《汽车机械基础》-汽车机械基础-第六章

学习目标学习目标①了解尺寸公差、配合、极限的基本概念，能熟练掌握尺寸的含义；②掌握形状与位置公差、表面粗糙度在零件图的正确标注。返回第一节测量技术基础一、互换性与标准化的相关概念在日常生活中，如轿车、自行车、手表等的一个零件损坏后，买一个规格相同的零件装好后可照常使用，显得十分方便。互换性就是指机器零部件相互之间可以替换，而且保证使用要求的一种特性。它有广义互换性和狭义互换性之分。广义互换性指机器的零件在各种性能方面都具有互换性，如零件的几何参数、力学性能、抗腐蚀性、热变形、电导性等；狭义互换性指机器的零部件只满足几何参数方面的要求，如尺寸、形状、位置和表面粗糙度的要求。在机械零件的使用中，通常的互换性指的是狭义互换性。根据互换的程度不同，互换性又分为完全互换和有限互换。对于同一规格的零件，若不加挑选和修配就能装配并能满足要求，称为完全互换，相反就是不完全互换。下一页返回第一节测量技术基础在生产实际中由于加工误差的存在，规格相同的零件其实际尺寸和形状是不完全一致的，达不到预定的互换性要求，必须将零部件的集合参数控制在一定的范围内，这个允许零件集合参数的变动范围称为公差。公差标准是对零件的公差和相互配合所指定的技术标准。标准是指对重复性食物和概念所做的同一规定，标准化包含了标准制定、贯彻和修订标准的全部过程。标准化是实现互换性的前提。标准可以按不同级别颁布。我国技术标准分为国家标准、行业标准、地方标准和企业标准4个等级，国际上还有国际标准和区域性标准。下一页返回上一页第一节测量技术基础二、检测的基本要素和步骤为了满足机械产品的功能要求，在正确合理地完成了可靠性、使用寿命和运动精度等方面的设计以后，还须进行加工和装配过程的制造工艺设计，即确定加工方法、加工设备、工艺参数、生产流程及检测手段。其中，特别重要的环节就是质量保证措施中的精度检测。“检测”就是确定产品是否满足设计要求的过程，即判断产品合格性的过程。检测的方法可以分为两类：定性检验和定量测试。定性检验的方法只能得到被检验对象合格与否的结论，而不能得到其具体的量值。因其检验效率高、检验成本低而在大批量生产中得到广泛应用。定量测试的方法是在对被检验对象进行测量后，得到其实际值并判断其是否合格的方法。下一页返回上一页第一节测量技术基础1.测量的基本要素“测量”是以确定量值为目的的全部操作。测量过程实际上就是一个比较过程，也就是将被测量与标准的单位量进行比较，确定其比值的过程。若被测量为Ｌ，计量单位为ｕ，确定的比值为ｑ，则测量可表示为

Ｌ＝ｑ·ｕ一个完整的测量过程应包含被测量、计量单位、测量方法（含测量器具）和测量精度四个要素。下一页返回上一页第一节测量技术基础1)被测量被测量在机械精度的检测中主要是有关几何精度方面的参数量，其基本对象是长度和角度。但是，长度量和角度量在各种机械零件上的表现形式却是多种多样的，表达被测对象性能的特征参数也可能是相当复杂的。因此，认真分析被测对象的特性，研究被测对象的含义是十分重要的。例如，表面粗糙度的各种评定参数，齿轮的各种误差项目，尺寸公差与形位公差之间的独立与相关关系等。下一页返回上一页第一节测量技术基础2)计量单位计量单位（简称单位）是以定量表示同种量的量值而约定采用的特定量。我国规定采用以国际单位制（SI）为基础的“法定计量单位制”。它是由一组选定的基本单位和由定义公式与比例因数确定的导出单位所组成的，如“米”、“千克”、“秒”、“安”等为基本单位。机械工程中常用的长度单位有“毫米”、“微米”和“纳米”，常用的角度单位是非国际单位制的单位“度”、“分”、“秒”和国际单位制的辅助单位“弧度”、“球面度”。在测量过程中，测量单位必须以物质形式来体现，能体现计量单位和标准量的物质形式有：光波波长、精密量块、线纹尺、各种圆分度盘等。下一页返回上一页第一节测量技术基础3)测量方法测量方法是根据一定的测量原理，在实施测量过程中对测量原理的运用及其实际操作。广义地说，测量方法可以理解为测量原理、测量器具（计量器具）和测量条件（环境和操作者）的总和。在实施测量过程中，应该根据被测对象的特点（如材料硬度、外形尺寸、生产批量、制造精度、测量目的等）和被测参数的定义来拟定测量方案、选择测量器具和规定测量条件，合理地获得可靠的测量结果。下一页返回上一页第一节测量技术基础4)测量精度测量精度是指测量结果与真值的一致程度。真值是指当某被测要素能被完善地确定并排除所有测量上的缺陷时，通过测量所得到的量值。由于测量会受到许多因素的影响，其过程总是不完善的，即任何测量都不可能没有误差。对于每一个测量值都应给出相应的测量误差范围，说明其可信度。下一页返回上一页第一节测量技术基础2.检测的一般步骤(1)确定被检测项目：认真审阅被测件图纸及有关的技术资料，了解被测件的用途，熟悉各项技术要求，明确需要检测的项目。(2)设计检测方案：根据检测项目的性质、具体要求、结构特点、批量大小、检测设备状况、检测环境及检测人员的能力等多种因素，设计一个能满足检测精度要求，且具有低成本、高效率的检测预案。(3)选择检测器具：按照规范要求选择适当的检测器具，设计、制作专用的检测器具和辅助工具，并进行必要的误差分析。下一页返回上一页第一节测量技术基础(4)检测前准备：清理检测环境并检查是否满足检测要求，清洗标准器、被测件及辅助工具，对检测器具进行调整使之处于正常的工作状态。(5)采集数据：安装被测件，按照设计预案采集测量数据并规范地作好原始记录。(6)数据处理：对检测数据进行计算和处理，获得检测结果。(7)填报检测结果：将检测结果填写在检测报告单及有关的原始记录中，并根据技术要求作出合格性的判定。下一页返回上一页第一节测量技术基础3.长度单位与计量基准在国际单位制及我国法定计量单位中，长度的基本单位名称是“米”，其单位符号为“ｍ”。“米”的定义于18世纪末始于法国，当时规定“米等于经过巴黎的地球子午线的四千万分之一”。19世纪“米”逐渐成为国际通用的长度单位。1889年在法国巴黎召开了第一届国际计量大会，从国际计量局订制的30根米尺中，选出了作为统一国际长度单位量值的一根米尺，把它称之为“国际米原器”。1983年第17届国际计量大会又更新了米的定义，规定：“米”是光在真空中在1/299792458s的时间间隔内行进路程的长度。下一页返回上一页第一节测量技术基础三、误差及分类根据测量误差的性质、出现的规律和特点，可以将误差分为三大类，即系统误差、随机误差和粗大误差。1.系统误差在相同条件下多次测量同一量值时，误差值保持恒定；或者当条件改变时，其值按某一确定的规律变化的误差，统称为系统误差。系统误差按其出现的规律又可分为定值系统误差和变值系统误差。下一页返回上一页第一节测量技术基础2.随机误差在相同条件下，以不可预知的方式变化的测量误差，称为随机误差。在一定测量条件下对同一值进行大量重复测量时，总体随机误差的产生满足统计规律，即具有有界性、对称性、抵偿性、单峰性。因此，可以分析和估算误差值的变动范围，并通过取平均值的办法来减小其对测量结果的影响。3.粗大误差某种反常原因造成的、歪曲测得值的测量误差，称为粗大误差。粗大误差的出现具有突然性，它是由某些偶尔发生的反常因素造成的。这种显著歪曲测得值的粗大误差应尽量避免，且在一系列测得值中按一定的判别准则予以剔除。下一页返回上一页第一节测量技术基础四、测量不确定度由于各种测量误差的存在，采用不同的测量方法、测量器具、测量条件和不同的测量人员，其测得值的可靠性是不同的。因而引入“不确定度”来定量说明测量的质量。1.不确定度“不确定度”表示测量结果中合理赋予被测量值的一个分散性参数，也就是说“测量不确定度是表征被测量的真值所处量值范围的估计”。受随机误差和系统误差的影响，不确定度的存在是必然的，即使已修正的测得值也不一定是被测量的真值，因为系统误差不可能完全消除。已修正的测得值可称为真值的最佳估计。下一页返回上一页第一节测量技术基础因测量误差的存在，经过测量和数据处理后得到的测量结果，实质上是对被测量真值的估计。所以，一个完整的测量结果应包括测量值及其不确定度的说明。即Ｌ±Ｕ式中，Ｌ为对已定系统误差进行修正后的测量值；Ｕ为测量的总不确定度。下一页返回上一页第一节测量技术基础下一页返回上一页2.安全裕度和验收极限当采用普通测量器具测量孔、轴尺寸时，由于测量误差的存在，被测尺寸的真值可能大于或小于其测量结果。因此，如果只根据测量结果是否超出图样给定的极限尺寸来判断其合格性，有可能会造成误收或误废。而在验收产品时，应该只接收位于规定的尺寸极限之内的工件，位于规定的尺寸极限之外的工件应该拒收。为此需要根据被测件的精度高低和相应的极限尺寸，确定其安全裕度（A）和验收极限。安全裕度Ａ是测量中总不确定度的允许值（u），主要由测量器具的不确定度允许值ｕ及测量测量条件引起的测量不确定度允许值ｕ这两部分组成。安全裕度Ａ值按被检验工件的公差大小来确定，一般为工件公差的1/10。国家标准（GB/T3177

—1997）对A值有明确的规定。第一节测量技术基础返回上一页验收极限是检验工件尺寸时判断其合格与否的尺寸界限。确定验收极限的方式有内缩方式和不内缩方式。选择验收方式时应综合考虑被测尺寸的功能要求、重要程度、公差等级、测量不确定度和工艺能力等。当采用内缩方式时，有以下公式。孔尺寸的验收极限：上验收极限＝最小实体尺寸（ＤL

）－安全裕度（A）下验收极限＝最大实体尺寸（ＤM

）＋安全裕度（A）轴尺寸的验收极限：上验收极限＝最大实体尺寸（dM

）－安全裕度（A）下验收极限＝最小实体尺寸（ｄL

）＋安全裕度（A）第二节尺寸公差与配合一、孔和轴的基本概念1.孔和轴的定义在满足互换性的配合中，孔和轴具有广泛的含义。孔指圆柱形内表面及其他内表面中，由单一尺寸确定的部分，其尺寸由D表示；轴指圆柱形的外表面及其他外表面中由单一尺寸确定的部分，其尺寸由d表示。即：孔为包容面，轴为被包容面，如图6-1所示。下一页返回第二节尺寸公差与配合下一页返回上一页2.有关尺寸的概念(1)基本尺寸：由设计给定的尺寸，一般要求符合标准的尺寸系列。(2)实际尺寸：通过测量所得的尺寸。包含测量误差，且同一表面不同部位的实际尺寸往往也不相同。用Ｄ１、d1

表示。(3)极限尺寸：允许尺寸变化的两个极限值。两者中大的称为最大极限尺寸，小的称为最小极限尺寸。孔和轴的最大、最小极限尺寸分别用Ｄｍａx、dmax

和Ｄｍｉn、dmin

表示。第二节尺寸公差与配合下一页返回上一页(4)作用尺寸：在配合面的全长上，与实际孔内接的最大理想轴尺寸，称为孔的作用尺寸。与实际轴外接的最小理想孔的尺寸，称为轴的作用尺寸。分别用ＤＭ、dm表示。最大实体尺寸（ＭＭＳ）：对应于孔或轴的最大材料量（实体大小）的那个极限尺寸，即：轴的最大极限尺寸ｄmax；孔的最小极限尺寸Ｄ

min

。最小实体尺寸（ＬＭＳ）：对应于孔或轴的最小材料量（实体大小）的那个极限尺寸，即：轴的最小极限尺寸ｄmin

；孔的最大极限尺寸Ｄmax

。第二节尺寸公差与配合下一页返回上一页二、有关偏差与公差的概念1.偏差偏差是某一尺寸减去基本尺寸所得的代数差。包括实际偏差和极限偏差。根据某一尺寸为实际尺寸和极限尺寸，偏差又分为实际偏差和极限偏差。因为极限尺寸又有最大极限尺寸和最小极限尺寸，所以极限偏差又分上偏差（ES、es）和下偏差（EI、ei）。对于孔：对于轴：第二节尺寸公差与配合下一页返回上一页2.尺寸公差尺寸公差是指允许尺寸的变动量，是最大极限尺寸与最小极限尺寸之代数差的绝对值。尺寸公差＝最大极限尺寸－最小极限尺寸＝上偏差－下偏差孔、轴的公差分别用Ｔh和Ｔs表示：第二节尺寸公差与配合3.公差与极限偏差的比较(1)从数值上看：极限偏差是代数值，正、负或零值是有意义的；而公差是允许尺寸的变动范围，是没有正负号的绝对值，也不能为零（零值意味着加工误差不存在，是不可能的）。实际计算时由于最大极限尺寸大于最小极限尺寸，故可省略绝对值符号。(2)从作用上看：极限偏差用于控制实际偏差，是判断完工零件是否合格的依据，而公差则控制一批零件实际尺寸的差异程度。(3)从工艺上看：对某一具体零件，对于同一尺寸段内的尺寸（尺寸分段后）公差大小反映加工的难易程度，即加工精度的高低，它是制定加工工艺的主要依据，而极限偏差则是调整机床决定切削工具与工件相对位置的依据。下一页返回上一页第二节尺寸公差与配合4.尺寸公差带(1)零线：表示基本尺寸的一条直线，以其为基准确定偏差和公差，零线以上为正，以下为负。(2)尺寸公差带（如图6-2所示）：由代表上、下偏差的两条直线所限定的一个区域。公差带有两个基本参数，即公差带大小与位置。大小由标准公差确定，位置由基本偏差确定。(3)基本偏差：标准表中所列的，用以确定公差带相对于零线位置的上偏差或下偏差。一般为靠近零线的那个极限偏差是基本偏差。(4)标准公差：标准表中列的，用以确定公差带大小的任一公差。下一页返回上一页第二节尺寸公差与配合［例6-1］求的极限尺寸。解：上偏差＝＋0.010mm，下偏差＝－0.025mm公差＝（＋0.010）－（－0.025）＝0.035（mm）（公差恒为正）最大极限尺寸＝Φ85＋0.010＝Φ85.010（mm）最小极限尺寸＝Φ85＋（－0.025）＝Φ84.975（mm）下一页返回上一页第二节尺寸公差与配合三、加工误差工件在加工过程中，由于加工误差的影响，使加工后的零件的几何参数与理想值不相符合，其差别称为加工误差。其中包括以下几项。(1)尺寸误差：实际尺寸与理想尺寸（真值或可代替真值的值）之差。(2)几何形状误差：宏观几何形状误差（形状误差，由加工误差所造成）、微观几何形状误差（表面粗糙度，刀具在工件上留下的波峰和波长）、表面波度误差（加工过程中振动引起的）。下一页返回上一页第二节尺寸公差与配合(3)位置误差：各要素之间实际相对位置与理想位置的差值。(4)加工误差是不可避免的，其误差值在一定范围内变化是允许的，加工后的零件的误差只要不超过零件的公差，零件是合格的。所以，公差是设计给定的，用于限制加工误差的；误差则是加工过程中产生的。下一页返回上一页第二节尺寸公差与配合四、配合及配合制1.配合的概念基本尺寸相同，相互结合的孔、轴公差带之间的关系，称为配合。为清楚表示各术语间关系，可作公差与配合示意图。简化它们的关系，即可作公差带图。2.配合的类别通过公差带图能清楚地看到孔、轴公差带之间的关系。根据其公差带位置不同，可分为三种类型：间隙配合、过盈配合和过渡配合。下一页返回上一页第二节尺寸公差与配合1)间隙配合间隙配合是指具有间隙（包括最小间隙等于零）的配合，此时，孔的公差带在轴的公差带之上。也就是说，相配合的孔的尺寸减去轴的尺寸之差为正值时为间隙配合（如图6-3(a)所示）。2)过盈配合过盈配合是指具有过盈（包括最小过盈等于零）的配合。此时，孔的公差带在轴的公差带之下。也就是说，相配合的孔的尺寸减去轴的尺寸之差为负值时为配合（如图6-3(b)所示）。3)过渡配合介于间隙配合和过盈配合之间，可能具有间隙也可能具有过盈的配合称为过渡配合。此时，孔的公差带与轴的公差带交叠（如图6-3(c)所示）。下一页返回上一页第二节尺寸公差与配合下一页返回上一页3.基准的类别改变孔和轴的公差带位置可以得到很多种配合，为便于现代大生产，简化标准，国家标准中规定了两种配合制：基孔制和基轴制。1)基孔制基本偏差为一定的孔的公差带，与不同基本偏差轴的公差带形成各种配合的一种制度称为基孔制。基孔制中的孔为基准孔，其下偏差为零（如图6-4(a)所示）。配合代号：标准规定，配合代号由相互配合的孔和轴的公差带代号以分数的形式组成，孔的公差带代号作为分子，轴的公差带代号作为分母。例如：，ｈ６（如图6-5所示）。第二节尺寸公差与配合基准孔和基准轴与各种非基准件配合时，得到各种不同性质的配合，如：A~H和a~h与基准件配合，形成间隙配合；J~N和j~n与基准件配合，基本上形成过渡配合P~ZC和p~zc与基准件配合，基本上形成过盈配合。2)基轴制基本偏差为一定的轴的公差带与不同基本偏差孔的公差带形成各种配合的一种制度。基轴制中的轴为基准轴，其上偏差为零，如图6-4(b)所示。下一页返回上一页第二节尺寸公差与配合［例6-2］计算孔１５０＋与轴１５０，孔１５０与轴１５０，孔１５０＋与轴＋０００配合的极限间隙或极限过盈、配合公差并画出公

差带图，说明配合类别。解画出的公差带图如图6-6所示。(1)最大间隙最小间隙配合公差下一页返回上一页第二节尺寸公差与配合下一页返回上一页(2)最大过盈最小过盈配合公差(3)最大间隙最大过盈配合公差第二节尺寸公差与配合五、标准公差系列标准公差是为国家标准极限与配合制中所规定的任意公差。它的数值取决于孔或轴的标准公差登记和基本尺寸。GB/T1800.1—2009将标准公差分为20个等级，它们用符号IT和阿拉伯数字组成的代号表示，分别为IT01、IT0、IT1、IT2、…、IT18表示。其中，IT01等级最高，然后依次降低，IT18最低。而相应的标准公差值依次增大，即IT01公差值最小，IT18公差值最大，（见表6-1）。返回上一页第三节形位公误差与检测基础一、概述零件在加工过程中不仅会产生尺寸误差，还会产生形状和位置误差，简称形位误差。为保证产品的质量和零件的互换性，应对行位误差加以限制，给出一个经济合理的误差许可范围，即形位公差。1.零件的要素任何一个零件都是由点、线、面组成，所以，点、线、面称为要素。形位公差就是研究这些几何要素的形状和位置精度要求的。几何要素可以按不同角度进行分类。(1)按结构特征分：轮廓要素和中心要素。(2)按存在状态分：理想要素和实际要素。(3)按所处地位分：被测要素和基准要素。(4)按功能要求分：单一要素和关联要素。下一页返回第三节形位公误差与检测基础2.形位公差项目及代号共14个形位公差项目（见表6-2）。3.形位公差的含义和特征(1)含义：形位公差是一个以理想要素为边界的平面或空间的区域，公差即为实际要素不要超过该区域。(2)特征：包含公差带区域的形状、大小、方向和位置。4.形位公差的标注方法1)标注内容形位公差标注的内容包括公差框格、指引线、箭头、项目（平行度等）、形位公差数值、基准符号及基准代号（如图6-7所示）。下一页返回上一页第三节形位公误差与检测基础2)书写方式(1)在图纸中可以水平或垂直放置，一般以水平放置为主。(2)框格内容从左到右的顺序：公差项目、公差值、基准代号。(3)公差值的单位mm。(4)项目用代号。(5)指引线要垂直于框格，可弯折，但不超过二次。(6)指引线箭头的位置：箭头和尺寸线对齐—表示中心要素；箭头和尺寸线错开—表示轮廓要素。(7)基准的表示方法：细实线和尺寸线对齐—表示中心要素；细实线和尺寸线错开—表示轮廓要素。(8)可简化的标注：同一要素有多项要求；不同要素有同一要求；结构相同的几个要素有相同要求。下一页返回上一页第三节形位公误差与检测基础二、形状公差与标注形状公差是用来限制单一要素的形状误差的，它包括直线度、平面度、圆度、圆柱度、线轮廓度和面轮廓度6个项目。1.直线度圆柱面素线的直线度公差、圆柱体轴线的直线度公差，如图6-8所示。2.平面度平面的平面度公差，如图6-9所示。3.圆度圆柱面的圆度公差、圆锥面的圆度公差，如图6-10所示。下一页返回上一页第三节形位公误差与检测基础4.圆柱度圆柱体的圆柱度公差，如图6-11所示5.线轮廓度轮廓线的线轮廓度公差，如图6-12所示。6.面轮廓度轮廓面的面轮廓度公差，如图6-13所示。下一页返回上一页第三节形位公误差与检测基础三、位置公差与标注位置公差是用来限制被测要素在方向和位置关系上的误差，它分为定向公差、定位公差和跳动公差3类。1.定向的位置公差定向公差是被测要素对基准在方向上允许的变动量。包括平行度、垂直度和倾斜度3项，它们都有面对面、线对面、面对线和线对线几种情况。典型的定向位置公差的公差带定义、标注和解释见表6-3。下一页返回上一页第三节形位公误差与检测基础平行度、垂直度可以看成是倾斜度的特殊情况。定向公差给出后，同时也限制了被测要素的形状公差，所以，一旦被测要素给出定向公差后，一般不再设定形状公差，若要设形状公差，其值要小于定向公差值。2.定位的位置公差定位公差是被测要素对基准在位置上允许的变动量。包括同轴度、对称度和位置度3项。典型的定位位置公差的公差带定义、标注和解释见表6-4所示。下一页返回上一页第三节形位公误差与检测基础定位公差包含了定向公差和形状公差，故设计时，一般给出定位公差后，不再给出定向公差和形状公差。3.跳动公差跳动公差是针对特定的检测方式而定义的公差项目，它是指被测实际要素绕基准轴线回转一周或连续回转时所允许的最大跳动量。典型的跳动公差的公差带定义、标注和解释见表6-5所示。返回上一页第四节