尺寸公差与配合的选择优化方案

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：公差与配合的选择是否恰当，对产品的性能、质量、互换性与经济性都有着重要的影响。尺寸公差与配合的选择主要包括配合制、公差等级及配合种类。公差等级可采用计算法或类比法进行选择。表2-11公差等级应用范围表2-12常用公差等级应用示例3.配合种类的选用当配合制和公差等级确定后，配合的选择就是根据所选部位松紧程度的要求，确定非基准件的基本偏差代号。

尺寸公差与配合的选择是机械设计与制造中的一个重要环节。公差与配合的选择是否恰当，对产品的性能、质量、互换性与经济性都有着重要的影响。选择的原则是应使机械产品的综合经济效果最佳。

尺寸公差与配合的选择主要包括配合制、公差等级及配合种类。

1.配合制的选择

基孔制配合和基轴制配合是两种平行的配合制度。对各种使用要求的配合，既可用基孔制配合也可用基轴制配合来实现。配合制的选择主要应从结构、工艺性和经济性等方面分析确定。

1）基孔制配合

一般情况下优先选用基孔制。

从工艺上看，对较高精度的中小尺寸孔，广泛采用定值刀、量具（如钻头、铰刀、塞规）加工和检验。采用基孔制可减少备用定值刀、量具的规格和数量，故经济性好。

2）基轴制配合

在采用基轴制有明显经济效果的情况下，应采用基轴制。例如：

（1）农业机械和纺织机械中，有时采用IT9～IT11的冷拉成形钢材直接做轴（轴的外表面不需经切削加工即可满足使用要求），此时应采用基轴制。

（2）尺寸小于1mm的精密轴比同一公差等级的孔加工要困难，因此在仪器制造、钟表生产和无线电工程中，常使用经过光轧成形的钢丝或有色金属棒料直接做轴，这时也应采用基轴制。

（3）在结构上，当同一轴与公称尺寸相同的几个孔配合，并且配合性质要求不同时，可根据具体结构考虑采用基轴制。如图2-17（a）所示的柴油机的活塞连杆组件中，由于工作时要求活塞销和连杆相对摆动，所以活塞销与连杆小头衬套采用间隙配合。而活塞销和活塞销座孔的连接要求准确定位，故它们采用过渡配合。若采用基孔制，则活塞销应设计成中间小、两头大的阶梯轴，如图2-17（b）所示。这不仅会给加工造成困难，而且装配时阶梯轴大头易刮伤连杆衬套内表面。若采用基轴制，活塞销设计成光轴（见图2-17（c）），这样容易保证加工精度和装配质量。而不同基本偏差的孔，分别位于连杆和活塞两个零件上，加工并不困难，所以应采用基轴制。

3）配合制按标准件来定

当设计的零件与标准件相配合时，配合制的选择应按标准件来定。例如，与滚动轴承内圈配合的轴颈应按基孔制配合，而与滚动轴承外圈配合的轴承座孔，则应选用基轴制。

4）非配合制配合

为了满足配合的特殊需要，有时允许孔与轴都不用基准件（H或h）而采用非基准孔、轴公差带组成的配合，即非基准制配合。

例如，图2-18所示的外壳孔同时与轴承外径和端盖直径配合，由于轴承与外壳孔的配合已被定为基轴制过渡配合（M7），而端盖与外壳孔的配合则要求有间隙，以便于拆装，所以端盖直径就不能再按基准轴制造，而应小于轴承的外径。在图2-18中，端盖外径公差带取f7，所以它和外壳孔所组成的为非基准配合M7/f7。又如，有镀层要求的零件，要求涂镀后满足某一基准制配合的孔或轴，在电镀前也应按非基准制配合的孔、轴公差带进行加工。

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图2-17　配合制选择示例

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图2-18　非配合制配合

2.公差等级的选择

选择公差等级时，要正确处理使用要求、制造工艺和成本之间的关系。选用的基本原则是，在满足使用要求的前提下，尽量选用较低的公差等级。

公差等级可采用计算法或类比法进行选择。

1）计算法

用计算法选择公差等级的依据是Tf=Th+Ts，至于Th与Ts的分配则可按工艺等价原则来考虑。

（1）对公称尺寸≤500mm的情况，当公差等级在IT8及以上精度时，推荐孔比轴低一级，如H8/f7、H7/g6等；当公差等级为IT8时，也可采用同级孔、轴配合，如H8/f8等；当公差等级在IT9及以下精度时，一般采用同级孔、轴配合，如H9/d9、H11/c11等。

（2）对公称尺寸＞500mm的情况，一般采用同级孔、轴配合。

2）类比法

采用类比法选择公差等级，也就是参考从生产实践中总结出来的经验资料，进行比较选用。选择时应考虑以下几个方面。

（1）相配合的孔、轴应加工难易程度相当，即使孔、轴工艺等价。

（2）各种加工方法能够达到的公差等级如表2-10所示，可供选择时参考。

表2-10　加工方法所能够达到的公差等级

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续表

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（3）与标准零件或部件相配合时应与标准件的精度相适应。如：与滚动轴承相配合的轴颈和轴承座孔的公差等级，应与滚动轴承的精度等级相适应；与齿轮孔相配合的轴的公差等级要与齿轮的精度等级相适应。

（4）过渡配合与过盈配合的公差等级不能太低，一般孔的标准公差≤IT8，轴的标准公差≤IT7。间隙配合则不受此限制，但间隙小的配合公差等级应较高，而间隙大的配合公差等级应低些。

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图2-18　公差等级与生产成本的关系

（5）产品精度愈高，加工工艺愈复杂，生产成本愈高。图2-19是公差等级与生产成本的关系曲线图。由图可见，在高精度区，加工精度稍有提高就会使生产成本急剧上升。所以，对于高公差等级的选用要特别谨慎。而在低精度区，公差等级提高使生产成本增加不显著，因而可在工艺条件许可的情况下适当提高公差等级，以使产品有一定的精度储备，从而取得更好的综合经济效益。

（6）各公差等级的应用范围如表2-11所示。常用公差等级的应用示例如表2-12所示。

表2-11　公差等级应用范围

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表2-12　常用公差等级应用示例

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3.配合种类的选用

当配合制和公差等级确定后，配合的选择就是根据所选部位松紧程度的要求，确定非基准件的基本偏差代号。

国家标准规定的配合种类很多，设计中应根据使用要求，尽可能地选用优先配合，其次考虑常用配合，然后是一般配合等。

配合选用的方法有计算法、试验法和类比法三种。

1）计算法

根据配合部位的使用要求和工作条件，按一定理论建立极限间隙或极限过盈的计算式。如：根据流体润滑理论，计算保证液体摩擦状态所需要的间隙；根据弹性变形理论，计算出既能保证传递一定力矩而又不使材料损坏所需要的过盈，然后按计算出的极限间隙或过盈选择相配合孔、轴的公差等级和配合代号（选择步骤见例2-5）。由于影响配合间隙和过盈量的因素很多，理论计算往往是把条件理想化和简单化，结果不完全符合实际，也较麻烦，故目前只有计算公式较成熟的少数重要配合才有可能用计算法。但这种方法理论根据比较充分，有指导意义，随着计算机技术的发展，将会得到越来越多的应用。目前，我国已经颁布GB/T 5371—2004《极限与配合　过盈配合的计算和选用》国家标准，其他配合的计算与选用也在研究中，故计算法将会日趋完善，其应用也将逐渐增多。

【例2-5】　公称尺寸为φ40 mm的某孔、轴配合，由计算法设计确定配合的间隙应在+0.022～+0.066mm之间，试选用合适的孔、轴公差等级和配合种类。

解：（1）选择公差等级。由

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查表2-4知，IT7=25μm，IT6=16μm。按工艺等价原则，取孔为IT7级，轴为IT6级，则接近44μm，符合设计要求。

（2）选择配合制。由于没有其他条件限制，故优先选用基孔制，则孔的公差带代号为φ40H7 pagenumber_ebook=39,pagenumber_book=32 ）。

（3）选择配合种类，即选择轴的基本偏差代号。因为是间隙配合，故轴的基本偏差代号应在a～h之间，且其基本偏差为上极限偏差（es）。由

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查表2-6，选取轴的基本偏差代号为f（es=-25μm），能保证Xmin的要求，故轴的公差带代号为φ40f6（ pagenumber_ebook=39,pagenumber_book=32 ）。

（4）验算。所选配合为φ40H7/f6，则

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均在+0.022～+0.066mm之间，故所选符合要求。

2）试验法

对于与产品性能关系很大的关键配合，可采用多种方案进行试验比较，从而选出具有最理想的间隙或过盈量的配合。这种方法较为可靠，但成本较高，一般用于大量生产的产品的关键配合。

3）类比法

在对机械设备上现有的行之有效的一些配合有充分了解的基础上，对使用要求和工作条件与之类似的配合件，用参照类比的方法确定配合，这是目前选择配合的主要方法。

用类比法选择配合，必须掌握各类配合的特点和应用场合，并充分研究配合件的工作条件和使用要求，进行合理选择。下面分别加以阐述。

（1）了解各类配合的特点与应用情况，正确选择配合类别。

基本偏差为a～h（或A～H）的轴与基准孔（或基准轴）形成间隙配合，主要用于结合件有相对运动或需方便装拆的场合。

基本偏差为js～n（或JS～N）的轴与基准孔（或基准轴）形成过渡配合，主要用于需精确定位和便于装拆的相对静止的场合。

基本偏差为p～zc（或P～ZC）的轴与基准孔（或基准轴）形成过盈配合，主要用于孔、轴间没有相对运动，需传递一定的扭矩的场合。过盈不大时主要借助键连接（或其他紧固件）传递扭矩，可拆卸；过盈大时，主要靠结合力传递扭矩，不便拆卸。

表2-13提供了三类配合选择的大体方向，可供参考。

表2-13　配合类别的大体方向

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续表

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注：①指非基准件的基本偏差代号；
②紧固件指键、销和螺钉等。

配合类别大体确定后，再进一步类比选择确定非基准件的基本偏差代号。表2-14为各种基本偏差的特点及应用，表2-15为尺寸至500mm的基孔制常用和优先配合的特征和应用，均可供选择时参考。

表2-14　各种基本偏差的特点及应用说明

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表2-15　尺寸至500mm基孔制常用和优先配合的特征和应用

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续表

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注：①括号内的配合为优先配合；
②国家标准规定的44种基轴制配合的应用与本表中的同名配合相同。

（2）分析零件的工作条件及使用要求，合理调整配合的间隙与过盈。

零件的工作条件是选择配合的重要依据。用类比法选择配合时，当待选部位和类比的典型实例在工作条件上有所变化时，应对配合的松紧作适当的调整。因此，必须充分分析零件的具体工作条件和使用要求，考虑工作时结合件的相对位置状态（如运动速度、运动方向、停歇时间、运动精度要求等）、承受负荷情况、润滑条件、温度变化、配合的重要性、装卸条件以及材料的物理、力学性能等，参考表2-16对结合件配合的间隙量或过盈量的绝对值进行适当的调整。

表2-16　不同工作条件影响配合间隙或过盈的趋势

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（3）考虑热变形和装配变形的影响，保证零件的使用要求。

①热变形　在选择公差与配合时，要注意温度条件。标准中规定的均为标准温度20℃下的数值。当工作温度不是20℃，特别是孔、轴温度相差较大，或其线膨胀系数相差较大时，应考虑热变形的影响。这对于高温或低温下工作的机械更为重要。

【例2-6】　铝制活塞与钢制缸体的结合，其公称尺寸为φ150 mm。工作温度：孔温th=110℃，轴温ts=180℃。线膨胀系数：孔ah=12×10-6℃-1，轴as=24×10-6℃-1。要求工作时间隙量在0.1～0.3mm内。试选择配合。

解：由热变形引起的间隙量的变化为

ΔX=150×[12×10-6×（110+20）-24×10-6×（180-20）]mm=-0.342mm

即工作时间隙量减小。故装配时间隙量应为

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按要求的最小间隙，由表2-6可选基本偏差为a=-520μm。

由配合公差

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由表2-4知可取IT9，故选择配合为φ50H9/a9。其最小间隙为0.52 mm，最大间隙为0.72mm。

②装配变形　在机械结构中，常遇到套筒装配变形问题。如图2-20所示，套筒外表面与机座孔的配合为过渡配合φ80H7/u6，套筒内表面与轴的配合为φ60H7/f6。由于套筒外表面与机座孔的配合有过盈，当套筒压入机座孔后，套筒内孔即收缩，直径变小。若套筒内孔与轴之间要求最小间隙为0.03mm，则由于装配变形，此时实际将产生过盈，不仅不能保证配合要求，甚至无法自由装配。

一般装配图上规定的配合，应是装配后的要求。此时，对有装配变形的套筒类零件，在设计绘图时应对公差带进行必要的修正，如将内孔公差带上移，使孔的极限尺寸加大；或用工艺措施加以保证，如将套筒压入机座孔后再精加工套筒孔，以达到图样设计要求，从而保证装配后的要求。

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图2-20　有装配变形的配合

尺寸公差与配合的选择优化方案

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