探讨公差带图在技术设计中的应用

云介平 张建梅

摘 要：在机械零部件设计中，常常遇到技术设计合理性及标准化双重问题，尤其技术标注，既要符合功能要求，又要满足标准化要求，这两项要求体现了设计意图与生产实践的结合统一。通过揭示技术设计的内涵，解读公差带图及其工程含义，结合工程问题，展示了公差带图在实际设计中的应用过程。最后得出，公差带图的应用不失为零部件设计过程中兼顾技术标注的合理性及标准化的一条捷径。

关键词：公差带图 零部件 技术设计 合理性 标准化

中图分类号：TH161 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2018）01（c）-0107-03

在机械产品设计过程中，需要完成的设计内容与设计表达密切相关，尤其零部件的技术设计。技术设计不仅要满足功能要求，也要适应生产实际。技术设计的合理性、工艺性、经济性、可靠性等，都取决于这一设计阶段。因此，如何将设计对象的功能需要和生产实践紧密地结合在一起考虑，是技术设计成功与否的关键。

1 技术设计

机械产品的设计由3个阶段形成，是在确立功能要求的前提下，在功能和方案确定的基础上，最后进行结构设计，如图1所示。

由图1可以看出，对于装配图及零部件的设计是产品设计的最后阶段，包括结构绘制和技术标注两个部分，把这一阶段的设计称之为技术设计。技术设计是产品的定型阶段，它将对产品进行具体的技术确定，确定零部件结构、尺寸、配合关系以及技术条件等，产品结构的合理性、标准化、工艺性、经济性、可靠性等，都取决于这一设计阶段。尤其技术设计的标注是否规范，标注的项目是否恰当，标注的数值是否正确，会严重影响产品性能、技术交流、加工工艺等方面。这种对于技术设计的考虑涉及到技术标注是否合理和标准化，目的是要将设计对象的功能需要和生产实践紧密地结合在一起。

在技术设计的标注中，尺寸公差及配合关系的选择和确定是一项比较繁琐的工作，尤其运行工况和加工及装配条件不同，往往使设计婆娑迷离。在此情形下，工程人员往往需要借助各种手段来保证设计数据的准确，譬如精确计算、实验、模拟实际工况试运行等方法。

2 公差带图及其工程含义

公差带图，顾名思义是用图表示公差某种状态的一种示意。公差带图是由零线、公差带、极限值、基本偏差等组成，是表达公称尺寸、极限偏差、公差带等相互关系的图。公差带图不仅可以表示单一形面的公差要求，而且可以表示配合面之间的公差关系及状态，如图2所示。

图2中的“孔公差带”显示了孔的基本尺寸（公称尺寸）及下偏差（EI）、上偏差（ES）、公差大小（TD）；“轴公差带”显示了轴的基本尺寸（公称尺寸）及下偏差（ei）、上偏差（es）、公差大小（Td）。

同时，显示了配合面将要达成的相对状态，即过盈配合、过度配合、间隙配合及其程度。图中当EI-es的代数值为正值或零时，表示是间隙配合；当EI-es的代数值为负值时，表示为过度配合；当ES-ei的代数值为负值或零时，表示是过盈配合。

另外，图2中“公差带”的位置是由不同的公称尺寸和公差等级对应的基本偏差决定，可以根据功能要求，选择不同的公差等级，从而确定公差带的位置；“公差带”的宽度是由不同的公称尺寸和标准公差等级对应的数值决定，从而确定了公差带的大小。也就是可以根据具体的公称尺寸和功能要求，经过选择不同的公差等级或根据相应功能要求的数值，选用相应的公差等级，经过适当的调整，从而确定“公差带”的位置和大小，形成完整的公差带图。

从图2隐含的工程意义来看，可以理解为对于产品的技术设计可以根据产品的功能要求，在技术标注时，既可以使所选择的数据合理化，也可以使其向标准化靠拢。由此为解决产品设计技术标注的合理性、标准化的问题提供了一條思路，从而将设计对象的功能需要和生产实践兼顾。

3 公差带图在工程中的尝试性应用

3.1 分析问题的过程

图3所示为某结构中铜套与玻璃透镜的装配关系。该结构的工作场合温度是-50℃，要求在该工况下铜套与玻璃镜之间应有0.009～0.075mm的间隙量。加工和装配均按预先给定的要求在常温下（20℃）进行（注：线胀系数α铜=19.5×10-6/℃，α玻璃=8×10-6/℃）。

3.1.1 问题分析

根据题意，设计者给出的配合关系是一个预设。按照预设的配合指标加工和装配，画出常温下（20℃）的公差带图，如图4所示。

由图4中可以看出，装配后获得间隙配合为Xmax=+0.089mm，Xmin=+0.025mm。这个结果证明在常温下铜套内径和玻璃镜外径处于间隙配合状态。

但在工况（-50℃）下，不知配合的结果为何。

3.1.2 依据预设结果的工况配合状态

从20℃降到-50℃，铜套内径和玻璃镜外径产生了一定的收缩，但铜套内径和玻璃镜外径的收缩程度不同。依据给出的数据，铜套直径收缩了mm，玻璃镜外直径收缩了mm。由此可视为：铜套内径公差带相当于下移了0.068mm，玻璃镜外径公差带相当于下移了0.028mm。结合图4的结论，铜套与玻璃透镜的配合关系演变为如图5所示的结果。

装配后的机构在-50℃时发生了配合性质的变化，由常温的间隙配合转变为实际工况的过渡配合，其结果为Xmax=0.049mm，Ymax=-0.015mm。

显然这样的结果不符合工况要求，在实际工况下可能会导致玻璃镜被夹裂，造成严重的后果。

3.2 解决问题的过程

3.2.1 设计改进思路

结合用公差带图来确定符合工况要求的技术设计。要想使该结构在-50℃的工况下获得0.009～0.075mm的间隙要求，在图5的基础上，拟铜套内径的技术设计保持不变，将玻璃镜外径的公差带下移并调整至符合工况要求的配合状态。此时，铜套与玻璃镜之间形成了符合要求的间隙配合，而且配合间隙在要求的0.009～0.075mm范围内，即Xmax=0.075mm，Xmin=0.009mm，形成如图6所示的结果。

如此转化，可以使铜套与玻璃镜能够在-50℃的工况下满足使用要求。

3.2.2 设计满足合理性要求的结果

按照图6描述，工况-50℃下铜套与玻璃镜符合要求的配合中，铜套的公差带未发生变化，即从工况-50℃返到常温下20℃时，铜套内径公差带仍选择H8，即铜套直径为Φ50H8。

在图6中，玻璃镜的公差带发生了变化。玻璃镜的上偏差下移至-0.077mm，玻璃镜的下偏差下移至-0.104mm，即玻璃镜外径公差带大小和位置都发生了变化，使铜套与玻璃镜间的配合达到了工况-50℃的装配要求。而从-50℃返到20℃时，玻璃镜外径公差带位置将上移0.028mm。此时，玻璃镜的上偏差移至-0.049mm，下偏差移至-0.076mm，这样玻璃镜的直径为。

由此得到铜套与玻璃镜间满足工况要求的常温下加工和装配的技术要求，即铜套直径为Φ50H8，玻璃镜的直径为。

而玻璃镜直径虽合理，但不知是否为标准数值，需要验证和调整。

3.2.3 设计满足标准化的过程

关于验证重新确定的玻璃镜技术标注的标准化，用查阅标准的方法来验证玻璃镜的直径是否符合标准规定的数值，即验证公称尺寸为50的公差值為0.027mm是否为标准值；基本尺寸为50的上偏差（基本偏差）为-0.049mm是否符合标准。

从标准手册中查得：基本尺寸为50的公差等级为IT7级的数值是0.025mm，与所调整的数值最接近，基本尺寸为50的接近-0.049mm的基本偏差的数值为-0.050mm，基本偏差符号为e。根据以上查表验证，确定玻璃镜的公差带为e7，即玻璃镜直径为Φ50e7。

3.2.4 验证结果

利用绘制公差带图来验证铜套与玻璃镜配合为Φ50H8/e7在工况下的公差带图，如图7所示。

从图7中直观看出，此时铜套与玻璃镜的配合为间隙配合，Xmax=0.074mm，Xmin=0.010mm，符合在-50℃工况下铜套与玻璃镜之间要求的应有0.009～0.075mm的间隙量的要求。

验证结果显示，重新标注的技术要求既符合合理性功能要求，也满足设计标准化要求。

4 结语

通过公差带图的应用，使设计兼顾了功能合理性和标准化的统一。整个过程结合公差带图的调整和变化，逻辑性强，直观、简介，为解决类似问题提供了一种新的思路。其基本步骤为：首先给定一个预设值并画出常态公差带图→再按照工况，进行必要的计算，画出工况下的公差带图，判断合适与否→若不符合，调整工况下的公差带图，直至符合要求→返回到常态，验证常态下数值的标准性→依据标准数值画出公差带图。公差带图不仅可以表述一种技术状态，而且可以看作是一种动态。

参考文献

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