工程结构设计师是干什么的 工程师必须掌握的结构设计秘诀之二

关于作者： 钟元，2011年出版书籍《面向制造和装配的产品设计指南》（DFMA）。 2019年11月即将出版《面向成本的产品设计：降本设计之道》（DFC）。 如果觉得文章不错，请关注“降本设计”头条号，获取更多原创产品设计知识，也可加我微信3945996交流或加入降本设计微信讨论群。

工程师是不是经常有这样的困扰：

1). 3D图纸里面零件之间明明没有干涉，但是零件实物组装时就是发生了干涉，装不上？

2). 零件尺寸都在公差范围之内，但是依然发生了干涉，装不上？

这是因为发生了过定位。

1. 自由度

一个自由的物体，它对三个相互垂直的坐标系来说，有六个活动可能性，其中三种是移动，三种是旋转。 习惯上把这种活动的可能性称为自由度，因此空间任一自由物体共有六个自由度：

• 沿x、y、z三个坐标轴方向的移动自由度
• 绕x、y、z三个坐标轴方向的转动自由度

2.欠定位、完全定位和过定位

定位的实质就是限制零件的自由度。在产品设计时，任意非运动零部件都必须完全定位，需要避免欠定位和过定位。

欠定位（或欠约束）：

指六个自由 度中存在没有完全被限制的定位。

完全定位（完全约束）：

指不重复地限制了零部件的六个自由度的定位。

过定位（过约束）：

指同一个自由度被重复限制。

（注：过定位一词原本用于机加工时的工件装夹，本文中的过定位是指产品结构中零部件之间位置上的相互约束关系，与机加工中的过定位有些类似，但不是同一个含义）

3.过定位的实例及如何避免

过定位实例

如下图的剖面所示：零件A放入零件B的槽中，如果两侧的配合面处间隙均设计为0，假设零件A在X方向上的宽度尺寸为100±0.1mm，零件B槽的宽度为100±0.2mm。

那么在X方向上，零件A的移动自由度就被限制了两次，存在了过定位。

过定位会有什么后果呢？

在零件A和B的生产加工过程中，肯定会存在加工误差（万有不准定律），零件A的尺寸不可能是100mm，零件B的尺寸也不可能是100mm。那么在产品设计时，就需要给这两个尺寸设定公差，假设二者分别设定为±0.1mm和零件±02mm。

在生产加工时，零件A尺寸可能为100.10mm，而零件B尺寸为99.85mm。尺寸均合格，在公差范围内。

但在装配时，就出现问题了，零件A无法装入零件B中；或者操作工人依靠蛮力把零件A装入零件B中，但是二者因为干涉产生了内部的应力，会造成产品的变形，产生振动或噪音等，最终使得产品失效。

有些时候，过定位被称为产品失效的“隐形杀手”。

如何避免过定位

零件A和B在X方向上只能有一个面的间隙为0，另外一个面需要设计0.3mm的间隙（以公差分析中的极值法模型来计算，假设零件A的公差为±0.1mm，零件B为±0.2mm）。

那么，在生产加工时，只要零件A和B的尺寸都在公差范围之内，那么就永远不会发生装配不上的问题。

零件A的公差为±0.1mm，零件B为±0.2mm，（以公差分析中的极值法模型来计算），如果把另一面的间隙设计为0.1mm或0.2mm，只要间隙小于0.3mm，我们都认为是过定位，因为这会造成装配不上的问题。

有的工程师看了我上一篇文章（干货 | DFA设计指南之二：定位），可能会想：在零件A和B增加两个定位柱和定位孔的配合，来保证二者的精密位置精度。

这样有问题吗？

显然，在X方向的移动自由度上，又发生了过定位：左侧零件A和零件B的0间隙配合面限制了一次，左侧第一个定位柱和定位孔又限制了一次。

这样设计的后果依然是会装配不上。

为避免过定位，左侧零件A和零件B的配合处，也需要设计一定的间隙。（间隙的具体大小，需要以该间隙为目标尺寸进行公差分析计算）。

一般来说，如果不影响产品其它功能，可以把间隙设计得大一些，可以允许零件A和B更大的尺寸误差，降低加工成本。零件A和B的相对位置精度只需管控定位柱定位孔的相关尺寸即可。

4.一些过定位或避免过定位的案例

定位柱与定位孔

X方向的移动自由度被限制了两次：

当两个定位柱的距离或定位孔的距离的尺寸发生加工误差时，很容易造成干涉而使得无法装入：

通过把第二个定位孔改为长圆孔的方法，避免了过定位，这样即使两个定位柱的距离或两个定位孔的距离发生较大加工误差，依然能够装入，同时二者的相对位置精度不受影响。

两个螺丝固定时

当使用两个螺丝固定时，为了保证两个零部件之间的相对位置精度，可能会把螺丝孔设计得仅仅比螺丝直径稍大；例如M3机械牙螺丝直径为2.9mm，可以把螺丝孔设计为3.0mm。在这种情况下，如果两个螺丝孔都设计成圆孔的形式，下图第一个图所示，那么就会造成过定位，很容易发生第二个螺丝孔没有对齐，螺丝很难锁紧的现象。需要把第二个螺丝孔改为长圆孔，下图第二个图所示。

多个螺丝固定时

多个螺丝固定时，特别是使用锥形孔和平头螺丝时，你会发现开始的一两个螺丝很好锁，但后面的螺丝孔经常会发生没有对齐的现象，很难锁紧，这就是发生了过定位。

在这种情况下，需要避免使用锥形孔和平头螺丝。以M3机械牙螺丝为例，孔的大小需要如下图进行设计，以避免过定位。

传动轴和轴承

两个轴承和传动轴的配合，通过精确的尺寸管控，不易产生过定位：

加入第三个轴承，产生过定位：

三条腿的桌子和四条腿的桌子

三点确定一个面，这就是三条腿的桌子永远不会出现某一条腿与地面存在间隙的问题：

四条腿的桌子经常会出现某一条腿与地面存在间隙的问题，不得不垫上一些东西以避免倾斜晃动：

当然，有工程师可能会问：既然四条腿的桌子产生了过定位，那么为什么绝大多数的桌子还是四条腿，而不是三条腿呢？

这是因为绝大多数的桌子都是长方形或正方形，三条腿无法在整个桌面内均匀分布以提供支撑。

5.总结

在产品设计时，两个零部件不仅仅要定位，还需要避免过定位。

人生也需要避免过定位。我对自己的定位是做DFMA-DFC的推广者，希望能够帮助一小小部分工程师成长、以及帮助一小小部分企业实现产品成本的降低。任何的夸大就是过定位。

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