第五章典型零部件的互换性
互换性的含义
1.互换性的含义：统一规格的一批零部件，任取其一，不需任何挑选和修理就能装在机器上，并能满足其使用功能要求的性能。
零部件所具有的不经任何挑选和修配便能在同规格范围内互相替换的特性就是互换性。
2.几何参数包括：尺寸大小、几何形状以及相互间的位置关系。
3.互换性可分为：完全互换和不完全互换。
4.互换性在机械制造业中的作用：在设计方面，零部件具有互换性，就可以最大限度地采用标准件、通用件和标准部件，大大简化了绘图和计算工作，缩短设计周期，有利于计算机辅助设计和产品品种的多样化。
在制造方面，有利于组织专业化生产，采用先进工艺和高效率的专门设备，用计算机辅助制造，实现加工过程和装配过程机械化、自动化，从而可以提高劳动生产率和产品质量，降低生产成本。
在使用和维修方面，具有互换性的零部件在磨损及损坏后可以及时的更换，因而可以减少机器的维修时间和费用，保证机器连续的运转，提高机器的使用价值。
5.优先数的主要优点：相邻两项的相对差均云，疏密适中，而且运算方便，简单易记。
在同一序列中，优先数的积、商、整数的乘方等仍是优先数。
6.公差和偏差的比较：1）偏差可以为正值、负值或零，而公差则一定是正值。
2）极限偏差用于限制实际偏差，而公差用于限制误差。
3）对于单个零件，只能测出尺寸“实际偏差”，而对数量足够多的一批零件，才能确定尺寸误差。
4）偏差取决于加工机床的调整，不反映加工难易，而公差表示制造精度，反映加工难以程度。
5）极限偏差主要反映公差带位置，影响配合松紧程度，而公差反映公差带大小，影响配合精度。
7.极限尺寸判断原则：1）孔或轴的作用尺寸不允许超过最大实体尺寸。
2）在任何位置上的实际尺寸不允许超过最小实体尺寸。
对于孔，其实际尺寸不应大于最大极限尺寸；对于轴，则应不小于最小极限尺寸。
（最大实体尺寸主要是用以限制作用尺寸的，而最小实体尺寸则主要是用以限制实际尺寸的；即作用尺寸和实际尺寸均应限制在最大、最小实体尺寸以内）8.何谓最大、最小实体尺寸？它和极限尺寸有何关系？答、对应孔或轴具有允许的材料量为最多状态下的极限尺寸；或最少状态下的极限尺寸。
互换性
比较粗糙的表面，易使腐蚀性气体或液体通过微观峰谷渗入金属内层造成表面锈蚀。同时，微观凹谷处容易藏污纳垢，容易产生化学腐蚀和电化学腐蚀。
（5）影响零件的密封性:
静力密封时，粗糙的零件表面之间无法严密地贴合，容易使气体或液体通过接触面间的微小缝隙发生渗漏。
（6）影响机器或仪器的工作精度。
选择形位公差项目
1.考虑几何特征
零件要素的几何特征是选择形位公差项目的主要依据。
2.减少检测项目
在十四个形位公差项目中，圆度、直线度、平面度等是属于单项控制的公差项目，圆柱度、位置度等是属于综合控制的公差项目。
3．避免重复标注
4.考虑检测方便
5.参考专业标准
圆形或圆柱形：φ球形：Sφ
E、I、J、M、P、L、R、T等字母不用，不至于引起误解
（5）某些重要场合线轮廓度、面轮廓度
体外作用尺寸（Dfe，dfe）
Dfe=Da-t
Dfe=da-tt为形位公差值
形状公差、位置公差和尺寸公差的关系。一般情况下，形状公差、位置公差和尺寸公差的关系应满足
最大实体要求（MMR）：最大实体要求适用于中心要素，是控制被测要素的实际轮廓处于最大实体实效边界之内的一种公差要求。
按互换性要求进行生产既能提高劳动生产率，又可保证产品质量和降低成本。所以说，互换性原则是机械制造业中一项重要的生产原则。
按照互换程度的不同，互换性可以分为完全互换和不完全互换两种。
区别
完全互换指零部件在装配时不需要选择、修配和任何辅助加工，就可以达到预定的装配精度要求。标准件、大批量。
不完全互换又称为有限互换，它是指在装配前需要将零部件预先分组或在装配时需要进行少量修配调整才能达到装配精度的要求。精度高、单件小批量。
《汽车机械基础》课件——第五章 极限、配合与技术测量
最大过盈 Ymax=Dmin －dmax = EI-es 最小过盈 Ymin=Dmax－dmin = ES-ei 平均过盈为最大过盈与最小过盈的平均值。
平均过盈
Yav=
Ymax+Ymin
第二节 极限与配合的基本概念
一、 孔和轴 孔 孔是指工件的圆柱形内表面，也包括非圆柱形内表面（由二平行平面或切面形成的包容面）。孔的直径尺寸用D表示。 轴 轴是指工件的圆柱形外表面，也包括非圆柱形外表面（由二平行平面或切面形成的被包容面）。轴的直径尺寸用d表示。 从装配关系讲，孔是包容面，轴是被包容面。从加工过程看，随着余量的切除，孔的尺寸由小变大，轴的尺寸由大变小。如图5-1所示。
图5-8 基本偏差系列图
基轴制配合中的轴为基准轴，是配合的基准件。标准规定，基准轴的基本偏差为上偏差es，数值为零，即es=0，下偏差为负值，其公差带偏置在零线下侧。基准轴的代号为h。
（二） 标准公差 1.标准公差因子（公差单位） 标准公差因子是用以确定标准公差的基本单位，该因子是基本尺寸的函数，是制定标准公差数值的基础。
（四）公差与配合在图样上的标注
图5-9 图样中尺寸公差带的标注
2.图样中尺寸公差带的标注形式，如图5-9所示。
六、表面粗糙度 1．表面粗糙度的概念 国家标准规定，表面粗糙度就是指加工表面上具有的较小间距和峰谷所组成的微观几何形状特性，即表面微观的不平度。 2．表面粗糙度符号、代号及注法 （1）表面粗糙度符号 表面粗糙度的符号及说明见表5-1。
图5-1
二、 有关尺寸的术语定义 1. 尺寸 是指用特定单位表示线性尺寸值的数值。 长度值包括：直径、半径、宽度、深度、高度和中心距等。单位:毫米（mm） 2.基本尺寸（D,d） 基本尺寸是由设计给定的，孔用D表示，轴用d表示。 3.实际尺寸(Da,da) 实际尺寸是通过测量所得的尺寸。孔的实际尺寸以Da表示，轴的实际尺寸以da表示。 4.极限尺寸 允许尺寸变化的两个界限值称为极限尺寸，如图5-2所示。
互换性典型零部件的互换性
修复与调整
改进加工工艺
对超差零部件进行修复或调整，如研磨、 车削等，使其尺寸符合要求。
分析超差原因，优化加工工艺，提高加工精 度和稳定性。
形状和位置误差纠正方法
形状误差纠正
采用适当的加工方法纠正形状误差，如仿形 加工、数控加工等。
热处理变形控制
合理安排热处理工艺，控制变形量，保证零 部件形状和位置精度。
度误差进行测量。
位置度检测
通过测量零件上各要素的 实际位置与理想位置的偏 差来确定位置度误差。
表面粗糙度测量方法及仪器
比较法
使用粗糙度比较样块与零件表 面进行比较，评定表面粗糙度
等级。
光切法
利用光切显微镜对零件表面微 观不平度进行测量和评定。
干涉法
采用干涉显微镜观察零件表面 干涉条纹的形状和分布，评定 表面粗糙度。
控制零部件表面的宏观几何形状误差，如圆度、平面度等。
位置公差
控制零部件之间或零部件与基准之间的相对位置误差，如平行度、 垂直度等。
检测方法
采用合适的测量设备和方法，对形状和位置公差进行检测和控制。
表面粗糙度要求
表面粗糙度对互换性的影响
表面粗糙度会影响零部件的配合性质、耐磨性、抗腐蚀性 等。
表面粗糙度的评定参数
通过调整轴承预紧力，可以实现主轴刚度和回转 精度的优化，满足不同加工需求。
快速更换系统
采用快速更换系统，可在短时间内完成主轴轴承 的更换，减少停机时间和维护成本。
航空航天领域齿轮传动系统互换性应用
齿轮标准化
航空航天领域齿轮传动系统采用标准化设计，使得不同厂商、型 号的齿轮在一定条件下可互换。
高强度材料应用
光学仪器测量
使用显微镜、投影仪等光学仪 器对零件尺寸进行高精度测量
互换性(第2版) PPT 第5章
周文玲 互换性与测量技术（第2版） 配套课件
（3）基准线 ①轮廓最小二乘中线(m)
第5章 表面结构及其检测
指评定表面粗糙度参数值的一条参考线。基准线有两种。
指在取样长度内，使轮廓线上各点的轮廓偏距yi（在测量方向上，轮廓上 各点至基准线的距离）平方和为最小的线，即为最小。 图中所示O1O1、O2O2线为最小二乘中线。 ②轮廓算术平均中线 在取样长度内，与轮廓走向一致并划分实际轮廓为上、下两部分，且使 上部分面积之和与下部分面积之和相等的基准线。 用公式表示即： n n
0.032，0.040，0.063，0.080，0.125，0.160，0.25，0.32，0.50， 补充系列 0.63，1.00，1.25，2.0，2.5，4.0，5.0，8.0，10，16，20，32， 40，63，80，125，160，250，320，500，630，1000，1250
5.3.2 评定参数的选用
第5章 表面结构及其检测
5.4 表面结构的检测
表面粗糙度的检测方法有：比较法、光切法、针描法和干涉法。
5.4.1 表面粗糙度的检测原则
5.4.2 几种常用的检测方法
谢 谢！
互换性与测量技术
周文玲 互换性与测量技术（第2版） 配套课件
第5章 表面结构及其检测
5.1.2 表面结构对机械产品性能的影响
表面粗糙度指加工表面上具有较小间距和峰谷所组成的微观几何 形状特性，它是由加工方法本身或其它因素形成的。
表面粗糙度是衡量产品质量的一项重要指标，对产品的使用性能 影响较大。
当机械零部件加工表面不能达到表面粗糙度的精度要求时，主要会 产生下列影响： 摩擦表面容易产生磨损； 影响零件的配合性质 ； 影响零件的疲劳强度和接触刚度 ； 影响零件的耐腐蚀性、密封性及外观。
互换性
方向:应与正确 评定被测要素误 差的方向一致。
位置:有浮动和固 定之分。一般地， 形状公差带是浮动的， 位置公差带是固定的。
33
4.3 公差原则与公差要求
单 击 链 接 学 习 相 关 内 容
有关术语和定义
独立原则 包容要求
最大实体要求
最小实体要求
34
包容要求
遵守包容要求零件的合格性判断应符合： ① 实际被测要素的体外作用尺寸不得超越最大 实体尺寸。 即： 对于孔 Dfe≥ Dmin 对于轴 dfe ≤ dmax ② 实际被测要素的局部实际尺寸不得超越最小 实体尺寸。 即： 对于孔 Da ≤ Dmax 对于轴 da ≥ dmin
公 差 解 释
35
最大实体要求
① 体外作用尺寸不得超越最大实体实效尺寸。 即： 对于孔 Dfe ≥ Dmin – T 对于轴 dfe ≤ dmax + T
公 差 解 释
② 相应实际轮廓要素的局部实际尺寸不得 超越最大实体尺寸和最小实体尺寸。 即： 对于孔 Dmin ≤ Da ≤ Dmax 对于轴 dmin ≤ da ≤ dmax
通规
T/2
TT Tp Tp
28
量规类型
通端 孔用工作量规 止端 通端 轴用工作量规 止端 TT
上偏差
EI+Z+T/2 ES es-Z+T/2 ei+T es-Z-T/2+Tp es ei+ Tp
下偏差
EI+Z-T/2 ES-T es-Z-T/2 ei es-Z-T/2 es- Tp ei
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轴用工作量规 的校对量规
量 规 分 类
验收量规 检验部门或用户代表验收用的、磨损较多 但未超出磨损极限的量规。
互换性
1.互换性的特点：互换性表现在对产品的零部件在生产，使用，维修三个阶段不同要求。
装配前不需要选择，装配中不需要调整和修配，装配后能满足原设计要求。
例举：电灯泡，手表，汽车上零件。
2.互换性的作用：1）在设计方面，最大限度地采用具有互换性的标准化零部件，可大大简化绘图和计算工作，缩短设计周期，同时便于实现计算机辅助设计。
2）在制造和装配方面，零件具有互换性，可以采用分散加工，集中装配，有利于厂际合作，也有利于组织专业化生产，采用先进工艺和高效率的专用设备，提高生产效率。
3）在使用和维修方面，可以减少机器的维修时间和费用，保证机器能连续持久的运转，提高了机器的使用寿命。
3.互换性的分类：1）按互换参数的范围，可分为几何参数互换性和功能互换性；2）按方法及程度分，可分为完全互换性和不完全互换性（概率互换，修配互换，分组互换）；3）按部位或范围分，可分为内互换与外互换。
4.判断一批零件是否具有互换性，必须满足2个条件：1）满足不需要挑选，不经修配或调整便可进行装配；2）满足装配后能达到预定使用要求。
5.互换性对产品设计，制造，使用和维修等各个方面都带来极大的方便，所以它不仅适用于大批量生产，也适用于单件小批量生产。
6.表面粗糙度对零件机械性能的影响：1）对配合性质的影响；2）对耐磨性的影响；3）对疲劳强的影响；4）对接触刚度的影响；5）对腐蚀性的影响；6）对冲击强度的影响；7）对其他性能的影响。
对于5）：粗糙的表面，易使腐蚀性物质存积在表面的微观峰谷处，并渗入到金属内部，致使腐蚀加剧。
因此，提高零件表面粗糙度的质量，可以增强其抗腐蚀的能力。
对于6）：对于钢制零件，其冲击强度值因表面粗糙度要求的降低而减小，当配合件在低温状态工作时，这种影响更为明显。
7.基本尺寸的特点：1）设计者根据零件的强度，刚度，结构工艺性确定尺寸；2）设计出尺寸虽然精确，但不标准，还需向标准靠拢，使设计出尺寸符合国家标准；3）零件加工到它基本尺寸不一定是合格尺寸。
互换性的概念
互换性的概念概念：同一规格的一批零部件，任取其一，不经任何挑选和修配就能装在机器上，并能满足其使用功能要求的特性叫做互换性。
分类：互换性按其互换程度分为完全互换和不完全互换。
定义：完全互换—装配时不需挑选和修配。
不完全互换—装配时允许挑选、调整和修配。
应用：零部件厂际协作应采用完全互换，部件或构件在同一厂制造和装配时，可采用不完全互换。
完全互换性是指一批规格相同的零部件在加工好以后，不需要作任何挑选、调整或修配，在几何参数上具有互相替换的性能。
概率互换（大数互换性）属于完全互换性，这种互换性是以一定置信水平为依据，例如置信水平为95%、99%等，使加工好的规格相同的大多数零部件不需任何挑选、调整、修配等辅助处理，在几何参数上就具有彼此互相替换的性能。
完全互换性应用于中等精度、批量生产。
不完全互换性应用于高精度或超高精度、小批量或单件生产。
不完全互换性是指规格相同的零部件加工完以后，在装配（或更换）前需要挑选、调整或修配等辅助处理，在几何参数上才具有互相替换的性能。
当装配精度要求较高时，采用完全互换将使零件制造精度要求很高，难于加工，成本增高。
这时，可以根据生产批量、精度要求、结构特点等具体条件，或者采用分组互换法，或者采用调整互换法，或者采用修配互换法，这样做既可保证装配精度和使用要求，又能适当地放宽加工公差，减小零件加工难度，降低成本。
互换性的意义设计方面：可以最大限度地采用标准件、通用件和标准部件，大大简化了绘图和计算工作，缩短了设计周期，并有利于计算机辅助设计和产品的多样化。
制造方面：有利于组织专业化生产，便于采用先进工艺和高效率的专用设备，有利于计算机辅助制造，及实现加工过程和装配过程机械化、自动化。
使用维修方面：减少了机器的使用和维修的时间和费用，提高了机器的使用价值。
标准和标准化的引入要使具有互换性的产品几何参数完全一致，是不可能，也是不必要的。
在此情况下，要使同种产品具有互换性，只能使其几何参数、功能参数充分近似。
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依据：外形尺寸公差和旋转精度
外形尺寸公差：
成套轴承的内径d、外径D和宽度尺寸B的公差
0级和6级向
旋转精度：
心球轴承：
成套轴承内（外）圈的径向跳动Kia（Kea）、 内圈基准端面对内孔的跳动Sd、 成套轴承内（外）圈基准端面对滚道的跳动Sia 外圈外表面素线对基准端面的倾斜度SD
二、滚动轴承内外圈的公差带
尺寸
本 尺
内圈宽度 B
寸 外圈宽度 C
装配高度 T
一、滚动轴承精度等级
滚动轴承的公差等级是由轴承尺寸公差和旋 转精度决定的。
GB/T 307.3-96 向心球轴承——0、6、5、4、2 （G、E、
D、C、B-77）。 最低 精度 最高
圆锥滚子轴承-0、6x、5、4；
推力轴承分为0、6、5、4。
滚动轴承精度等级划分
（2） 负荷大小
-选择轴承套圈与结合件之间最小过盈量的依据
负荷大小表示： P C
P0.07C
当量径向动负荷 径向额定动负荷
轻负荷
0 .0 7 C P 0 .1 5 C正常负荷
P0.15C
重负荷
过盈量近似计算公式：
k-与轴承有关系数
Ymin 1130P6bk(mm)
b－配合宽度
[ p ]-许用拉应力
特点 可拆连接 轴和齿轮、皮带轮的连接
作用 传递扭矩和运动或者导向
主要类型：平键、半圆键、楔键
配合尺寸：键槽宽b-通过键与键槽侧面传递扭矩 配合制：键同时与键槽和轮毂槽连接
基轴制 配合种类：保证接触良好又便于拆装
小的过盈或间隙
平键结合的公差与配合
适用范围 键槽
毂槽
键
较松
导向键
H9
D10
一般
一般机械
35
31
A
φ 48--00..3428
φ50++00..000128 φ55--00..100340 φ65--00..117040 φ74 φ58-00.046
安装条件 拆卸方便：较松配合 拆卸方便＋要求紧配合：分离式轴承
配合表面的其它技术要求
限制与套圈端面接触的轴肩与外壳孔肩的倾 斜误差：圆柱度、端面圆跳动
保证轴承工作时的安装精度和旋转精度 轴颈和外壳孔的表面粗糙度
与轴颈和座孔的配合选择 类比法 计算法
第二节 键与花键连接的配合
一、平键结合配合的选择
6、5级 —— 普通机床主轴的后轴承、精密
机床变速箱等转速和旋转精度要求较高的旋转机 构。
4、2级 —— 精密机床的主轴承、精密仪器
仪表中，转速和旋转精度要求高的旋转机构。
四、滚动轴承配合选择
原则：保证机器高质量运转、延长轴承寿命
主要考虑因素
负荷类型 负荷大小 工作温度 旋转精度和旋转速度 轴颈和座孔的结构与材料 安装条件 配合表面的其它要求
Ym ax (121k.4k2d)[1p0]3(mm)
工作温度-热膨胀的影响
旋转精度和旋转速度
——高精度要求，配合要紧 ——具体问题具体分析：
负荷大、旋转精度高：消除弹性变形和振动， 勿用间隙配合
负荷小、旋转精度高：避免座孔和轴颈形状误 差影响，间隙配合
轴颈和座孔的结构与材料 剖分式结构-避免外圈产生椭圆变形——较松配合 薄壁座孔、轻合金座孔、薄壁空心轴颈 保证轴承有足够的制成刚度和强度——较紧配合
基孔制、间隙配合 小径精度>槽宽>大径 3种配合：滑动、紧滑动、固定
矩形花键的形位公差
限定矩形花键的形位公差： 键长与小径和键宽相比较大，形位误差 对连接质量影响较大 规定位置度公差——保证分度精度
遵从包容要求 单件小批生产——规定对称度
矩形花键的形位公差标注
位置度包容要求
对称度
矩花键的标注图样
配合：
外圈外径与座孔采用基轴制配合
内圈内径与轴径采用基孔制配合，保证一定的过 盈
限制过 盈量，防止 为薄壁的内 圈不因为过 大的应力而 变形和破坏
特殊的基孔 制——上偏差为0
滚动轴承配合制
轴承内圈公差带
轴承外圈公差带
滚动轴承与实心轴配合过盈量的选择：
过盈量与轴承载荷的大小、工作温度及加工精
轴承游隙为0组。与一般基轴制相同
第六章 典型零部件结合的互换性
主要内容：
滚动轴承、键与花键、 螺纹、圆锥（导轨）
重点
掌握标准件本身的精度特点 与其它零件间的配合选用
重点掌握
配合选用
第一节 滚动轴承精度的结合设计
滚动轴承特点：
标准化部件； 摩擦系数小、润滑简单、易于更换
应用 广泛
滚动轴承的结构与基本尺寸：
外径 D 配合
基 内径 d
（1）负荷类型
定向负荷 旋转负荷 摆动负荷
定向负荷：过渡或具有极小间隙的间隙配合
套圈在振动或冲击力下被摩擦力矩带动，偶 尔能稍稍转动，改变套圈的受力点，以延长轴承 的使用寿命
旋转负荷：选用小过盈或易产生过盈的过渡配合
避免轴承套圈在配合表面上打滑引起发热、 磨损
摆动负荷：与旋转负荷的情况相同或稍松些
轻系列：键高较小
矩形花键参数
主要参数：大径D、小径d、键槽宽B 有三个接合面
矩形花键定心方式
定心表面：确定配合性质的结合面 标准规定：小径定心（大径定心） ——以小径的结合面为定心表面
特点： 便于花键轴加工 小径有较高的精
度要求
矩形花键连接的公差与配合
两类结合： 一般——传递扭矩较大的汽车、拖拉机 精密——机床变速箱
键数N、小径d、大径D、键宽B
φ1 3 0 - 00 .0 2 2 φ120
6.3 6.3 6.3
φ4 8 + 00 . 1
0.025 B
3.2 2.5×45°
0.025 A
28
两端面
8+00.09
0.015 B
φ42+00.025
B
3.2
A
AA 8--00..001439
150 100
52
36
配合（类比法）：
轴承 0、6级
5级
轴颈
座孔
IT6（5） IT7（6）
IT6 （IT5）
4级 IT5（4） IT6（5）
三、滚动轴承精度等级选择
普通级、高级、精密级、超精密、最精密
0级 —— 普通机床的变速箱、汽车和拖拉机
的变速箱、普通电动机、水泵、压缩机等一般旋 转机构中低速及旋转精度要求不高的轴承。应用 最广。
N9
JS9
h9
较紧
载荷大冲击、 双向扭矩
P9
平键的标注图样
二、花键结合精度设计
特点 多键整体结合：多个均布键的轴 （花键轴）与多个均布键槽（花键孔）
优点 传递大扭矩、定心精度高、导向性好、可靠
用途：机床、拖拉机、汽车 种类：矩形、渐开线、三角形
矩形花键结合 GB/T1144-2001：
尺寸系列、定心方式、公差与配合、标注、检测 键数：6、8、10个 系列：中系列：键高较大，承载能力强