6.尺寸链原理及其应用

第六章尺寸链原理及其应用•概述•在汽车及机械产品设计、制造过程中，尺寸链的应用非常普遍。首先，产品设计工程师要根据产品、部件或总成的使用性能以及特殊要求，规定必须的装配精度（技术要求），以此确定零件的基本尺寸及公差（或）极限偏差；其次，机械加工工艺设计人员通过尺寸链换算，确定各工序尺寸及其偏差；最后，装配工程师要根据装配要求确定合适的装配方法。因此，对产品设计工程师以及工艺工程师来说，尺寸链计算是必须掌握的重要理论之一。•本章从汽车零部件设计、加工装配出发，阐述尺寸链的基本概念、分类、组成、计算方法；装配尺寸链的建立及计算；以及工艺尺寸链解算等内容。第一节尺寸链的基本概念一.尺寸链的定义、特征及尺寸链图（一）尺寸链定义在机器设计、装配及零件加工过程中，一组互相联系且按一定顺序排列的封闭尺寸组合，称为尺寸链。轴向间隙C0为设计时确定的装配精度，它取决于主轴颈长度C1、锁止垫片宽度C4、轴瓦宽度C2、锁止垫片宽度C3，由尺寸C1、C2、C3、C4和C0按一定顺序形成的封闭尺寸组合，即为尺寸链。端面A对轴心的垂直度误差在直径240mm处不大于0.05mm，端面B对轴线的垂直度误差在直径120mm处不大于0.05mm。在加工过程中，直接保证B面对A面平行度α1和端面A对基准C的垂直度α2的要求，端面B对基准C的垂直度要求α0是在加工过程中间接保证的，它取决于α1、和α2的大小，因此，α1、α2和α0组成了位置公差尺寸链。第一节尺寸链的基本概念（二）尺寸链特征及尺寸链图（1）尺寸链的封闭性：尺寸链中的各尺寸按一定顺序排列，最后形成一个封闭图形。（2）尺寸链的关联性：尺寸链中任一尺寸的变化，都会引起其他尺寸的变化。（3）尺寸链至少由三个或以上的尺寸组成。二.尺寸链的定义组成尺寸链中的每一个尺寸或角度量称为环，其中又分为组成环与封闭环。1.封闭环尺寸链中封闭环是由组成环尺寸所决定的,因此,它的存在依赖于组成环而间接形成,在零件加工或机械产品装配过程中,最后自然形成(间接获得)这一尺寸。一个尺寸链中只有一个封闭环。封闭环的特点:其它环的误差必然累积在这个环上,因此封闭环误差是所有各组成环误差的综合。二.尺寸链的定义组成2.组成环.尺寸链中,除封闭环以外的其它环都称为组成环,组成环的变动必然引起封闭环的变动,它是在零件加工或装配中,直接获得的尺寸。根据组成环对封闭环影响的不同,又把组成环分为增环与减环。（1）增环尺寸链中，某组成环的变动将引起封闭环的同向变动；即其余各环不变，当该环增大，使封闭环也相应增大的组成环，称为增环。（2）减环尺寸链中，某组成环的变动将引起封闭环的反向变动；即其余各环不变，当该环增大，而使封闭环相应地减小的组成环，称为减环。二.尺寸链的定义组成（3）增环与减环的判定在图中各环尺寸线上标注单箭头，箭头方向沿着封闭图形的一个方向流动，凡是各组成环尺寸线箭头方向与封闭环尺寸线箭头方向相反的为增环，相同的为减环。建立尺寸链的做法：建立尺寸链时，首先应确定哪一个尺寸是间接获得的尺寸，并把它定为封闭环。再从封闭环一端起，依次画出有关直接得到的尺寸作为组成环，直到尺寸的终端回到封闭环的另一端，形成一个封闭的尺寸链图。注意：•（1）在一个尺寸链中，封闭环只有一个，其余都是组成环。封闭环是尺寸链中最后形成的一个环，所以在加工或装配未完成之前，它是不存在的。在工艺尺寸链中，封闭环必须在加工顺序确定后才能判断，当加工顺序改变时，封闭环也随之改变。在装配尺寸链中，封闭环就是装配的技术要求，比较容易确定。正确确定封闭环是建立、解算尺寸链中最关键的一步，封闭环定错，必然全盘皆错。注意：（2）建立尺寸链时，必须遵循“最短路线原则”（也称为“最少环数原则”），即建立尺寸链时，只将与封闭环有关系的尺寸列人尺寸链，与封闭环无关系的尺寸不应列人尺寸链，使尺寸链的路线最短，环数最少。对于装配尺寸链，应该一个零件只允许一个尺寸列入装配尺寸链，即“一件一环”。三.尺寸链的分类尺寸链有各种不同的分类方法，是由于尺寸的构成随各种机械产品的结构或零件结构不同而有所差异，用尺寸链来解决问题的目的不一样，并且应用场合也不一样。（一）按构成尺寸链各环的几何特征分类（1）长度尺寸链全部环为长度尺寸的尺寸链，或者组成环既有长度尺寸又有角度量而封闭环为长度尺寸的尺寸链。（2）角度尺寸链全部环为角度量的尺寸链，或者组成环既有角度量又有长度尺寸而封闭环为角度量的尺寸链。长度尺寸链（二）按构成尺寸链各环的作用分类：（1）装配尺寸链：全部组成环为不同零件的设计尺寸所形成的尺寸链；•查找装配尺寸链的组成环时，先从封闭环的任意一端开始，找相邻零件的尺寸，然后再找与第一个零件相邻的第二个零件的尺寸，这样一环接一环，直到封闭环的另一端为止，从而形成封闭的尺寸组。•如图a所示的车床主轴轴线与尾架轴线高度差的允许值A0是装配技术要求，为封闭环。组成环可从尾架顶尖开始查找，尾架顶尖轴线到底面的高度A1、与床面相连的底板的厚度A2、床面到主轴轴线的距离A3，最后回到封闭环。A1、A2和A3均为组成环。••••a）b）•车床顶尖高度尺寸链（二）按构成尺寸链各环的作用分类：（2）零件设计尺寸链：全部组成环为同一零件的设计尺寸所形成的尺寸链；在零件中，标注尺寸的是组成环，未标注尺寸的是封闭环。（二）按构成尺寸链各环的作用分类：（3）工艺尺寸链：全部组成环为同一零件的工艺尺寸所形成的尺寸链；在工艺尺寸链中，直接保证的工艺尺寸为组成环，间接保证的尺寸为封闭环。•图示工件如先以A面定位加工C面，得尺寸A1然后再以A面定位用调整法加工台阶面B，得尺寸A2，要求保证B面与C面间尺寸A0；A1、A2和A0这三个尺寸构成了一个封闭尺寸组，就成了一个尺寸链。（三）按构成尺寸链各环的空间位置分类：（1）直线尺寸链：全部组成环平行于封闭环的尺寸链，亦称为线性尺寸链；其特征是，各环均在同一平面上，且相互平行。（2）平面尺寸链：全部组成环位于一个或几个平行平面上，但可能某些组成环不平行于封闭环的尺寸链（图6-7）；（3）空间尺寸链：组成环位于几个不平行平面内的尺寸链；空间尺寸可用投影方法，先转化成平面尺寸链，然后将平面尺寸链再转化成直线尺寸链。（四）按尺寸链间相互关系分类：（1）独立尺寸链：组成环与封闭环只属于同一尺寸链，不属于任何其它尺寸链；（2）并联尺寸链：由若干个独立尺寸链通过一个（或几个）共存于两个（或以上）独立尺寸链的环相互联系起来，这种联系形式称为并联尺寸链（图6-8a）；（3）串联尺寸链：组成环每一个后继尺寸链是从前面一个尺寸链的基面开始的，即每两个相邻尺寸链有一个共同基面（6-8b）。四.尺寸链的计算1.公差校核计算已知组成环,求封闭环。根据各组成环基本尺寸及公差（偏差），来计算封闭环的基本尺寸及公差（或偏差），也称尺寸链的正计算。这种计算主要用在审核图样，验证设计的正确性。2.公差设计计算已知封闭环,求组成环。根据设计要求的封闭环基本尺寸及公差（或偏差），反过来计算各组成环基本尺寸及公差（或偏差），也称尺寸链的反计算。这种计算一般用于汽车或机械产品设计或工艺设计。3.中间计算已知封闭环及部分组成环，求其余组成环。根据封闭环和其它组成环的基本尺寸及公差（或偏差），来计算尺寸链中某一组成环的基本基本尺寸及公差（或偏差），其实质是反计算的一种，称为尺寸链的中间计算。这种计算在工艺设计上应用较多，如基准的换算、工序尺寸的确定等。五.尺寸链计算的基本公式（一）直线尺寸链的计算计算方法有两种：极值法与概率法。有公共顶角的角度尺寸链的计算方法与直线尺寸链的计算方法一样。1.封闭环基本尺寸计算封闭环的基本尺寸等于所有增环的基本尺寸之和减去所有减环的基本尺寸之和。1110nkjjkZzCCC1110nkjjkZz2.极值法极值法：指按组成环的尺寸同为极限条件下来计算封闭尺寸的方法。（1）封闭环极限尺寸封闭环最大尺寸等于所有增环最大尺寸之和减去所有减环最小尺寸之和。封闭环最小尺寸等于所有增环最小尺寸之和减去所有减环最大尺寸之和。11min1maxmax0nkjjkZzCCC11max1minmin0nkjjkZzCCC（2）封闭环公差等于所有各组成环公差之和（3）封闭环极限偏差上偏差等于所有增环上偏差之和减去所有减环下偏差之和。下偏差等于所有增环下偏差之和减去所有减环上偏差之和。11111min0max00niCinkjCjkZCzCTTTCCT1110max0nkjCjkZCzCCEIESCCES1110min0nkjCjkZCzCCESEICCEI（4）封闭环实际误差即在零件制造加工过程中，当各环的实际误差不等于各环公差时，此时封闭环的实际误差等于所有组成环的实际误差之和（5）封闭环中间尺寸C0M和中间偏差Δ0图6-10表明了各尺寸、公差及偏差间的关系中间尺寸是指最大与最小尺寸之和的平均值。封闭环的中间尺寸等于所有增环中间尺寸之和减去所有减环中间尺寸之和。110niCiC2minmaxminiiiCCC1110nkjjmkZzmmCCC所谓中间偏差是指上、下偏差的平均值，也称为公差带中心坐标。组成环的中间偏差Δi为：封闭环中间偏差尺寸等于所有各增环之和减去所有各减环之和2CiCiiEIES1110nkjjkZz（6）中间偏差、公差及极限偏差间的关系组成环：封闭环：CiiCiTES21CiiCiTEI2100021CCTES00021CCTEI极值法特点：计算简单，不必考虑其它因素的影响。极值法也存在缺点：在组成环较多且封闭环精度要求较高的情况下，其组成环的精度要求很高，不论是装配尺寸链，还是工艺尺寸链，其零件的加工难度大、成本高。故极值法一般用于封闭环精度高但组成环环数少；封闭环精度低但组成环环数较多，或是具有调整环或修配环的装配尺寸链的计算中。采用极值法求解尺寸链：如下图尺寸链，求A3.已知mmA09.0151mmA015.0210mmA025.03353A0A1A2A3A0A1A2A24.034.0010A1、建立尺寸链2.确定基本尺寸3.确定上下偏差或公差1110nkjjkZzCCC1110max0nkjCjkZCzCCEIESCCES1110min0nkjCjkZCzCCESEICCEI2.概率法•在大批量生产中，尺寸链中各增、减环同时出现相反的极限尺寸的概率很低，特别当环数多时，出现的概率更低。•当封闭环公差较小、组成环环数较多时，采用极值算法会使组成环的公差过小，以致使加工成本上升甚至无法加工。•根据概率统计原理和加工误差分布的实际情况，采用概率法求解算尺寸链更为合理。由前述可知，封闭环的基本尺寸是增环﹑减环的基本尺寸的代数和。根据概率论，若将各组成环视为随机变量，则封闭环（各随机变量之和）也为随机变量，且有：1）封闭环的平均值等于各组成环的平均值的代数和；2）封闭环的方差（标准差的平方）等于各组成环方差之和，即：式中σ0——封闭环的标准差；σi——第i个组成环的标准差。011220nii这里只讨论组成环接近正态分布的情况若各组成环的尺寸分布均接近正态分布，则封闭环尺寸分布也近似为正态分布。假设尺寸链各环尺寸的分散范围与尺寸公差相一致（如图所示）①尺寸链各组成环的平均尺寸等于各组成环尺寸的平均值；（即将非对称公差转换为对称公差CM±T/2）②各尺寸环的尺寸公差等于各环尺寸标准差的6倍，即：iiTT6,600由此可以引出两个概率法基本公式：1）平均尺寸计算公式2）公差计算公式3σ3σTkznkjjmzmMCCC11101120niiTT例5.3用概率法求解图5.26所示尺寸链。已知：解1）将已知各尺寸改写成双向对称偏差形式：A1=15±0.09mm;A2=9.925±0