областью в пространстве или на плоскости, внутри которой находятся все точки реальной поверхности или реального профиля.
Значение допуска размера определяется допуском суммарной погрешности технологического процесса проведения процедуры измерений [5 8] и вследствие ее влияния невозможно получить абсолютно точное значение размера, в том числе из-за погрешности измерений. В случае когда значение допуска размера не совпадает со значением допускаемой погрешности измерений (5цзм) по ГОСТ 8.051-81 [9], погрешность измерений выбирается по ближайшему меньшему значению допуска размера (1Т). В соответствии с положениями ГОСТ 8.05181 значение допускаемой погрешности измерений при приемочном контроле может составлять от 20 до 35 % значения допуска размера на изготовление изделия.
Рис. 2. Расположение полей допусков втулки и вала при посадке с зазором: а — смещение концентричного расположения полей допусков втулки и вала относительно общего центра симметрии вертикально вниз до совмещения их в одной точке; б — графическое пояснение образования предельных значений размеров и отклонений с учетом влияния допуска формы поверхностей
< оз
о
При этом выбор стандартизированных измерительных приборов в соответствии с РД 50-98-86 [10] производится в зависимости от применяемого метода и схемы измерений. В случае разработки нестандартного средства измерения применяют стандартизированное отсчетное устройство.
Методы измерения геометрических параметров изделий определяются видом измеряемых величин, их размерами, требуемой точностью результата, быстротой процесса измерения, условиями в которых проводятся измерения.
Погрешность измерений зависит от точности применяемых инструментальных измерительных средств, полноты реализации стандартных определений измеряемых величин, применяемого метода измерений, метода сборки, условий, способа и схемы измерений, правильности и соответствия значений в конструкторской документации технических записей нормам точности, соответствия терминологии геометрических величин и их условных обозначений стандартным определениям на диаметр вала и отверстия по ГОСТ 25346-89 (СТ СЭВ 145-88), ГОСТ 25347-82 (СТ СЭВ 144-88) [2, 11], а на допуски формы и расположения поверхностей — по ГОСТ 24642-81 (СТ СЭВ 301-88), ГОСТ 24643-81 [3, 4]. Обоснование выбора инструментального средства, применяемого метода измерений и контроля геометрических параметров изделий, определяются совокупностью метрологических, эксплуатационных и экономических параметров средства измерений, поскольку точность измерений геометрических величин деталей зависит от точности применяемых средств измерений. К метрологическим показателям относятся допустимая погрешность измерений, цена деления шкалы прибора, порог чувствительности, пределы измерений, диапазон показаний прибора, погрешность измерительных приборов и инструментов. При выборе средства измерений по метрологическим характеристикам необходимо, чтобы его диапазон измерений был больше измеряемого размера, а диапазон показаний был больше допуска измеряемого размера, при условии, чтобы предельная погрешность измерений выбранным измерительным средством была меньше допускаемой погрешности измерений (Дйш<5цзм). К эксплуатационным показателям средств измерений относят габаритные размеры, массу, рабочую нагрузку, продолжительность их работы до повторной установки и до ремонта,
время, затрачиваемое на настройку и процесс измерения, их надежность. К экономическим показателям относят стоимость средств измерений, стоимость их эксплуатации и ремонта.
Класс точности средств измерений характеризует их параметры и свойства, такие как градуиро-вочные характеристики, диапазон измерений, чувствительность, условия применения, но не является непосредственной характеристикой точности диагностических операций. Поэтому наибольшая допустимая погрешность, характеризующая класс точности средства измерений, однозначно не определяет погрешность конкретного измерения ввиду того, что значение максимальной наблюдаемой погрешности является неустойчивой случайной величиной, зависящей от объема измерительной информации при аттестации прибора. Такая неопределенность приводит к применению различных критериев точности в оценке измерений в виде определенной погрешности, доли среднеквадратического отклонения, величины разброса значений измеряемого параметра в определенном доверительном интервале при заданной доверительной вероятности. Большинство причин появления случайной погрешности измерений определяется конструкцией применяемого метода и средства измерений, нестабильностью внешних сил, действующих на чувствительный элемент преобразователя или на отдельные звенья его механизмов, нестабильностью базирования измеряемого параметра и внешних воздействий со стороны окружающей среды и погрешности отсчета. При этом, как известно, случайная составляющая погрешности определяется экспериментально.
С учетом изложенных положений, определения действительного размера, данного ГОСТ 25346-89 (СТ СЭВ 145-88) как размера, полученного в результате измерений с допустимой погрешностью, действительный размер отверстия, измеренный по прилегающему вписанному цилиндру, является наименьшим, а наибольший действительный размер определяется отклонениями формы, ограниченными допуском формы DДmax = DДmlIl + 2ДфD. Действительный размер вала, измеренный по прилегающему описанному цилиндру, является наибольшим, а наименьший действительный размер определяется отклонениями формы, ограниченными допуском формы йДт1п = йДпах—2Дфй (рис. 2). Отклонения формы уменьшают поле допуска действительных раз-
меров на значение допуска формы, при этом расширить поле допуска можно только за счет уменьшения допуска формы
Dlim. . <D —2A.D, D.. >D . , D, <D ;
Дшш— max ф Дшт— min' Дтах— max1
Dlim >D . —2A, D, D <D n, D >D ;
Дтах min ф Дтах mi Дтах max
dlim <d -2^d, d >d . , d <d ;
.Amin— max ф .Amin— min .Amax— max1
dlim >d . -2^d, d <d , d >d . .
.Amax— min ф .Amax— max .Amm— min
Соответственно реальные зазоры в сопряжении будут уменьшаться при уменьшении поля допуска действительных размеров на значение допусков формы
TS — Бф max — S,
_ rxES-^D jCS-4/ _ nES-TtD ,и , и™ — ^ето-л п — j — V„, — U
Значение допустимой погрешности, установленной ГОСТ 8.051-81, так же как и значение допуска размера, определяется служебным назначением детали, соответственно, необходимым условием выбора измерительных средств и назначения допустимой погрешности измерений является определение значений размеров изделий, по которым производятся их приемочный контроль и прогнозирование вероятности появления погрешности разбраковки, то есть определение процентного соотношения неправильно принятых (т) и неправильно забракованных (л) деталей и значения выхода за границу поля допуска (с) у деталей неправильно принятых. При наложении кривых распределения размеров деталей (у ) и погрешностей измерений (ушзм) с центрами, совпадающими с границами допуска, происходит искажение кривой распределения у(ошзм), тем меньше вероятность появления погрешности разбраковки и тем меньше неправильно принятых деталей по сравнению с неправильно забракованными.
При нормировании значения допуска размера по ГОСТ 8.051-81, связанного, в свою очередь, со значением номинального размера и квалитетом, при назначении его точности необходимо учитывать возможный процент неправильно принятых деталей (т), значение которого определяется значением выхода за границу поля допуска (с) у деталей неправильно принятых, при этом приемочные границы (ПГтах, ПГтт) определяются значениями размеров, по которым производится приемка изделий с учетом значения допускаемой погрешности измерений (8шзм), определяемой по ГОСТ 8.051-81. Установка приемочных границ введением производственного допуска при их совпадении с нормируемыми предельными значениями проверяемого изделия, то есть с предельными отклонениями размера Т =1Т=1Т ,
1 ^ 11 пр. шзд.1
получила наибольшее предпочтение по техническим и экономическим показателям и является основной в практике конструирования (рис. 3а). Наличие погрешности измерения может привести к ошибочному принятию некоторых бракованных изделий годными, а некоторые годных — бракованными. Для устранения такого рода погрешностей приемочные границы (ПГтах, ПГтт) устанавливают путем введения так называемого производственного допуска (Т ), значение которого меньше табличного допуска на значение вероятностного выхода размера за пределы поля допуска (с) у неправильно принятых деталей путем смещения внутрь поля допуска изделия (Тшд ) относительно значений предельных отклонений размера (рис. 3б). Производственный допуск Тпр определяется значением выхода за границу поля
Рис. 3. Варианты установления приемочных границ: а - приемочные границы совпадают с предельными размерами (Тпр=Тшд); б - смещены на значение вероятностного выхода размера за пределы поля допуска (с) у неправильно принятых деталей (Тпр=Тизд- 2с); в — смещены на половину допускаемой погрешности измерения (Т =Т - 8)
1 пр изд
допуска (с) у деталей, неправильно принятых при неизвестной точности технологического процесса Т =1Т—2с = 1Т —2с. Установка приемочных гра-
пр. шзд. ^ ^
ниц при известной точности технологического процесса производится посредством введения значения производственного допуска Тпр, уменьшенного на значение половины допускаемой погрешности измерений 8шзм /2 (рис. 3в) относительно значений предельных отклонений размера путем смещения внутрь поля допуска изделия Тпр = 1Т— 8, при условии, что, в соответствии с требованиями ГОСТ 8.05181, величина смещения не должна превышать половину допускаемой погрешности измерений (8шзм/2).
Для установления числа групп л сортировки деталей при селективной сборке необходимо знать допустимое значение группового допуска Tdгр. или TDгр., определяемое точностью сборки деталей при их комплектовании и подборе, а также значение погрешности их формы, в связи с тем что отклонения
< оз
о
формы не должны превышать значения группового допуска, поскольку одна и та же деталь может попасть в одну или в другую ближайшую группу в зависимости от того, в каком сечении будет измеряться деталь при комплектации и сортировке. Кроме того, необходимо знать требуемые предельные значения групповых зазоров или натягов, которые находят из условий обеспечения наибольшей долговечности соединения
N „ , N „ ^ =Д •
тах тах ф. расч. тах ф. расч. тах со
N , N . „ ^ . =Д ; Д„ > Д .
тт тт ф. расч. тт ф. расч. тт э со э
В соответствии с изложенными условиями запас на эксплуатацию (Дэ) учитывает наличие динамических нагрузок и возможность повторной запрессовки при ремонте, а запас на сборку (Д ) — перекосы при проведении запрессовки. При этом чем выше числовые значения запаса на эксплуатацию Дэ и запаса на сборку Дсб, тем выше надежность и долговечность прессового соединения и, соответственно, меньше при сборке усилие запрессовки и напряжение в материале деталей, приводящих к их разрушению.
В авторемонтном производстве полная взаимозаменяемость сохраняется для деталей новых и восстановленных под действительные размеры. Для деталей ремонтных размеров взаимозаменяемость возможна лишь в пределах одного ремонтного размера, а для деталей, поступающих на сборку с допустимыми износами ремонтных размеров, взаимозаменяемость утрачивает свое значение в связи с невозможностью обеспечения величины допустимых отклонений в сопряжениях собираемых узлов и агрегатов. Соответственно, технологические процессы сборки собираемых узлов и механизмов в авторемонтном производстве осуществляются как по методу полной взаимозаменяемости, методом групповой взаимозаменяемости или селективным подбором, так и методом регулировки и пригонки.
С помощью селективного подбора обеспечивается точность сборки сопряжений узлов и механизмов, собираемых из деталей трех категорий — новых, восстановленных и изношенных, но с допустимыми износами. Селективная сборка узлов и агрегатов применяется для обеспечения высокой точности при отсутствии возможности точной обработки деталей. Необходимая точность собираемых узлов и механизмов автомобилей достигается путем включения в размерную цепь деталей, изготовленных со сравнительно широкими технологически выполненными допусками, в связи с тем что изготовление деталей с меньшими допусками связано с увеличением вероятности появления брака и повышением себестоимости. Вследствие чего при селективной сборке предусматривается дальнейшая комплектация деталей на равное число групп с более узкими групповыми допусками с последующей сборкой деталей по одноименным группам.
Сборка методом пригонки производится путем изменения размера одной из деталей, заранее определенной величины, снятия с нее слоя металла. Все другие детали изготавливаются с экономически достижимой точностью для данных условий. Метод регулировки обеспечивает заданную точность в сопряжении путем постановки прокладок, шайб и дополнительных деталей. Сборка по методу полной взаимозаменяемости наиболее желательна, но ее
применение в авторемонтном производстве ограничено из-за использования при комплектации и подборе деталей, годных без ремонта, восстановленных и новых, изготовленных с более расширенными полями допусков при последующей сортировке деталей на равное число групп с более узкими групповыми допусками, что обеспечивается методом групповой взаимозаменяемости или методом селективной сборки.
Селективным подбором в авторемонтном производстве обеспечивается сборка деталей цилиндро-поршневой группы двигателя, таких как поршни, поршневые пальцы, цилиндры, отверстия в бобышках поршня и в верхней головке шатуна. Методом групповой взаимозаменяемости также обеспечивается сборка деталей переднего моста — сборка отверстий балки передней оси под клин шкворня поворотной цапфы, деталей заднего моста — сборка крестовины дифференциала и сателлита, деталей коробки передач — сборка наружной обоймы подшипника и диаметра отверстия под подшипник ведущего и ведомого вала.
Из схемы сортировки деталей (рис. 4) при селективной сборке сопрягаемых деталей по посадке с зазором или с натягом наибольшие зазоры или натяги уменьшаются, а наименьшие — увеличиваются, приближаясь с ростом числа групп сортировки к среднему значению зазора или натяга для данной посадки, что делает сопряжения более стабильными и долговечными. В переходных посадках наибольшие натяги и зазоры уменьшаются, приближаясь с ростом числа групп сортировки к тому натягу или зазору, который соответствует серединам полей допусков деталей. В случае определения числа п групп, когда в исходной посадке наблюдается равенство полей допусков отверстия и вала TD=Td, групповой зазор или натяг остается постоянным при переходе от одной группы к другой (рис. 4а). При сборке деталей для повышения долговечности подвижных соединений необходимо создавать наименьший допустимый зазор, а для повышения надежности соединений с натягом — наибольший допустимый натяг. В случае, когда поле допуска отверстия больше поля допуска вала TD>Td, групповой зазор или натяг при переходе от одной группы к другой изменяется (рис. 4б, в), что не обеспечивает однородность соединений. Соответственно, при равенстве полей допусков отверстия и вала TD=Td. наблюдается целесообразность применения метода селективного подбора.
В сопряжениях цилиндрических деталей предельные размеры вала и отверстия являются случайными величинами. Используя правило об алгебраическом суммировании систематических частей величин и квадратическом — случайных и, принимая допущение, что распределение предельных размеров вала и отверстия соподчинены нормальному закону распределения в пределах поля допуска отверстия и вала [6], расчет предельных зазоров и натягов в сопряжении проводился вероятностным способом, полагая, что средние (систематические) значения диаметров соответствуют середине поля допуска отверстия и вала (Ес и ес) распределяются симметрично относительно центра группирования по нормальному закону распределения (кривой Гаусса), а случайное рассеивание размеров относительно среднего значения размеров составляет половину поля допуска и определяется средним квадратиче-
1
ским отклонением, равным —Т (т. е. Т=6а , Тс=6ас).
128
о
Б
й
кчччч>ччччч
S
Й
я
S
О
3
У////*У///А
1ччччч-ччччч
S
о
О)
о
Й
V/////////A
\\Ч\ЧчЧ\Ч\-
ТЕ
<9
Jf^
о;
Рис. 4. Схема сортировки деталей на группы: а — посадка с зазором, TD=Td; б — посадка с зазором, TD>Td; в — посадка с натягом, TD>Td
Соответственно, полагая, что значения зазора или натяга в сопряжении подчинены и распределяются по нормальному закону симметрично относительно среднего значения зазора или натяга (5С или Nc).
Цилиндрические сопряжения деталей автомобильного двигателя ЗМЗ-511.10, такие как «гильза — поршень», «отверстие в поршне под установку поршневого пальца — поршневой палец», «поршневой палец — отверстие во втулке верхней головки шатуна в сборе», после их изготовления, непосредственно перед сборкой, сортируют на классы и группы с соответствующей маркировкой. Указанные цилиндрические сопряжения деталей кривошип-но-шатунного механизма собирают по методу групповой взаимозаменяемости, поскольку сборка по методу полной взаимозаменяемости технически и экономически не целесообразна, производственные допуски деталей соединения значительно больше, чем технологические требования к допуску посадки. Существующий производственный допуск на изготовление деталей соединения искусственно уменьшают Td/n; TD/n для получения равенства допусков Tn=TS, Tn=TN и по суженым допускам TDr; Tdr детали сортируют на размерные группы. При соблюдении требований технической документации при селективной сборке деталей, обеспечение посадки в сопряжениях, относящихся к одной размерной группе, будет осуществляться при сборке по методу полной взаимозаменяемости, что предопределяет надежность и долговечность работы сопряжений.
Изменение технического состояния деталей ци-линдро-поршневой группы автомобильного двигателя ЗМЗ-511.10, а именно, цилиндров, поршневых колец, поршней, поршневых пальцев, шатунов, шеек и вкладышей коленчатого вала зависит от многих факторов эксплуатационного порядка, таких как
нагрузка, температурный режим, периодичность и качество технического обслуживания, качество масел, топлива, режима прогрева двигателя. Интенсивность изнашивания деталей цилиндро-поршне-вой группы автомобильного двигателя ЗМЗ-511.10 определяется конструкцией и состоянием рабочих поверхностей подвижных сопряжений деталей, происходит в условиях высоких температур и часто изменяющихся скоростных и нагрузочных режимов работы двигателя, является преимущественно результатом процесса граничного трения из-за присутствия абразивных и коррозионно-активных веществ.
В поршневом пальце маркировка наносится краской на внутренней поверхности, на поршне — в нижней части бобышек, на шатуне — на наружной цилиндрической поверхности малой головки. Согласно конструкторской документации [12], подбор поршней к гильзам цилиндров осуществляется по наружному диаметру поршня и внутреннему диаметру гильзы цилиндров. Маркировка групп производится на днище поршня и на посадочном пояске гильзы цилиндров. При сборке палец, поршень и шатун комплектуют из деталей только одной группы. Количество размерных групп определяется необходимой точностью сборки, значением допуска размера на сопряжения деталей с учетом значения погрешности формы сопрягаемых поверхностей.
К сборке деталей цилиндро-поршневой группы при ремонте автомобильного двигателя ЗМЗ-511.10 предъявляются особо жесткие требования с целью обеспечения необходимых зазоров и натягов в сопрягаемых деталях, поскольку детали данной группы работают в условиях высоких, часто изменяющихся нагрузок, оборотов и температур и для их работы характерно граничное трение вследствие присутствия
Таблица 1
Группы действительных ремонтных размеров сопряжения внутреннего диаметра гильзы цилиндров и наружного диаметра юбки поршня автомобильного двигателя ЗМЗ-511.10 с указанием маркировки
Группы действительных ремонтных размеров гильзы цилиндра, мм Группы действительных ремонтных размеров юбки поршня, мм Маркировка
92,000-92,012 91,988-92,000 А
92,012-92,024 92,000-92,012 Б
92,024-92,036 92,012-92,024 В
92,036-92,048 92,024-92,036 Г
92,048-92,060 92,036-92,048 Д
Примечание: все измерения производятся при температуре 20 °С по ГОСТ 8.050-73 [13]
торые изменяются в пределах допуска сопряжения ТП=0,120 мм. Числовое значение допуска в сопряжении значительно превышает значения допуска посадки, установленного техническими требованиями [12]. Для выполнения условия обеспечения точности сборки сопряжения групповой допуск размерной группы TDr=TD/n, Tdr=Td/n определяется исходя их условия обеспечения точности сборки размерной группы по посадке с зазором
TDr= Srp — Srp . =0,012 мм,
L max L min ' 1
Tdr=Srp —Srp = 0,012 мм.
1 max 1 min
Количество размерных групп определяться отношением существующего производственного допуска на изготовление гильзы и поршня на значение группового допуска размерной группы в сопряжении при условии обеспечения сборки деталей одной размерной группы по посадке с зазором
абразивных и коррозионно-активных веществ. Точность центрирования определяется значением максимального зазора S , которое увеличивается в
max
процессе эксплуатации
[S
L max J jy-
г
где Fr — значение радиального биения в рассматриваемых цилиндрических сопряжениях деталей, КТ — коэффициент запаса точности, применяемый для компенсации погрешности формы и расположения сопрягаемых поверхностей при смятии и износе поверхностей деталей при проведении повторных сборочно-разборочных операций.
Согласно конструктивным требованиям [12], комплектование поршней с гильзами цилиндров автомобильного двигателя ЗМЗ-511.10 осуществляется селективным подбором. В сопряжении «гильза — поршень» внутренний диаметр гильзы цилиндров 0g2«, «»мм и наружный диаметр юбки поршня 092^'™мм сопрягаются по посадке с зазором Srp =+0,024 мм, Srp . =+0,012 мм. Если произве-
1 max 1 min L
сти сборку данного сопряжения без подбора методом полной взаимозаменяемости, характеристики посадки будут иметь следующие числовые значения S =0,072 мм, N =0,048 мм, S =0,012 мм, ко-
max ' ' mriY ' ' г '
n=TD/ТDr=0,060/0,012 = 5; n=Td/Тdг=0,060/0,012 = 5.
При сборке внутреннего диаметра гильзы цилиндров и наружного диаметра юбки поршня автомобильного двигателя ЗМЗ-511.10 вероятность образования соединения с зазорами составила 80,2 %, а сопряжений с натягами — 19,8 %. Расчетное значение диапазона рассеивания размеров и вероятностных характеристик сопряжения составило ю=6о = = 84,852 мкм при вероятности распределения в сопряжении предельных значений зазоров и натягов — 5*^=54,4265 мкм, ЛТ^ = 30,4265 мкм. В табл. 1 приведены группы действительных ремонтных размеров сопряжения «гильза — поршень» автомобильного двигателя ЗМЗ-511.10, их маркировка по размерным группам при комплектовании и подборе поршней с гильзами цилиндров, на рис. 5 — схема расположения полей допусков при селективной сборке сопряжения.
Распределение расчетных предельных значений зазоров и натягов в сопряжении «гильза — поршень»
и стябл ~ суросч
удовлетворяют выполнению условий > ,
< при значениях максимального расчетного зазора (Б^^ ) и вероятностного предельного
< оз
о
Рис. 5. Схема расположения полей допусков при селективной сборке цилиндрического сопряжения внутреннего диаметра гильзы цилиндров и наружного диаметра юбки поршня автомобильного двигателя ЗМЗ-511.10
о +
Sacs hi:
Таблица 2
Группы действительных ремонтных размеров цилиндрических сопряжений «отверстие в поршне под установку поршневого пальца — поршневой палец», «поршневой палец — отверстие во втулке в верхней головке шатуна в сборе» автомобильного двигателя ЗМЗ-511.10 с указанием их маркировки
Группы действительных ремонтных размеров поршневого пальца, мм Группы действительных ремонтных размеров отверстия в поршне под установку поршневого пальца, мм Группы действительных ремонтных размеров отверстия во втулке малой головки шатуна в сборе, мм Цвет маркировки
25,0000-24,9975 25,0000-24,9975 25,0070-25,0045 белый
24,9975-24,9950 24,9975-24,9950 25,0045-25,0020 зеленый
24,9950-24,9925 24,9950-24,9925 25,0020-24,9995 желтый
24,9925-24,9900 24,9925-24,9900 24,9995-24,9970 красный
Примечание: все измерения производятся при температуре 20 °С по ГОСТ 8.050-73 [13]
атбфстие бо бту/ке берхней голобки шатуна б сборе
§
отверстие б поршне под установке поршнебого польцо
поршнебай палец
йг
-7.0
*zo
SO
У////, V/А
<5> hi:
■45
-по
-Z5 SO
-7.5
-1Q0
ss-
Рис. В. Схема расположения полей допусков в сопряжениях деталей цилиндро-поршневой группы автомобильного двигателя ЗМЗ-511.10 «отверстие в поршне под установку поршневого пальца — поршневой палец» и «поршневой палец — отверстия во втулке верхней головки шатуна в сборе»
зазора () меньше максимального табличного зазора ^ ), что подтверждает правильность проведенных расчетов.
В табл. 2 приведены группы действительных ремонтных размеров сопряжений деталей автомобильного двигателя ЗМЗ-511.10 [12] «отверстие в поршне под установку поршневого пальца — поршневой палец» и «отверстие во втулке верхней головке шатуна в сборе — поршневой палец» с указанием маркировки, а на рис. 6 — схемы расположения полей допусков при селективной сборке в данных сопряжениях.
Комплектование поршней с поршневыми пальцами и с отверстием в верхней головке шатуна в сборе согласно техническим требованиям [12] осуществляется методом групповой взаимозаменяемости. Сопряжение «отверстие в поршне под установку поршневого пальца — поршневой палец» с внутренним диаметром отверстия в поршне под установку поршневого пальца 025-0010 мм и наружным диаметром поршневого пальца 025-0010 мм осуществляется по переходной посадке £1тах=+0,0025 мм, Ы1тах=0,0025 мм. Сопряжение «отверстие во втулке верхней головки шатуна в сборе — поршневой палец» с внутренним диаметром отверстия во втулке верхней головки шатуна в сборе 025^'^ мм и наружным диаметром поршневого пальца 025-0010 мм осуществляется по посадке с натягом N = +0,0095 мм, N . =+0,0045 мм. Значение до-
2тах ' ' 2тт ' ^
пуска размера в сопряжениях «отверстие в поршне под установку поршневого пальца — поршневой па-
лец» и «отверстие во втулке верхней головке шатуна в сборе — поршневой палец» изменяются в пределах ТП= T,D+Td = S, +N =0,020 мм, ТП= TD+
1 1 1max 1max 2 z
+Td = Sm +N2 =0,020 мм.
2max 2max '
Числовые значения допусков сопряжений значительно превышают значения допусков посадок указанных сопряжений, установленных техническими требованиями [12]: Т1П = T1D+Td = 0,020 мм, TIN(S)=SImax + Ntmax=0,005 мм.
Для выполнения условия обеспечения точности сборки сопряжений Tin=T1N(S), T1D+Td = S1max + + N1max; T2n=T2N(S), T2D+Td = S2max—S2min существующие производственные допуски на изготовление деталей соединений искусственно уменьшают путем деления их на четыре равные части: п=ТП/ T1N(S)=4; n2=T2n/T2N(S)=4. При этом значения групповых допусков размерных групп для сопряжений «отверстие в поршне под установку поршневого пальца — поршневой палец» и «отверстие во втулке верхней головки шатуна в сборе — поршневой палец» принимают числовые значения
T1Dr=T1D/n1 = 0,010/4 = =0,0025 мм, Tdr=Td/n=0,010/4 = 0,0025 мм;
T2Dr=T2D/n2=0,010/4 = 0,0025 мм, Tdr=Td/n=0,010/4 = 0,0025 мм.
По результатам проведения расчета вероятностных характеристик сопряжений «отверстие в поршне под установку поршневого пальца — поршневой палец» и «отверстие во втулке верхней головке ша-
Рис. 7. Смещение поля допуска изделия (Т^) при изменении в размерных группах предельных значений размеров на значение выхода за границу поля допуска (с) у неправильно принятых деталей и введения значения производственного допуска (Т )
< оз
о
туна в сборе — поршневой палец» при сборке поршневых пальцев и поршней приблизительно 50 % составят соединения с натягами и 50 % — соединения с зазорами, а при комплектовании и подборе поршневых пальцев и втулки верхней головки шатунов в сборе — вероятность распределения соединений с натягами приблизительно составила 99,8 % и 0,2 % — соединения с зазорами.
Расчетное значение диапазона рассеивания элементных размеров и распределение зазоров и натягов в сопряжениях соответственно составило ю=6а =14,142 мкм при значениях расчетных предельных зазоров и натягов в сопряжениях «отверстие в поршне под установку поршневого пальца — поршневой палец» и «отверстие во втулке верхней головки шатуна в сборе — поршневой палец» ^ = 7,071 мкм/^ = 7,071 мим д^ = 14,071 мкм, ^ ="0.071 мкм.
Расчеты вероятностных характеристик распределения зазоров и натягов в исследуемых сопряжениях деталей цилиндро-поршневой группы автомобильного двигателя ЗМЗ-511.10 являются приближенными, поскольку из-за влияния отклонения формы реальных поверхностей в них не учтено смещение центра группирования относительно середины поля допуска, что приводит при комплектовании и сортировке деталей на размерные группы к ошибочному принятию некоторых бракованных изделий годными, а некоторых годных — бракованными. При отсутствии учета отклонений формы реальных поверхностей на сборку будет поступать разное количество деталей одной размерной группы, создавая условия для так называемого незавершенного производства, когда станет невозможным использовать все изготовленные детали. Для учета возможного процента неправильно принятых деталей (т), определяемого значением выхода за границу поля допуска (с) у деталей неправильно принятых при сортировке деталей на размерные группы значение отклонения формы реальных поверхностей должно быть соизмеримо с полем допуска размерной группы при введении производственного допуска (Т), значение которого меньше табличного допуска на значение отклонения формы реальных поверхностей при смещением внутрь поля допуска изделия (Тид) относительно значений предельных отклонений размера на значение вероятностного выхода размера за пределы поля допуска (с) у неправильно принятых деталей (рис. 7). Соответственно, для крайних размерных групп значение выхода за границу поля
допуска (с) у неправильно принятых деталей должно быть учтено по одной приемочной границе, а для промежуточных — для обеих. Кроме того, отклонения формы реальных поверхностей, ограниченные полем допуска размера, уменьшают поле допуска действительных размеров на значение допуска формы и только посредством уменьшения допуска формы можно расширить поле допуска размера при введении рационального соотношения между допуском формы и допуском размера в соответствии с положениями ГОСТ 24643-81 (СТ СЭВ 63677) [4]. При этом допуски формы могут составлять 30, 20 и 12 % от значения допуска размера. Реальные зазоры в сопряжении будут уменьшаться при сужении полей допусков размера на значение допуска формы. Соответственно, влияние отклонения формы реальных поверхностей приводит к изменению зазоров и натягов в сопряжениях
^ев-с ГУ
ф=°Б1+с _"е,+с =°Ш
-4
еитфё
(V — — Г)ЕБ~С — г!е!! — П^-ТФА
ф ей-с ^Е1+с ~ие1+Тфё .
Между допуском формы и допуском размера для сопряжения «гильза — поршень» применено соотношение TF=0,3•IT при допуске размера 1Т=92 мм, значениях внутреннего диаметра гильзы цилиндров 092+0,060 мм и наружного диаметра юбки поршня мм, допуск формы составляет ТF=0,010 мм. В сопряжении «отверстие в поршне под установку поршневого пальца — поршневой палец» и «отверстие во втулке верх-
Таблица 3
Группы действительных ремонтных размеров с учетом влияния отклонения формы реальных поверхностей в сопряжении внутреннего диаметра гильзы цилиндров и наружного диаметра юбки поршня автомобильного двигателя ЗМЗ-511.10
Группы действительных ремонтных размеров гильзы цилиндра, мм Группы действительных ремонтных размеров юбки поршня, мм
92,000-92,011 91,993-92,004
92,011 -92,022 92,004-92,015
92,022-92,033 92,015-92,026
92,033-92,044 92,026-92,037
92,044-92,055 92,037-92,048
Таблица 4
Группы действительных ремонтных размеров с учетом влияния отклонения формы реальных поверхностей в цилиндрических сопряжениях «отверстие в поршне под установку поршневого пальца — поршневой палец», «поршневой палец — отверстие во втулке в верхней головке шатуна в сборе» автомобильного двигателя ЗМЗ-511.10
Группы действительных ремонтных размеров поршневого пальца, мм Группы действительных ремонтных размеров отверстия в поршне под установку поршневого пальца, мм Группы действительных ремонтных размеров отверстия во втулке малой головки шатуна в сборе, мм
25,0000-24,9978 24,9988-24,9966 25,0057-25,0045
24,9978-24,9956 24,9966-24,9944 25,0045-25,0020
24,9956-24,9934 24,9944-24,9922 25,0020-25,9995
24,9934-24,9912 24,9922-24,9900 25,9995-24,9970
Рис. 8. Схема расположения полей допусков и вероятностное распределение зазоров и натягов в сопряжении внутреннего диаметра гильзы цилиндров и наружного диаметра юбки поршня автомобильного двигателя ЗМЗ-511.10 с учетом влияния отклонения формы реальных поверхностей
Рис. 9. Схема расположения полей допусков и вероятностное распределение зазоров и натягов в сопряжении «отверстие в поршне под установку поршневого пальца — поршневой палец» автомобильного двигателя ЗМЗ-511.10 с учетом влияния отклонения формы реальных поверхностей
о
го
Рис. 10. Схема расположения полей допусков и вероятностное распределение зазоров и натягов в сопряжении «отверстие во втулке верхней головки шатуна в сборе — поршневой палец» автомобильного двигателя ЗМЗ-511.10 с учетом влияния отклонения формы реальных поверхностей
< оз
о
ней головки шатуна в сборе - поршневой палец» между допуском формы и допуском размера применено соотношение TF=0,25•IT при допуске размера 1Т=25 мм, значениях внутреннего диаметра отверстия в поршне под установку поршневого пальца 025_0010 мм, внутреннего диаметра отверстия во втулке верхней головки шатуна в сборе •^-одо мм и наружного диаметра поршневого пальца 025_0010 мм, допуск формы в сопряжениях составляет ТF=0,0025 мм.
В табл. 3, 4 приведены группы действительных ремонтных размеров с учетом влияния отклонения формы реальных поверхностей в исследуемых сопряжениях деталей цилиндро-поршневой группы автомобильного двигателя ЗМЗ-511.10, а на рис. 8-10 — схемы расположения полей допусков в рассматриваемых сопряжениях с учетом влияния отклонения формы реальных поверхностей и графическое пояснение распределения предельных значений зазоров и натягов.
При учете влияния отклонения формы реальных поверхностей при измерении и сортировке по размерным группам сопрягаемых деталей гильзы и поршня автомобильного двигателя ЗМЗ-511.10 при предельных значениях распределения зазоров и натягов в сопряжении = 77,054 мкм, = 53,054 мкм, расчетном значении диапазона рассеивания » = 6о =113,11 мкм вероятность получения соединений с зазорами составила Р(Б)=70,88 % и Р(Ы)=29,12 % — соединений с натягами. Соответственно, при комплектовании и подборе по группам действительных ремонтных размеров деталей сопряжения «отверстие в поршне под установку поршневого пальца - поршневой палец» при предельных значениях распределения зазоров и натягов в сопряжении N^=18,677 мкм, 5^=16,677 мкм, расчетном значении диапазона рассеивания » = 6оЩ5! = 35,352 мкм вероятность получения соединений с зазорами составила Р(Б)=43,25 %, а соединений с натягами - Р(Ы)=56,75 %. При селективном поборе деталей сопряжения «отверстие во втулке верхней головке шатуна в сборе - поршневой палец» при предельных значениях распределения зазоров и натягов в сопряжении N¡¡1¡lx = 24,677 мкм, ■^ти =10,677 мкм и расчетном значении диапазона
рассеивания » = 6аЩ5) = 35,352 мкм вероятность получения соединений с зазорами составила Р(5)=11,90 % и Р(Ы)=88,10 % — соединений с натягами.
В соответствии с проведенными расчетами, графическим пояснением распределения реальных значений зазоров и натягов при измерении и сортировке по размерным группам сопрягаемых деталей цилиндро-поршневой группы автомобильного двигателя ЗМЗ-511.10 выявлено, что влияние отклонения формы реальных поверхностей приводит к ошибочному принятию некоторых бракованных изделий годными, а некоторых годных — бракованными, изменению в размерных группах значений действительных ремонтных размеров, поступлению разного количества деталей одной размерной группы, изменению вероятностного распределения предельных значений зазоров и натягов в сопряжениях, создавая условия незавершенного производства и невозможности использования всех деталей при отсутствии учета смещения центра группирования относительно середины поля допуска размера. Учитывая, что допуск формы ограничивает отклонение формы его поверхностей при рассмотрении определений предельных размеров отверстия и вала, данных ГОСТ 26346-89 с позиции максимума и минимума материала, выявлено, что отклонения формы реальных поверхностей, ограниченных полем допуска размера, уменьшают поле допуска действительных размеров на значение допуска формы и только при сужении допуска формы можно расширить поле допуска размера при установке между допуском формы и допуском размера рационального соотношения по ГОСТ24643-81 (СТ СЭВ 636-77) и посредством введения производственного допуска (Т), значение которого меньше табличного допуска на значение вероятностного выхода размера за пределы поля допуска (с) у неправильно принятых деталей, соответствующего отклонению формы реальных поверхностей сопряжений, при смещении внутрь поля допуска изделия (Тшд) относительно значений предельных отклонений элементных размеров. Выявлено, что распределение реальных значений зазоров и натягов в сопряжениях будет уменьшаться при уменьшении поля допуска действительных размеров на значение допусков формы вследствие вли-
яния отклонений формы реальных, что приводит к изменению в ремонтных группах значений действительных ремонтных размеров.
Библиографический список
1. ГОСТ 21495-76. Базирование и базы в машиностроении. Термины и определения. - Введ. 1977-01-01. - М. : Изд-во стандартов, 1982. - 37 с.
2. ГОСТ 25346-89 (СТ СЭВ 145-88). Основные нормы взаимозаменяемости. Единая система допусков и посадок. Общие положения, ряды допусков и основных отклонений. - Введ. 1990-01-01.- Взамен ГОСТ 25346 - 82. - М. : Изд-во стандартов, 1992. - 26 с.
3. ГОСТ 26642-81 (СТ СЭВ 301-88) Основные нормы взаимозаменяемости. Допуски формы и расположения. Основные термины и определения. - Введ. 198-01-07. - М. : Изд-во стандартов, 1990. - 70 с.
4. ГОСТ 24643-81 (СТ СЭВ 646-77) Основные нормы взаимозаменяемости. Допуски формы и расположения. Числовые значения. - Введ. 1981-01-07. - М. : Изд-во стандартов, 1981. - 16 с.
5. Глухов, В. И. Теория измерения геометрических величин деталей : учеб. пособие / В. И. Глухов - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2012. - 108 с.
6. Допуски и посадки : справ. В 2 ч. Ч. 1 / В. Д. Мягков [и др.]. - 6-е изд., перераб. и доп. - Л. : Машиностроение. Ленинград. отделение, 1982. 543 с.
7. Чигрик, Н. Н. Основы метрологии : конспект лекций / Н. Н. Чигрик - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2006. - 104 с.
8. Чигрик, Н. Н. Выявление и исследование первичных погрешностей измерительного прибора : метод. указания / Н. Н. Чигрик - Омск : Изд-во СибАДИ, 2009. - 16 с.
9. ГОСТ 8.051-81. Государственная система обеспечения единства измерений. Погрешности, допускаемые при измерении линейных размеров до 500 мм. - Введен 1982-0101. - Минск : Межгос. совет по стандартизации, метрологии и сертификации: Белорус. гос. ин-т стандартизации и сертификации, 2004. - 12 с.
10. Выбор универсальных средств измерений линейных размеров до 500 мм (По применению ГОСТ 8.051 - 81) : РД 5098-86. : метод. указания - Введен 1987-07-01. - М. : Госстандарт СССР, 1987. - 68 с.
11. ГОСТ 25347-82 (СТ СЭВ 144-88). Основные нормы взаимозаменяемости. Единая система допусков и посадок. Поля допусков и рекомендуемые посадки. - Введ. 1983-07-01. - М. : ИПК Изд-во стандартов, 2001. - 54 с.
12. ГАЗ-3307. ГАЗ-3309. Руководство по эксплуатации, техническому обслуживанию и ремонту. - М. : Издательский дом Третий Рим, 2007. - 188 с.
13. ГОСТ 8.050-73 (СТ СЭВ 1155-78) Государственная система обеспечения единства измерений. Нормальные условия выполнения линейных и угловых измерений. - Введ. 1981 — 01-01. - М. : Изд-во стандартов, 1988. - 11 с.
ЧИГРИК Надежда Николаевна, кандидат технических наук, доцент (Россия), преподаватель спецдисциплин.
Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 28.05.2013 г. © Н. Н. Чигрик
УДК б3!.330242 А. П. ШЕВЧЕНКО
М. А. БЕГУНОВ
Омский государственный аграрный университет им. П. А. Столыпина
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЯГОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ КИЛЕВИДНОГО СОШНИКА
Рассмотрены расчет тягового сопротивления килевидного сошника и анализ сил, действующих на него. Представлены зависимости тягового сопротивления сошника от конструктивных и технологических параметров. Ключевые слова: тяговое сопротивление, килевидный сошник.
Цель данного исследования заключается в установлении факторов, влияющих на тяговое сопротивление сошника и путей его снижения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить задачи по определению и анализу сил, действующих на сошник со стороны почвы при разных режимах и условиях работы, на основании этого составить уравнение тягового сопротивления сошника.
Производя анализ сил, действующих на рабочий орган (рис. 1), определим основные составляющие тягового сопротивления [1-3]. Результирующая
сила сопротивления Fт, действующая на сошник, состоит из векторной суммы сил сопротивления резанию R , динамических R , силы трения F и сил сор д тр
противления почвы N. Получаем следующее уравнение результирующей силы тягового сопротивления сошника:
Р = Яр + 2Яа + г тр + АТ
(1)
При движении рабочего органа в почве на каждую элементарную площадку заглубленной рабочей
