機械設計名詞之公差原則


 在機械設計中,根據零件的何種功能要求,對零件的重要幾何尺寸,需要同時給定尺寸公差、形位公差等,確定尺寸公差與形位公差之間相互關系的原則成為公差原則。公差原則又分為獨立原則和相關要求(各種原則可以去查看上一篇文章

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其中,相關要求又包含包容要求、最大實體要求、最小實體要求、可逆要求等(也在上一篇文章中介紹)。在機械設計中正確運用公差原則,是對設計者的基本要去,因此我們必須熟悉公差原則的各項基本內容。

 

 

 

上面的例子是一根軸和一個孔的裝配,我們看到孔和軸的MMC都是20.1,根據公差原則,MMC時孔和軸都不允許變形,因此它保證最小間隙為0的裝配關系。

上圖描述了軸滿足尺寸要求的兩種極限狀態。軸的MMC邊界(20.1)沒有被突破,而軸的每個截面的尺寸都滿足LMC的要求。

根據這個解釋,我們應該怎樣去測量這根軸的尺寸呢?簡單地用卡尺來測量每個截面是不完全的,簡單地用環規來作通止規也是不准確的。

首先我們知道MMC的邊界的不允許被突破的,因此我們可以根據MMC的邊界來制作一個孔作為通規,通規的深度必須超過軸的長度,如果軸的整個長度能進入通規,那就說明MMC邊界沒被突破。

其次我們要求每個截面都滿足LMC的要求,因此我們可以根據LMC的尺寸來制作一個止規,但考慮到每個截面都要測量,環規是不能滿足要求的,所以此時的止規只能是兩點或三點的卡規。只有當零件能整個進入通規,並且每個截面都被止規止住,這樣才能說零件是合格的。當然此時的卡規也可以用卡尺測量來代替。孔的解釋與軸相同,這里就不再贅述了。

總之,評判一個尺寸形體是否滿足尺寸要求的依據有兩點:

1. 是否通過以MMC邊界尺寸制作的通規;

2. 是否每個截面都滿足LMC要求。

在LMC時具有完美形狀的要求不是默認的。因此當尺寸形體在LMC時,允許有偏離LMC邊界的形狀誤差,最大的形狀誤差由MMC的完美邊界決定。這個從上面的例子中就可以看到了。只有當形位公差用LMC修正時,才要求尺寸形體在LMC時具有完美形狀。

MMC和LMC對形位公差的影響

1. MMC及LMC的實際意義

如前所述,零件MMC的狀態定義了零件的最小裝配間隙(最小的孔減去最大的軸),同時根據公差原則1,確定了MMC邊界是不允許被突破的,從而保證了最小裝配間隙不會因形狀誤差而變小。

因此我們說MMC的實際意義是確保了零件的裝配。

那么LMC的實際意義是什么呢?我們知道LMC時孔最大,軸最小,這個時候我們考慮的不是孔與軸的裝配,而是確保了在軸上打孔時的一個最小壁厚。

如下圖所示,孔的LMC是10.5,軸的LMC是14.5,它保證了最小壁厚為(14.5-10.5)/2=2。當然這里的前提是不考慮形狀,方向和位置的誤差

 

理解MMC及LMC的實際意義對於幫助我們理解在下面的邊界條件有很大幫助。無論什么時候,當你看到MMC或MMB符號,那么我們就應該從保證最小裝配間隙的角度去理解;當你看到LMC或LMB符號,就應該從保證最小壁厚的角度去考慮。盡管在實際應用中它們可能用於其它目的,但這種理解方法永遠是正確的。

順便提一下RFS – Regardless of Feature Size,翻譯過來就是與形體尺寸無關。以前我們稱這種狀態為公差原則2,即獨立原則,圖紙上圓圈中的S符號Ñ來表示。現在這個原則已經是一個默認的公理了,因此圖上不再有任何符號。當我們在形位公差后沒有看到MMC或LMC符號時,它就是RFS。

它表示形體的形位公差與形體的尺寸沒有關系,應該分別滿足。換句話說就是,無論被測形體的實際尺寸是多少,要求的形位公差值永遠是由形位公差框格定義的公差值。

當RFS時,由於它的形位公差是固定的,不會隨着尺寸的變化而變化,也就是說,無論孔和軸的實際尺寸是多少,但它們中心的位置要求都是不變的,因此它實際上是保證了孔的中心對軸的中心的距離。

2. MMC對形位公差的影響

當形位公差用MMC修正時,它表達了兩個意思:

a. 給定的形位公差值是指被測形體的非關聯實際包容體(UAME)在MMC時允許的形位公差。

b. 當被測形體的UAME偏離MMC時,可對形位公差補償額外的公差。補償量就等於UAME與MMC的差值(即偏離量)。

不要問為什么,這與公差原則1一樣是一個定理。但我們還是可以從裝配的角度來理解它。前面提到MMC是考慮滿足裝配的最低要求,孔越小,軸越大,就越難裝配。

下例中,孔在MMC(φ30.1)時允許有φ0.1的位置度公差,這樣它們共同定義了一個φ30邊界,這個邊界是允許軸通過的一個最小邊界。那么當孔的實際尺寸比MMC大時,是否就可以允許孔的位置更偏一點?我們講只要這個φ30邊界不被突破,裝配條件就能被滿足。因此說孔越大,它的位置就允許偏得越多,也就說它允許的位置度公差就越大。

 

同樣的道理,軸的實際尺寸越小,它所允許的位置度公差就越大。因此它們的位置公差就得到了補償,而這個補償量就是實際尺寸(UAME)偏離MMC的偏離量,這樣就能保證由實際尺寸和在這個尺寸下的位置度公差定義的邊界是一致,也就保證了它的可裝配性。下圖顯示了孔和軸在各種實際尺寸時允許的位置度公差。

 

 

 

我們可以看到,對孔來說,實際尺寸減去位置度公差定義的一個最差裝配邊界在不同的實際尺寸時都是φ30,是一致的。同樣,對軸來說,實際尺寸加上位置度公差定義的一個最差裝配邊界在不同的實際尺寸時也都是φ30,也是一致的。

3. LMC對形位公差的影響

當形位公差用LMC修正時,它也表達了兩個意思:

a. 給定的形位公差值是指被測形體的非關聯實際最小材料包容體(Unrelated

Actual Minimal Material Envelope - UAMME)在LMC時允許的形位公差。

b. 當被測形體的UAMME偏離LMC時,可對定位公差補償額外的公差。補償量等於UAMME與LMC的差值(即偏離量)。

同樣它也是一個定理。前面我們講過,LMC是用保證一個最小的壁厚,孔越大,軸越小,壁厚就越小。

 

下例中,孔在LMC(φ20)時允許有φ0.25的位置度公差,這樣它們共同定義了一個φ20.25的最大邊界,這個邊界是設計要求滿足最小壁厚的一個最差邊界。那么當孔的實際尺寸比LMC小時,是否就允許孔的位置更偏一點?我們講只要這個φ20.25的最大邊界不被突破,最小壁厚要求就能被滿足。所以說孔的實際尺寸越小,它的位置就允許偏得越多,也就說它允許的位置度公差就越大。

同樣的道理,軸的實際尺寸越大,它所允許的位置度公差就越大。因此它們的位置公差就得到了補償,而這個補償量就是實際尺寸偏離LMC的偏離量,這樣就能保證由實際尺寸和在這個尺寸下的位置度公差定義的邊界是一致,也就保證了它的最小壁厚要求。

 

 

我們可以看到,對孔來說,實際尺寸加上位置度公差定義的一個形成最小壁厚的最差邊界在不同的實際尺寸時都是一致的(20.25)。同樣,對軸來說,實際尺寸減去位置度公差定義的一個形成最小壁厚的最差邊界在不同的實際尺寸時也都是一致的(28.5)。這樣就保證了設計最小壁厚為(28.5-20.25)/2=3.125。


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