第五节 尺寸精度设计
尺寸精度的设计就是根据产品要求和生产的经济性选择合适的公差配合。公差与配合的选用主要包括三方面内容，即基准制的选择、公差等级的选择和配合种类的选择。正确、合理地选用极限与配合是机械设计与机械制造中的一项重要工作，它对保证产品的使用性能、提高产品质量以及降低成本、增加经济效益将产生直接影响。
一、基准制的选择
同名配合，例如ϕ50H7/g6和ϕ50G7/h6、ϕ40H8/r7和ϕ40R8/h7等，虽然两种配合的基准制不同，但配合性质基本相同。因此从满足配合性质来讲，选择基孔制和基轴制完全等效，但是从工艺、经济、结构而言，应根据具体情况选择合理的基准制。基准制选择的基本原则如下。
1.优先选用基孔制
国家标准规定，一般情况下优先选用基孔制。因为加工中等精度的相同尺寸、相同公差等级的孔要比加工轴复杂或难加工，并且成本高，采用基孔制可以减少孔加工刀具与量具的数量，所以从工艺和经济上考虑优先选用基孔制比较合理。
2.特殊情况下可选用基轴制
在有些情况下，由于结构和原材料等原因，选用基轴制更适宜。例如：
①当用冷拉钢棒材加工零件时可以选用基轴制。由于冷拉钢型材的尺寸、形状相当准确，一般可达到IT7～IT9。当不经切削加工即能满足使用要求时，选用基轴制就会降低加工成本，增加经济效益。
②在同一公称尺寸轴上装有几个不同配合性质的孔时，考虑其结构、工艺等宜选用基轴制。如图2-21（a）所示是柴油机的活塞连杆部分装配图。工作时要求连杆绕活塞销转动，因此连杆衬套与活塞销配合应为间隙配合。活塞销与活塞销座孔的配合，要求准确定位并便于装配，故应采用过渡配合。如选用基孔制，活塞销应设计成如图2-21（b）所示中间细两端粗的台阶轴，此结构不仅给加工造成困难，而且装配时容易刮伤连杆衬套内表面。若采用基轴制，活塞销可设计成如图2-21（c）所示的光轴，这样既能使加工变得容易，又便于保证装配精度，故选用基轴制（从加工工艺及装配工艺而言）比选用基孔制要好。
图2-21 基轴制选择示例
3.根据标准件选用基准制
与标准件相配合的轴或孔一定要按照标准件来选择基准制。因为标准件通常是由专业工厂大批量生产，在制造时其配合部位的尺寸已确定。例如，滚动轴承作为标准件，与其内圈相配合的轴颈应以轴承内圈为基准，故选用基孔制。而与滚动轴承外圈相配合的壳体孔应以轴承外圈为基准，故选用基轴制。由于轴承内外径公差都符合国家标准，轴承配合处不用标注配合代号，如图2-22中ϕ52j6和ϕ52J7所示。
4.配合精度要求不高时可选用非基准制
图2-22右端轴承盖外径与壳体孔的配合应保证滚动轴承的轴向定位要求和便于装卸，而对径向精度要求不高。由于壳体孔已确定为J7，在满足上述要求的情况下，此处配合应选用精度较低的非基准制间隙配合，即选ϕ52J7/f9配合有利于降低成本，此时其公差带图如图2-23所示。
图2-22 根据标准件选用基准制
图2-23 非基准制选择示例
二、公差等级的选择
合理地选择公差等级，不是一件容易的事情。如精度选高了，会导致加工困难、成本加大。精度太低，产品或零件的使用性能会降低，保证不了产品的质量。因此，选择公差等级的一般原则是在满足使用要求的前提下尽量选择低精度的公差等级，这样既可以降低成本又能保证产品的加工质量。
目前选择公差等级常用的方法是类比法，即参考实践中总结出来的经验资料与所设计零件的使用要求及特点等进行比较，然后确定公差等级。
选择公差等级时应注意以下几点。
①工艺等价性。工艺等价性是指加工孔和轴的难易程度应基本相同。
对于不大于500mm的尺寸，当公差等级小于或等于IT8时，由于加工同一精度、同一基本尺寸的孔比轴难，所以配合时根据工艺等价性原则，可选用孔的精度等级比轴低一级，例如H7/g6等；当公差等级等于IT8级时，也可选为同级，如H8/g8等；当公差等级大于IT9级时，一般选用同级，如H9/c9等。
②根据配合性质选择公差等级。对于过渡配合、过盈配合，公差等级不宜太大（一般孔应小于或等于IT8，轴应小于或等于IT7）。对于间隙配合，间隙小的配合公差等级应较小，间隙大的配合公差等级可较大。
③根据相配合的零件或标准件选择公差等级。相配合的零部件的精度要匹配。例如，轴径、壳体孔与滚动轴承配合时，公差等级应取决于滚动轴承的公差等级。轴与齿轮孔配合时，公差等级取决于齿轮的公差等级。
④选择公差等级时，应了解各种加工方法可达到的公差等级（表2-10）和公差等级的应用范围（表2-11）。
表2-10 各种加工方法可达到的公差等级
表2-11 公差等级的应用
⑤非基准制配合，孔与轴公差等级可相差2～3级。
⑥常用配合尺寸公差等级的应用详见表2-12。
表2-12 常用配合尺寸5～12级的应用
⑦对尺寸大于500mm的公称尺寸，一般采用同级的孔、轴配合。
⑧对尺寸小于等于3mm的公称尺寸，此时孔、轴的加工工艺性多样化，孔、轴的公差等级的选择也多样化。在遵循工艺等价原则时，有时出现孔的允许公差小于轴的允许公差。即孔的加工精度高于轴的加工精度1级或2级，如钟表业中的某些孔轴配合。
总之，选择公差等级时在遵守一般原则的前提下，应结合具体情况，灵活地选择，也可以用计算的方法来确定。例如，根据配合公差来确定孔和轴的公差，即
Tf=Th+Ts
查表2-2确定Th、Ts。
【例2-14】 设孔与相配合的轴的公称尺寸D（d）=ϕ48mm，Smax=+50μm，Smin=+9μm。试用查表法及计算法确定孔、轴的公差等级。
解：根据公式
Tf=Xmax-Xmin=+50-（+9）=41（μm）
Tf=Th+Ts
Th+Ts=41μm
根据工艺等价性原则：当IT≤8时相配合的孔的公差等级与轴的公差等级相差一级且孔比轴的精度低一级。
查表2-2中30～50段落，IT6+IT7=41μm
故选孔的公差等级为IT7=25μm，轴的公差等级为IT6=16μm。
三、配合的选择
当基准制、公差等级确定后，配合的选择就是确定非基准件的公差带代号。选择配合的步骤如下。
1.选择配合类别
根据孔、轴装配后的使用要求选择配合类别。当装配后要求孔与轴有相对运动时，应选择间隙配合；无相对运动并靠过盈传递载荷时，应选择过盈配合；装配后要求定位精度高并需要拆卸时，应选用过渡配合或过盈量较小的过盈配合或间隙量较小的间隙配合。配合的选择方法有三种，即试验法、计算法和类比法。
（1）试验法 通过模拟试验和分析选择最佳配合。此方法最为可靠，但成本较高，一般用得比较少。
（2）计算法 根据零件的材料、结构、功能的要求以及所需要的极限间隙或极限过盈，按照一定的理论公式通过计算结果选择或确定配合种类。此方法相对比较科学，较为常用。
（3）类比法 参照同类型机器或机构经实践验证合理的配合，结合实际确定配合的方法。该方法应用最广泛。用类比法选择配合时可参考表2-13。
表2-13 尺寸至500mm基孔制常用和优先配合的特征及应用
注 ：1.括号内的配合为优先配合。
2.国家标准规定的44种基轴制配合的应用与本表中的同名配合相同。
选择配合时应尽量按照优先、常用、一般顺序去选择，如按此顺序不能满足要求时，才可以选用孔、轴公差带组成的相应配合。
2.各类配合的特性及应用
各类配合的特性及应用可根据基本偏差来反映。选择时可参考表2-14和表2-15。
表2-14 基孔制轴的基本偏差的特性及其应用
【例2-15】 某配合的公称尺寸为ϕ18mm，要求间隙在+0.006～+0.035mm，试确定孔和轴的公差等级和配合种类。
解：①确定基准制。因为没有特殊要求，所以选基孔制配合（孔的基本偏差代号为H，EI=0）。
②确定公差等级。
根据公式
Tf=Xmax-Xmin=+35-（+6）=29（μm）
Tf=Th+Ts=29μm
表2-15 优先配合、常用配合的特征及选用
根据“工艺等价性”原则：当IT≤8时相互配合的孔的公差等级可以比轴的公差等级低一级。
查表2-2的10～18段落得
IT6+IT7=29μm
故选孔的公差等级为IT7=18μm，轴的公差等级为IT6=11μm。
③确定配合种类。因为是基孔制配合，所以孔的公差代号为
又因为是间隙配合。
根据公式Xmin=EI-es
es=EI-Xmin=0-（+6）=-6（μm）（轴的基本偏差应等于或接近-6）
查表2-4的14～18段落，es=-6的基本偏差代号为g，轴的公差代号为g6
。
故配合代号为
。
【例2-16】 设有一公称尺寸为ϕ110mm的孔与轴组成配合，为保证连接可靠其过盈不得小于40μm，为保证装配不发生塑性变形其过盈又不得大于110μm，若采用基轴制配合，试确定孔、轴公差等级和配合代号。
解：①确定基准制。根据已知条件，选基轴制配合，即es=0。
②确定公差等级。
根据公式
Tf=Ymin-Ymax=-40-（-110）=70（μm）
Tf=Th+Ts=70μm
根据“工艺等价”性原则，孔的精度应比轴低一级。
查表2-2的80～120段落得，IT6+IT7=57μm<70μm（并最接近70μm）
选择孔为IT7=35μm，轴为IT6=22μm。
③确定配合种类。因为是基轴制配合，所以轴的公差代号应为
，又因为是过盈配合，根据公式Ymin=ES-ei有
ES=Ymin+ei=-40+（-22）=-62 （μm）
查表2-5得，ES=-66μm（最接近-62μm）的基本偏差代号为S，孔的公差代号为S7。孔的另一极限偏差EI=ES-Ts=-66-35=-101（μm）
故选配合代号为
。
④验算。
Y'max=EI-es=-101-0=-101 （μm）<δmax
Y'min=ES-ei=-66-（-22）=-44 （μm）>δmin
因为过盈量在40～110μm之间，故符合题意。