3.1.2 几何公差产品图纸
1.几何尺寸与公差（GD&T）概述
产品设计意图包括外观和功能两方面，最终是靠零部件装配完成后的尺寸和配合来保证。零部件基准和公差以及关键特性的定义至关重要，而这些定义和功能要求如何在设计、工艺、制造、工装、质量等专业和工程师之间准确无误地表达和传递，是产品达成最终目标的重要保证。信息传递不仅要齐全完整，而且要准确无误，不易产生歧义。
工程图纸是传递信息的介质和工具，在不同的国家、不同的工业体系中，图纸的表述方式有差异。就尺寸与公差的表示方法而言有多种做法，比较普遍的有定义尺寸范围、坐标法（定义正负偏差）、一般描述法等。现在被多数国家工业体系广泛接受和应用的是几何尺寸与公差（GD&T）法。GD&T是一种“图形”语言，它用标准代码和符号清楚地表达了零部件要素的所有尺寸和精度技术要求，包括基准系统、形状、方向、位置等公差要求，以及配合面的匹配功能要求，甚至还有加工要求、材料特性等。GD&T图纸既是产品目标的定义，也是设计、制造加工、焊接装配等过程共同遵守的标准，是模具、夹具和检具设计与制造的共同依据。
GD&T是产品设计工程技术人员经常使用的工具。设计工程技术人员在设计产品的时候要考虑零件之间的装配关系，考虑零件单个要素的功能和作用，然后制定公差要求，既要满足功能与装配要求，又要经济合理，满足成本要求。
GD&T日益变成工业（当然包括汽车业）普遍应用的工程技术语言。在对汽车车身精度要求日益提高的今天，GD&T图纸的制定有着非常重要的意义，是尺寸质量管理的基础，对整车质量的控制起着至关重要的作用。
2.尺寸与形位公差重要概念介绍
（1）尺寸公差 在汽车内外饰设计中，零件上要素（例如孔）都会有尺寸公差要求，这是零件精度控制中最基本的要求。尺寸公差指允许尺寸的变动量，它规定了线性尺寸的特征，如直径、半径、长度、宽度等。如图3-5所示，直径为ϕ10的孔，规定它的尺寸公差为0/+0.2，则此孔的直径范围为ϕ10～ϕ10.2。
（2）几何公差 为了达到质量要求，内外饰零件的设计对尺寸配合有严格的要求，而尺寸配合的好坏首先取决于零件本身的精度，所以除了对零件有尺寸公差要求外，还应有几何公差的要求，如位置度、面轮廓度、线轮廓度等。以上例中的零件为例，如图3-6所示，除了对孔径进行控制外，还要对此孔的位置进行控制，规定位置度公差为ϕ1.0。
图3-5 尺寸公差
图3-6 几何公差
3.几何尺寸与公差图纸描述
我国通用的是GB/T1184—1996，北美通用的是ASME-14.5M，这两种标准与国际标准（ISO）绝大部分内容相近。在此以ASME-14.5M为例简要说明各种公差及其符号定义和一些重要原则及其应用。详细内容请参考标准本身。
（1）GD&T常用符号 ASME-14.5M中GD&T常用的符号共有14个，见表3-1。其中形状公差4个，没有基准要求；位置公差有8个，在大多数情况下有基准要求；形状或位置（轮廓）公差有2个，若无基准要求，则为形状公差，若有基准要求，则为位置公差。(https://www.daowen.com)
表3-1 几何公差的项目及符号
（2）公差原则
1）最大实体原则：在规定尺寸公差的范围内，形体所含材料最多的情形。比如，轴的最大直径，孔的最小直径，用
表示。最大实体原则要求应用于被测要素时，被测要素的几何公差值是在该要素处于最大实体状态时给出的，当被测要素的实际轮廓偏离其最大实体状态，即其实际尺寸偏离最大实体尺寸时，几何公差值可超出在最大实体状态下给出的几何公差值，即此时的几何公差值可以增大。
2）最小实体原则：在规定尺寸公差的范围内，形体所含材料最少的情形。比如，轴的最小直径，孔的最大直径，用
表示。最小实体原则要求应用于被测要素时，被测要素的几何公差值是在该要素处于最小实体状态时给出的，当被测要素的实际轮廓偏离其最小实体状态，即其实际尺寸偏离最小实体尺寸时，几何公差值可超出在最小实体状态下给出的几何公差值，即此时的几何公差值可以增大。
3）独立原则：不论特征尺寸在尺寸公差内如何变化，其几何公差要求不变（没有补偿），用
表示。采用独立原则时，其特点为尺寸公差与形状公差、位置公差相互无关，各自满足要求。
（3）几何公差的选用 正确合理地选择几何公差，对于保证产品的功能、提高产品质量、获得较好的综合经济效益是非常重要的。几何公差的选用，包括正确选择几何公差特征项目、基准要素和公差数值等方面的内容。
1）几何公差特征项目的选用。根据零件要素的几何特征和结构特点，充分考虑和满足各要素的功能要求，尽可能考虑检测方便和经济性，结合对比各几何公差项目的特点，正确合理地选择几何公差项目。例如零件的要素为圆柱时，适宜选用圆柱度综合控制圆柱的形状误差；如果考虑圆柱度在某些情况下检测不便，则可选用圆度、直线度和平行度等项目来控制圆柱的形状误差；也可选用径向全跳动，既控制圆柱度误差，又可控制同轴度误差。
2）几何公差数值的选用。几何公差值分为注出公差和未注公差两类。对于要求不高、用一般的机械加工方法和加工设备就能保证加工精度，或由线性尺寸公差或角度公差所控制的几何公差已能保证零件的要求时，不必将几何公差在图纸上注出，而用未注公差来控制，这样做既可以简化制图，又突出了注出公差的要求。而对于零件几何公差要求较高，或者功能要求允许大于未注公差值，而这个较大的公差值会给工厂带来经济效益时，这个较大的公差值应采用注出公差值。
几何公差数值的选用要考虑零件的加工难易程度和其他参数影响，应使零件的性能和经济费用都具有最佳效果。几何公差值可以采用计算法或类比法确定。计算法是指对于某些位置公差值，可以用尺寸链分析计算来确定；类比法是指将所设计的零件与具有同样功能要求且经使用表明效果良好而资料齐全的类似零件进行对比，经分析后确定所设计零件有关要素的几何公差值。
3）基准要素的选用。在确定被测要素的位置精度时，必须确定基准要素。基准要素的选择主要根据零件的功能和设计要求，并兼顾基准统一原则和零件的结构特征。基准要素必须选在零件成型性好且比较稳定的部位上，这些部位即使在后续开发和生产过程中也不会发生变化。在提出基准点时，必须注意网格的平行性（孔和平面），对回转系统来说还应注意坐标面的平行性。基准点必须按标准化的几何规律进行说明（孔、平面），这些几何规律在个别情况下必须予以定义。基准点的首选是孔，通常由一个双向孔和一个单向孔将零件主要平面的三个自由度限制住。如果在一个零部件中提不出孔，则必须选择平面或棱边作为所确定的基准点。当选择棱边为基准点时，需要考虑实际的可行性。
（4）GD&T图纸示例 以某车型A柱护板为例，如图3-7所示，A1、A2、A3、A4四个面作为定位面，限制了A柱护板沿Y方向的移动以及绕X轴和Z轴的旋转；用其中的定位销作为四向定位孔，限制了A柱护板沿X和Z方向的移动；用卡扣座作为两向定位孔，限制了A柱护板绕Y轴的旋转。这样就很好地控制了A柱护板在空间中的六个自由度。
图3-7 A柱护板GD&T图纸
A柱护板上部和顶篷配合，影响车身内饰缝隙的配合好坏，所以剖切A—A处控制了A柱护板周边的面轮廓度和线轮廓度；A柱护板周边和前风窗玻璃以及门玻璃配合，所以也需要控制它的面轮廓度。可以看出，GD&T图纸完整地定义和表达了A柱护板的尺寸和精度要求。