1 Эксплуатационное назначение и принцип работы сборочной единицы

Заданная сборочная единица “Задний мост с тормозами и ступицами в сборе” является составной частью заднего моста автомобиля ГАЗ-53А [1].

В автомобиле ГАЗ-53А [2] задний мост является ведущим. Он предназначен для обеспечения вращения задних колес 1,2 , крутящий момент на которые передается от двигателя через коробку передач, карданную передачу, главную передачу, включающую в себя зубчатый редуктор, дифференциал и полуоси 13, прикрепленные к ступицам колес 1,2. При этом редуктор обеспечивает изменение направления вращения полуосей 13 на перпендикулярное к направлению вращения полуосей на перпендикулярное к направлению вращения карданного вала, а дифференциал обеспечивает независимое друг от друга вращение задних колес 1,2 при поворотах, пробуксовке и т.д.

Все механизмы заднего моста размещены в картере заднего моста 12, который представляет собой жесткую пустотелую балку, состоящую из трех основных частей: двух полуосевых кожухов (рукавов) и средней части – картера главной передачи. К рукавам балки приварены стальные трубчатые цапфы, на которых установлены роликовые конические подшипники 11,15 ступиц колес. Внутри полой цапфы расположена полуось 13, передний конец которой представляет собой фланец с отверстиями под шпильки. Фланец шпильками 22 жестко скреплен со ступицей, а ступица в свою очередь жестко соединена с диском колеса. Второй конец полуоси (шлицевой) соединен с шестерней полуоси установленной внутри редуктора главной передачи. ( на сборочном чертеже отсутствует ).

При работе полуоси 13 передают от двигателя на колеса только крутящий момент и полностью разгружены от осевых нагрузок и боковых ударов. Изгибающие моменты осевые нагрузки и боковые удары воспринимаются цапфами и ступицами колес 1,2. Ступицы опираются на конические однорядные роликовые подшипники 11,15. Наружные колеса подшипников запрессованы в корпус-ступицу. Передний подшипник 15, посаженный наружным кольцом в упор ступицы, по наружному кольцу зажат гайкой 16. Задний подшипник внутренним кольцом упирается во втулку 10 сальника 9, наружным в уступ ступицы.

При включенных передачах (движении) автомобиля крутящий момент передается от двигателя, через коробку передач, карданную передачу, главную передачу и полуоси 13 на задние колеса 1,2. Колеса вращаются вместе со ступицей, поэтому наружные кольца нагружены циркуляционно, а внутренние, расположенные на неподвижных цапфах – местно.

Ступица в сборе заднего колеса с подшипниками крепится на цапфе балки заднего моста с помощью гайки 16, стопорной шайбы 17 и контргайки 21. Затяжку подшипников ступиц колес нужно тщательно регулировать. При слабой затяжке подшипники могут разрушиться от ударов, а при тугой затяжке – от перегрева в результате выдавливания смазки, будет происходить интенсивный износ подшипников.

2 Расчет и выбор посадок колец подшипника качения на вал и в корпус

2.1 Определение вида нагружения колец подшипника

Задний мост автомобиля ГАЗ-53А предназначен для передачи крутящего момента от двигателя через муфту, коробку скоростей, карданный вал, дифференциал главной передачи к задним колесам. На картер 12 заднего моста (см.Приложение А) опирается рама с кузовом.

Исходя из функционального назначения той части заднего моста, в которую входят диски колес, тормозные барабаны со ступицами 1, 2, подшипники 11 и 15, посаженные на цапфу, приваренную к картеру 12, нагружение колец подшипников качения осуществляется следующим образом. Наружные кольца подшипников вместе со ступицей и дисками колес вращаются вокруг оси, испытывая при этом удары и толчки. Внутренние кольца посажены на шейки цапфы и, следовательно, неподвижны относительно цапфы.

Согласно рассматриваемым схемам нагружения подшипников [6,4] принимаем, что наружные кольца нагружены циркуляционно, а внутренние – местно.

2.2 Расчет и выбор посадок колец подшипника

Исходные данные для расчета и выбора посадок подшипника качения на вал и в корпус представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Исходные данные для расчета и выбора посадок подшипника качения

Номер подшипника	Класс точности	% перегрузки	Радиальная нагрузка, кН
50408	3	280	3,7

2.2 Определим основные размеры подшипника по ГОСТ 8338-75 [8, таблица 14]: d = 40 мм – диаметр внутреннего кольца; D = 110 мм – диаметр наружного кольца; B = 27 мм – ширина колец; r = 3 мм – радиус фаски. Класс точности подшипника - 3.

2.3 Выбрать посадку циркуляционно-нагруженного кольца из условия интенсивности радиальной нагрузки по формуле:

F

Р_F = -------------- * k₁*k₂*k₃, (2.1)

B - 2r

где Р_F- интенсивность радиальной нагрузки, Н/мм; k₁ – динамический коэффициент; k₂ – коэффициент, учитывающий ослабление посадочного натяга при полом вале и тонкостенном корпусе; k₃ – коэффициент неравномерности радиальной нагрузки.

Для заданных условий нагружения подшипникового узла выбираем коэффициенты: k₁= 1,8 - при перегрузке 280 % [3, таблица 15]; k₂ = 1 [8, таблица 16] при сплошном вале и неразъемном корпусе; k₃ = 1- при однорядном подшипнике.

Подставив исходные данные в формулу (2.1), получим:

3700

P_F = --------------- *1,8*1*1= 317,1 H/мм.

27 – 2*3

Используя полученное значение P_Fпо [6, таблица 6] выбираем поле допуска К6, т.е. посадка наружного кольца подшипника в отверстие корпуса К6/l3.

Для построения схемы расположения полей допусков посадки наружного кольца подшипника класса точности Р3 и отверстия ступицы колеса найдем отклонения наружного кольца по среднему диаметру D_mпо таблице 3[6, с.281]: es = 0; ei = -8 мкм.

Предельные отклонения для диаметра отверстия ступицы К6 найдем по [8, таблица 3]:

основное отклонение верхнее ES = -3 + = -3 + 7 = +4мкм;

второе отклонение нижнее EI = ES – IT7 = +4 - 22 = -18 мкм.

Вычислим предельные размеры:

наибольший и наименьший средние диаметры наружного кольца подшипника:

D_{m max}= D_m + es = 110 + 0 = 110мм;

D_{m min}= D_m+ ei =110 + (-0,008) = 109,992 мм;

наибольший и наименьший диаметры отверстия ступицы

D_max = D_н + ES = 110 + 0,004 = 110,004 мм;

D_min = D_н + EI = 110 + (-0,018) = 109,982мм.

Наибольший и наименьший натяги:

N_max = D_mmax– D_min = 110 – 109,982 = 0,018 мм;

N_min = D_{m min}– D_max =109,992 – 110, 004 = -0,012 мм,

т.е. вместо наименьшего натяга получился зазор.

Построим схему расположения полей допусков посадки наружного кольца подшипника в отверстие ступицы (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1- Схемарасположения полей допусков посадки наружного кольца подшипника в отверстие ступицы К6/l3

2.4 Для гарантирования неподвижности соединения необходимо, чтобы наименьший табличный натяг циркуляционно-нагруженного кольца N_min.T был больше или равен наименьшему расчетному натягу N_min.р

N_min.T≥N_min.р. (2.2)

Наименьший расчетный натяг определим по формуле

13 · F · K_k

N_min.р= —————, (2.3)

10³(B-2r)

где K_k – конструктивный коэффициент, определяемый при циркуляционном нагружении наружного кольца по формуле

1

K_k= —————, (2.4)

1 – (D₀/D)²

где D₀ – приведенный диаметр

D - d

D₀= D - ———, (2.5)

4

Подставив исходные данные из пункта 2.2 в формулы (2.5) и (2.4), определим:

110 - 40

приведенный диаметр D₀ = 110 - ------------ = 92,5 мкм;

4

1

конструктивный коэффициент K_k = —————— =3,4.

1 – (92,5/110)²

После чего по формуле (2.3) рассчитаем наименьший натяг, гарантирующий неподвижность соединения

13*3700*3,4

N_min.р = —————— = 7,78 мкм.

10³ (27- 2*3)

В ранее выбранной посадке Ø110К6/l3 N_min = -0.012 мм, т.е. не соблюдается условие (2.2), поэтому необходимо назначить другую посадку.

По [3, таблица21] выбираем посадку Ø110N6/l3, для которой

N_min.T. = 8мкм, а N_max.T. = 38 мкм.

Построим схему расположения полей допусков для посадки Ø110N6/l3 и определим ее основные параметры (рисунок 2.2).

Основное отклонение отверстия Ø110N6 по [3, таблица 3]

верхнее ES = -23 +Δ = -23 + 7 = -16 мкм,

второе отклонение нижнее EI = ES – IT6 = -16 – 22 = -38 мкм.

Предельные размеры наружного кольца вычислены ранее (см. рисунок 2.1).

Наибольший и наименьший диаметры:

D _max = D_н + ES = 110 + (-0,016) = 109,984 мм;

D _min = D_н + EI = 110 + (-0,038) = 109,962 мм.

Наибольший, наименьший и средний натяги находим по формулам:

N_max = D_{m max} – D _min = 110 – 109,962 = 0,038 мм;

N_min = D_{m min} – D _max = 109,992 – 109,984 = 0,008 мм.

N_max + N_min 0,038 + 0,008

N_m = ————— = ——————— = 0,023 мм = 23 мкм.

2 2

2.5 Проверим наличие зазора между телами качения и дорожками колец после осуществления посадки S_n (в мкм) при циркуляционном нагружении наружного кольца по формуле

S_n= G_r – δ^/· D, (2.6)

где G_r – зазор в состоянии поставки, определяемый по формуле

G_{r max} + G_{r min}

G_r = ——————, (2.7)

2

где G_{r max} и G_{r min} – наибольший и наименьший зазоры, зависящие от группы зазоров (ГОСТ 24810-81) [3, таблица 22], δ^/D – наиболее вероятностная деформация наружного кольца, определяемая по формуле

D₀

δ^/ D = N_в · — , (2.8)

D

где N_в – вероятностный натяг принимаем

N_в = 0,85N_m. (2.9)

Рисунок 2.2- Схема расположения полей допусков посадки наружного кольца подшипника и отверстия Ø110N6/l3

Если в результате расчетов полученная величина S_n > 0, то выбранная посадка при данной группе зазоров подшипника гарантирует наличие зазора после посадки, если S_n < 0, то следует выбрать подшипник из группы с большими зазорами.

Подставив в формулу (2.9) ранее вычисленные параметры, определим вероятностный натяг

N_в = 0,85 · 23 =19,55 мкм.

Вероятностную деформацию наружного кольца вычислим по (2.8)

92,5

δ^/D = 19,55 · ——— = 16,4 мкм.

110

Следовательно, чтобы не произошло заклинивание шариков при посадке подшипника, средний (нормальный) радиальный зазор подшипника в состоянии поставки G_r должен быть больше 16,4 мкм. По [3, таблица 22] выбираем подшипник группы зазоров 7, у которого G_{r min} = 15 мкм,

G_{r max} = 33 мкм. Подставив эти величины в формулу (2.7), получим

33 + 15

G_r = ———- = 24 мкм.

2

Тогда зазор между телами качения и дорожками колец после посадки (посадочный зазор) по формуле (2.6) будет равен

S_n = 24 – 16,4 = 7,6 мкм.

2.6 Проверим возможность разрушения циркуляционно-нагруженного наружного кольца при посадке по формуле

11,4[σ_р]· K_k·D

N_доп = ——————— , (2.10)

(2K_k – 2)·10³

где N_доп – допускаемый натяг, не вызывающий разрушения колец, мкм;

[σ_р] = 400 Н/м² – допускаемые напряжения при растяжении подшипниковых сталей;K_k – конструктивный коэффициент.

Подставив исходные данные в формулу (2.10) получим

11,4*400*3,4*110

N_доп = ——————— = 355 мкм.

(2*3,4-2)*10³

N_доп > N_max.T, значит выбранную посадку Ø110N6/l3 принимаем окончательно.

2.7 Определим силу запрессовки циркуляционно-нагруженного кольца по формуле

N_в · f · E · π · B₁

F = ——————— , (2.11)

2K_k

где f - коэффициент трения при запрессовке, f = 0,12…0,15 при стальном вале и корпусе; Е – модуль упругости материалов вала и корпуса, для стали

Е = 2 · 10¹¹Па; В₁ = В – 2r – ширина кольца, контактирующая с сопрягаемой поверхностью, м; K_k – конструктивный коэффициент.

Подставив исходные данные в формулу (2.11) получим

19,55*10^-6*0,13*2*10¹¹*3,14*21*10^-3

F= ——————————————— = 49*10² Н = 4,9 кН.

2*3,4

Прессовое оборудование для запрессовки подшипников выберем согласно [3, таблица 23]. В нашем случае можно использовать ручной реечный или винтовой пресс усилием до 50 кН.

2.8 Выберем [6] посадку местно нагруженного кольца, исходя из вида нагружения, конструктивных особенностей. В рассматриваемом примере посадка внутреннего кольца на вал Ø40L3/h5.

Для построения схемы расположения полей допусков посадки внутреннего кольца на вал (рисунок 2.3) по [3, таблица 19] найдем отклонения внутреннего кольца подшипника класса точности Р0 или 0 по номинальному (среднему) диаметру d_m: ES = 0, EI = -6 мкм. Предельные отклонения для диаметра вала Ø40h5 найдем из [3, таблицы 1,3].

Основное отклонение es = 0; ei = es – IT5 = 0 – 11 = -11 мкм.

Рисунок 2.3 – Схема расположения полей допусков посадки внутреннего кольца подшипника и вала Ø40L3/h5

Вычислим предельные размеры.

Наибольший и наименьший средние диаметры внутреннего кольца подшипника:

d_{m max} = d_m + ES = 40 + 0 = 40 мм;

d_{m min} = d_m + EI = 40 + (-0,006) = 39,994 мм.

Наибольший и наименьший диаметры вала:

d_max = d_н + es = 40 + 0 = 40 мм;

d_min = d_н + ei = 40 + (-0,011) = 39,989 мм.

Зазоры определим по формулам:

S_max = d_{m max} – d _min = 40 – 39,989 = 0,011 мм;

S_min = d_{m min} – d _max = 34,994 – 40 = - 0,006 мм.

Наименьший зазор получился со знаком «минус», т.е. натяг.

2.9 Выполним эскизы подшипникового узла и деталей с указанием посадок, отклонений размеров, формы и шероховатости поверхностей (рисунок 2.4).

Отклонение формы назначим по уровню точности С, по [3, таблицы 5,24], шероховатость по [3, таблица 4].

Рисунок 2.4 – Обозначение допусков и посадок подшипников качения на чертежах: а – узла в сборе - Ø110N6/l3, Ø40L3/h5; б – корпуса Ø110N6;

в – вала Ø40h5

2.10 Выполним расчет предельных и исполнительных размеров гладких предельных рабочих калибров и построим схемы расположения их полей допусков.

На гладкие рабочие калибры установлены допуски по ГОСТ 24853-81.

Схема расположения полей допусков приведена на рисунке 2.5, а их значения находим в [3], где Н– допуск на изготовление калибров для контроля отверстия; Z – смещение поля допуска проходного калибра пробки от проходного предела внутрь поля допуска изделия; Y– граница износа проходного калибра за проходной предел.

Для рассматриваемого примера по[3] находим: Н = 4 мкм; Z = 3 мкм; Y = 3 мкм – допуски калибров-пробок.

Предельные размеры проходной (Пр) и (НЕ) калибров – пробок:

Пр_max = D_min + Z + H/2 = 109,962 + 0,003 +0,002 = 109,967 мм;

Пр_min = D_min + Z - H/2 = 109,962 + 0,003 – 0,002 = 109,963 мм;

Пр_изн = D_min – Y = 109,962 – 0,003 = 109,959 мм;

НЕ_max = D_max + H/2 = 109,984 + 0,002 = 109,986 мм;

НЕ_min = D_max - H/2 = 109,984 – 0,002 = 109,982 мм.

Для контроля валов, изготовленных с допусками по квалитету IT5 скобы не применяются.

Исполнительные размеры рабочих калибров, проставляемые на рисунке 2.6 включают в себя номинальные размеры и допуски на изготовление, а поскольку допуски даются в материал, то исполнительные размеры запишутся следующим образом:

проходной пробки Пр_исп = (Пр_max)_-H = 109,967_-0,004;

непроходной пробки НЕ_исп = (НЕ_max)_-H = 109,986_-0,004.

Рисунок 2.5- Схема расположения полей допусков калибров–пробок - Ø110N6ПР, Ø110N6НЕ

Рисунок 2.6 – Гладкие предельные рабочие калибры:

а – пробка проходная Ø110N6ПР;

б - пробка не проходная Ø110N6НЕ;

2.11 Выбор универсальных средств измерения для контроля размеров деталей выполним по [8, таблица 7] в последовательности, изложенной в [5, п.1.4.9]. Результаты выбора внесем в таблицу 2.2.

Таблица 2.2 – Результаты выбора универсальных средств измерения

Условное обозначе ние отверстия, вала	Вели чина допус ка, мкм	Допускае мая погре шность измерения δ, мкм	Универсальные средства измерения
			Пределы допускае мой погре шности ∆ lim, мкм	Наименование и основные метрологические показатели
Ø110N6 Ø40h5	22 11	6 4	±4 ±2	Нутромер мод.155 ГОСТ 9244-75 с головкой 2ИГ с ценой деления0,002 мм и диапазоном измерения 100-160 мм. Скоба рычажная СР-50ГОСТ 11098-75 с ценой деления 0,002 мм и диапазоном измерения 25-50 мм