機(jī)械設(shè)計(jì)參數(shù)選擇中非專(zhuān)業(yè)因素影響分析

郭 雷，王振霞，王 凈

（1.承德石油高等專(zhuān)科學(xué)校，河北 承德 067000；2.承德華遠(yuǎn)自動(dòng)化設(shè)備有限公司，河北 承德 067000）

機(jī)械設(shè)計(jì)參數(shù)選擇中非專(zhuān)業(yè)因素影響分析

郭 雷1，王振霞2，王 凈2

（1.承德石油高等專(zhuān)科學(xué)校，河北 承德 067000；2.承德華遠(yuǎn)自動(dòng)化設(shè)備有限公司，河北 承德 067000）

分析了非專(zhuān)業(yè)因素對(duì)成本效益和完成效率造成的影響，通過(guò)現(xiàn)今的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，把設(shè)計(jì)者的工作習(xí)慣、學(xué)歷層次和工作年限作為非專(zhuān)業(yè)因素的研究對(duì)象，得出齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)中非專(zhuān)業(yè)因素的影響情況，為機(jī)械設(shè)計(jì)參數(shù)合理的選擇提供了重要依據(jù)。

機(jī)械設(shè)計(jì)；參數(shù)選擇；非專(zhuān)業(yè)因素；齒輪傳動(dòng)

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，工程生產(chǎn)中使用的機(jī)器應(yīng)用的技術(shù)日趨復(fù)雜，結(jié)構(gòu)功能、精度質(zhì)量和成本效益要求越來(lái)越高，對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)和機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)技術(shù)均提出新的要求。選擇合理的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)與制造來(lái)說(shuō)是十分必要的。人們一直把專(zhuān)業(yè)因素的機(jī)械設(shè)計(jì)參數(shù)作為研究的重點(diǎn)，但卻忽視了非專(zhuān)業(yè)因素在機(jī)械設(shè)計(jì)中的重要影響。在現(xiàn)今的機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中，非專(zhuān)業(yè)因素的影響相對(duì)于專(zhuān)業(yè)因素越來(lái)越明顯。非專(zhuān)業(yè)因素有男女性別差異、工作年限、設(shè)計(jì)師心理因素、工作環(huán)境、學(xué)位層次等幾個(gè)方面，本文從學(xué)歷層次、工作環(huán)境和工作年限三個(gè)方面來(lái)研究它們對(duì)齒輪傳動(dòng)的參數(shù)選擇的影響。因此，系統(tǒng)地開(kāi)展機(jī)械設(shè)計(jì)制造參數(shù)非專(zhuān)業(yè)因素的統(tǒng)計(jì)研究，對(duì)于機(jī)械制造行業(yè)來(lái)說(shuō)不僅具有理論意義，更具有工程價(jià)值。

1 參數(shù)選擇的分析

我們首先從專(zhuān)業(yè)因素方面考慮選擇合理的設(shè)計(jì)參數(shù)。機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)定：塑性材料制成的零構(gòu)件的失效應(yīng)力為屈服極限，即屈服準(zhǔn)則；脆性材料制成的零構(gòu)件的失效應(yīng)力為強(qiáng)度極限，為斷裂準(zhǔn)則；疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)的失效應(yīng)力為疲勞極限，設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可以確定安全系數(shù)。安全系數(shù)通常在1.5～4之間。很多因素能夠影響安全系數(shù)：制造過(guò)程中質(zhì)量控制是否嚴(yán)格；靜載破壞與疲勞破壞的判斷；強(qiáng)度的判斷依據(jù)是否合理；屈服準(zhǔn)則和斷裂準(zhǔn)則的區(qū)分；計(jì)算方法的精確度；零件可靠程度是否達(dá)標(biāo)等。機(jī)械的失效形式?jīng)Q定了安全系數(shù)是否正確選取，采用分析方法是設(shè)計(jì)安全系數(shù)重要手段之一。較大安全系數(shù)適用于臺(tái)數(shù)少，并且之后載荷需要增大的機(jī)械。誤差不可避免，但是盡量減少誤差是可行的，越精確的應(yīng)力分析結(jié)果就會(huì)使容許范圍內(nèi)的安全系數(shù)越小，最好的辦法是使安全系數(shù)與計(jì)算方法對(duì)應(yīng)起來(lái)。除此之外，質(zhì)量控制嚴(yán)格與否也是產(chǎn)品質(zhì)量能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求的一個(gè)十分重要的因素。切深、進(jìn)給量、切削速度、工時(shí)定額等機(jī)械制造中參數(shù)的選擇就受到工藝制作范圍、工藝條件等因素的限制，這些參數(shù)要遵循工藝方面的原則，就得依據(jù)較大范圍來(lái)選擇，完成一項(xiàng)機(jī)械模型設(shè)計(jì)，需要精確的參數(shù)值。

社會(huì)生產(chǎn)力提高，設(shè)計(jì)和制造技術(shù)日益增強(qiáng)，如此一來(lái)，更加合理的機(jī)械設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇則成為必要，這樣會(huì)使得機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與功能更加完善，機(jī)械制造的效益、工藝和質(zhì)量也會(huì)有所增加。因此，非專(zhuān)業(yè)因素就成為機(jī)械設(shè)計(jì)制造中參數(shù)選擇的另一個(gè)重要的影響因素。非專(zhuān)業(yè)影響因素廣泛且復(fù)雜，一種或多種因素交叉影響，如學(xué)科專(zhuān)業(yè)、工作環(huán)境、經(jīng)驗(yàn)性別、心理素質(zhì)和學(xué)歷層次等。非專(zhuān)業(yè)的各個(gè)影響因素之間單個(gè)和多個(gè)的影響以及綜合作用規(guī)律的準(zhǔn)確把握是比較困難的，所以系統(tǒng)地分析研究就十分必要。

在非專(zhuān)業(yè)因素影響下，參數(shù)的正確選擇也會(huì)提高機(jī)械設(shè)計(jì)成果和成品工藝質(zhì)量。非專(zhuān)業(yè)因素影響使機(jī)械設(shè)計(jì)制造參數(shù)有了更多選擇，機(jī)械制造的質(zhì)量和效率就會(huì)有所改變。非專(zhuān)業(yè)因素影響不像專(zhuān)業(yè)因素影響那樣具有標(biāo)準(zhǔn)單一性，它不僅會(huì)受到專(zhuān)業(yè)影響，還會(huì)受經(jīng)驗(yàn)的制約，其實(shí)就是設(shè)計(jì)人員復(fù)雜的心理行為，不僅受到客觀環(huán)境影響，又受主觀情緒控制。僅對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，非專(zhuān)業(yè)因素影響中諸如意志力、情緒控制、行為習(xí)慣等心理活動(dòng)就會(huì)影響機(jī)械設(shè)計(jì)制造的成果。這些與學(xué)生的選擇動(dòng)機(jī)、個(gè)性心理特征和行為本能密切相關(guān)。

2 方案選擇

本文分別從工作年限、學(xué)歷層次和工作性質(zhì)三個(gè)方面，對(duì)齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)的齒寬系數(shù)、齒輪齒數(shù)和壓力角三個(gè)參數(shù)的影響進(jìn)行了分析。在進(jìn)行齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)選擇過(guò)程中，設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)水平的高低會(huì)直接影響到齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)選取，進(jìn)而影響大型機(jī)械的運(yùn)行效率，以及產(chǎn)品所獲得的經(jīng)濟(jì)效益。設(shè)計(jì)師的非專(zhuān)業(yè)的影響條件各不相同，會(huì)導(dǎo)致齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)選擇的結(jié)果大相徑庭。圖1為齒輪傳動(dòng)裝置示意圖。

圖1 齒輪傳動(dòng)裝置

（1）工作年限的長(zhǎng)短對(duì)齒寬系數(shù)φd的選擇。從齒輪強(qiáng)度計(jì)算公式得出，輪齒越寬，承載能力越強(qiáng)；增大齒寬會(huì)使齒面上的載荷分布不均勻，故齒寬系數(shù)選取得當(dāng)十分關(guān)鍵。齒寬系數(shù)的選取有一定的范圍，大、小齒輪皆為硬齒面，φd取偏小數(shù)值；皆為軟齒面或僅大齒輪為軟齒面，φd取偏大數(shù)值；對(duì)于這些數(shù)值的選取，經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師由于工作年限長(zhǎng)，接觸到的例子多，對(duì)何種系數(shù)用在哪種器械上比較了解，選擇就相對(duì)容易，而工作時(shí)間較短的設(shè)計(jì)師就要經(jīng)過(guò)相應(yīng)的計(jì)算來(lái)獲取具體數(shù)值，因此經(jīng)驗(yàn)豐富者就縮短了工程時(shí)間，從而提高了機(jī)械運(yùn)作效率。

（2）學(xué)歷層次的高低對(duì)于小齒輪齒數(shù)的選擇。學(xué)歷層次高低與是否有足夠的專(zhuān)業(yè)素質(zhì)對(duì)于小齒輪數(shù)的選擇十分重要。齒輪傳動(dòng)的中心距不變，增加齒數(shù)，可增大重合度、改善傳動(dòng)的平穩(wěn)性，還可減小模數(shù)，降低齒高，從而減少金屬切削量，節(jié)省制造費(fèi)用。若齒輪的齒數(shù)一定，模數(shù)越大則齒輪的徑向尺寸也越大。模數(shù)系列標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)等要求制訂的。設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)齒輪，對(duì)模數(shù)和齒數(shù)要精準(zhǔn)的把握。承載能力主要取決于齒面接觸強(qiáng)度時(shí)，齒數(shù)應(yīng)增加。傳動(dòng)速度高的閉式齒輪為提高傳動(dòng)的平穩(wěn)性，減小沖擊振動(dòng)，齒數(shù)也應(yīng)增加。一般小齒輪齒數(shù)為20～40之間，開(kāi)式或半開(kāi)式齒輪傳動(dòng)，輪齒容易磨損失效，則齒數(shù)在17～20之間。圖2為小齒輪齒數(shù)基本參數(shù)模數(shù)示意圖。

圖2 輪參數(shù)模數(shù)

要具體把握齒輪數(shù)的度需要設(shè)計(jì)師精密的計(jì)算和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度，才會(huì)使得齒輪工作效率更高。由于學(xué)歷層次較高設(shè)計(jì)師在專(zhuān)業(yè)素質(zhì)方面比較強(qiáng)，對(duì)于齒數(shù)的把握會(huì)比較準(zhǔn)確。而對(duì)于專(zhuān)業(yè)知識(shí)不足的設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，把握小齒輪的齒數(shù)和模數(shù)相較困難。m和z的關(guān)系容易把握不準(zhǔn)確。表1為模數(shù)與齒數(shù)相關(guān)參數(shù)計(jì)算公式。

表1 齒輪模數(shù)與齒數(shù)相關(guān)參數(shù)計(jì)算公式

（3）工作性質(zhì)的差異對(duì)于壓力角α選擇影響情況。由機(jī)械原理得出，壓力角α增大，輪齒的齒厚及節(jié)點(diǎn)處的齒廓曲率半徑都隨之增加，這樣提高了齒輪傳動(dòng)的彎曲強(qiáng)度和接觸強(qiáng)度。我國(guó)規(guī)定一般用途的齒輪傳動(dòng)壓力角為α=20°。然而為增強(qiáng)航空用齒輪傳動(dòng)彎曲強(qiáng)度和接觸強(qiáng)度，航空齒輪傳動(dòng)規(guī)定α=25°的標(biāo)準(zhǔn)壓力角。因此，對(duì)于一般工程的設(shè)計(jì)師和長(zhǎng)期從事設(shè)計(jì)航空齒輪的設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，兩者選擇齒輪的壓力角的大小就不相同。設(shè)計(jì)航空齒輪的設(shè)計(jì)師對(duì)于25°的標(biāo)準(zhǔn)壓力角的設(shè)計(jì)比較熟悉，有可能在設(shè)計(jì)一般齒輪時(shí)會(huì)忽略這個(gè)要求，因?yàn)樵龃髩毫遣⒉灰欢ǘ紝?duì)傳動(dòng)有利。壓力角大小改變受力方向，壓力角越大，強(qiáng)度增大的同時(shí)傳動(dòng)效果會(huì)變差，影響機(jī)械運(yùn)作速率。此外，一個(gè)參數(shù)的選擇也受到多個(gè)因素影響，齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)各個(gè)參數(shù)的選取會(huì)同時(shí)受到工作經(jīng)驗(yàn)、學(xué)歷層次以及工作習(xí)慣等共同的影響，這些多個(gè)非專(zhuān)業(yè)因素共同影響同一個(gè)參數(shù)選擇相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜，但是這也說(shuō)明非專(zhuān)業(yè)因素對(duì)齒輪參數(shù)選擇的重要性。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

工作年限長(zhǎng)或者學(xué)位層次高的技術(shù)人員在齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)選擇上更加精確，不僅在計(jì)算精確度還是在工作經(jīng)驗(yàn)方面都比較有優(yōu)勢(shì)，工作年限短或者學(xué)歷層次較低的技術(shù)人員在齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)選擇上往往不夠精確，花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)計(jì)出現(xiàn)紕漏也較多，若有個(gè)別因素考慮不足，在機(jī)械制造上就會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的問(wèn)題，較大的影響是導(dǎo)致研制周期的延長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)效益減少。另外設(shè)計(jì)師工作性質(zhì)也會(huì)對(duì)齒輪參數(shù)的選擇有影響。

專(zhuān)業(yè)因素會(huì)影響機(jī)械設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇，而非專(zhuān)業(yè)因素也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生很大影響。在這種情況下，會(huì)使機(jī)械設(shè)計(jì)工作效率與產(chǎn)品質(zhì)量受到影響，進(jìn)而影響產(chǎn)品研制周期和效益成本，因此，非專(zhuān)業(yè)因素的影響應(yīng)該引起廣泛重視。在對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行選擇時(shí)，除了要把專(zhuān)業(yè)因素考慮在內(nèi)，還應(yīng)該重視非專(zhuān)業(yè)因素的影響，只有全面系統(tǒng)地研究分析，才能使我國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)得到快步的發(fā)展。

Analysis of Non-Professional Factors in Selection of Parameters in M echanical Design

GUO Lei，WANG Zhen-xia，WANG Jing
（1.Chengde Oil Higher Vocational College，Chengde，Hebei 067000，China；2.Chengde Huayun Automatic Equipment Co. ltd，Chengde，Hebei 067000，China）

This paper analyses the non-professional factors on the impact of cost efficiency and complete efficiency，taking present statistical data，the designer's work habits，education level and working fixed number of year as the research object of non-professional factors，and concludes that the situation of non-professional factors in gear transmission design，which provides important evidence for the selection of reasonable parameters.

mechanical design；parameter selection；Non-professional factors；gear transmission

TH122

A

2095-980X（2015）08-0058-02

2015-07-15

郭雷（1978-），男，安徽碭山人，副教授，主要從事機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)的教學(xué)與研究工作。