公差原则在零件设计中的应用探讨

郑立新，唐 俊

(1.西南交通大学，四川成都，610031，2.四川工程职业技术学院，四川德阳，618000)

0 引言

根据机械零件几何尺寸公差和形状位置公差的相互关系确定的原则称之为公差原则，公差原则可以通过对上述两者使用关系不同而分成独立原则和相关原则，在实际机械零件的设计过程中，合理有效的使用公差原则是保证机械零件几何精度的重要手段。同时，公差原则也能在一定程度上使零件在生产过程中的成本有所降低，这就使得零件更为经济实用。因此从事机械零件设计以及与其相关的工作人员必须要熟练掌握公差原则，能够正确选择和使用，只有这样才能保证零件的整体实用性和经济性。

1 公差原则概述

根据零件几何尺寸与形状位置公差使用关系的不同可以将公差原则分成独立原则与相关原则，这两种原则就构成了公差原则。有效地对其分类可以使我们对公差原则的认知更为具体，以下逐一对其进行分析。

1.1 独立原则

独立原则即图样上零件的几何尺寸公差与形状位置公差二者是相互独立的个体，且均需要达到设计标准的公差原则。值得注意的是，实际进行零件设计和生产过程中，独立原则是公差原则的基本原则，是任何零件设计制造过程都可能用到的一种原则。正因此导致独立原则应用较为频繁，在实际使用独立原则时，对于图样上未给定的形状置位公差标准时应按照相关标准对其进行确定，而对于图样上给定形状位置公差标称值时，就要严格将零件的各部分的几何尺寸限制在规定值内。这样才能保证零件可以正常投入使用。

1.2 相关原则

与独立原则相对应，相关原则即零件几何尺寸公差与形状位置公差相互关联需要对其整体进行综合性的分析才能保证零件的质量和实用性。相关原则包括包容要求原则和最大实体要求原则。

2 公差原则在应用中存在的问题

实践证明，公差原则实际运用过程中存在着一些问题，这些问题的出现严重的桎梏着零件精度及其实用性和经济性，只有对相关问题进行分析，才能从总汲取经验和不足并找到解决问题的措施，从而使得零件设计更为有效。

2.1 忽视相关原则的使用

前文已经提到，独立原则是公差原则的基本原则。利用独立原则就可以确定机械零件的几何尺寸公差和形状位置公差，这就能基本保证零件设计的相关技术要求，这是导致独立原则被广泛应用的根本原因，但也正因为这样，使得部分从事零件设计的工作人员过度采用独立原则而忽略了相关原则使用的必要性。虽然利用独立原则可以保证零件的实际使用效果，但是由于独立原则本身的性质，使得零件的生产成本无法得到改善，这是当前零件设计对公差原则使用中存在的最为主要的问题。

2.2 成品零件的检验方法多样

零件设计中采用不同的公差原则，就会导致成品零件的检验方法多种多样，同时检测标准也有所区别。这就导致零件可能部分标准合格部分瑕疵，从而使得无法投入使用。

采用独立原则和最大实体要求原则设计出的零件成品，在进行检测时，首要检测的就是零件的几何尺寸，传统检测方法通常采用两点法来确定零件的实际尺寸，但是有研究表明两点法测量得出的零件尺寸并不准确，往往在测量中会出现二义性。这就会出现零件几何尺寸测量不准确无法正常使用。

采用独立原则设计制造出的孔、轴等零件在检测过程中也会出现一些问题，孔、轴类零件本身存在着直线度公差和圆度公差，这两种公差在测量中比较繁琐因此部分生产厂家通常会将其检测过程省略，只针对其外部几何尺寸做检测。这就会导致零件在检测过程中，线性尺寸达到标准，但是形状却不一定与实际要求相吻合。这些零件投入使用时，就可能使得零件无法装置到机械设备中。这类问题也是零件设计生产中存在的较为突出的问题之一，在对上述问题做测量时，可以采用包容原则对零件进行检测，实践证明，包容原则检测标准不仅能有效的防止上述问题，也能够在一定程度上节约生产成本为企业带来一定的经济效益。

3 公差原则的应用及其选则标准

在机械零件的设计制造中，具体选用哪种公差原则要根据零件的具体使用要求，同时在选择公差原则时还应考虑零件的工艺性和经济性，只有各方面因素都加以考虑，才能保证零件的设计达到最优，生产最节俭，实际应用价值最大，这也应是每一个机械零件设计人员所向往的。

3.1 独立原则的应用

独立原则使用场合较为广泛，当机械零件对几何尺寸和形状位置精度有严格要求时均可采用独立原则，使用过程中必须要注意独立原则的本质，使零件的几何尺寸公差与形状位置公差互相独立，使用时要保证二者相互间的独立性，不可彼此相互影响，否则势必会导致零件的精度下降甚至达不到使用标准。

3.1.1 运用于对运动精度有严格要求的场合。当设计的零件是具有轴向运动精度或对回转精度要求较为严格时可以采用独立原则对其进行分析。保证轴向运动精度首要保证的就是其直线度的精确。而要保证回转精度就要对圆度做出一定的规范，因此采用独立原则可以有效的对其加以修正。

如上图所示，图为方轴零件的设计图，其在功能上要求零件要具有一定的运动精度，同时还要避免尺寸误差使零件轴部的直线运动精度发生偏离。在这种情况下就可以采用独立原则分别对方轴零件的几何尺寸公差和直线度公车进行分析从而保证二者之间相互分离。

3.1.2 运用于对密封性有严格要求的场合。零件的使用用途多种多样，当零件用于气缸等密闭性容器的时候，就要求零件要有严格的秘密性，而零件的形状能否与机械无缝衔接是保证机械气密性的有效措施，因此这就对零件的形状精度有较为严格的要求，例如，对气密性要求的零件为环状，就要保证零件的内、外径都要达到规范标准，不论内径和外径出现形状与实际应用不符都会导致机械的密闭性降低。因此在设计对密闭性有严格要求的零件时也应采用独立原则。

3.2 包容原则的应用

当零件使用中具有配合要求时，通常采用包容原则。基孔制和基轴制是最为常见的两种配合要求，这两种配合要求对最小间隙和最大过盈的定义不同，实际设计中应对其加以区分。

当零件的最小间隙和最大过盈已经被标定好时，要考虑零件的几何尺寸公差与形状位置公差是否要求按比分配。如果是采取按比例分配采取包容要求原则就可以最大限度的利用图样给定的标准，从而保证零件的实际使用效果。在采取包容要求原则时要特别注意零件的检测，应采取综合测量的方式对零件进行验收，这样才能保证零件的工艺性和实用性。

3.3 最大实体要求原则的应用

最大实体要求的原则的应用场合相较于前两者就略显缺乏。但是在必要场合，最大实体要求原则是保证零件能否投入使用的根本措施。由前文相关原则的定义可知，最大实体要求原则将零件几何尺寸公差与形状位置公差有机的联系在了一起。所以，只有当被测零件或被测机械为主要参考标准时才能使用最大实体要求原则。同时，当零件对装配性要求较高的情况也可以采用最大实体要求原则。事实证明，合理、有效的采用最大实体要求原则不仅能保证零件的基本要求达到标准同时也能大大提高零件成品的合格率，这就在一定程度上提升了生产效率，保证了零件的经济性。

3.4 公差原则的选择依据

3.4.1 要针对零件的具体实用要求进行公差原则的选择，对零件几何尺寸公差和形状位置公差有要求的零件一般选择独立原则。当尺寸公差与形状公差需要相互影响则一般选择相关原则。

3.4.2 如果零件使用中要满足一定的间隙等要求时一般选取包容要求原则。

3.4.3 对装配有严格标准的零件设计中一般要采用最大实体要求原则。

4 总结

机械零件的种类和用途多种多样，设计中的具体要求也就不尽相同，因此在实际设计过程中，具体采用哪种公差原则需要设计人员有准确的判断力，选择正确的公差原则是保证零件实用性、经济性、工艺性的有效保障，也是提升零件精度的先决条件。所以设计人员必须对公差原则要熟练的掌握，这样才能保证每一份零件的设计都能使其效益达到最大。

[1]杨将新，徐旭松，曹衍龙.基于装配定位约束的功能公差规范设计.《机械工程学报》.2010 年2 期

[2]张复旺，王伯平，刘娜.典型零件公差配合的多媒体教学动画设计研究.《机械管理开发》.2013 年1 期