機械設計參數選擇中非專業因素影響分析

郭 雷，王振霞，王 凈

（1.承德石油高等專科學校，河北 承德 067000；2.承德華遠自動化設備有限公司，河北 承德 067000）

機械設計參數選擇中非專業因素影響分析

郭 雷1，王振霞2，王 凈2

（1.承德石油高等專科學校，河北 承德 067000；2.承德華遠自動化設備有限公司，河北 承德 067000）

分析了非專業因素對成本效益和完成效率造成的影響，通過現今的統計數據，把設計者的工作習慣、學歷層次和工作年限作為非專業因素的研究對象，得出齒輪傳動設計參數中非專業因素的影響情況，為機械設計參數合理的選擇提供了重要依據。

機械設計；參數選擇；非專業因素；齒輪傳動

隨著科學技術的進步，工程生產中使用的機器應用的技術日趨復雜，結構功能、精度質量和成本效益要求越來越高，對于機械設計技術和機械制造工藝設計技術均提出新的要求。選擇合理的設計參數對于機械設計與制造來說是十分必要的。人們一直把專業因素的機械設計參數作為研究的重點，但卻忽視了非專業因素在機械設計中的重要影響。在現今的機械設計過程中，非專業因素的影響相對于專業因素越來越明顯。非專業因素有男女性別差異、工作年限、設計師心理因素、工作環境、學位層次等幾個方面，本文從學歷層次、工作環境和工作年限三個方面來研究它們對齒輪傳動的參數選擇的影響。因此，系統地開展機械設計制造參數非專業因素的統計研究，對于機械制造行業來說不僅具有理論意義，更具有工程價值。

1 參數選擇的分析

我們首先從專業因素方面考慮選擇合理的設計參數。機械設計規定：塑性材料制成的零構件的失效應力為屈服極限，即屈服準則；脆性材料制成的零構件的失效應力為強度極限，為斷裂準則；疲勞強度設計的失效應力為疲勞極限，設計經驗可以確定安全系數。安全系數通常在1.5～4之間。很多因素能夠影響安全系數：制造過程中質量控制是否嚴格；靜載破壞與疲勞破壞的判斷；強度的判斷依據是否合理；屈服準則和斷裂準則的區分；計算方法的精確度；零件可靠程度是否達標等。機械的失效形式決定了安全系數是否正確選取，采用分析方法是設計安全系數重要手段之一。較大安全系數適用于臺數少，并且之后載荷需要增大的機械。誤差不可避免，但是盡量減少誤差是可行的，越精確的應力分析結果就會使容許范圍內的安全系數越小，最好的辦法是使安全系數與計算方法對應起來。除此之外，質量控制嚴格與否也是產品質量能否達到設計要求的一個十分重要的因素。切深、進給量、切削速度、工時定額等機械制造中參數的選擇就受到工藝制作范圍、工藝條件等因素的限制，這些參數要遵循工藝方面的原則，就得依據較大范圍來選擇，完成一項機械模型設計，需要精確的參數值。

社會生產力提高，設計和制造技術日益增強，如此一來，更加合理的機械設計參數的選擇則成為必要，這樣會使得機械產品結構與功能更加完善，機械制造的效益、工藝和質量也會有所增加。因此，非專業因素就成為機械設計制造中參數選擇的另一個重要的影響因素。非專業影響因素廣泛且復雜，一種或多種因素交叉影響，如學科專業、工作環境、經驗性別、心理素質和學歷層次等。非專業的各個影響因素之間單個和多個的影響以及綜合作用規律的準確把握是比較困難的，所以系統地分析研究就十分必要。

在非專業因素影響下，參數的正確選擇也會提高機械設計成果和成品工藝質量。非專業因素影響使機械設計制造參數有了更多選擇，機械制造的質量和效率就會有所改變。非專業因素影響不像專業因素影響那樣具有標準單一性，它不僅會受到專業影響，還會受經驗的制約，其實就是設計人員復雜的心理行為，不僅受到客觀環境影響，又受主觀情緒控制。僅對于學生來說，非專業因素影響中諸如意志力、情緒控制、行為習慣等心理活動就會影響機械設計制造的成果。這些與學生的選擇動機、個性心理特征和行為本能密切相關。

2 方案選擇

本文分別從工作年限、學歷層次和工作性質三個方面，對齒輪傳動設計的齒寬系數、齒輪齒數和壓力角三個參數的影響進行了分析。在進行齒輪傳動設計參數選擇過程中，設計師設計水平的高低會直接影響到齒輪傳動設計參數選取，進而影響大型機械的運行效率，以及產品所獲得的經濟效益。設計師的非專業的影響條件各不相同，會導致齒輪傳動設計參數選擇的結果大相徑庭。圖1為齒輪傳動裝置示意圖。

圖1 齒輪傳動裝置

（1）工作年限的長短對齒寬系數φd的選擇。從齒輪強度計算公式得出，輪齒越寬，承載能力越強；增大齒寬會使齒面上的載荷分布不均勻，故齒寬系數選取得當十分關鍵。齒寬系數的選取有一定的范圍，大、小齒輪皆為硬齒面，φd取偏小數值；皆為軟齒面或僅大齒輪為軟齒面，φd取偏大數值；對于這些數值的選取，經驗豐富的工程師由于工作年限長，接觸到的例子多，對何種系數用在哪種器械上比較了解，選擇就相對容易，而工作時間較短的設計師就要經過相應的計算來獲取具體數值，因此經驗豐富者就縮短了工程時間，從而提高了機械運作效率。

（2）學歷層次的高低對于小齒輪齒數的選擇。學歷層次高低與是否有足夠的專業素質對于小齒輪數的選擇十分重要。齒輪傳動的中心距不變，增加齒數，可增大重合度、改善傳動的平穩性，還可減小模數，降低齒高，從而減少金屬切削量，節省制造費用。若齒輪的齒數一定，模數越大則齒輪的徑向尺寸也越大。模數系列標準是根據設計、制造和檢驗等要求制訂的。設計師設計齒輪，對模數和齒數要精準的把握。承載能力主要取決于齒面接觸強度時，齒數應增加。傳動速度高的閉式齒輪為提高傳動的平穩性，減小沖擊振動，齒數也應增加。一般小齒輪齒數為20～40之間，開式或半開式齒輪傳動，輪齒容易磨損失效，則齒數在17～20之間。圖2為小齒輪齒數基本參數模數示意圖。

圖2 輪參數模數

要具體把握齒輪數的度需要設計師精密的計算和嚴謹的工作態度，才會使得齒輪工作效率更高。由于學歷層次較高設計師在專業素質方面比較強，對于齒數的把握會比較準確。而對于專業知識不足的設計師來說，把握小齒輪的齒數和模數相較困難。m和z的關系容易把握不準確。表1為模數與齒數相關參數計算公式。

表1 齒輪模數與齒數相關參數計算公式

（3）工作性質的差異對于壓力角α選擇影響情況。由機械原理得出，壓力角α增大，輪齒的齒厚及節點處的齒廓曲率半徑都隨之增加，這樣提高了齒輪傳動的彎曲強度和接觸強度。我國規定一般用途的齒輪傳動壓力角為α=20°。然而為增強航空用齒輪傳動彎曲強度和接觸強度，航空齒輪傳動規定α=25°的標準壓力角。因此，對于一般工程的設計師和長期從事設計航空齒輪的設計師來說，兩者選擇齒輪的壓力角的大小就不相同。設計航空齒輪的設計師對于25°的標準壓力角的設計比較熟悉，有可能在設計一般齒輪時會忽略這個要求，因為增大壓力角并不一定都對傳動有利。壓力角大小改變受力方向，壓力角越大，強度增大的同時傳動效果會變差，影響機械運作速率。此外，一個參數的選擇也受到多個因素影響，齒輪傳動設計各個參數的選取會同時受到工作經驗、學歷層次以及工作習慣等共同的影響，這些多個非專業因素共同影響同一個參數選擇相對來說比較復雜，但是這也說明非專業因素對齒輪參數選擇的重要性。

3 實驗結果分析

工作年限長或者學位層次高的技術人員在齒輪傳動設計參數選擇上更加精確，不僅在計算精確度還是在工作經驗方面都比較有優勢，工作年限短或者學歷層次較低的技術人員在齒輪傳動設計參數選擇上往往不夠精確，花費時間長，設計出現紕漏也較多，若有個別因素考慮不足，在機械制造上就會出現相應的問題，較大的影響是導致研制周期的延長和經濟效益減少。另外設計師工作性質也會對齒輪參數的選擇有影響。

專業因素會影響機械設計參數的選擇，而非專業因素也會對其產生很大影響。在這種情況下，會使機械設計工作效率與產品質量受到影響，進而影響產品研制周期和效益成本，因此，非專業因素的影響應該引起廣泛重視。在對機械設計參數進行選擇時，除了要把專業因素考慮在內，還應該重視非專業因素的影響，只有全面系統地研究分析，才能使我國機械設計得到快步的發展。

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，主要從事機械工程專業的教學與研究工作。