2.1 设计资料数据分类

2.1.1 设计资料数据来源

设计资料数据来源于设计标准、设计规范和设计手册，具有通用性和行业贯通性，是机械产品设计的基本规则和基础。

1.设计标准

制定设计标准有利于合理利用国家资源，推广科学技术成果，提高经济效益，保障安全和人民身体健康，保护消费者的利益，保护环境，有利于产品的通用互换及标准的协调配套等。

《中华人民共和国标准化法》将中国标准分为国家标准（GB）、行业标准、地方标准（DB）、企业标准（Q）四级；按内容划分，有基础标准（一般包括名词术语、符号、代号、机械制图、公差与配合等），产品标准（对产品结构、规格、质量和检验方法所做的技术规定）。辅助产品标准（工具、模具、量具、夹具等），原材料标准，方法标准（工艺要求、过程、要素、工艺说明等）；按成熟程度划分，有法定标准、推荐标准、试行标准、标准草案。国家标准文献共享服务平台（简称CSSN，网址www.cssn.net.cn）是国家科技基础条件平台重点建设项目之一，致力于全面的标准库建设和行业间联盟协作关系的建立，是国内最大、最全的标准化信息服务平台之一。

国家标准是指由国家标准化主管机构批准发布，对全国经济、技术发展有重大意义，且在全国范围内统一的标准。国家标准的年限一般为5年，过了年限后，国家标准就要修订或重新制定。此外，随着社会的发展，国家需要制定新的标准来满足人们生产、生活的需要。因此，标准是种动态信息。国家标准分为强制标准（冠以“GB”）和推荐标准（冠以“GB/T”）。据CSSN数据统计，目前现行实施的国家标准有32100多条，涉及所有的行业和学科。在国家标准中，与机械设计相关的内容较多，覆盖机械设计的各个环节，既有机械名词术语的定义，也有通用零部件的规定，还有设计方法的规定，更有整机的设计规范。部分与圆柱齿轮相关的机械设计国家标准见表2-1。

行业标准是由国家各主管部委（局）批准发布，在该部门范围内统一使用的标准，称为行业标准。行业标准分为强制性标准和推荐性标准，共有机械、电子、建筑、化工、冶金、经工、纺织、交通、能源、农业、林业、水利等104个行业分类。其中，直接与机械有关的行业标准为机械行业标准（JB）、纺织机械行业标准（FJ）、建筑机械行业标准（JJ）、中国齿轮专业协会标准（CGMA），农机行业标准（NJ）。据CSSN数据统计，目前现行的机械行业标准有9100多条，其内容涵盖机械设计的各个环节。与减速器相关的机械行业标准就有50多条，与轴承相关的有210多条，与齿轮相关的有170多条，与圆柱齿轮相关的有20条。与圆柱齿轮相关的部分机械行业标准见表2-2。

地方标准又称为区域标准。对没有国家标准和行业标准而又需要在省、自治区、直辖市范围内统一要求的，可以制定地方标准。地方标准由省、自治区、直辖市标准化行政主管部门制定，并报国务院标准化行政主管部门和国务院有关行政主管部门备案，在公布国家标准或者行业标准之后，该地方标准即应废止。据CSSN数据统计，目前现行的地方标准有9309多条，主要包括工业产品的安全、卫生要求，以及药品、兽药、食品卫生、环境保护、节约能源、种子等法律法规规定的要求。地方标准主要以检测方法、技术规程、技术规范形式提供，通常针对区域重点应用和优势行业制定，虽然属于机械设计方面的较少，但是对于机械设计具有重要的意义。

企业标准就是企业对企业范围内需要协调、统一的技术要求、管理要求和工作要求所制定的标准，它是企业组织生产、经营活动的依据。企业标准一般分为产品标准、方法标准、管理标准和工作标准。所常见的企业标准大多是产品标准，实际上准确的说法应该是企业产品标准，也就是企业对所生产的产品制定的技术规范。企业产品标准在企业批准发布后应到当地政府标准化行政主管部门备案。企业标准应在符合国家标准、行业标准和地方标准的基础上建立，是前者的提升和补充。

2.设计规范

设计规范是指对设计的具体技术要求，是设计工作的规则，一般包括总体目标的技术描述、功能的技术描述、技术指标的技术描述，以及限制条件的技术描述等。设计规范分为通过审计标准确定的规定和企业或行业确定的非标规定。

设计规范通过对量化指标管理减少设计过程中的错误，通过对设计的关键点管理明确产品设计的里程碑，通过建立团队共有规则实现团队协作设计。设计规范是设计经验的总结，是设计经验的显性化。

3.设计手册

机械设计手册是由具有深厚理论功底和丰富设计实践经验的专家学者，从设计和生产的实际需要出发，结合国家标准、行业标准和设计规范编写而成的机械设计大型工具书。机械设计手册提供常用设计资料、常规和现代设计方法，以及常用零部件的规格尺寸、典型结构、技术参数和设计计算方法。

随着计算机软件技术的普及和应用，在纸质版、电子版的基础上，化学工业出版社和机械工业出版社分别推出了机械设计手册软件版。机械设计手册软件版以通用资源数据和设计方法为主线，将机械产品设计和应用中所需的专用计算分析过程程序化、标准数据资料和典型产品图形结构数据化，提供了一种以计算机应用技术为手段的辅助机械产品设计资源信息检索和应用方法。

机械设计手册软件版是一套大型机械设计专业技术工具软件，主要由机械设计数据资源、机械设计计算和查询程序、机械工程常用公式计算、机械标准件2D和3D图库、机械工程常用英汉词汇等分系统组成。

机械设计数据资源包括：常用基础资料，零部件设计基础标准，常用工程材料（金属和非金属），零件结构设计工艺性，连接与紧固，弹簧，起重运输零部件、操作件和小五金，机架、箱体及导轨，润滑与密封装置，管道与管道附件，摩擦轮及螺旋传动，带传动和链传动，减速器和变速器，齿轮传动，轴承，轴，联轴器、离合器和制动器，常用电动机，常用低压电器，液压传动，气压传动与控制等数据资源模块。

机械设计计算和查询程序包括：公差与配合查询，形状与位置公差查询，螺栓联接设计校核，键联接设计校核，弹簧设计，摩擦轮传动设计，螺旋传动设计，带传动设计，链传动设计，渐开线圆柱齿轮传动设计，普通圆柱蜗杆传动设计计算，平面凸轮机构设计与分析，平面连杆机构设计，滚动轴承设计与查询，轴设计计算等软件模块。

机械工程常用公式计算是一个能便捷地对机械设计中常用公式进行计算的工具软件，亦可以自定义公式进行计算，包括：常用几何体的几何及物性计算，接触应力计算公式，冲击载荷计算公式，平面弯曲计算，圆盘平板计算等数百项数学和力学计算公式。

机械标准件2D和3D图库主要是以造型软件为环境，提供型材、紧固件（螺钉、螺栓、螺柱、销和铆钉、螺母、垫圈和挡圈）、滚动轴承等标准件的三维实体模型。

2.1.2 机械设计案例分析

利用机械设计手册软件版设计渐开线圆柱齿轮传动的过程如下。

1）根据设计要求，录入原始设计参数，如图2-1所示。载荷特性包括均匀平稳、轻微振动、中等振动、强烈振动四个选项，用于确定校核计算中用到的载荷系数 K _a 。

2）选择齿轮在轴上的布置形式和齿轮结构形式，如图2-2a所示。布置形式主要影响校核中的齿向载荷分布系数 K _Hβ 、 K _Fβ ，其选项如图2-2b所示。

3）选择齿轮材料和热处理工艺，如图2-3a所示。材料和热处理选项影响硬度值的确定和所选材料的极限应力。

4）确定齿轮精度等级及齿厚极限偏差，如图2-4所示。齿轮精度影响齿轮的强度。齿轮的精度等级分为3组，分别用以保证传递运动的准确性、平稳性和载荷分布的均匀性。齿轮精度等级分为12个，第1级的精度最高。齿轮的厚度偏差等级分为C、D、E、F、G、H、J、K、L、M、N、P、R和S级，C级间隙最大。

5）齿轮基本参数设计，如图2-5所示。其中，齿轮的模数可以从齿轮模数表中查询。确定后，生成所有齿轮参数和检测项目参数见表2-3和表2-4。

6）齿轮接触疲劳强度和弯曲疲劳强度校核，如图2-6所示。首先输入强度校核环境参数，然后计算出极限应力、许用应力和计算应力，并进行对比。计算结果见表2-5。如果强度不满足要求，可调整安全系数和齿轮基本参数。

由机械设计过程可见：

1）设计过程中需要引用大量的设计资料数据，如工作机和原动机的工作状态、材料和热处理信息、精度等级。

2）机械设计手册不但包含对设计标准等资料的引用，而且包含零件和部件的设计过程引导、计算公式、计算方法和计算过程，与其他资料来源相比，具有较高的专业性、针对性和系统性，是行业设计的最佳参考。

2.1.3 设计资料数据分类

根据设计标准、设计规范和设计手册中提供的设计资料数据的具体形态，可将设计资料数据分为数表、线图和公式三大类。

1.数表

数表是指以数据表格形式提供的设计资料数据，按照变量的数量分为单参数、双参数和多参数，按照技术来源分为有理论公式、有经验公式和无公式，按照是否规范化分为标准数值和非标准数值。

标准数值是指经过规范化形成了通用的系列值，在设计时优先选取，且只能从系列值中选取。如果计算出的数据不在系列值中，需要按系列值进行圆整和插值调用。非标准数值是指试验数据或离散化后获得的数据。有理论公式的数据以数表提供主要是为了方便手工设计时直接查用，有经验公式的数据一般是由试验获得的数据编制出的数表，同时具有拟合生成的经验公式。

国家标准规定的齿轮标准模数系列值就是标准数据的典型案例，见表2-6。

单个齿距偏差是齿轮精度设计中的一个重要指标。其定义是分度圆上实际齿距和公称齿距之差，公称齿距是指实际齿距的平均值。单个齿距偏差的几何描述如图2-7所示。单个齿距偏差的计算公式为 ，此为5级精度的偏差计算公式，5级精度未圆整公差计算值乘以2 ^{0.（5 Q -5）} ，即可得到其他精度等级的偏差值，其中 Q 为精度等级数]，为方便手工设计时查用，编制了单个齿距极限偏差表，见表2-7，根据分度圆直径、齿轮模数和精度等级三个变量，确定可选用的极限偏差值，作为齿轮设计的技术参数。

2.线图

线图是指以直线、折线、曲线或曲线族等图形方式提供的设计资料数据。例如，普通V带截面图如图2-8所示。各种型号的截面尺寸见表2-8。根据设计功率和小带轮转数确定可用普通V带型号，如图2-9所示。按照GB/T13575.1-2008，对于其中规格为Z的V带选型线进行数据离散处理，得到数表形式的选型数据，见表2-9。

3.公式

公式是指以计算公式函数形式提供的设计资料数据。设计资料的公式分为理论公式和经验公式。

理论公式是指通过完整的理论推导过程获得的以设计资料为因变量，以相关的参数为自变量的数学函数。

经验公式是指在科学试验和生产实践中，从一组或多组试验数据出发，拟合出试验数据之间关系的一个近似表达式。经验公式一般没有完整的理论推导过程，注重实用性和精确性。

4.类型转换

设计资料的三种数据类型相互之间通过相应的方法，可以实现各类数据的转换。转换关系和方法见表2-10。可见，各种数据类型可以互相转化，转化的方法有公式离散化、直接引用等六种。