机械零件设计中几何公差的合理选用分析

摘要：机械制造业的不断发展，随之而来的是对机械零件结构设计要求的不断提高，因此，对于机械零件的设计需要在满足机械设计原则的基础上不断创新，改变原来的设计方法，利用几何公差的原理，根据机械产品的功能充分发挥创造力，综合运用先进的技术，借鉴优秀的研究成果，在全新的设计理念和基本设计原则的指导下，创造出更具有价值的机械零件。本文对机械零件设计中几何公差的合理选用做一个简单的分析和探讨。

关键词：机械零件设计；几何公差；合理选用

中图分类号：S611 文献标识码： A

引言

现代化的机械零件结构设计涉及到多方面的因素，设计方法也不断创新发展，理论设计、经验设计、模型实验设计成为最主要的三种设计方式，并且三者之间存在着不可分割的联系。科学合理的机械零件结构设计能有效地保证零件的工艺性和实用性，同时也能极大程度地提高零件的强度，增强零件使用寿命对零件的结构设计必须遵循一定的原则，本文试图从机械零件结构设计的方法、优势和几何公差选用的原则出发进行深入探讨。

一、机械零件结构设计方法

应用正确的基本原理和已有的实践经验来创造发展新事物或改造旧事物，这就是设计的基本概念，对于机械零件的结构设计同样也符介这一概念，零件设计的方法有以下几种。

1、理论设计

理论设计主要以人们已掌握的介乎规律的理论和实践知识为基础，结介理论力学、材料力学、机械原理、金属学等理论知识进行机械零件的结构设计。根据零件的整体载荷情况，运用理论计算公式确定零件的几何尺寸。零件的尺寸计算必须满足载荷情况、材料性能、零件工作情况和应力分布规律等方面的条件。运用计算公式初步确定机械零件的尺寸及形状后，再利用校核计算对零件危险剖面的安全系数计算值进行校核。这个过程多用于应力分布规律复杂，但又能用材料力学公式表示出来的零件设计，同时也适用于应力分布规律简单但必须已知零件尺寸的情况，如轴和弹簧的设计。在进行机械零件的结构设计时，一些具有足够实践经验的设计工作者也常为了简化计算过程，在粗略的估算和相关资料的基础上自接进行结构设计，然后采用校核计算。理论设计的基础是熟知机械零件的材料性能和应力分布规律，是经过大量感性知识而总结出来的设计规律，因此是一种具有一定科学性和先进性的设计方法，值得广泛采用。但是任何一种理论都存在不完善的地方，所以不应把理论设计当作完美的机械零件机构设计方法。

2、经验设计

根据零件已有的设计和使用经验或设计者自身的设计经验，采用类比的方法进行的设计就叫经验设计。经验设计相比于理论设计，没有足够理论化的科学分析作为设计基础，但是根据经验形成的公式本身就已具备一定的科学统计性，所以经得起实践的考验，具有很大的实用价值。经验设计通常用于外形复杂、载荷情况小明且无法用理论分析的机械零件设计中，如机架、变速箱体的设计，也多用于对价值小高的零件的设计。经验设计往往运用在理论设计薄弱的地方，从某种意义上来说，经验设计和理论设计存在一定的互补关系。

3、模型实验设计

模型实验设计主要针对一些尚无法运用理论知识进行详细分析的大型的、结构复杂且具有一定重要性的机械零件进行结构设计。具体来说，就是对零件作出初步设计，形成模型，对模型进行反复试验，再根据实验结果加以修改。这种设计方法同样也是对理论小足的一种弥补，同时也有效地避免了经验设计中缺乏科学性的成分。模型实验设计决定了大型复杂零件中的工作应力分布情况和零件的极限承受能力，是将经验设计转化为理论设计的途径之一。

二、几何要素定义之间的相互关系

几何要素定义之间的相互关系详见图1。其中几何要素有：点、线或面。组成要素有：面或面上的线。导出要素有：由一个或几个组成要素得到的中心点、中心线或中心面，例如：球心是由球面得到的导出要素。尺寸要素为：由一定大小的线性尺寸或角度尺寸确定的几何形状。公称组成要素是由技术制图或其他方法确定的理论正确组成要素，见图1a），公称导出要素是由一个或几个公称组成要素导出的中心点、轴线或中心平面。工件实际表面是实际存在并将整个工件与周围介质分隔的一组要素。实际（组成）要素即由接近实际（组成）要素所限定的工件实际表面的组成要素部分，见图1a）。提取组成要素是按规定方法，由实际（组成）要素提取有限数目的点所形成的实际（组成）要素的近似替代，见图1c）。提取组成要素是按规定的方法由提取组成要素形成的并具有理想形状的组成要素，见图1d），拟合导出要素是由一个或几个拟合组成要素导出的中心点、轴线或中心平面。

三、几何公差

1、几何公差的基本概念

根据误差最小原则、有关默认规定和公差代号的指示，确定被测要素的形状、位置或者被测要素组成共同理想模型的各个要素的形状、位置，然后确定公差带的位置（对称或不对称于理想要素）。公差要求被测要素的，实际要素，局限于指定的公差带内。没有特别说明，公差不限制被测要素的，实际要素，在公差带内的分布。单一要素的几何公差又称形状公差。关联要素的几何公差又称方向公差、位置公差。

2、几何要素的各项公差之间互相独立

若无特别说明，尺寸公差之间、几何公差之间、几何公差与尺寸公差之间相对独立，各项公差都是零件合格的必要条件。

（1）尺寸公差之间互相独立

无论线性尺寸，还是角度尺寸，每一个尺寸都有其独立的解释，互相之间没有任何关联，否则，尺寸公差将可能没有唯一确定的解释。

（2）几何公差与尺寸公差相互独立

四、几何公差值

几何公差值确认的方式可以分为计算法和类比法。一般情况下采用类比法予以确定。其是根按照零件的结构特点、功能要求、结合设计经验及相关资料，将其与已经验证的类似零件的基本要求，进行全面的对比分析，最终予以确认。在进行类比时有几点注意事项，具体如下：一般情况下，中、高精度零件的形状公差值在占尺寸公差值中的占比约为25%-65%之间，位置公差值在尺寸公差值中的占比约为50%。中等精度的几何公差值可以和尺寸公差保持一致，中等尺寸与和中等精度零件的表面粗糙度值在几何公差值中的占比约为20%-25%之间。在下列情况下，充分考量加工难度及辅助参数的影响，在达到零件功能要求的条件下可适当降低2个左右的公差等级，包括与轴、细长相比较大孔；轴、间距较大的孔；轴或者零件表面的宽度超过长度的一半等。

五、配制配合在机械设计中的应用

在 实 际 应 用 过 程 中 ， 对 一 基 本 尺 寸 为Φ2500mm 孔、轴进行配制。如果按照实际工作要求进行相应配合，其配合的最大间隙为0.35mm，最小间隙为 0.120mm。因工程实际情况符合配制配合要求，在此基础上采用配制配合。应用过程中可以以计算方法为依据来确定公差配合代号，并采用基孔制，最终根据标准公差表可以确定孔轴公差为 0.115mm。当以最小公差为依据确定偏差代号时，可以根据互换性生产要求选取最佳配合，以得出最大间隙和最小间隙，并在装配图上标注出先加工件孔和先加工件轴，在实际配制配合中，如果先将工件作为孔，即便孔加工起来较难，但是其却能精确的测出相应尺寸，从而较容易得到相应公差；在配制件过程中，可以将其配制件作为轴，然后以确定的配合公差为依据选择偏差 f7，并得出最大间隙和最小间隙，并在图上将其标注出来。在此基础上，也可以选择 f8，得出最大间隙和最小间隙，但是因此时最大间隙要大于实际间隙，在设计过程中，还需要对相应内容进行考虑；为了保证测量精度，必须注意配制配合极限尺寸的选择。选择过程中，可以以先加工件实际尺寸和配制配件极限尺寸为依据进行相应计算。在实际计算中，可以选用f7 和 f8，计算出最大和最小极限尺寸。通过 f7和 f8 对比可知，装配图上标注出的互换性生产时的配合代号。之所以这样做，是要制造者知道愿配合要求的重要性，并使其了解箱配件形状、位置公差及表面粗糙度等相关要求与配制配合是无关的，同时也不会因采用了配制配合就降低标准要求。此外，基准件生产中必须应明确加工时的公差等级并及时注明，如不注明就必须按照公差尺寸极限偏差进行相应加工。对于配制件来说，则应该根据实际需求选择最佳公差带，以满足交互性生产求。 就现状分析，一些机械零部件小批量生产过程中，仍采用大批量互换生产，为了减少废品，在实际加工过程中会用最大实体进行加工，使得零件的实际尺寸长与实体最大尺寸一致，从而使装配后的机械偏紧或是偏松。在这种情况下，机械设计的公差和配合不仅会增加成本，同时也会使装配更加困难，甚至使机械设计无法达到设计标准和使用要求。

结束语

机械零件的结构设计是一个涉及诸多因素的综合性问题，无论从设计方法还是设计原则上都需要设计工作者具有非常丰富的经验，运用合理的公差原则，才能保证设计出的零件产品能最大限度地实现实用价值和经济效益。通过对独立原则、包容要求、最大实体要求、最小实体要求、可逆要求的详细阐述以及列举的部分实际应用的分析，有助于我们在之后的机械零件设计制造中针对零件自身的功能性和特殊性更准确的运用好上述形位公差原则，真正的达到质量与工艺效率最大化的统一，使得最终制造出的产品更具市场竞争力。