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摘要：機械工程師在機械設計的過程中，最常遇到的孔與軸的配合問題，三種常用配合分別為間隙配合、過渡配合、過盈配合。雖有設計手冊的參考指導，但在實際運用中，仍然不可避免地會遇到選擇困難。一般工程師在過盈配合時不會出現選擇問題，因為可靠性要求基本就會排除過渡配合，只能選過盈配合；而最容易出現問題的是對間隙配合與過渡配合的選擇。這是初學者經常遇到的問題，很多資深工程師如果不仔細研究，也會在該問題上對裝配難度、載荷問題、壽命問題等難以敲定。本文就針對孔與軸的間隙與過渡配合結合作者的實踐經驗，對一些案例展開詳細分析，以期對該問題有疑惑的工程師有一些啟迪。
關鍵詞：機械；設計；孔與軸；配合；公差；載荷
1軸承與軸的配合
機械設計中最常見的軸承，那么，與軸的配合問題也是有參考的，普通軸承對應的最常見深溝球軸承，輕載荷選用配合可以選k6，屬于過渡配合。這個配合也是最常用的，相信很多工程師都有過實踐證明是可行的。選用的關鍵在于輕載荷，這個概念很多工程師是沒有深究的，手冊是這樣描述的，輕載荷P≤0.07C，中等載荷0.07C≤P≤0.15C，重載荷P≥0.15C。那么，很多工程師只要認為載荷不大，都會選用這個配合，但是，作為設計者要精益求精，很多時候載荷更小是可以選用h6，甚至大間隙配合，例如，料架上的軸承導向輪，轉速低載荷很弱，選用h9的軸完全沒有問題，裝配簡單，加工更經濟，但是，這個配合安裝到鋸切機主軸，會因為轉速高而出現問題，雖然載荷并不大，因此轉速也是影響配合選擇的因素。機構的精度要求也是重要選項，就算低轉速，但是結構精度要求高，那也是需要選用過渡配合的，因為間隙配合的機構精度以及可靠性都是不及過渡配合的。
2皮帶輪、鏈輪與軸的配合
對皮帶輪、鏈輪與軸的配合進行分析，皮帶輪一般都是高轉速電機直帶，參考手冊，工況選用H8/h8或H7/k6間隙或過渡配合都是可以的，為了防止松動脫落，采取輔助的頂絲等固定手段完全可以滿足使用需求；有人可能會想，既然有頂絲等固定手段，那么，我是不是應該選用更經濟的配合比如H12/h11呢？的確低速低精度情況是可行的，但是很遺憾，帶輪一般都工作在高轉速下，因此間隙配合定心作用不如過渡配合，選用間隙配合容易出現跳動大、機械振動等問題。鏈輪的孔與軸采用基孔制，一般采用H7/h6或H7/k6。有工程師會考慮減速機帶鏈輪，頻繁正反轉，載荷又重又復雜，是不是應該采用過盈配合。鏈輪在某些重載情況下，即使有頂絲或者端蓋，實踐證明，也是無法阻擋鏈輪松動的事實。例如，大減速比減速機通過鏈輪帶動高轉動慣量的鋼輥，頻繁正反轉啟動，瞬間的沖擊重載對于過渡配合的鏈輪，一般的防松手段是不起作用的，依然會造成松動。然而鏈輪在重載的時候一般轉速低，即使產生松動，也不會對配合的孔、軸、鍵的壽命產生異常影響，那么，過渡配合就是允許的，但要采取措施保證軸向定位即可，確保即使松動也不會產生軸向位移，例如，可以采用定位套的辦法解決；如果高轉速重載荷，如果配合產生松動會嚴重影響機構壽命，只能退而求其次，采用多鍵、花鍵等方式來改善機構載荷分布，作為易損件進行周期更換，如果條件允許能采取過盈配合，從根本上解決機構壽命問題是最好的辦法。具體采用哪種方式，要依據停機允許時間、加工能力、裝配手段來選擇，比如很多工廠沒有壓力機等手段，對于過盈配合是沒有能力裝配的，這種情況需要多結合實際情況，否則，極容易造成理論可行、實際沒辦法實現的局面。
3機翻鋼機的夾送驅動裝置
我們以軋機翻鋼機的夾送驅動裝置為例，分析孔與軸的配合選用，結構見圖1。工作要求夾送輪夾緊鋼坯，并轉動將鋼坯送入軋機，由軋機軋輥進行軋料，當材料軋出軋機時，需要夾送輪夾持軋件，牽引軋件，給予一定張力。從工作條件要求及相關參數計算判斷，該機構軸承與軸載荷主要為徑向力，且屬于重載中高轉速工況，理應選過盈配合，但是，該設計配合選用k6，因為軸的直徑達到了60mm，實際生產中沒有條件使用壓力機，只能采用簡單作業大錘安裝，如果采用更大的過盈配合，是很難進行拆裝的；同時也考慮到夾送輪更換周期到期時，為了可靠性同時也要更換軸承，保證在更換周期內軸承正常運轉即可；為什么不采用間隙配合呢，因為該工況重載且屬于中高轉速，間隙配合會帶來減速機處配合問題，以及軸承壽命問題，所以需要保證結構的穩定提高壽命就排除了間隙配合。
4夾送輪與軸的工況分析
夾送輪與軸的工況同樣屬于重載，既有徑向力也有往復的切向力，按照載荷理論易選用過渡配合和過盈配合，但這選用花鍵大徑定心H8/f7，也是受到結構以及裝配條件限制，只能采用間隙配合方便安裝，也因此犧牲了軸的壽命，實際應用中，夾送輪與軸的壽命幾乎是相同的，也證實了軸的壽命受到了縮減，如果采用過盈配合，軸是不受磨損的，壽命問題幾乎可以忽略。減速機與輸入軸之間的受力只有切向載荷，理論上徑向載荷已經被軸承所分擔，所以軸承不采用間隙配合，否則，容易出現減速機受到徑向載荷。在切向方向上則屬于輕載，因此選用H7/h6的間隙配合即可，應用后也證明減速機與軸的配合沒有出現問題。在最初的設計中，減速機與軸的配合，按照印象經驗就應該是重載，沒有仔細計算，因此采用了H7/k6的過渡配合，由于配合面長度大，因此造成了裝配的異常困難，經過更改設計減小輸入軸尺寸后，才順利裝配。細心的設計師可能會發現花鍵配合問題，為什么會選用大徑定心H8/f7？按照機械手冊的標準來設計不應該是小徑定心嗎？這里考慮的主要是加工手段，因為是單件小量生產，作為外花鍵的小徑是很難保證標準尺寸的，需要磨床來加工，效率低下成本高；如果采用大徑定心，外花鍵采用外圓磨，花鍵孔采用線切割，不僅加工成本低，而且很容易實現精確配合。
5關節軸承與軸、滑動襯套與軸的分析
常見的關節軸承與軸、滑動襯套與軸，此類配合常見于油缸、氣缸桿端關節軸承與連接端采用。這類配合可以選用7級/6級的配合公差，也可見到12級/11級的配合公差，那么，我們什么時候該選擇何種精度等級，關鍵看需求，當你對機構精度沒有高的要求時，那就選低精度等級配合，節省成本，反之，則選用高精度的滿足精度需求。雖然低精度不利于重載，但機構的壽命是在精度失效的前提下判斷的，在此類機構中機構與受力簡單，一般不存在精度失效。而在旋轉運動機構中，結構與受力復雜，載荷伴隨著存在的旋轉滑動磨損，很容易造成機構間隙逐漸擴大最終超出范圍導致機構不穩定、設備震動等異?，F象而失效，因此，旋轉機構中一般選用精度高的配合，一旦遇到滑動摩擦載荷條件更要嚴格限制。載荷是孔與軸的配合選定的關鍵參數，很多工程師對載荷的概念容易出現誤解，認為力量大的就是重載，力量小的就是輕載，這是個錯誤的意識，載荷是相對的，考究的是單位面積的相對受力情況。比如，材料強度為10MPa，假設1MPa為輕載，5MPa為重載，那么，如果材料強度為200MPa，5MPa對于它也只算得上輕載，所以這里的載荷是相對的。載荷的認定對配合的選用起主要作用，一旦判斷錯誤，很容易造成機構精度失效。例如齒輪與軸的配合就很大程度上依賴載荷判定，在不需要相對運動的情況下，輕載選間隙配合也是需要配合頂絲等來固定，防止配合部位產生松動發生滑動摩擦，中載更是要考慮給予一定的過盈量，如此才能避免配合部位的磨損造成機構失效，在需要滑動的配合情況必須采用適當的潤滑，以此減低配合部位的滑動磨損，延長機構壽命。
6結語
機械設計中孔與軸的配合選用，需要考慮載荷、轉速、相對運動、潤滑條件、機構精度、機構壽命、加工與裝配的經濟性等理論因素，同時，我們也需要結合實際條件，考慮機構的運行工況、零部件可以選擇的加工方法、可以選擇的裝配條件以及其他相關作業環境等。只有理論結合實際，善于用實際與理論互相論證其準確性與可行性，在機械設計中，才能對孔與軸的配合選擇思路清晰、得心應手，設計的相關機構配合既經濟實用又穩定可靠。
參考文獻：
[1]成大先.機械設計手冊.第2卷[M].第5版.北京:化學工業出版社,2008.1:7-243~7-245.
[2]成大先.機械設計手冊.第1卷[M].第5版.北京:化學工業出圖1版社,2008.1:2-103~2-108.
作者:姜潔 單位:煙臺孚信達雙金屬股份有限公司
