零部件設計中公差原則課程教育研究

吳紅

摘 要：在零部件設計中，能夠合理利用公差原則的方法，可大幅提升零件的互換性，也有助于零件的標準化。相反，如果不具備合理利用公差原則的意識及能力，不僅有違課程教學目標，所實際生產的零件也無法滿足使用性能要求，同時也會由此造成不必要的浪費。對此，本文在分析基礎概念后，著重提出零部件設計中公差原則課程教育中幾個需要特別注意的地方。

關鍵詞：零部件 公差原則 課程教育 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

任何一門學科都有自己的語言，對零部件設計而言，公差原則、標準化以及包容要求就是一種語言的表達方式。那么，如何才能夠運用這些工程符號來準確表達設計者的意圖，同時也能夠讓生產加工的人員準確理解這種意圖并制造出合格的零件呢？這既是實際生產中的重點工作，也是本文所探討的重點內容。結合課程教學角度來講，應善于指導學生從理論到實踐，由表及里地實現對零部件設計中公差原則的深入理解及應用掌握。

2 理清基礎概念

在課程教學中，要扎實學生的理論認知基礎，強化學生的基礎水平，才能夠為接下來的學習開啟一個良好的開端。這里，公差原則、包容要求以及最大實體要求是需要學生切實理解與掌握的。當然，學生們對相關概念的理解及學習可結合教材中的詳細闡述和日常教學歸納來進行，下面只進行簡明扼要的說明。

2.1 公差原則

零件在加工及生產過程中，受設備精度及刀具磨損等影響，會發生尺寸、形狀以及位置上的誤差，不僅會影響機械設備的精度，也會影響實際功能作用及使用壽命。所以說，在設計的過程中，就要對尺寸公差及幾何公差進行限制。由此，便引出公差原則的概念。所謂公差原則，就是一種用來處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，所加工完成后的誤差大小也不盡相同。而為了能夠使所加工出來的零件精度等級可進行了量化比較，使誤差大小及形位誤差都能夠進行標準化，即我們所講的標準公差。而這個處理尺寸公差與行為公差間關系的手段及過程，即公差原則。結合實際生產來講，基于公差原則，可提升零部件的功能要求，大幅提升企業的經濟效益，應用的現實價值和必要性尤為顯著。

2.2 包容要求

所謂包容要求，指的是機械零部件加工完成的實際輪廓要素所需要遵循的最大實體邊界，局部實際尺寸不得超出最小實體尺寸的一種公差要求。其主要應用于保證孔、軸的配合性質，尤其是對配合工差要求比較高，比較嚴格的精密配合。

2.3 最大實體要求

所謂最大實體要求，就是要求在零件完成加工后實際輪廓要遵守其最大的實體實效邊界。在此過程中，如果實際尺寸偏離最大實體尺寸，允許其形位誤差值超過圖樣上所給出的公差值，讓其零件的實際輪廓達到最大實體實效邊界的狀態。當然，最小實體要求則與之相反，在這里就不再贅述。

3 掌握公差原則的具體應用

為了指導學生更加直觀深刻地理解與掌握，我們需要引入案例教學法，結合一些典型的汽車零部件設計中相關原則及要求的應用，來帶領學生有效學習。

3.1 包容要求

結合下圖1所示，作為汽車發動機當中某活塞銷零件的標注方法，采用包容要求，其設計意圖可以參照下圖2來看，在活塞銷的某局部尺寸處于?29.979時，則允許出現直線度誤差為0.021mm。這樣一來，?29.979（實際誤差）與0.021（直線度誤差）相加則可以得出最大實體邊界的極限狀態，為?30mm。當活塞銷在工作的過程中，需要承受交變符合，也就意味著對活塞銷和連桿之間配合有要求，特別是要控制好間隙，間隙不可過大亦不可過小。只有生成合理的配合間隙，才能夠形成油膜，同時確保油膜具有良好的承載能力。然而，如果應用獨立原則，那么活塞銷的尺寸公差與形位公差均滿足要求，相互之間并不產生關聯，而活塞銷及連桿在制造過程中則會不可避免的由于局部某位置的形位公差，進而導致間隙過小等情況。這樣一來，潤滑油流量或被減少，也會引發摩擦發熱問題的發生及加劇，當溫度過高反過來又會導致潤滑油粘度下降，降低油膜的承載能力，金屬之間可能出現干摩擦，致使咬合或拉傷活塞銷，特別是在發動機剛啟動的時候很容易出現發熱卡死的情況。另外，如果間隙過大，相應的沖擊負荷也會隨之增加，不僅影響零部件的壽命，也會對發動機的動力性造成直接而深刻的影響。由此來看，就需要指導學生學會適量的配合間隙，采用包容要求。

3.2 最大實體要求

舉例來講，比如在活塞銷的某局部尺寸處于最小實體尺寸?29.979時候，則允許出現的直線度誤差為0.031mm，二者相加所得?30.01mm，極為最大實體實效邊界的極限狀態。另外，也會有其他情況的存在，整個活塞銷的實際長度也有其它極限尺寸，具體我們可以繪制如下圖3并指導學生來進行學習。其中，陰陽部分為當實際尺寸偏離最大實體邊界尺寸的某一數值的時候，此時所允許出現的形位誤差補償值。在此過程中，要求活塞銷加工完成后的實際尺寸、位置以及形狀誤差均能夠在此包容范圍之內。只有這樣，才能夠保證活塞銷的裝配要求，才能夠滿足良好的性能要求。這部分內容是教學的重點，也是難點所在，需要教師創新教學設計與組織。

4 總結

上文集中圍繞我們課程中零部件設計中公差原則這部分關鍵內容，介紹了同一零件發動機活塞銷采用包容要求和最大實體要求不同的標準下，相應活塞銷尺寸公差補償形位公差的情況，著重指導學生要善于分析和準確掌握如何采用包容要求或者是最大實體要求，能夠基于不同使用要求而實施不同的標注方法。結合孔與軸的配合方法來講，主要包括間隙配合應用、過盈配合應用以及過渡配合應用三種。對此，教師要至少向學生就相關問題進行深度解析：其一，間隙配合應用，以連接的支撐點運用滾動軸承的應用場景為例，在汽車機械式變速器當中，多在滾動軸承內圈與中間軸之間使用最大實體要求的間隙配合，以此來實現在中間軸高速運轉過程中常嚙合齒輪與中間軸之間的充分潤滑;其二，過盈配合應用，多應用于固定連接，如發動機飛輪與曲軸間的連接就需要過盈配合連接，在零部件實際尺寸偏離最大實體尺寸的地方形位公差能夠得到有效補償，保證零部件牢固連接的同時，降低制造成本;其三，過渡配合應用，主要應用于零部件具有較高定心要求的工作場景當中，比如在發動機的活塞銷與活塞連接地方，由于二者解讀長度上允許無運動關系，所以二者配合可采用包容要求的過渡配合，充分體現對中性要求。結合上文的細致精確的教學設計與指導，可大幅增進學生對課程知識的理解與掌握，收獲良好的教學成效。

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