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第二章轴类零件的精度设计第二章轴类零件的精度设计轴类零件的特点轴是组成机械的典型零件，它支撑着其它转动件回转并传递扭矩，同时又通过轴承与机器的机架连接。轴类零件是旋转零件，其长度大于直径，由外圆柱面、圆锥面、内孔、螺纹及相应端面所组成。根据功用和结构形状，轴类有多种形式，如光轴、空心轴、半轴、阶梯轴、花键轴、偏心轴、曲轴、凸轮轴等。轴类零件的技术要求加工质量（满足精度设计要求）加工精度表面粗糙度材料和毛坯（满足强度刚度设计要求）材料的选取及热处理毛坯种类及其制造方法轴类零件的精度要求尺寸精度主要指轴的直径尺寸精度和轴长尺寸精度。几何形状精度一般指轴承轴颈的几何形状精度（圆度、圆柱度）要求。相互位置精度轴类零件中的配合轴颈（装配传动件的轴颈）相对于轴承轴颈间的同轴度是其相互位置精度的普遍要求；还有内外圆柱面的同轴度，轴向定位端面与轴心线的垂直度要求等。（径向圆跳动、端面圆跳动）表面粗糙度（表面微观几何形状精度要求）2.2尺寸精度的设计重要性是机械产品设计中的重要部分，对产品的使用精度、使用性能及加工成本影响极大；设计内容基准制、标准公差等级和配合种类等三方面的选择；设计原则在满足使用要求的前提下，获取最佳的技术经济效益。2.2.1公差与配合的选择原则了解数量众多的公差带中的国家标准规定的孔、轴的一般、常用和优先选用的公差带。了解国家标准规定的孔、轴的一般、常用和优先选用的公差带。确定基准制、公差等级与配合种类。公差与配合的选择原则——实质上是尺寸的精度设计一般、常用、优先轴公差带GB/T1800.3-1998规定了20个标准公差等级和孔、轴各28个基本偏差，孔轴可得到543（孔）、544（轴）种不同的公差带。GB/T1800.4-1999对公差带作了限制：≤500mm，孔：202种；轴：204种公差带；500-3150mm，孔：82种；轴：79种公差带。GB/T1801-1999对公差带作了进一步的限制，以降低成本，方便使用。一般、常用、优先轴公差带1.尺寸公差带国家标准:20个公差等级、28种基本偏差孔公差带：20×27＋3=543(J6、J7、J8)轴公差带:20×27＋4=544(j5、j6、j7、j8)选用原则：选用公差带时，应按优先、常用、一般、任意公差带的顺序选用共116种，其中常用公差带（方框内）46种，优先公差带（○内）13种。一般、常用、优先孔公差带不大于500毫米一般、常用优先孔公差带共105种，其中常用公差带（方框内）31种，优先公差带（括号内）13种。基孔制中有59种常用配合，13种优先配合。基轴制有47种常用配合，13种优先配合。2.2.2基准配合制的选择1.基孔配合制的选择一般情况下，优先采用基孔配合制。2.基轴配合制的应用场合1)用冷拉钢制圆柱型材制作光轴作为基准轴这一类圆柱型材的规格已标准化，尺寸公差等级一般为IT7～IT9。它作为基准轴，轴径可以免去外圆的切削加工，只要按照不同的配合性质来加工孔，可实现技术与经济的最佳效果。2.2.2基准配合制的选择2)“一轴多孔”，而且构成的多处配合的松紧程度要求不同的场合所谓“一轴多孔”指一轴与两个或两个以上的孔组成配合。如图2.18(a)所示内燃机中活塞销与活塞孔及连杆套孔的配合，它们组成三处两种性质的配合。如图2.18(b)所示采用基孔配合制，轴为阶梯轴，且两头大中间小，既不便加工，也不便装配。2.2.2基准配合制的选择(a)内燃机中活塞销与活塞孔及连杆套孔的配合1—活塞销；2—活塞；3—连杆小头孔图2.18一轴多孔且配合性质不同场合应用基轴制的选择示例2.2.2基准配合制的选择(b)基孔制配合的孔、轴公差带和孔、轴(c)基轴制配合的孔、轴公差带和孔、轴图2.18一轴多孔且配合性质不同场合应用基轴制的选择示例2.2.2基准配合制的选择3)轴为标准件或标准部件(如：键、销、轴承等)如图1.1中的轴承外圈外径与箱座孔的配合(φ110J7)、输出轴上键与输出轴上的键槽的配合16N9/h8和键与齿轮毂槽的配合16Js9/h8)均采用基轴配合制。4).非基准制应用的场合国家标准规定：为了满足配合的特殊需要，允许采用非基准制配合，即采用任一孔、轴公差带(基本偏差代号非H的孔或h的轴)组成的配合。如右图的端盖与轴承孔的配合，及P32图1-14。k6f50f110J7J7f110f92.2.3尺寸公差等级的选择1.公差等级的选择原则在满足使用性能的前提下，尽量选取较低的公差等级。所谓“较低的公差等级”是指：假如IT7级以上(含IT7)的公差等级均能满足使用性能要求，那么，选择IT7级为宜。它既保证使用性能，又可获得最佳的经济效益。IT01~IT1用于量块的尺寸公差（相当于量块的1、2、3级精度）IT1~IT7用于量规的尺寸公差，这些量规常用于检验IT6~IT16的孔和轴IT2~IT5用于非常精密配合及精密量规(滚动轴承各零件的配合)IT5~IT10用于有精度要求的重要和较重要配合(5、6级：精密；7、8级：一般精度；9、10级：一般要求）IT11、IT12用于不重要的配合IT12~IT18用于非配合尺寸（未注尺寸精度、毛坯公差等）公差等级的应用范围二、极限与配合的选用公差等级的选用选择考虑：6.熟悉常用公差等级的应用5.在非基准制配合中，有的零件精度要求不高，可与相配合零件的公差等级之差2～3级。2.2.3尺寸公差等级的选择2.公差等级的选择方法1)类比法。即经验法。所谓类比法，就是参考经过实践证明合理的类似产品的公差等级，将所设计的机械(机构、产品)的使用性能、工作条件、加工工艺装备等情况与之进行比较，从而确定合理的公差等级。对初学者来说，多采用类比法，此法主要是通过查阅有关的参考资料、手册，并进行分析比较后确定公差等级。类比法多用于一般要求的配合。2)计算法。所谓计算法是指根据一定的理论和计算公式计算后，再根据《极限与配合》的标准确定合理的公差等级。即根据工作条件和使用性能要求确定配合部位的间隙或过盈允许的界限，然后通过计算法确定相配合的孔、轴的公差等级。计算法多用于重要的配合。3.采用类比法确定公差等级应考虑的几个问题1)了解各个公差等级的应用范围。公差等级的应用范围见P32.2)熟悉各种工艺方法的加工精度。公差等级与加工方法的关系见表1-20。各种加工方法可能达到的公差等级2.2.3尺寸公差等级的选择3)轴和孔的工艺等价性。基本尺寸不大于500mm时，高精度(≤IT8)孔比相同精度的轴难加工，为使相配的孔与轴加工难易程度相当，即具有工艺等价性，一般推荐孔的公差等级比轴的公差等级低一级；通常6、7、8级的孔分别与5、6、7级的轴配合。低精度(IT8)的孔和轴采用同级配合。4)相配件或相关件的结构或精度配合精度要求不高时，允许孔、轴公差等级相差2级或2级以上，以降低加工成本。如图1.14中φ95K7/d11、φ60D10/js65)协调与相配零(部)件的精度关系。例如：与滚动轴承配合的轴或孔的公差等级应与滚动轴承的公差等级相匹配。又如：带孔的齿轮，其孔的公差等级是按照齿轮的精度等级(查表11-21)选取的；而与齿轮孔相配合的轴的公差等级应与齿轮孔的公差等级相匹配，如图1.1中φ56H7/h6。1.孔、轴间是否有相对运动2.孔、轴间的受载情况3.孔和轴的定心精度要求4.带孔零件和轴的拆装情况5.孔和轴工作时的温度6.装配变形7.生产类型2.2.4配合的选择2.2.4配合的选择1.配合选择的方法有类比法、计算法和试验法3种。1)类比法。同公差等级的选择相似，大多通过查表将所设计的配合部位的工作条件和功能要求与相同或相似的工作条件或功能要求的配合部位进行分析比较，对于已成功的配合作适当的调整，从而确定配合代号。此选择方法主要应用在一般、常见的配合中。2.2.4配合的选择2）计算法。计算法主要用于两种情况：一是用于保证与滑动轴承的间隙配合，当要求保证液体摩擦时，可以根据滑动摩擦理论计算允许的最小间隙，从而选定适当的配合；二是完全依靠装配过盈传递负荷的过盈配合，可以根据要求传递负荷的大小计算允许的最小过盈，再根据孔、轴材料的弹性极限计算允许的最大过盈，从而选定适当的配合。2.2.4配合的选择3)试验法。试验法主要用于新产品和特别重要配合的选择。这些部位的配合选择，需要进行专门的模拟试验，以确定工作条件要求的最佳间隙或过盈及其允许变动的范围，然后，确定配合性质。这种方法只要实验设计合理、数据可靠，选用的结果比较理想，但成本较高。2.2.4配合的选择2.配合选择的任务当基准配合制和孔、轴公差等级确定之后，配合选择的任务是：确定非基准件(基孔配合制中的轴或基轴配合制中的孔)的基本偏差代号。2.2.4配合的选择3.配合选择的步骤采用类比法选择配合时，可以按照下列步骤选择。1)确定配合的大致类别。根据配合部位的功能要求，确定配合的类别。功能要求及对应的配合类别见表1-23，可按表中的情况进行。2)根据配合部位具体的功能要求，通过查表，比照配合的应用实例，参考各种配合的性能特征(见表1.21～表1.23)，选择较合适的配合。即确定非基准件的基本偏差代号。2.2.4配合的选择4.各类配合的选择各类配合的选择主要依据配合部位的功能要求、各类配合的性能特征选择松紧合适的配合。1)间隙配合的选择间隙配合主要应用的场合：孔轴之间有相对运动和需要拆卸的无相对运动的配合部位。2)过渡配合的选择过渡配合主要应用的场合：孔与轴之间有定心要求，而且需要拆卸的静联接(即无相对运动)的配合部位。3)过盈配合的选择过盈配合主要应用的场合：孔与轴之间需要传递扭矩或准确定心的静联接(即无相对运动)的配合部位。(1)类比法了解本机构的工作条件及性能了解同类机构的设计要求、性能及实践结果了解标准公差带形成配合的特征间隙配合:考虑运动特性、运动条件及运动精度,温度等条件由Xmin=基本偏差,按Xmin确定基本偏差代号2.2.4配合的选择1)间隙配合的选择主要应用的场合：孔轴之间有相对运动和需要拆卸的无相对运动的配合部位。各种间隙配合的性能特征过渡配合:考虑定心精度和对拆卸的要求,用于定位精度比较高,并要求可拆卸的相对静止的联结一般按Xmax确定基本偏差代号2.2.4配合的选择2)过渡配合的选择过渡配合主要应用的场合：孔与轴之间有定心要求，而且需要拆卸的静联接(即无相对运动)的配合部位。各种过渡配合的性能特征过盈配合:考虑负荷的大小、特性、所用材料的许用应力,装配条件,装配变形及温度等过盈小:用键传递扭矩好拆卸过盈大:靠结合力传递扭矩不好拆卸为保证联结强度,按Ymin选取基本偏差代号2.2.4配合的选择3)过盈配合的选择过盈配合主要应用的场合：孔与轴之间需要传递扭矩或准确定心的静联接(即无相对运动)的配合部位。各种过盈配合的性能特征无相对运动传递转矩精确同轴永久配合过盈配合可拆结合过渡配合或基本偏差为H(h)间隙配合+紧固件不要求精确同轴稍大的间隙配合+紧固件不需要传递转矩（定位要求）过渡配合或小的过盈配合有相对运动只有移动基本偏差为H(h)、G(g)等间隙配合转动或移动转动和移动的复合运动基本偏差为A-F(a-f)间隙配合配合类别选择的一般方向1、结合件间有相对运动•轴向移动件间的间隙要比旋转运动件的间隙大。•高速回转运动要比低速回转运动的间隙大•运动的准确性要求高或回转精度要求高，间隙应小。•当支撑数目多时，为补偿位置误差的影响间隙大。•润滑油的粘度大时间隙应稍大。2.2.4配合的选择配合基本偏差特点应用说明最小间隙运动间隙配合a,b特大—应用很少c很大松弛用于工作条件差，受力变形，或为了装配，而必须保证有较大的间隙时，推荐H11/c11d大松转一般用于IT7-IT10。常用于密封盖、孔转皮带轮与轴的配合。也适用于大直径滑动轴承配合。e明显易转多用于IT7、IT8、IT9级，适用于大跨距支承，多支点支承配合，高等级的e适用于大的、高速、重载支承。f适中正常多用于IT6、IT7、IT8级的一般转动配合。当温度影响不大时，广泛用