機械零件設(shè)計概論.ppt

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1、武漢科技大學(xué)專用,9-1機械零件設(shè)計概述,9-2機械零件的強度,9-3機械零件的接觸強度,9-4機械零件的耐磨性,9-5機械制造常用選擇,9-6公差與配合、表面粗造度和優(yōu)先數(shù)系,9-7機械零件的工藝性和標(biāo)準(zhǔn)化,第9章機械零件設(shè)計概論,,武漢科技大學(xué)專用,,設(shè)計機器的任務(wù)是在當(dāng)前技術(shù)發(fā)展所能達(dá)到的條件下，根據(jù)生產(chǎn)及生活的需要提出的。不管機器的類型如何，一般來說，對機器都要提出以下的基本要求：,▲使用功能要求,9-1機械零件設(shè)計概述,使用功能要求----機器應(yīng)具有預(yù)定的使用功能。這主要靠正確地選擇機器的工作原理，正確地設(shè)計或選用能夠全面實現(xiàn)功能要求的執(zhí)行機構(gòu)、傳動機構(gòu)和原動機，以及合理地配置必要的

2、輔助系統(tǒng)來實現(xiàn)。,一、機械設(shè)計應(yīng)滿足的要求----在滿足預(yù)期功能的前提下，要求性能好、效率高、成本低，造型美觀，在預(yù)定使用期限內(nèi)要安全可靠，操作方便、維修簡單。具體要求如下：,▲經(jīng)濟性要求,▲勞動保護(hù)要求,▲可靠性要求,▲其它專用要求,武漢科技大學(xué)專用,,經(jīng)濟性要求----機器的經(jīng)濟性體現(xiàn)在設(shè)計、制造和使用的全過程中，設(shè)計機器時就要全面綜合地進(jìn)行考慮。設(shè)計制造的經(jīng)濟性表現(xiàn)為機器的成本低，使用經(jīng)濟性表現(xiàn)為高生產(chǎn)率，高效率，低能耗，以及低的管理和維護(hù)費用等。,▲使用功能要求▲經(jīng)濟性要求▲勞動保護(hù)要求▲可靠性要求▲其它專用要求,武漢科技大學(xué)專用,提高設(shè)計和制造經(jīng)濟性指標(biāo)的主要途徑有:,1）采用先進(jìn)的

3、現(xiàn)代設(shè)計方法(CAD)，使設(shè)計參數(shù)最優(yōu)化,達(dá)到盡可能精確的計算結(jié)果,保證機器足夠的可靠性。,2）最大限度地采用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化及通用化的零、部件。,3）盡可能采用新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)和新材料。,4）合理地組織設(shè)計和制造過程。,5）力求改善零件的結(jié)構(gòu)工藝性，使其用料少、易加工、易裝配。,武漢科技大學(xué)專用,1）合理地提高機器的機械化和自動化水平，以期提高機器的生產(chǎn)率。,提高使用經(jīng)濟性指標(biāo)的主要途徑有:,2）選用高效率的傳動系統(tǒng)，盡可能減少傳動的中間環(huán)節(jié)，以期降低能源消耗。,3）適當(dāng)?shù)夭捎梅雷o(hù)及潤滑，以延長機器的使用壽命。,4）采用可靠的密封，減少或消除滲漏現(xiàn)象。,武漢科技大學(xué)專用,,1)要使機器的

4、操作者方便和安全。因此設(shè)計時要按照人機工程學(xué)的觀點布置各種按鈕、手柄，使操作方式符合人們的心理和習(xí)慣。同時，設(shè)置完善的安全裝置、報警裝置、顯示裝置等。,2）改善操作者及機器的環(huán)境。所設(shè)計的機器應(yīng)符合勞動保護(hù)法規(guī)的要求。降低機器運轉(zhuǎn)時的噪聲水平，防止有毒、有害介質(zhì)的滲漏，對廢水、廢氣和廢液進(jìn)行治理。,▲使用功能要求▲經(jīng)濟性要求▲勞動保護(hù)要求▲可靠性要求▲其它專用要求,武漢科技大學(xué)專用,,機器的可靠度----指在規(guī)定的使用時間內(nèi)和預(yù)定的環(huán)境下機器能夠正常工作的概率。,機器由于某種故障而不能完成預(yù)定的功能稱為失效，它是隨機發(fā)生的，其原因是零件所受的載荷、環(huán)境溫度、零件本身物理和機械性能等因素是隨機變

5、化的。為了提高零件的可靠性，就應(yīng)當(dāng)在工作條件和零件性能兩個方面使其變化盡可能小。,▲使用功能要求▲經(jīng)濟性要求▲勞動保護(hù)要求▲可靠性要求▲其它專用要求,武漢科技大學(xué)專用,,其它專用要求----針對不同機器所特有的要求。例如：1)對機床有長期保持精度的要求；,2)對飛機有質(zhì)量小，飛行阻力小而運載能力大的要求；,3)對流動使用的機器有便于安裝和拆卸的要求；,4)對大型機器有便于運輸?shù)囊蟮鹊取?▲使用功能要求▲經(jīng)濟性要求▲勞動保護(hù)要求▲可靠性要求▲其它專用要求,武漢科技大學(xué)專用,1、機械零件的失效：機械零件曲于某種原因不能正常工作時，稱為失效。,2、工作能力----在不發(fā)生失效的條件下，零件所能安全

6、工作的限度。通常此限度是對載荷而言，所以習(xí)慣上又稱為：,承載能力。,例如：發(fā)生強烈的振動；聯(lián)接的松弛;摩擦傳動的打滑等。,二、機械零件的主要失效形式,整體斷裂;,過大的殘余變形;,工作表面的過度磨損或損傷;,破壞正常的工作條件;,零件的失效形式,,如軸、齒輪、軸瓦、軸頸、螺栓、帶傳動等。機械零件雖然有多種可能的失效形式，歸納起來最主要的為,武漢科技大學(xué)專用,機械零件失效的實例：,武漢科技大學(xué)專用,失效原因:強度、剛度、耐磨性、振動穩(wěn)定性、溫度等原因。,統(tǒng)計結(jié)果顯示：斷裂僅占4.79%;腐蝕、磨損、疲勞破壞占73.88%。,--主要失效原因。,武漢科技大學(xué)專用,先參照實物（或圖紙）和經(jīng)驗數(shù)據(jù)，初

7、步擬定零件的結(jié)構(gòu)和尺寸，然后再用有關(guān)的判定條件進(jìn)行計算,1、機械零件的設(shè)計計算,三、機械零件的計算,2、機械零件的校核計算,武漢科技大學(xué)專用,四、機械零件的研究方法,一般機械零件教材，對通用機械零件進(jìn)行六個方面的研究。,,,,工作原理,,失效形式,,,,,常用材料,承載能力計算,參數(shù)選取,結(jié)構(gòu)設(shè)計,武漢科技大學(xué)專用,機械零件設(shè)計的一般步驟,1)根據(jù)零件的使用要求，選擇零件的類型和結(jié)構(gòu)。為此，必須對各種零件的不同類型、優(yōu)缺點、特性和使用范圍等，進(jìn)行綜合對比與正確選用。,2)根據(jù)機器的工作要求，計算作用在零件上的載荷。,3)根據(jù)零件的工作條件及對零件的特殊要求(如高溫環(huán)境等)選擇適當(dāng)?shù)牟牧稀?4)

8、根據(jù)零件的失效形式，確定零件的計算準(zhǔn)則，通過計算，確定零件的基本尺寸。,5)根據(jù)工藝性和標(biāo)準(zhǔn)化，進(jìn)行零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。,6)細(xì)節(jié)設(shè)計完成之后，必要時]進(jìn)行詳細(xì)的校核計算，以判定結(jié)構(gòu)的合理性。,7)繪制零件工作圖，并撰寫計算說明書。,武漢科技大學(xué)專用,潘存云教授研制,選擇零件類型、結(jié)構(gòu),零件的設(shè)計流程圖：,武漢科技大學(xué)專用,一、名詞解釋：,9-2機械零件的強度,1、名義載荷：,在理想的平穩(wěn)的工作狀態(tài)下作用在零件上的載荷稱為名義載荷。,2、載荷系數(shù)K：,機器運轉(zhuǎn)時，零件還會受到各種附加載荷，通常引用載荷系數(shù)K的辦法來估計這些因素的影響。,3、計算載荷：,載荷系數(shù)與名義載荷的乘積，稱為計算載荷。,4、

9、名義應(yīng)力：,按照名義載荷用力學(xué)公式求得的應(yīng)力，稱為名義應(yīng)力。,5、計算應(yīng)力：,按照計算載荷求得的壓力，稱為計算應(yīng)力。,武漢科技大學(xué)專用,二、強度條件,比較危險截面處的計算應(yīng)力σ,?是否小于零件材料的許用應(yīng)力[σ]、[?]。,即：,σ≤[σ],?≤[?],[σ]=σlim/S,[?]=?lim/S,σlim?lim分別為極限正應(yīng)力和極限切應(yīng)力。,武漢科技大學(xué)專用,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,1、應(yīng)力的種類,,,,脈動循環(huán)變應(yīng)力,r=0,靜應(yīng)力:σ=常數(shù),變應(yīng)力:σ隨時間變化,平均應(yīng)力:,應(yīng)力幅:,循環(huán)變應(yīng)力,變應(yīng)力的循環(huán)特性:,對稱循環(huán)變應(yīng)力,r=-1,---

10、-脈動循環(huán)變應(yīng)力,----對稱循環(huán)變應(yīng)力,----靜應(yīng)力,,,,σmin,,r=+1,靜應(yīng)力是變應(yīng)力的特例,武漢科技大學(xué)專用,1）靜應(yīng)力下的許用應(yīng)力,2、許用應(yīng)力,即：σ≤[σ],σlim----材料的極限應(yīng)力,脆性材料：σlim=σB(強度極限),塑性材料：σlim=σS(屈服極限),,[σ]=σlim/S,S為大于1的數(shù)，S過大，雖安全但浪費材料；S過小，雖節(jié)省材料，但趨于危險。,2）變應(yīng)力下的許用應(yīng)力,武漢科技大學(xué)專用,潘存云教授研制,a)變應(yīng)力下，零件的損壞形式是疲勞斷裂。,▲疲勞斷裂的最大應(yīng)力遠(yuǎn)比靜應(yīng)力下材料的強度極限低，甚至比屈服極限低;,▲疲勞斷口均表現(xiàn)為無明顯塑性變形的脆性突然

11、斷裂;,▲疲勞斷裂是微觀損傷積累到一定程度的結(jié)果。,不管脆性材料或塑性材料，,,,,,▲零件表層產(chǎn)生微小裂紋；,疲勞斷裂過程：,▲隨著循環(huán)次數(shù)增加，微裂紋逐漸擴展；,,,,,,▲當(dāng)剩余材料不足以承受載荷時，突然脆性斷裂。,疲勞斷裂是與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)(即使用壽命)有關(guān)的斷裂。,疲勞斷裂具有以下特征：,▲斷裂面累積損傷處表面光滑，而折斷區(qū)表面粗糙。,表面光滑,表面粗糙,武漢科技大學(xué)專用,潘存云教授研制,潘存云教授研制,b)s－N疲勞曲線,用參數(shù)σmax表征材料的疲勞極限，通過實驗，可得出如圖所示的疲勞曲線。稱為：,,s－N疲勞曲線,武漢科技大學(xué)專用,潘存云教授研制,由于ND很大，所以在作疲勞試驗時，

12、常規(guī)定一個循環(huán)次數(shù)N0(稱為循環(huán)基數(shù))，用N0及其相對應(yīng)的疲勞極限σr來近似代表ND和σr∞。,,D點以后的疲勞曲線呈一水平線，代表著無限壽命區(qū)其方程為：,實踐證明，機械零件的疲勞大多發(fā)生在CD段。,可用下式描述：,于是有：,,104,103,,武漢科技大學(xué)專用,試驗結(jié)果表明在CD區(qū)間內(nèi)，試件經(jīng)過相應(yīng)次數(shù)的邊應(yīng)力作用之后，總會發(fā)生疲勞破壞。而D點以后，如果作用的變應(yīng)力最大應(yīng)力小于D點的應(yīng)力（σmax<σr），則無論循環(huán)多少次，材料都不會破壞。,潘存云教授研制,我們將N0稱為應(yīng)力循環(huán)基數(shù)。,黑色金屬：N0=106——107,武漢科技大學(xué)專用,c)、σlim——疲勞極限,零件在變載下工作，能長期工

13、作而不發(fā)生疲勞裂紋的極限應(yīng)力值,d)、許用應(yīng)力：,,,,,武漢科技大學(xué)專用,潘存云教授研制,潘存云教授研制,9－3機械零件的接觸強度,如齒輪、凸輪、滾動軸承等。,機械零件中各零件之間的力的傳遞，總是通過兩個零件的接觸形式來實現(xiàn)的。常見兩機械零件的接觸形式為點接觸或線接觸。,武漢科技大學(xué)專用,潘存云教授研制,潘存云教授研制,若兩個零件在受載前是點接觸或線接觸。受載后，由于變形其接觸處為一小面積，通常此面積甚小而表層產(chǎn)生的局部應(yīng)力卻很大，這種應(yīng)力稱為接觸應(yīng)力。這時零件強度稱為接觸強度。,,接觸失效形式常表現(xiàn)為：,疲勞點蝕,后果：減少了接觸面積、損壞了零件的光滑表面、降低了承載能力、引起振動和噪音。

14、,,,,,機械零件的接觸應(yīng)力通常是隨時間作周期性變化的，在載荷重復(fù)作用下，首先在表層內(nèi)約20μm處產(chǎn)生初始疲勞裂紋，然后裂紋逐漸擴展(潤滑油被擠迸裂紋中將產(chǎn)生高壓，使裂紋加快擴展，終于使表層金屬呈小片狀剝落下來，而在零件表面形成一些小坑，這種現(xiàn)象稱為渡勞點蝕。,武漢科技大學(xué)專用,潘存云教授研制,潘存云教授研制,由彈性力學(xué)可知，應(yīng)力為：,對于鋼或鑄鐵取泊松比：μ1=μ2=μ=0.3,則有簡化公式。,上述公式稱為赫茲(HHertz)公式,“+”用于外接觸，“-”用于內(nèi)接觸。,武漢科技大學(xué)專用,潘存云教授研制,σH-------最大接觸應(yīng)力或赫茲應(yīng)力;,b-------接觸長度;,Fn-------

15、作用在圓柱體上的載荷;,-----綜合曲率半徑;,-----綜合彈性模量;E1、E2分別為兩圓柱體的彈性模量。,接觸疲勞強度的判定條件為：,武漢科技大學(xué)專用,,黑色金屬,有色金屬,,鑄鐵,鋼,,金屬材料,一、常用材料,低碳鋼(08F)中碳鋼(45)高碳鋼(60)合金鋼(1Cr18）…,灰鑄鐵(TH300)球墨鑄鐵(QT500-5)…,9-5機械制造常用材料及其選擇,,,鋁合金(LY12),銅合金(ZCuSn10P1),,鑄鐵--灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵等。,特點：良好的液態(tài)流動性，可鑄造成形狀復(fù)雜的零件。較好的減震性、耐磨性、切削性（指灰鑄鐵）、成本低廉。,應(yīng)用：應(yīng)用范圍廣。其中灰

16、鑄鐵最廣、球墨鑄鐵次之。,武漢科技大學(xué)專用,,黑色金屬,有色金屬,,鑄鐵,鋼,,金屬材料,一、常用材料,低碳鋼(08F)中碳鋼(45)高碳鋼(60)合金鋼(1Cr18）…,灰鑄鐵(TH300)球墨鑄鐵(QT500-5)…,,,鋁合金(LY12),銅合金(ZCuSn10P1),,鋼--低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼、合金鋼、結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊鋼(不銹鋼、耐熱鋼、耐酸鋼等)、鑄鋼等。,特點：與鑄鐵相比，鋼具有高的強度、韌性和塑性?？捎脽崽幚矸椒ǜ纳破淞W(xué)性能和加工性能。,9-5機械制造常用材料及其選擇,武漢科技大學(xué)專用,潘存云教授研制,鋼的選用原則：優(yōu)選碳素鋼，其次是硅、錳、硼、釩類合金鋼。,鋼制零件毛

17、坯獲取方法：鍛造、沖壓、焊接、鑄造等。,應(yīng)用：應(yīng)用范圍極其廣泛。,價格便宜且供應(yīng)充分,我國資源豐富,武漢科技大學(xué)專用,,黑色金屬,有色金屬,,鑄鐵,鋼,,金屬材料,低碳鋼(08F)中碳鋼(45)高碳鋼(60)合金鋼(1Cr18）…,灰鑄鐵(TH300)球墨鑄鐵(QT500-5)…,,,鋁合金(LY12),銅合金(ZCuSn10P1),,銅合金,-銅鋅合金，并含有少量的錳、鋁、鎳,特點：具有良好的塑性和液態(tài)流動性。青銅合金還具有良好的減摩性和抗腐蝕性。,青銅,黃銅,軸承合金（巴氏合金）,-含錫青銅、不含錫青銅,,武漢科技大學(xué)專用,零件毛坯獲取方法：輾壓、鑄造。,應(yīng)用：應(yīng)用范圍廣泛。,高分子材料,

18、復(fù)合材料,陶瓷,,非金屬材料,---塑料、橡膠、合成纖維。,---強如鋼、輕如鋁、硬如金剛石。,--強度高、彈性模量大、質(zhì)量輕。,橡膠--橡膠富于彈性，能吸收較多的沖擊能量。常用作聯(lián)軸器或減震器的彈性元件、帶傳動的膠帶等。硬橡膠可用于制造用水潤滑的軸承襯。,塑料--塑料的比重小，易于制成形狀復(fù)雜的零件，而且各種不同塑料具有不同的特點，如耐蝕性、絕熱性、絕緣性、減摩性、摩擦系數(shù)大等，所以近年來在機械制造中其應(yīng)用日益廣泛。,武漢科技大學(xué)專用,▲載荷及應(yīng)力的大小和性質(zhì),▲零件的工作情況,▲零件的結(jié)構(gòu)及加工性,▲材料的經(jīng)濟性,▲零件的尺寸及重量,二、機械零件材料的選用原則,適用于制作機械零件的材料種類

19、非常之多，在設(shè)計機械零件時，如何從各種各樣的材料中選擇出合適的材料，是一項受多方面因素所制約的復(fù)雜的工作。設(shè)計者應(yīng)根據(jù)零件的用途、工作條件和材料的物理、化學(xué)、機械和工藝性能以及經(jīng)濟因素等進(jìn)行全面考慮。,選材的一般原則,,武漢科技大學(xué)專用,脆性材料----只適用于制造在靜載荷下工作的零件；,1.載荷及應(yīng)力的大小和性質(zhì),2.零件的工作情況,--指零件所處的環(huán)境特點、工作溫度、摩擦磨損程度等。,這方面的因素主要是從強度觀點來考慮的，應(yīng)在充分了解材料的機械性能的前提下來進(jìn)行選擇。,金屬材料的性能一般可以通過熱處理加以提高和改善，因此，要充分利用熱處理手段來發(fā)揮材料的潛力。對于常用的調(diào)質(zhì)鋼，由于其回火溫

20、度的不同，可得到機械性能不同的毛坯。,塑性材料----適用于在有沖擊情況下工作的零件。,▲在濕熱環(huán)境下工作的零件，其材料應(yīng)具有良好防腐蝕能力，可選用不銹鋼、銅合金等。,武漢科技大學(xué)專用,零件的尺寸及質(zhì)量的大小與材料的品種及毛坯制取方法有關(guān)。,3.零件的尺寸及重量,▲兩配合零件的線性膨脹系數(shù)不能相差過大，一面在溫度變化時產(chǎn)生過大熱應(yīng)力或使配合松動，另一方面要考慮材料機械性能隨溫度而變化的情況。,▲零件在工作中可能發(fā)生磨損的表面，應(yīng)提高其表面硬度，增加耐磨性，因此應(yīng)選擇淬火鋼、滲碳鋼、氮化鋼。,▲用鑄造材料制造毛坯時，一般可以不受尺寸及質(zhì)量大小的限制；,▲而用鍛造材料制造毛坯時，則須注意鍛壓機械及

21、設(shè)備的生產(chǎn)能力。,▲應(yīng)盡可能選用強重比大的材料，以便減小零件的尺寸和質(zhì)量。,武漢科技大學(xué)專用,▲材料的加工費用;,5.材料的經(jīng)濟性,選材時還應(yīng)考慮到當(dāng)時當(dāng)?shù)夭牧系墓?yīng)狀況。為了簡化供應(yīng)和貯存的材料品種，對于小批制造的零件，應(yīng)盡可能地減少同一部機器上使用的材料品種和規(guī)格。,6.材料的供應(yīng)狀況,材料的經(jīng)濟性主要表現(xiàn)在以下幾方面：▲材料本身的相對價格;,▲材料的利用率;,▲采用組合結(jié)構(gòu);,▲節(jié)約稀有材料。,各種材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能可在相關(guān)國標(biāo)、行標(biāo)和機械設(shè)計手冊中查得。,為了材料供應(yīng)和生產(chǎn)管理上的方便，應(yīng)盡量減少一臺機器所用材料的品種。,武漢科技大學(xué)專用,潘存云教授研制,武漢科技大學(xué)專用,1)產(chǎn)

22、品品種規(guī)格的系列化將同一類產(chǎn)品的主要參數(shù)、型式、尺寸、基本結(jié)構(gòu)等依次分檔，制成系列化產(chǎn)品，以較少的規(guī)格品種滿足用戶的廣泛要求。,定義：標(biāo)準(zhǔn)化就是要通過對零件的尺寸、結(jié)構(gòu)要素、材料性能、設(shè)計方法、制圖要求等，制定出大家共同遵守的標(biāo)準(zhǔn)。,2)零部件的通用化將用途、結(jié)構(gòu)相近的零部件（如軸承、螺栓等），經(jīng)過統(tǒng)一后實現(xiàn)互換；,3)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化要保證產(chǎn)品產(chǎn)品質(zhì)量合格和穩(wěn)定，就必須做好設(shè)計、加工工藝、裝配檢驗、包裝儲運等環(huán)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)化。,9-7機械零件的工藝性及標(biāo)準(zhǔn)化,武漢科技大學(xué)專用,基本特征：統(tǒng)一、簡化。,意義：1)制造上可以實現(xiàn)專業(yè)化大批量生產(chǎn)，既可提高產(chǎn)品質(zhì)量，又能降低成本；,2)設(shè)計方面可減少設(shè)計

23、工作量；,3)管理維修方面可減少庫存量，便于更換損壞的零件。,標(biāo)準(zhǔn)化是組織社會化大生產(chǎn)的重要手段，是實施科學(xué)管理的基礎(chǔ)，也是對產(chǎn)品設(shè)計的基本要求之一。通過標(biāo)準(zhǔn)化的實施，以獲得最佳的社會經(jīng)濟成效。,標(biāo)準(zhǔn)層次：國際標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)代號為：ISOGBJB、HBQB,推薦性標(biāo)準(zhǔn)（GB/T）----鼓勵企業(yè)自愿采用。,標(biāo)準(zhǔn)性質(zhì),強制標(biāo)準(zhǔn)（GB）----必須強制執(zhí)行；,,作為設(shè)計人員，要求必須熟悉現(xiàn)行的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)會查詢和使用標(biāo)準(zhǔn)資料。無論設(shè)計何種產(chǎn)品，必須遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。,武漢科技大學(xué)專用,強制性國家標(biāo)準(zhǔn)：代號為GB(為標(biāo)準(zhǔn)序號)－(為批準(zhǔn)年代)強制性國標(biāo)必須嚴(yán)格遵照執(zhí)行，否則就是違法。,推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)：代號為GB／T－，這類標(biāo)準(zhǔn)占整個國標(biāo)中的絕大多數(shù)。如無特殊理由和特殊需要，必須遵守這些國標(biāo)，以期取得事半功倍的效果。,