机械零件精度设计与实例

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1、 第 12 章 机械零件精度设计与实例 教学提示：通过轴、齿轮和箱体等典型零件的精度设计实例，开拓视野，为实际应用 奠定基础。 教学要求：了解精度设计的方法，从总体掌握精度设计的内容，为零件的精度设计奠 定基础。 12.1 机械精度设计概述 机器精度的设计尽管需要从多方面进行分析与计算，但总是要根据给定的整机精度， 确定出各个组成零件的精度。 因此，零件的精度设计是整机精度设计的基础。影响零件精 度的最基本因素是零件的尺寸、形状、方向和位置以及表面粗糙度，因而，精度设计的主 要内容包括尺寸公差、形位公差、表面质量等几个方面的选择与设计。 几何精度设计的方法主要有：类比法、计算法和试验法三种。

2、12.1.1 类比法 类比法就是与经过实际使用证明合理的类似产品上的相应要素相比较，确定所设计零 件几何要素的精度。 采用类比法进行精度设计时，必须正确选择类比产品，分析它与所设计产品在使用条 件和功能要求等方面的异同，并考虑到实际生产条件、制造技术的发展、市场供求信息等 多种因素。 采用类比法进行精度设计的基础是资料的收集、分析与整理。 类比法是大多数零件要素精度设计采用的方法。类比法亦称经验法。 12.1.2 计算法 计算法就是根据由某种理论建立起来的功能要求与几何要素公差之间的定量关系，计 算确定零件要素的精度。 例如：根据液体润滑理论计算确定滑动轴承的最小间隙；根据弹性变形理论计算确定

3、圆 柱结合的过盈；根据机构精度理论和概率设计方法计算确定传动系统中各传动件的精度等。 目前，用计算法确定零件几何要素的精度，只适用于某些特定的场合。而且，用计算 法得到的公差，往往还需要根据多种因素进行调整。 12.1.3 试验法 试验法就是先根据一定条件，初步确定零件要素的精度，并按此进行试制。再将试制 产品在规定的使用条件下运转，同时，对其各项技术性能指标进行监测，并与预定的功能 要求相比较，根据比较结果再对原设计进行确认或修改。经过反复试验和修改，就可以最 终确定满足功能要求的合理设计。 互换性与测量技术基础 218 218 试验法的设计周期较长且费用较高，因此，主要用于新产品设计中个别

4、重要要素的精 度设计。 迄今为止，几何精度设计仍处于以经验设计为主的阶段。大多数要素的几何精度都是 采用类比的方法凭实际工作经验确定的。计算机辅助公差设计(CAT)的研究还刚刚开始， 要使计算机辅助公差设计进入实用化，还需要进一步的研究。 12.2 轴类零件的精度设计 轴类零件一般都是回转体，因此，主要是设计直径尺寸和轴向长度尺寸。设计直径尺 寸时，应特别注意有配合关系的部位，当有几处部位直径相同时，都应逐一设计并注明不 得省略。即使使是圆角和倒角也应标注无遗，或者在技术要求中说明。标注长度尺寸时， 既要考虑零件尺寸的精度要求，又要符合机械加工的工艺过程，不致给机械加工造成困难 或给操作者带来

5、不便。因此，需要考虑基准面和尺寸链问题。 轴类零件的表面加工主要在车床上进行，因此，轴向尺寸的设计与标注形式和选定的 定位基准面也必须与车削加工过程相适应。现以图 12.1 所示的轴为例，说明如何选择基准 面和设计标注轴向尺寸。 图 12.1 轴类零件图 从图中分析其装配关系可知，与两轴承端面接触的两轴肩之间的距离 l 对尺寸精度有 一定的要求，而外形长度 L 和其余各轴段长度可按自由尺寸公差加工。如果轴向尺寸采用 图 12.2(a)所示，都是以轴的一端面作基准的设计与标注方式，则形成并列的尺寸组这种 标注方式从图面上看，虽然也能确定各轴段的长度，但却与轴的实际加工过程不相符(因为 般车削加工

6、需要调头装夹两次，分别加工出中部较大直径两侧的各轴段直径)。因而，加 工时测量不便， 同时也降低了尺寸l的精度(因这时要由尺寸L2和L5共同确定尺寸l的精度)。 如改为图 12.2(b)所示，逐段标注轴的各段长度，则形成串联式的尺寸链。由于这种标注， 各尺寸线首尾相接，即前一尺寸线的终止处是后一尺寸线的基准。这样，实际加工的结果， 只有当每一尺寸都精确时，才能使各轴段的长度之和保持一定，并使各轴段的相对位置符 合设计要求。由此，可以知道，图 12.2 所示的两种设计与标注方式都不合理。 为了使轴的轴向长度尺寸设计标注比较合理，设计者应对轴的车削过程有所了解但 车削过程与机床类型有关。故设计标注

7、轴向尺寸时，首先应根据零件的批量确定机床类型。 图 12.3 所示，为按小批生产采用普通车床加工时轴向尺寸的设计与标注方式。图 12.3(a) 表示按轴总长 L 截取直径稍大于最大直径的一段棒料，先打好两端面的中心孔，并以此为第 12 章 机械零件精度设计与实例 219 219 基准从右端开始车削， 由于与两轴承端面相靠的轴肩之间距离有精度要求， 故应先车出 L5， 然后以端面和轴肩为基准，依次车出两轴段长度 a5和 a8，并切槽和倒角。调头重新装 夹后，如图 12.3(b)所示。先车出最大直径，再以轴肩为基准量出尺寸 l；定出另一轴肩 的位置，从而车出轴段 a3和安装轴承处的轴颈。完整的轴向

8、尺寸设计与标注方式，如 图 12.3(c)所示。 (a) (b) 图 12.2 轴向尺寸的不合理设计与标注 (a) (b) (c) 图 12.3 轴的车削过程及轴向尺寸的设计与标注 互换性与测量技术基础 220 220 12.2.1 尺寸公差的确定 轴类零件有以下各处需要设计与标注尺寸公差，即选择确定其公差值，一般采用类比 法确定。 安装传动零件(齿轮、蜗轮、带轮、链轮等)、轴承以及其他回转件与密封处轴的直 径公差，公差值按装配图中选定的配合性质从公差配合表中选择确定。 键槽的尺寸公差。键槽的宽度和深度的极限偏差按键联结标准规定选择确定。为了 检验方便，键槽深度一般标注尺寸 dt 极限偏差(此

9、时极限偏差取负值)。 轴的长度公差。在减速器中一般不作尺寸链的计算，可以不必设计确定长度公差。 一般采用自由公差，按 h12，h13 或 H12、H13 确定。 12.2.2 形位公差的确定 各重要表面的形状公差和位置公差。根据传动精度和工作条件等，可确定以下各处的 形位公差： 1配合表面的圆柱度 与滚动轴承或齿轮(蜗轮)等配合的表面，其圆柱度公差约为轴直径公差的 12；与联 轴器和带轮等配合的表面，其圆柱度公差约为轴直径公差的 0.60.7 倍。 2配合表面的径向跳动公差 轴与齿轮， 蜗轮轮毂的配合部位相对滚动轴承配合部位的径向跳动公差可按表12-1确定。 表 12-1 轴与齿轮、蜗轮配合部

10、位的径向跳动度 齿轮精度等级或运动精度等级 6 7，8 9 圆柱齿轮和圆锥齿轮 2IT3 2IT4 2IT5 轴在安装轮毂部位的径向跳动度 蜗杆、蜗轮 2IT5 2IT6 注：IT 为轴配合部分的标准公差值，(见表 3-4)。 轴与联轴器、带轮的配合部位相对滚动轴承配合部位的径向跳动度可按表 12-2 确定。 表 12-2 轴与联轴器带轮配合部位的径向跳动度 转速 n/rpm 300 600 1000 1500 3000 径向跳动度/mm 0.08 0.04 0.024 0.016 0.008 轴与两滚动轴承的配合部位的径向跳动度，其公差值：对球轴承为 IT6，对滚子轴 承为 IT5。 轴与橡

11、胶油封接触部位的径向跳动度：轴转速 n500 rpm，取 0.1mm；n500 1000rpm，取 0.07mm；轴转速 n10001500 rpm，取 0.05mm；n15003000 rpm，取 0.02mm。 3轴肩的端面跳动公差 与滚动轴承端面接触：对球轴承取(12) IT5；对滚子轴承取(12) IT4 第 12 章 机械零件精度设计与实例 221 221 与齿轮、 蜗轮轮毂端面接触： 当轮毂宽度 l 与配合直径 d 的比值80mm) 与传动件及联轴器相配合的轴肩表面 3.21.6 与滚动轴承相配合的轴肩表面 1.6 平键键槽 3.21.6(工作面)1.6(非工作面) 毡封油圈 橡胶

12、油封 间隙或迷宫式 与轴接触处的圆周速度(m/s) 3 35 510 与轴承密封装置相接触的表面 3.21.6 0.80.4 0.40.2 3.21.6 螺纹牙型表面 0.8(精密精度螺纹)，1.6(中等精度螺纹) 其他表面 6.33.2(工作面)，12.56.3(非工作面) 12.2.4 轴类零件精度设计与标注实例 图 12.5 为轴的工作图示例，为了使图上表示的内容层次分明，便于辩认和查找，对于 不同的内容应分别划区标注， 例如在轴的主视图下方集中标注轴向尺寸和代表基准的符号，第 12 章 机械零件精度设计与实例 223 223 如图 12.4 中的 A、B、C；在轴的主视图上方可标注形位

13、公差以及表面粗糙度和需作特殊检 验部位的引出线等。 图 12.5 轴精度设计与标注实例 12.3 齿轮类零件精度设计 齿轮类零件包括齿轮、蜗杆和蜗轮等。齿轮类零件精度设计包括齿坯精度设计与齿轮 啮合精度设计两部分。 12.3.1 齿坯精度设计 为了保证齿轮加工的精度和有关参数的测量，基准面要优先规定其尺寸和形位公差。 齿轮的轴孔和端面既是工艺基准也是测量和安装的基准。齿轮的齿顶圆作为测量基准时有 两种情况，一是加工时用齿顶圆定位或校正，此时需要控制齿顶圆的径向跳动；另一种情 况是用齿顶圆定位检验齿厚或基节尺寸公差。此时要控制齿顶圆公差和径向跳动。 齿轮基准面的尺寸公差和形位公差的项目与相应数值

14、都与传动的工作条件有关，通常 按齿轮精度等级确定其公差值。以下分别说明齿坯上需设计的各处尺寸公差和形位公差 项目： 表 12-6 齿坯精度设计项目表 种类 项目名称 处理方法 齿顶圆直径的极限偏差 其值可查表 11.6 确定 轴孔或齿轮轴轴颈的公差 其值可查表 11.6 确定 尺寸公 差 键槽宽度 b 的极限偏差和尺寸(d-t)的极限偏差 其值可查键标准确定 互换性与测量技术基础 224 224 (续) 齿轮齿顶圆的径向跳动度公差 其值可查表 11.7 确定 形位公 差 齿轮端面的跳动度公差 其值可查表 11.7 确定 齿轮轴孔的圆柱度公差 其值约为轴孔直径尺寸公差的 0.3 倍，并圆整到标准

15、形位公差值 键槽的对称度公差 其值可取轮毂键槽宽度公差的 2 倍； 键槽的平行度公差，其值可取轮毂键槽宽度公差的 0.5 倍。以上所取的公差值均应圆整到标准形位公差值 12.3.2 齿轮啮合精度设计 圆柱齿轮啮合特性表应列入的基本参数有齿数、模数、齿形角、径向变位系数等，还 应列出齿轮精度等级以及轮齿检验项目， 评定单个齿轮的加工精度的检验项目有齿距偏差、 齿廓总偏差、螺旋线总偏差及齿厚偏差，检验项目选择与齿轮的精度等级和测量仪器有关。 12.3.3 齿轮精度设计实例 某通用减速器中有一对直齿圆柱齿轮副，模数 m=4mm，小齿轮 z1=30，齿宽 b1=40mm,大齿轮的齿数 z2=96，齿宽

16、 b2=40mm，齿形角=20。两齿轮的材料为 45 号钢，箱体材 料为 HT200，其线胀系数分别为齿=11.510-6 1/， 箱=10.510-6 1/，齿轮工作温度为t齿=60C， 箱体工作温度 t箱=30， 采用喷油润滑， 传递最大功率 7.5KW， 转速 n=1280r/min，小批生产，试确定其精度等级、检验项目及齿坯公差，并绘制齿轮工作图。 解：(1) 确定精度等级。 根据齿轮圆周速度、使用要求等确定齿轮的精度等级。 圆周速度 v 为 v= dn/(100060)=4301280/(100060)m/s=8.04m/s 一般减速器对齿轮传递运动准确性的要求也不高，故根据以上两方面的情况，选取齿轮精度等级为 8 级。故该齿轮的精度标注应为 8 GB/T10095.12001。 (2)