摘要：机械工程师在机械设计的过程中，最常遇到的孔与轴的配合问题，三种常用配合分别为间隙配合、过渡配合、过盈配合。虽有设计手册的参考指导，但在实际运用中，仍然不可避免地会遇到选择困难。一般工程师在过盈配合时不会出现选择问题，因为可靠性要求基本就会排除过渡配合，只能选过盈配合；而最容易出现问题的是对间隙配合与过渡配合的选择。这是初学者经常遇到的问题，很多资深工程师如果不仔细研究，也会在该问题上对装配难度、载荷问题、寿命问题等难以敲定。本文就针对孔与轴的间隙与过渡配合结合作者的实践经验，对一些案例展开详细分析，以期对该问题有疑惑的工程师有一些启迪。
关键词：机械；设计；孔与轴；配合；公差；载荷
1轴承与轴的配合
机械设计中最常见的轴承，那么，与轴的配合问题也是有参考的，普通轴承对应的最常见深沟球轴承，轻载荷选用配合可以选k6，属于过渡配合。这个配合也是最常用的，相信很多工程师都有过实践证明是可行的。选用的关键在于轻载荷，这个概念很多工程师是没有深究的，手册是这样描述的，轻载荷P≤0.07C，中等载荷0.07C≤P≤0.15C，重载荷P≥0.15C。那么，很多工程师只要认为载荷不大，都会选用这个配合，但是，作为设计者要精益求精，很多时候载荷更小是可以选用h6，甚至大间隙配合，例如，料架上的轴承导向轮，转速低载荷很弱，选用h9的轴完全没有问题，装配简单，加工更经济，但是，这个配合安装到锯切机主轴，会因为转速高而出现问题，虽然载荷并不大，因此转速也是影响配合选择的因素。机构的精度要求也是重要选项，就算低转速，但是结构精度要求高，那也是需要选用过渡配合的，因为间隙配合的机构精度以及可靠性都是不及过渡配合的。
2皮带轮、链轮与轴的配合
对皮带轮、链轮与轴的配合进行分析，皮带轮一般都是高转速电机直带，参考手册，工况选用H8/h8或H7/k6间隙或过渡配合都是可以的，为了防止松动脱落，采取辅助的顶丝等固定手段完全可以满足使用需求；有人可能会想，既然有顶丝等固定手段，那么，我是不是应该选用更经济的配合比如H12/h11呢？的确低速低精度情况是可行的，但是很遗憾，带轮一般都工作在高转速下，因此间隙配合定心作用不如过渡配合，选用间隙配合容易出现跳动大、机械振动等问题。链轮的孔与轴采用基孔制，一般采用H7/h6或H7/k6。有工程师会考虑减速机带链轮，频繁正反转，载荷又重又复杂，是不是应该采用过盈配合。链轮在某些重载情况下，即使有顶丝或者端盖，实践证明，也是无法阻挡链轮松动的事实。例如，大减速比减速机通过链轮带动高转动惯量的钢辊，频繁正反转启动，瞬间的冲击重载对于过渡配合的链轮，一般的防松手段是不起作用的，依然会造成松动。然而链轮在重载的时候一般转速低，即使产生松动，也不会对配合的孔、轴、键的寿命产生异常影响，那么，过渡配合就是允许的，但要采取措施保证轴向定位即可，确保即使松动也不会产生轴向位移，例如，可以采用定位套的办法解决；如果高转速重载荷，如果配合产生松动会严重影响机构寿命，只能退而求其次，采用多键、花键等方式来改善机构载荷分布，作为易损件进行周期更换，如果条件允许能采取过盈配合，从根本上解决机构寿命问题是最好的办法。具体采用哪种方式，要依据停机允许时间、加工能力、装配手段来选择，比如很多工厂没有压力机等手段，对于过盈配合是没有能力装配的，这种情况需要多结合实际情况，否则，极容易造成理论可行、实际没办法实现的局面。
3机翻钢机的夹送驱动装置
我们以轧机翻钢机的夹送驱动装置为例，分析孔与轴的配合选用，结构见图1。工作要求夹送轮夹紧钢坯，并转动将钢坯送入轧机，由轧机轧辊进行轧料，当材料轧出轧机时，需要夹送轮夹持轧件，牵引轧件，给予一定张力。从工作条件要求及相关参数计算判断，该机构轴承与轴载荷主要为径向力，且属于重载中高转速工况，理应选过盈配合，但是，该设计配合选用k6，因为轴的直径达到了60mm，实际生产中没有条件使用压力机，只能采用简单作业大锤安装，如果采用更大的过盈配合，是很难进行拆装的；同时也考虑到夹送轮更换周期到期时，为了可靠性同时也要更换轴承，保证在更换周期内轴承正常运转即可；为什么不采用间隙配合呢，因为该工况重载且属于中高转速，间隙配合会带来减速机处配合问题，以及轴承寿命问题，所以需要保证结构的稳定提高寿命就排除了间隙配合。
4夹送轮与轴的工况分析
夹送轮与轴的工况同样属于重载，既有径向力也有往复的切向力，按照载荷理论易选用过渡配合和过盈配合，但这选用花键大径定心H8/f7，也是受到结构以及装配条件限制，只能采用间隙配合方便安装，也因此牺牲了轴的寿命，实际应用中，夹送轮与轴的寿命几乎是相同的，也证实了轴的寿命受到了缩减，如果采用过盈配合，轴是不受磨损的，寿命问题几乎可以忽略。减速机与输入轴之间的受力只有切向载荷，理论上径向载荷已经被轴承所分担，所以轴承不采用间隙配合，否则，容易出现减速机受到径向载荷。在切向方向上则属于轻载，因此选用H7/h6的间隙配合即可，应用后也证明减速机与轴的配合没有出现问题。在最初的设计中，减速机与轴的配合，按照印象经验就应该是重载，没有仔细计算，因此采用了H7/k6的过渡配合，由于配合面长度大，因此造成了装配的异常困难，经过更改设计减小输入轴尺寸后，才顺利装配。细心的设计师可能会发现花键配合问题，为什么会选用大径定心H8/f7？按照机械手册的标准来设计不应该是小径定心吗？这里考虑的主要是加工手段，因为是单件小量生产，作为外花键的小径是很难保证标准尺寸的，需要磨床来加工，效率低下成本高；如果采用大径定心，外花键采用外圆磨，花键孔采用线切割，不仅加工成本低，而且很容易实现精确配合。
5关节轴承与轴、滑动衬套与轴的分析
常见的关节轴承与轴、滑动衬套与轴，此类配合常见于油缸、气缸杆端关节轴承与连接端采用。这类配合可以选用7级/6级的配合公差，也可见到12级/11级的配合公差，那么，我们什么时候该选择何种精度等级，关键看需求，当你对机构精度没有高的要求时，那就选低精度等级配合，节省成本，反之，则选用高精度的满足精度需求。虽然低精度不利于重载，但机构的寿命是在精度失效的前提下判断的，在此类机构中机构与受力简单，一般不存在精度失效。而在旋转运动机构中，结构与受力复杂，载荷伴随着存在的旋转滑动磨损，很容易造成机构间隙逐渐扩大最终超出范围导致机构不稳定、设备震动等异常现象而失效，因此，旋转机构中一般选用精度高的配合，一旦遇到滑动摩擦载荷条件更要严格限制。载荷是孔与轴的配合选定的关键参数，很多工程师对载荷的概念容易出现误解，认为力量大的就是重载，力量小的就是轻载，这是个错误的意识，载荷是相对的，考究的是单位面积的相对受力情况。比如，材料强度为10MPa，假设1MPa为轻载，5MPa为重载，那么，如果材料强度为200MPa，5MPa对于它也只算得上轻载，所以这里的载荷是相对的。载荷的认定对配合的选用起主要作用，一旦判断错误，很容易造成机构精度失效。例如齿轮与轴的配合就很大程度上依赖载荷判定，在不需要相对运动的情况下，轻载选间隙配合也是需要配合顶丝等来固定，防止配合部位产生松动发生滑动摩擦，中载更是要考虑给予一定的过盈量，如此才能避免配合部位的磨损造成机构失效，在需要滑动的配合情况必须采用适当的润滑，以此减低配合部位的滑动磨损，延长机构寿命。
6结语
机械设计中孔与轴的配合选用，需要考虑载荷、转速、相对运动、润滑条件、机构精度、机构寿命、加工与装配的经济性等理论因素，同时，我们也需要结合实际条件，考虑机构的运行工况、零部件可以选择的加工方法、可以选择的装配条件以及其他相关作业环境等。只有理论结合实际，善于用实际与理论互相论证其准确性与可行性，在机械设计中，才能对孔与轴的配合选择思路清晰、得心应手，设计的相关机构配合既经济实用又稳定可靠。
参考文献：
[1]成大先.机械设计手册.第2卷[M].第5版.北京:化学工业出版社,2008.1:7-243~7-245.
[2]成大先.机械设计手册.第1卷[M].第5版.北京:化学工业出图1版社,2008.1:2-103~2-108.
作者:姜洁 单位:烟台孚信达双金属股份有限公司
