Орлов - Основы конструирования. Справочно-методическое пособие. Книга 2

Во второй книге изложены основы конструирования литых и механически обрабатываемых деталей, деталей, соединенных методами пластической деформации, сварных, заклепочных, шпоночных, шлицевых соединений, опор скольжения и качения, стопорных колец и других деталей.

Для второго издания (1-е изд. вышло в 1972 г.) текст и иллюстрации автором существенно переработаны.

Книга предназначена для конструкторов-машиностроителей. Она будет полезна также студентам машиностроительных вузов.

 

СБОРКА

При конструировании соединений, узлов и агрегатов должны быть выдержаны следующие условия производительной и качественной сборки:

1) полная взаимозаменяемость деталей и узлов;

2) исключение подгоночных работ и установки деталей по месту;

3) удобный подход монтажного инструмента; возможность применения механизированного инструмента;

4) агрегатный принцип сборки — соединение деталей в первичные подузлы, подузлов в узлы, узлов в агрегаты, установка агрегатов на машину.

Соблюдение этих условий позволяет организовать технологический процесс по принципу параллельного и одновременного выполнения операций,' закрепить за каждым рабочим местом цикл постоянно повторяющихся операций и механизировать сборку. В крупносерийном и массовом производстве выполнение этих условий позволяет организовать непрерывно-поточную сборку.

Взаимозаменяемость деталей достигается назначением необходимых допусков и предельных отклонений формы (непараллельность, неперпендикулярность и т. д.). Типы посадок выбирают в зависимости от условий работы соединения. Необходимый класс точности устанавливают размерным анализом, имеющим целью проверку работоспособности соединения при крайних значениях зазоров (натягов).

Иногда по условиям работы зазоры (натяги) должны быть выдержаны в более узких пределах, чем те, которые получаются при выполнении размеров даже по 1-му классу точности. В таких случаях часто применяют селективную сборку. В  зависимости от величины отклонений от номинала детали делят на несколько групп. При сборке соединяют детали только тех групп, которые в  сочетании одна с другой дают необходимую величину зазоров (натягов). Естественно, что при этом принцип взаимозаменяемости нарушается. Необходимость предварительной разбивки детали на размерные группы осложняет и замедляет производственный процесс.

Особое внимание следует обратить на устранение подгоночных работ, доделки деталей в процессе сборки и установки деталей и узлов по месту с индивидуальной регулировкой их взаимного расположения. Подгонка требует применения слесарных операций или дополнительной станочной обработки, расстраивающих ритм сборки, снижает качество сборки и лишает конструкцию взаимозаменяемости. Подгоночные работы, как  правило, очень трудоемки. Необходима предварительная, иногда многократная сборка узлов, промеры, проверка работы узла и последующая разборка для внесения исправлений. Каждая сборка-разборка связана с операциями промывки деталей.

В правильной конструкции детали должны быть выполнены с точностью, обеспечивающей собираемость и работоспособность узла при  комплектации его любыми деталями, поступающими со склада готовых изделий. Положение деталей в узле, узлов в агрегате и на машине должно быть определено сборочными базами и фиксирующими элементами, выполненными заранее с помощью станочных операций.

При сборке некоторых соединений до сих пор применяют ручные  операции. К таким операциям относится, например, притирка деталей в  соединениях, где требуется высокая степень герметичности (посадки конических клапанов, пробковых кранов, плоских распределительных золотников, плунжеров и цилиндрических золотников во втулках и т. д.). Притирку  применяют также в тяжелонагруженных соединениях на конусах для полного прилегания и предупреждения наклепа и разбивания посадочных поверхностей. Поскольку притирка производится попарно, детали лишаются свойства взаимозаменяемости. Однако и здесь возможна замена ручных операций механическими не только на предварительных, но и на окончательных стадиях обработки. Так, на передовых предприятиях трудоемкую операцию попарной притирки плоских поверхностей в соединениях металла по металлу заменяют механизированной притиркой каждой из поверхностей по эталонной плите, благодаря чему сопрягающиеся детали становятся взаимозаменяемыми.

 

ОСЕВАЯ И РАДИАЛЬНАЯ СБОРКА

Система сборки оказывает большое влияние на конструкцию узла и на его технологические и эксплуатационные характеристики. В узлах с продольной и поперечной осями симметрии возможны две основные системы сборки: осевая, при которой части узла соединяются в осевом направлении, и радиальная, при которой части соединяются в поперечном (радиальном) направлении. При осевой сборке плоскости стыка перпендикулярны продольной оси, при радиальной — проходят через продольную ось.

На рис. 1 в качестве простейшего примера изображена сборка шестеренного вала в корпус. На рис. 1, а показана осевая сборка. Корпус и крышка корпуса, а также установленные в них подшипниковые втулки целые. Вал вводят в корпус в осевом направлении и фиксируют крышкой, центрированной относительно корпуса цилиндрическим буртиком. При радиальной сборке (рис. 1, б) корпус и втулки выполнены с разъемом по продольной оси. Вал укладывают в одну из половин корпуса и накрывают другой половиной. Половины корпуса стягивают поперечными болтами и фиксируют одну относительно другой установочными штифтами.

На рис. 1, в показана смешанная радиально-осевая сборка. В данном случае корпус разъемный, а крышка — целая. Преимущества и недостатки осевой и радиальной сборки можно полнее всего проследить на примере сборки многоступенчатого центробежного насоса (рис. 2).

В конструкции с последовательно выдержанным принципом осевой сборки (вид а) корпус насоса состоит из ряда отсеков, несущих диффузоры 1 и диафрагмы 2 с лопаточными направляющими аппаратами 3. Агрегат собирают, набирая крыльчатки на вал (предварительно заведенный в подшипник задней крышки) последовательно во всех отсеках и соединяя отсеки болтами. Сборка заканчивается затяжкой крыльчаток гайкой со свободного конца вала в подшипнике передней крышки. При чисто радиальной сборке вид б) корпус состоит из двух половин с разъемом в плоскости вала. Корпусы подшипников и направляющие аппараты 3 отлиты за одно целое с корпусом. Диффузоры 1 также раздельные; лопатки диффузоров и направляющих аппаратов стыкуются между собой в плоскости разъема. Собирают насос в следующем порядке. Сначала крыльчатки набирают и стягивают на валу; вал в сборке устанавливают в нижнюю половину корпуса на подшипники и накрывают другой половиной, после чего половины корпуса стягивают внутренними и бортовыми болтами.

Сопоставление систем осевой и радиальной сборки позволяет сделать следующие, общие для многоступенчатых агрегатов выводы. При осевой сборке отливка корпуса, разделенного на отсеки, проста. Механическая обработка весьма удобна. Обрабатываемые поверхности открыты для обзора, доступны для подвода режущего инструмента и легко промеряются. Так как обработка производится по непрерывным цилиндрическим поверхностям, то при изготовлении отсеков могут быть применены методы скоростной обработки. Конструкции в целом присуща высокая жесткость. Внутренние полости хорошо уплотняются.

Недостатки осевой сборки следующие:

1. Сборка агрегата сложна. Проверка и регулировка осевых зазоров, в частности торцовых зазоров между крыльчатками и тыльными поверхностями диафрагм, затруднительна, особенно потому, что на всех стадиях сборки, вплоть до заключительной, вал зафиксирован только в одном подшипнике. Выдержать правильные зазоры можно или с помощью специальных приспособлений, или повышением точности выполнения  осевых размеров элементов конструкции.

2. Осмотр внутренних частей сложен. Для того чтобы открыть какую-нибудь ступень, необходимо демонтировать все предыдущие. Конструкция с радиальной сборкой по достоинствам и недостаткам противоположна конструкции с осевой сборкой. Изготовление корпуса, представляющего собой две массивные отливки, затруднительно. Механическая обработка сложна. Внутренние полости обрабатывают или  открытым способом - для каждой половины корпуса в отдельности, с последующей подгонкой стыка, или закрытым - при половинках корпуса, собранных на контрольных штифтах по предварительно начисто обработанным поверхностям стыка. И тот и другой способы требуют специальных инструментов, мерительных приспособлений, а также высокой квалификации исполнителей.

Вследствие асимметрии сечений корпус имеет неодинаковую жесткость: меньшую в плоскости стыка и большую в перпендикулярном к нему направлении. Ослабление конструкции продольным разъемом приходится компенсировать увеличением сечений стенок корпуса. Конструкция поэтому получается тяжелой. Полости корпуса нуждаются в тщательном уплотнении по фигурному плоскому стыку без нарушения цилиндричности  внутренних обработанных поверхностей, что обычно достигается притиркой стыковых поверхностей и установкой их на герметизирующих составах. Необходима подгонка лопаток диффузоров и направляющих аппаратов в плоскости стыка или применение наборных лопаток, заводимых секциями в кольцевые полости корпуса.

Зато сборка и разборка очень удобны. При сборке вал с предварительно установленными на нем крыльчатками укладывают в подшипники нижней половины корпуса. Представляется полная возможность проверить и отрегулировать осевые зазоры. Осмотр внутренних полостей агрегата удобен. При снятой верхней половине корпуса обнажается внутренность агрегата и обеспечивается доступ ко всем установленным в корпусе деталям.

Сравнивая недостатки и преимущества осевой и радиальной сборок, видим, что осевую сборку целесообразно применять в тех случаях, когда ради создания прочной и легкой конструкции (транспортное машиностроение) можно пойти на некоторые эксплуатационные неудобства. Если масса конструкции не играет существенной роли и если можно допустить повышенную стоимость изготовления ради удобства сборки и эксплуатации, то применяют радиальную сборку.

На практике возможны различные варианты сочетаний элементов осевой и радиальной сборок.

В системе радиальной сборки (вид в) с целью облегчения отливки половины корпуса набраны из отдельных полуколец, стягиваемых продольными призонными болтами 4. Собранные таким образом половины корпусов обрабатывают совместно по поверхностям разъема; в дальнейшем стягивающие болты не разнимают. Недостатки конструкции — увеличение объема механической обработки, большое число стыков, перпендикулярных друг другу.

В конструкции г диафрагмы 5 выполнены отдельно, каждая из двух половин, стягиваемых болтами на контрольных штифтах и закладываемых в разъемный корпус. При системе смешанной радиально-осевой сборки (вид д) средняя часть корпуса состоит из двух половин, разнимающихся по оси вала. К торцам корпуса присоединяют переднюю 6 и заднюю 7 крышки, несущие подшипники. При монтаже вал в сборе с крыльчатками укладывают в нижний корпус, после чего к нижнему корпусу крепят крышки, центрируя вал в подшипниках. Затем устанавливают верхнюю половину корпуса и затягивают верхние болты крышек. При разборках с целью осмотра крышки остаются постоянно привернутыми к нижнему корпусу. При такой конструкции изготовление разъемных корпусов несколько упрощается; сохраняется удобство сборки и разборки.

В конструкции смешанной сборки (вид е) диафрагмы 8 -выполнены каждая из двух половин и заложены в целый корпус вместе с валом и крыльчатками по принципу осевой сборки. На рис. 3 показаны схемы сборки одноступенчатого шестеренного редуктора с расположением осей зубчатых колес в горизонтальной плоскости.

В конструкции с осевой сборкой (вид а) из-за наличия цоколя нельзя разъединить корпус по оси симметрии. Зубчатые колеса редуктора монтируют с одной стороны в стенки корпуса, а с другой — в отъемной крышке, зафиксированной на корпусе контрольными штифтами. Конструкция обеспечивает удобную механическую обработку корпуса. В отличие от многоступенчатых агрегатов здесь удобен и монтаж. Для проверки зацепления колес и для осмотра внутренней полости редуктора предусматривают смотровой люк 2.

В конструкции с радиальной сборкой (вид б) корпус состоит из двух частей с разъемом в плоскости осей зубчатых колес, части корпуса фиксируются одна относительно другой контрольными штифтами. Как и другие системы радиальной сборки, эта конструкция характеризуется сложностью механической обработки. Посадочные отверстия под подшипники валов обрабатывают в сборе при половинах, корпуса, соединенных по  предварительно обработанным поверхностям стыка, или раздельно в обоих половинах, с последующей чистовой обработкой поверхностей стыка. Последний способ сложнее, чем первый.

Уплотнение стыка связано с некоторыми затруднениями. Упругие прокладки применять нельзя, чтобы не нарушить цилиндричность посадочных гнезд под подшипники; необходима притирка поверхностей стыка и применение герметизирующих составов. Особенно трудно добиться уплотнения одновременно по плоскому стыку и по наружным  цилиндрическим поверхностям подшипников (если втулки подшипников выполнены целыми). Во избежание разборки стыка при эксплуатации в корпусе необходимо предусматривать смотровой люк. В данном случае предпочтительнее осевая сборка, обеспечивающая более простую механическую обработку и вполне удовлетворительный монтаж.

В конструкции со смешанной  радиально-осевой сборкой (вид в) валы зубчатых колес оперты в стенках корпуса; корпус снабжен крышкой с плоскостью разъема, расположенной выше гнезд под подшипники валов. Сборку ведут в следующем порядке: заводят в корпус зубчатые колеса (которые в данном случае должны быть насадными), продевают валы через подшипник и через ступицы колес (валы должны быть ступенчатыми) и фиксируют колеса на валах. По простоте механической обработки, по устойчивости фиксации валов в корпусе эта конструкция лучше предыдущих. Однако монтаж ее значительно сложнее.

На видах г — е изображен редуктор с зубчатыми колесами, расположенными в вертикальной плоскости. Конструкции с осевой (вид г), радиальной (вид д) и радиально-осевой (вид е) сборкой имеют соответственно те же преимущества и недостатки, что и конструкции видов а, б, в, с тем различием, что недостатки радиальной сборки здесь выражены более резко из-за наличия двух стыков.

Иногда система сборки однозначно задается устройством агрегата. Так, для стационарной роторной машины, установленной на фундаменте, система осевой сборки (рис. 4, а) неприменима по эксплуатационным соображениям: для осмотра внутренних механизмов понадобилось бы снимать машину с фундамента. Здесь возможна только радиальная сборка (вид 6) и ограниченно-смешанная система (виды в, г).

При сборке коленчатых валов многоцилиндровых поршневых двигателей применить осевую сборку практически невозможно из-за конфигурации вала и по условиям монтажа разъемных головок шатунов.

Радиальная сборка не всегда осуществима для деталей чашечного типа вроде крыльчаток (рис. 5). Конструкция, показанная на виде а, может быть собрана только осевым способом: радиальной сборке корпуса мешает выход диска крыльчатки (на величину т) по отношению к ступицам корпуса.

Для радиальной сборки необходимо укоротить ступицу (вид б), введя между крыльчаткой и ступицей монтажный осевой зазор s. В большинстве случаев возможно несколько вариантов сборки, из которых конструктор должен выбрать вариант, наиболее подходящий к данным условиям работы.

Рассмотрим способы радиальной и осевой сборки типового машиностроительного узла - шестеренного блока коробки передач (табл. 1). Все варианты радиальной сборки полностью обеспечивают агрегатность сборки, удобство проверки зацепления и регулировки положения зубчатых колес относительно смежных деталей.

Однако изготовление усложняется. Необходима тщательная обработка стыка корпусов, совместная (в сборе) обработка посадочных поверхностей и их торцов. Применение мягких уплотняющих прокладок на стыке  корпусов недопустимо, так как при этом нарушается правильность посадки подшипников в гнезда. Разъем ослабляет корпус; жесткость корпуса необходимо увеличить утолщением стенок, введением ребер и т. д. Система применима только в том случае, если оси остальных зубчатых колес передачи также расположены в плоскости разъема. Изготовление систем осевой сборки  более простое. Прочность и жесткость корпусов в большинстве случаев выше. В  многопереборных механизмах возможно расположение осей зубчатых колес в разных плоскостях. В некоторых конструкциях ограничено межосевое расстояние смежных зубчатых колес.

Монтаж в системах осевой сборки сложнее. Удобство обслуживания в эксплуатации можно обеспечить в обеих системах путем введения смотровых люков.

...