尺寸公差设计

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1、尺寸公差设计 3 1概述3 2用完全互换法解尺寸链3 3用大数互换法解尺寸链3 4用其它方法解装配尺寸链3 5思考题与练习 3 1概述3 1 1尺寸链的基本概念一个零件或一台机器的结构尺寸总存在着一些相互联系 这些相互联系的尺寸按一定顺序连接成一个封闭的尺寸组 称为尺寸链 尺寸链具有两个特性 1 封闭性 组成尺寸链的各个尺寸按一定顺序构成一个封闭系统 2 相关性 其中一个尺寸变动将影响其他尺寸变动 例如 图3 1的孔和轴零件的装配过程 其间隙 过盈 A0的大小由孔径A1和轴径A2所决定 即A0 A1 A2 这些尺寸组合A1 A2和A0就是一个尺寸链 又如 图3 2所示的零件 先后按A1 A2加

2、工 则尺寸A0由A1和A2所确定 即A0 A1 A2 这样 尺寸A1 A2和A0也形成一个尺寸链 图3 1装配尺寸链 图3 2工艺尺寸链 3 1 2尺寸链的组成和分类1 尺寸链的组成组成尺寸链的各个尺寸称为环 尺寸链的环分为封闭环和组成环 1 封闭环 加工或装配过程中最后自然形成的那个尺寸称封闭环 封闭环是尺寸链中唯一的特殊环 一般以字母加下标 0 表示 如A0 B0等 如图3 1中的尺寸A0就是封闭环 2 组成环 尺寸链中除封闭环以外的其他环称组成环 同一尺寸链中的组成环一般以同一字母加下标1 2 3 表示 如A1 A2 根据它们对封闭环影响的不同 又分为增环和减环 增环 与封闭环同向变动的

3、组成环 即当该组成环尺寸增大 减小 而其他组成环不变时 封闭环的尺寸也随之增大 减小 减环 与封闭环反向变动的组成环 即当该组成环尺寸增大 减小 而其他组成环不变时 封闭环的尺寸却随之减小 增大 2 尺寸链的分类装配尺寸链按照计量单位的不同可分为长度尺寸链 角度尺寸链 按几何特征和所处的空间位置可分为线性尺寸链 平面尺寸链和空间尺寸链 按尺寸应用类型可分为零件尺寸链 装配尺寸链 见图3 1 和工艺尺寸链 见图3 2 3 1 3尺寸链线图的建立1 建立尺寸链正确建立和描述尺寸链是进行尺寸链综合精度分析计算的基础 建立装配尺寸链时 应了解零件的装配关系 装配方法及装配性能要求 建立工艺尺寸链时 应

4、了解零 部件的设计要求及其制造工艺过程 同一零件的不同工艺过程所形成的尺寸链是不同的 1 正确地确定封闭环 2 正确地确定组成环 2 查找组成环查找装配尺寸链的组成环时 先从封闭环的任意一端开始 找相邻零件的尺寸 然后再找与第一个零件相邻的第二个零件的尺寸 这样一环接一环 直到封闭环的另一端为止 从而形成封闭的尺寸组 例如 图3 3所示的车床主轴轴线与尾架轴线高度差的允许值A0是装配技术要求 为封闭环 组成环可从尾架顶尖开始査找 经过尾架顶尖轴线到底面的高度A3 与床面相连的底板的厚度A2 床面到主轴轴线的距离A1 最后回到封闭环 其中A1 A2和A3均为组成环 图3 3车床顶尖高度尺寸链 3

5、 画尺寸链线图为了清楚地表达尺寸链的组成 只须将尺寸链中各尺寸依次画出 形成封闭的图形即可 这样的图形称为尺寸链线图 如图3 3 b 所示 画出装配尺寸链图后 要判别组成环的性质 判别组成环性质的方法有两种 定义法和箭头法 定义法 当组成环尺寸增大 减小 时 封闭环尺寸也随之同向增大 减小 则该组成环为增环 反之 则该组成环为减环 箭头法 在尺寸链线图中 用带单箭头的线段表示各环 箭头仅表示査找尺寸链组成环的方向 与封闭环箭头方向相同的环为减环 与封闭环箭头方向相反的环为增环 在图3 3 b 中 用箭头法判断A1为减环 A2 A3为增环 3 1 4尺寸链的计算方法分析计算尺寸链是为了正确合理地

6、确定尺寸链中各环的尺寸和精度 计算尺寸链的方法通常有以下3种 1 正计算 已知各组成环的极限尺寸 求封闭环的极限尺寸 用于校核验算 2 反计算 已知封闭环的极限尺寸和各组成环的基本尺寸 求各组成环的极限偏差 用于设计上 3 中间计算 已知封闭环和部分组成环的极限尺寸 求某一组成环的极限尺寸 用于加工工艺上 反计算和中间计算通常称为设计计算 3 2用完全互换法解尺寸链完全互换法也叫极值法 极大极小法 即从尺寸链各环的最大与最小极限尺寸出发 进行尺寸链计算 不考虑各环实际尺寸的分布情况 3 2 1基本公式设尺寸链的组成环数为m 其中有n个增环 Ai为组成环的基本尺寸 对于直线尺寸链有如下计算公式

7、1 封闭环的基本尺寸封闭环的基本尺寸等于所有增环的基本尺寸之和减去所有减环的基本尺寸之和 即 3 1 2 封闭环的极限尺寸封闭环的最大极限尺寸等于所有增环的最大极限尺寸之和减去所有减环最小极限尺寸之和 封闭环的最小极限尺寸等于所有增环的最小极限尺寸之和减去所有减环的最大极限尺寸之和 即 3 2 3 3 3 封闭环的极限偏差封闭环的上偏差等于所有增环上偏差之和减去所有减环下偏差之和 封闭环的下偏差等于所有增环下偏差之和减去所有减环上偏差之和 即 3 4 3 5 4 封闭环的公差封闭环的公差等于所有组成环公差之和 即 3 6 由公式 3 6 可以看出 封闭环的公差比任何一个组成环的公差都大 因此

8、在零件尺寸链中 一般选最不重要的环作为封闭环 而在装配尺寸链中 封闭环是装配的最终要求 为了减小封闭环的公差 应尽量减少尺寸链的环数 这就是在设计中应遵守的最短尺寸链原则 3 2 2尺寸链的计算 1 正计算例3 1求封闭环的基本尺寸和偏差 如图3 4 a 所示 先加工A1 50 0 2 A2 35 0 1 求尺寸A0及其偏差 解 1 确定封闭环为A0 确定组成环并画尺寸链线图 如图3 4 b 所示 判断A1 50 0 2为增环 A2 35 0 1为减环 2 按式 3 1 计算封闭环的基本尺寸 A0 A1 A2 50 35 15 mm 3 按式 3 4 和式 3 5 计算封闭环的极限偏差 ES0

9、 ES1 EI2 0 2 0 1 0 3 mm EI0 EI1 ES2 0 2 0 1 0 3 mm 即封闭环的尺寸为15mm 0 3mm 图3 4车床顶尖高度尺寸链 2 反计算求各组成环的偏差 设计计算是根据封闭环的极限尺寸和组成环的基本尺寸 确定各组成环的公差和极限偏差 最后再进行校核计算 具体分配各组成环的公差时 可采用等公差法或等精度法 1 等公差法 当各环的基本尺寸相差不大时 可将封闭环的公差T0平均分配给各组成环 如果需要 可在此基础上进行必要的调整 这种方法叫等公差法 即 3 7 2 等精度法 所谓等精度法就是各组成环公差等级相同 即各环公差等级系数相等 设其值均为a 则a1 a

10、2 am a 3 8 如第1章所述 标准公差的计算式为T ai i为标准公差单位 在基本尺寸 500mm分段内 i 0 45十0 001D 为本章应用方便 将公差单位i的数值列于表3 1 表3 2中 表3 1公差等级系数a的值 表3 2公差单位i的值 由式 3 6 可得 3 9 计算出a后 按标准查取与之相近的公差等级系数 进而査表确定各组成环的公差 各组成环的极限偏差确定方法是先留一个组成环作为调整环 其余各组成环的极限偏差按入体原则确定 即包容尺寸的基本偏差为H 被包容尺寸的基本偏差为h 一般长度尺寸用js 进行公差设计计算时 最后必须进行校核 以保证设计的正确性 例3 2 见P95 略

11、3 中间计算中间计算是反计算的一种特例 它一般用在基准换算和工序尺寸计算等工艺设计中 零件加工过程中 往往所选定位基准或测量基准与设计基准不重合 则应根据工艺要求改变零件图的标注 此时须进行基准换算 求出加工时所需工序尺寸 例3 3 见P97 略 3 3用大数互换法解尺寸链大数互换法也叫概率法 生产实践和大量统计资料表明 在大量生产且工艺过程稳定的情况下 各组成环的实际尺寸趋近公差带中间的概率大 出现在极限值的概率小 增环与减环以相反极限值形成封闭环的概率就更小 采用概率法 不是在全部产品中 而是在绝大多数产品中 装配时不需要挑选或修配 就能满足封闭环的公差要求 即保证大数互换性 采用大数互换

12、法解尺寸链 封闭环的基本尺寸计算公式与完全互换法相同 所不同的是公差和极限偏差的计算 3 3 1基本公式设尺寸链的组成环数为m 其中n个增环 m n个减环 A0为封闭环的基本尺寸 Ai为组成环的基本尺寸 则对于直线尺寸链有下面的公式 1 封闭环的公差根据概率论关于独立随机变量合成规则 各组成环 独立随机变量 的标准偏差 i与封闭环的标准偏差 0的关系为 3 10 如果组成环的实际尺寸都按正态分布 且分布范围与公差宽度一致 分布中心与公差带中心重合 如图6 7所示 则封闭环的尺寸也按正态分布 各环公差与标准偏差的关系如下 T0 6 0Ti 6 i 将此关系代入公式 3 10 得 3 11 即封闭

13、环的公差等于所有组成环公差的平方和的平方根 图3 7组成环尺寸 2 封闭环的中间偏差封闭环的中间偏差等于所有增环的中间偏差之和减去所有减环的中间偏差之和 即 3 12 中间偏差为上偏差与下偏差的平均值 即 3 13 3 封闭环及组成环的极限偏差 3 14 3 15 各环的上偏差等于其中间偏差加该环公差的1 2 各环的下偏差等于其中间偏差减该环公差的1 2 4 组成环平均统计公差和公差等级系数在解尺寸链的设计计算中 用大数互换法和用完全互换法在目的 方法和步骤等方面基本相同 其目的仍是如何把封闭环的公差分配到各组成环上 其方法也有等公差法和等精度法 只是由于封闭环的公差 所以在采用等公差法时 各

14、组成环的公差为 3 16 在采用等精度法时 各组成环的公差等级系数为 3 17 3 3 2尺寸链的计算大数互换法解尺寸链 根据不同要求 也有正计算 反计算和中间计算3种类型 现按照前述例3 2的尺寸链为例 说明用大数互换法求解反计算的方法 例3 4对例3 2的尺寸链改用大数互换法中的等精度法计算 假设各组成环和封闭环为正态分布 且分布范围与公差宽度一致 分布中心与公差带中心重合 见P99 略 3 4用其它方法解装配尺寸链完全互换法和大数互换法是计算尺寸链的基本方法 除此之外还有分组装配法 调整法和修配法 3 4 1分组装配法用分组装配法解尺寸链是先用完全互换法求出各组成环的公差和极限偏差 再将

15、相配合的各组成环公差扩大若干倍 使其达到经济加工精度的要求 然后按完工后零件的实测尺寸将零件分为若干个组 再按对应组分别进行组内零件的装配 即同组零件可以组内互换 这样既放大了组成环公差 又保证了封闭环要求的装配精度 例如 设基本尺寸为 8mm的孔与轴配合 间隙要求为x 3 8 m 即封闭环的公差T0 5 m 若按完全互换法 则孔 轴的直径公差只能为2 5 m 若采用分组互换法 将孔与轴的直径公差扩大4倍 即公差为10 m 将完工后的孔 轴按实际尺寸分为4组 按对应组进行装配 各组的最大间隙均为8 m 最小间隙为3 m 故能满足要求 如图3 8所示 图3 8分组互换法 分组装配法的主要优点是既

16、可以扩大零件制造公差 又能保证装配精度 此法适用于成批生产高精度 便于测量 形状简单而环数较少的尺寸链零件 3 4 2调整法调整法是将尺寸链各组成环按经济加工精度的公差制造 此时由于组成环尺寸公差放大 而使封闭环的公差比技术要求给出的值有所扩大 为了保证装配精度 装配时则选定一个可以调整补偿环的尺寸或位置的方法来实现补偿作用 该组成环称为补偿环 常用的补偿环可分为两种 1 固定补偿环在尺寸链中选择一个合适的组成环为补偿环 一般可选垫片或轴套类零件 把补偿环根据需要按尺寸分成若干组 装配时 从合适的尺寸组中取一补偿环 装入尺寸链中预定的位置 使封闭环达到规定的技术要求 2 可动补偿环设置一种位置可调的补偿环 装配时 调整其位置达到封闭环的精度要求 这种补偿方式在机械设计中广泛应用 它有多种结构形式 如镶条 锥套 调节螺旋副等常用形式 调整法的主要优点是加大了组成环的制造公差 使制造容易 同时可得到很高的装配精度 装配时不须修配 使用过程中可以调整补偿环的位置或更换补偿环 从而恢复机器原有的精度 调整法主要应用在封闭环精度要求高 组成环数目较多的尺寸链 组成环的尺寸可能由于磨损 温度变化或