零部件设计中公差原则课程教育研究

吴红

摘 要：在零部件设计中，能够合理利用公差原则的方法，可大幅提升零件的互换性，也有助于零件的标准化。相反，如果不具备合理利用公差原則的意识及能力，不仅有违课程教学目标，所实际生产的零件也无法满足使用性能要求，同时也会由此造成不必要的浪费。对此，本文在分析基础概念后，着重提出零部件设计中公差原则课程教育中几个需要特别注意的地方。

关键词：零部件 公差原则 课程教育 策略

Research on Tolerance Principle Course Education in Component Design

Wu Hong

Abstract：In the design of parts， the reasonable use of tolerance principle can greatly improve the interchangeability of parts and contribute to the standardization of parts. On the contrary， if we do not have the awareness and ability to make rational use of the tolerance principle， it will not only violate the teaching objectives of the course， but also the actually produced parts cannot meet the performance requirements， which will also cause unnecessary waste. Therefore， after analyzing the basic concepts， this paper focuses on several places that need special attention in the course education of tolerance principle in component design.

Key words：parts， tolerance principle， curriculum education， strategy

1 引言

任何一门学科都有自己的语言，对零部件设计而言，公差原则、标准化以及包容要求就是一种语言的表达方式。那么，如何才能够运用这些工程符号来准确表达设计者的意图，同时也能够让生产加工的人员准确理解这种意图并制造出合格的零件呢？这既是实际生产中的重点工作，也是本文所探讨的重点内容。结合课程教学角度来讲，应善于指导学生从理论到实践，由表及里地实现对零部件设计中公差原则的深入理解及应用掌握。

2 理清基础概念

在课程教学中，要扎实学生的理论认知基础，强化学生的基础水平，才能够为接下来的学习开启一个良好的开端。这里，公差原则、包容要求以及最大实体要求是需要学生切实理解与掌握的。当然，学生们对相关概念的理解及学习可结合教材中的详细阐述和日常教学归纳来进行，下面只进行简明扼要的说明。

2.1 公差原则

零件在加工及生产过程中，受设备精度及刀具磨损等影响，会发生尺寸、形状以及位置上的误差，不仅会影响机械设备的精度，也会影响实际功能作用及使用寿命。所以说，在设计的过程中，就要对尺寸公差及几何公差进行限制。由此，便引出公差原则的概念。所谓公差原则，就是一种用来处理尺寸公差以及形位公差的方法。由于零件尺寸大小的不同，所加工完成后的误差大小也不尽相同。而为了能够使所加工出来的零件精度等级可进行了量化比较，使误差大小及形位误差都能够进行标准化，即我们所讲的标准公差。而这个处理尺寸公差与行为公差间关系的手段及过程，即公差原则。结合实际生产来讲，基于公差原则，可提升零部件的功能要求，大幅提升企业的经济效益，应用的现实价值和必要性尤为显著。

2.2 包容要求

所谓包容要求，指的是机械零部件加工完成的实际轮廓要素所需要遵循的最大实体边界，局部实际尺寸不得超出最小实体尺寸的一种公差要求。其主要应用于保证孔、轴的配合性质，尤其是对配合工差要求比较高，比较严格的精密配合。

2.3 最大实体要求

所谓最大实体要求，就是要求在零件完成加工后实际轮廓要遵守其最大的实体实效边界。在此过程中，如果实际尺寸偏离最大实体尺寸，允许其形位误差值超过图样上所给出的公差值，让其零件的实际轮廓达到最大实体实效边界的状态。当然，最小实体要求则与之相反，在这里就不再赘述。

3 掌握公差原则的具体应用

为了指导学生更加直观深刻地理解与掌握，我们需要引入案例教学法，结合一些典型的汽车零部件设计中相关原则及要求的应用，来带领学生有效学习。

3.1 包容要求

结合下图1所示，作为汽车发动机当中某活塞销零件的标注方法，采用包容要求，其设计意图可以参照下图2来看，在活塞销的某局部尺寸处于Ø29.979时，则允许出现直线度误差为0.021mm。这样一来，Ø29.979（实际误差）与0.021（直线度误差）相加则可以得出最大实体边界的极限状态，为Ø30mm。当活塞销在工作的过程中，需要承受交变符合，也就意味着对活塞销和连杆之间配合有要求，特别是要控制好间隙，间隙不可过大亦不可过小。只有生成合理的配合间隙，才能够形成油膜，同时确保油膜具有良好的承载能力。然而，如果应用独立原则，那么活塞销的尺寸公差与形位公差均满足要求，相互之间并不产生关联，而活塞销及连杆在制造过程中则会不可避免的由于局部某位置的形位公差，进而导致间隙过小等情况。这样一来，润滑油流量或被减少，也会引发摩擦发热问题的发生及加剧，当温度过高反过来又会导致润滑油粘度下降，降低油膜的承载能力，金属之间可能出现干摩擦，致使咬合或拉伤活塞销，特别是在发动机刚启动的时候很容易出现发热卡死的情况。另外，如果间隙过大，相应的冲击负荷也会随之增加，不仅影响零部件的寿命，也会对发动机的动力性造成直接而深刻的影响。由此来看，就需要指导学生学会适量的配合间隙，采用包容要求。

3.2 最大实体要求

举例来讲，比如在活塞销的某局部尺寸处于最小实体尺寸Ø29.979时候，则允许出现的直线度误差为0.031mm，二者相加所得Ø30.01mm，极为最大实体实效边界的极限状态。另外，也会有其他情况的存在，整个活塞销的实际长度也有其它极限尺寸，具体我们可以绘制如下图3并指导学生来进行学习。其中，阴阳部分为当实际尺寸偏离最大实体边界尺寸的某一数值的时候，此时所允许出现的形位误差补偿值。在此过程中，要求活塞销加工完成后的实际尺寸、位置以及形状误差均能够在此包容范围之内。只有这样，才能够保证活塞销的装配要求，才能够满足良好的性能要求。这部分内容是教学的重点，也是难点所在，需要教师创新教学设计与组织。

4 总结

上文集中围绕我们课程中零部件设计中公差原则这部分关键内容，介绍了同一零件发动机活塞销采用包容要求和最大实体要求不同的标准下，相应活塞销尺寸公差补偿形位公差的情况，着重指导学生要善于分析和准确掌握如何采用包容要求或者是最大实体要求，能够基于不同使用要求而实施不同的标注方法。结合孔与轴的配合方法來讲，主要包括间隙配合应用、过盈配合应用以及过渡配合应用三种。对此，教师要至少向学生就相关问题进行深度解析：其一，间隙配合应用，以连接的支撑点运用滚动轴承的应用场景为例，在汽车机械式变速器当中，多在滚动轴承内圈与中间轴之间使用最大实体要求的间隙配合，以此来实现在中间轴高速运转过程中常啮合齿轮与中间轴之间的充分润滑;其二，过盈配合应用，多应用于固定连接，如发动机飞轮与曲轴间的连接就需要过盈配合连接，在零部件实际尺寸偏离最大实体尺寸的地方形位公差能够得到有效补偿，保证零部件牢固连接的同时，降低制造成本;其三，过渡配合应用，主要应用于零部件具有较高定心要求的工作场景当中，比如在发动机的活塞销与活塞连接地方，由于二者解读长度上允许无运动关系，所以二者配合可采用包容要求的过渡配合，充分体现对中性要求。结合上文的细致精确的教学设计与指导，可大幅增进学生对课程知识的理解与掌握，收获良好的教学成效。

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