机械零件设计中几何公差的合理选用分析

　　摘要：机械制造业的不断发展，随之而来的是对机械零件结构设计要求的不断提高，因此，对于机械零件的设计需要在满足机械设计原则的基础上不断创新，改变原来的设计方法，利用几何公差的原理，根据机械产品的功能充分发挥创造力，综合运用先进的技术，借鉴优秀的研究成果，在全新的设计理念和基本设计原则的指导下，创造出更具有价值的机械零件。本文对机械零件设计中几何公差的合理选用做一个简单的分析和探讨。

　　关键词：机械零件设计；几何公差；合理选用

　　引言

　　现代化的机械零件结构设计涉及到多方面的因素，设计方法也不断创新发展，理论设计、经验设计、模型实验设计成为最主要的三种设计方式，并且三者之间存在着不可分割的联系。科学合理的机械零件结构设计能有效地保证零件的工艺性和实用性，同时也能极大程度地提高零件的强度，增强零件使用寿命对零件的结构设计必须遵循一定的原则，本文试图从机械零件结构设计的方法、优势和几何公差选用的原则出发进行深入探讨。

　　一、机械零件结构设计方法

　　应用正确的基本原理和已有的实践经验来创造发展新事物或改造旧事物，这就是设计的基本概念，对于机械零件的结构设计同样也符介这一概念，零件设计的方法有以下几种。

　　1、理论设计

　　理论设计主要以人们已掌握的介乎规律的理论和实践知识为基础，结介理论力学、材料力学、机械原理、金属学等理论知识进行机械零件的结构设计。根据零件的整体载荷情况，运用理论计算公式确定零件的几何尺寸。零件的尺寸计算必须满足载荷情况、材料性能、零件工作情况和应力分布规律等方面的条件。运用计算公式初步确定机械零件的尺寸及形状后，再利用校核计算对零件危险剖面的安全系数计算值进行校核。这个过程多用于应力分布规律复杂，但又能用材料力学公式表示出来的零件设计，同时也适用于应力分布规律简单但必须已知零件尺寸的情况，如轴和弹簧的设计。在进行机械零件的结构设计时，一些具有足够实践经验的设计工作者也常为了简化计算过程，在粗略的估算和相关资料的基础上自接进行结构设计，然后采用校核计算。理论设计的基础是熟知机械零件的材料性能和应力分布规律，是经过大量感性知识而总结出来的设计规律，因此是一种具有一定科学性和先进性的设计方法，值得广泛采用。但是任何一种理论都存在不完善的地方，所以不应把理论设计当作完美的机械零件机构设计方法。

　　2、经验设计

　　根据零件已有的设计和使用经验或设计者自身的设计经验，采用类比的方法进行的设计就叫经验设计。经验设计相比于理论设计，没有足够理论化的科学分析作为设计基础，但是根据经验形成的公式本身就已具备一定的科学统计性，所以经得起实践的考验，具有很大的实用价值。经验设计通常用于外形复杂、载荷情况小明且无法用理论分析的机械零件设计中，如机架、变速箱体的设计，也多用于对价值小高的零件的设计。经验设计往往运用在理论设计薄弱的地方，从某种意义上来说，经验设计和理论设计存在一定的互补关系。

　　3、模型实验设计

　　模型实验设计主要针对一些尚无法运用理论知识进行详细分析的大型的、结构复杂且具有一定重要性的机械零件进行结构设计。具体来说，就是对零件作出初步设计，形成模型，对模型进行反复试验，再根据实验结果加以修改。这种设计方法同样也是对理论小足的一种弥补，同时也有效地避免了经验设计中缺乏科学性的成分。模型实验设计决定了大型复杂零件中的工作应力分布情况和零件的极限承受能力，是将经验设计转化为理论设计的途径之一。

　　二、几何要素定义之间的相互关系

　　几何要素定义之间的相互关系详见图1。其中几何要素有：点、线或面。组成要素有：面或面上的线。导出要素有：由一个或几个组成要素得到的中心点、中心线或中心面，例如：球心是由球面得到的导出要素。尺寸要素为：由一定大小的线性尺寸或角度尺寸确定的几何形状。公称组成要素是由技术制图或其他方法确定的理论正确组成要素，见图1a），公称导出要素是由一个或几个公称组成要素导出的中心点、轴线或中心平面。工件实际表面是实际存在并将整个工件与周围介质分隔的一组要素。实际（组成）要素即由接近实际（组成）要素所限定的工件实际表面的组成要素部分，见图1a）。提取组成要素是按规定方法，由实际（组成）要素提取有限数目的点所形成的实际（组成）要素的近似替代，见图1c）。提取组成要素是按规定的方法由提取组成要素形成的并具有理想形状的组成要素，见图1d），拟合导出要素是由一个或几个拟合组成要素导出的中心点、轴线或中心平面。

　　三、几何公差

　　1、几何公差的基本概念

　　根据误差最小原则、有关默认规定和公差代号的指示，确定被测要素的形状、位置或者被测要素组成共同理想模型的各个要素的形状、位置，然后确定公差带的位置（对称或不对称于理想要素）。公差要求被测要素的，实际要素，局限于指定的公差带内。没有特别说明，公差不限制被测要素的，实际要素，在公差带内的分布。单一要素的几何公差又称形状公差。关联要素的几何公差又称方向公差、位置公差。

　　2、几何要素的各项公差之间互相独立

　　若无特别说明，尺寸公差之间、几何公差之间、几何公差与尺寸公差之间相对独立，各项公差都是零件合格的必要条件。

　　（1）尺寸公差之间互相独立

　　无论线性尺寸，还是角度尺寸，每一个尺寸都有其独立的解释，互相之间没有任何关联，否则，尺寸公差将可能没有唯一确定的解释。

　　（2）几何公差与尺寸公差相互独立

　　GB/T18780.2-2003规定：没有特别指示，默认包容面、被包容面的线性尺寸公差要求包容而、被包容面的特征尺寸的两点法测量值在公差的上下偏差范围内。GB/T1182-2008规定：没有特别指示，默认几何公差则只要求被测要素的，实际要素，局限在给定的几何区域内。几何公差与尺寸公差之间没有关联。