模塊化系列機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家近二十年來(lái)一直采用的一種先進(jìn)的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，它將系統(tǒng)根據(jù)功能分解為若干模塊，通過(guò)模塊的不同組合得到不同品種和不同規(guī)格的產(chǎn)品。在實(shí)際機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造時(shí)，模塊化系列機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)還應(yīng)用了CAD技術(shù)、成組技術(shù)，柔性加工技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，可將產(chǎn)品中同一功能的單元設(shè)計(jì)成具有不同性能、可以互換的模塊，而選用不同模塊，就可組成不同類型、不同規(guī)格的產(chǎn)品。由于采用了模塊化系列機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，因此產(chǎn)品的精度高、性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉。顯然，為了保證模塊的互換，必須提高其標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和規(guī)格化的程度。

    早在20世紀(jì)70年代，法國(guó)的Potain公司、瑞典的Linden公司以及德國(guó)的Liebherr公司等就將模塊化設(shè)計(jì)的方法應(yīng)用到塔機(jī)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，用有限的模塊組合成適用于各種具體施工需要的塔機(jī)。例如，瑞典的Linden公司采用61個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊和一些非模塊零部件，經(jīng)過(guò)選擇理論上可組合成4萬(wàn)多種不同性能的回轉(zhuǎn)塔機(jī)。美國(guó)Case公司將模塊化設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于小型裝載機(jī)產(chǎn)品上，在發(fā)動(dòng)機(jī)功率為13.2～44.1kW的范圍內(nèi)，開(kāi)發(fā)出30多種基型和變型的產(chǎn)品。近年來(lái)，我國(guó)的工程技術(shù)人員和專家學(xué)者也將機(jī)械系統(tǒng)的模塊化應(yīng)用于各種機(jī)械設(shè)計(jì)之中，齒輪減速器的模塊化設(shè)計(jì)就是其中比較成功的例子。本文以齒輪減速器（下文簡(jiǎn)稱減速器）為例，介紹模塊化系列機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的原理、模塊化設(shè)計(jì)的分類、模塊的劃分與組合及模塊化設(shè)計(jì)的步驟。

1 減速器模塊化設(shè)計(jì)的原理

    減速器是機(jī)器的動(dòng)力模塊與執(zhí)行模塊之間的獨(dú)立機(jī)械傳動(dòng)裝置，它起到降低轉(zhuǎn)速和增大轉(zhuǎn)矩的作用。減速器由許多零件組成，如軸上傳動(dòng)零件、軸承、聯(lián)軸器、軸承蓋、箱體等。通常的減速器設(shè)計(jì)，是根據(jù)減速器的主參數(shù)（如輸入功率與轉(zhuǎn)速，輸出功率與轉(zhuǎn)速等）對(duì)每個(gè)零件進(jìn)行設(shè)計(jì)或選用。這種設(shè)計(jì)方法的缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)和制造的工作量大、重復(fù)勞動(dòng)生產(chǎn)率低和生產(chǎn)周期長(zhǎng)，且零件的加工質(zhì)量難以一致，因此減速器的性能差別很大。事實(shí)上，對(duì)于主參數(shù)不同但很接近的減速器，按同一規(guī)格設(shè)計(jì)和制造反而會(huì)獲得更好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合指標(biāo)。此外，在不同主參數(shù)的減速器中，許多零件或組件是可以通用的，沒(méi)有必要另行設(shè)計(jì)和制造。因此，如何對(duì)不同主參數(shù)的各種減速器確定這些通用的零件、組件或某些非通用的零件、組件，并且將這些零件或組件進(jìn)行有機(jī)結(jié)合以構(gòu)成不同主參數(shù)的各種減速器，這就是減速器的模塊化所要解決的主要問(wèn)題。

    減速器的模塊化設(shè)計(jì)，就是對(duì)各種不同規(guī)格品種的減速器進(jìn)行功能的分析和劃分、進(jìn)而設(shè)計(jì)出一系列功能模塊，并通過(guò)對(duì)這些功能模塊的選擇和組合來(lái)構(gòu)成不同的減速器，以適應(yīng)市場(chǎng)的需求。

    減速器的規(guī)格品種繁多，國(guó)外已有一些廠家成功地進(jìn)行了減速器的模塊化設(shè)計(jì)。例如，比利時(shí)的Hansen專利模塊化減速器系列，其基本模塊為17對(duì)弧齒錐齒輪和28對(duì)螺旋齒圓柱齒輪，由此組成的減速器可以具有2320種的傳動(dòng)比。

2 減速器模塊化設(shè)計(jì)的分類

    減速器的模塊化設(shè)計(jì)與其它產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)一樣，可以分為橫系列模塊化設(shè)計(jì)、縱系列模塊化設(shè)計(jì)、跨系列模塊化設(shè)計(jì)和全系列模塊化設(shè)計(jì)四類。

    減速器的橫系列模塊化設(shè)計(jì)是在某種規(guī)格的基型減速器基礎(chǔ)上，通過(guò)增減或變更某些特殊功能的模塊，得到所需的不同的變型減速器。顯然，由此獲得的各種變型減速器的主要參數(shù)（尤其是動(dòng)力參數(shù)）相同，不同之處僅在于某些功能、結(jié)構(gòu)和布局。橫系列模塊化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是通用模塊多，專用模塊少，同一橫系列減速器所需模塊種類少，易于實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)。

    減速器的縱系列模塊化設(shè)計(jì)是對(duì)不同規(guī)格的同一類型的基型減速器進(jìn)行的模塊化設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)適用于不同主參數(shù)的減速器。在通常設(shè)計(jì)中，若主參數(shù)（尤其是動(dòng)力參數(shù)如功率、轉(zhuǎn)矩等）不同，則設(shè)計(jì)的主要零部件的結(jié)構(gòu)或尺寸也就不同。如果把不同主參數(shù)的減速器的零件或組件設(shè)計(jì)成相同的通用模塊，則為了滿足強(qiáng)度和剛度的需要，勢(shì)必造成材料的浪費(fèi)和結(jié)構(gòu)的龐大。為了克服上述的缺點(diǎn)，可以對(duì)與動(dòng)力主參數(shù)有關(guān)的模塊，采用分段通用的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)；而對(duì)與動(dòng)力主參數(shù)無(wú)關(guān)的模塊，盡量接通用模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。與橫系列模塊化設(shè)計(jì)相比，縱系列模塊化設(shè)計(jì)可以得到各種主參數(shù)的減速器，但其通用模塊少，專用模塊多，模塊通用化程度低，模塊化設(shè)計(jì)難度大。

    通常，人們綜合了橫系列模塊化設(shè)計(jì)和縱系列模塊化設(shè)計(jì)的長(zhǎng)處，在橫系列模塊化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上兼顧了縱系列模塊化設(shè)計(jì)，形成既有橫系列又有縱系列的跨系列模塊化設(shè)計(jì)。當(dāng)跨系列模塊化設(shè)計(jì)應(yīng)用于全部系列范圍的模塊化設(shè)計(jì)時(shí)，就稱為全系列模塊化設(shè)計(jì)。

    在四種模塊化設(shè)計(jì)中，全系列模塊化設(shè)計(jì)覆蓋了同類產(chǎn)品的全部規(guī)格品種，因此所需的模塊種類最多，模塊化復(fù)雜程度和難度最大。

3 減速器模塊的劃分與組合

    減速器模塊的劃分是模塊化設(shè)計(jì)中的重要問(wèn)題之一。如何合理地劃分模塊，是模塊化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。模塊種類少，通用化程度高，加工批量大，可以降低成本。模塊種類多，可以滿足對(duì)產(chǎn)品各種功能、性能的需要，提高整個(gè)模塊化系統(tǒng)的柔性。一般設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從產(chǎn)品系統(tǒng)的整體出發(fā)，對(duì)功能、性能和成本諸方面進(jìn)行全面分析，才能合理確定模塊的種類和數(shù)量。

    劃分模塊的出發(fā)點(diǎn)是功能分析。功能分析就是根據(jù)產(chǎn)品的總功能分解為分功能、功能元，劃分相應(yīng)的功能模塊，再具體確定生產(chǎn)模塊。功能模塊的分類如圖1所示。

圖1 功能模塊的分類

    生產(chǎn)模塊是在功能模塊的基礎(chǔ)上，根據(jù)具體的生產(chǎn)條件確定的加工模塊（基本模塊）�；�本模塊是加工單元，是實(shí)際使用時(shí)拼裝組合的模塊，可以是部件、組件或零件。

    一般應(yīng)用時(shí)常以部件作為基本模塊。例如，工程機(jī)械中的底盤(pán)部件、發(fā)動(dòng)機(jī)部件、駕駛室部件、制動(dòng)器部件，機(jī)床中的主軸箱部件、夾緊裝置等，它們都是基本模塊。應(yīng)該指出，這些部件既是基本模塊，又因直接承擔(dān)一定的功能，因此也是功能模塊。部件作為基本模塊，可以使模塊具有較高的獨(dú)立性和完整性，便于組合與分離，因此裝配質(zhì)量容易得到保證，且便于生產(chǎn)管理。但是，模塊組合的結(jié)構(gòu)往往過(guò)大，這就導(dǎo)致了可實(shí)現(xiàn)方案數(shù)的減少，且更換模塊時(shí)成本增加了。

    組件可以使部件有不同的功能和性能。例如，搖臂鉆床的主軸箱，變換其中的齒輪傳動(dòng)軸系組件，可得到6種不同的轉(zhuǎn)速范圍。

    零件作為生產(chǎn)模塊，具有更火的靈活性。例如，比利時(shí)Hansen公司的專利減速器系列的2320種傳動(dòng)比，就是由45對(duì)齒輪和8種箱體組合而成的。德國(guó)馬格公司生產(chǎn)橋式起重機(jī)中的吊鉤，通過(guò)改變吊鉤的材料，使每一種型號(hào)的吊鉤具有5種起重量，這樣就可以減少零件的種類。

    為了更好地發(fā)展模塊化設(shè)計(jì)，近年來(lái)提出了分級(jí)模塊的思想，即把模塊分成不同的級(jí)別，低一級(jí)模塊組合便成為高一級(jí)模塊。顯然，低級(jí)模塊的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此更容易地實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，并且可以靈活地組合，從而提供更多的解決方案，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程。例如，將承擔(dān)同一功能的超重機(jī)架分為長(zhǎng)度較短的若干“節(jié)”，這樣，不僅便于制造、運(yùn)輸，而且能方便地組合成不同長(zhǎng)度的機(jī)架。

4 減速器模塊化設(shè)計(jì)的步驟

    在減速器的模塊化設(shè)計(jì)前，應(yīng)做好市場(chǎng)調(diào)研與用戶訪問(wèn)工作，并根據(jù)市場(chǎng)需要，科學(xué)地制定產(chǎn)品的發(fā)展規(guī)劃。

    減速器模塊化設(shè)計(jì)的步驟可用圖2所示的框圖表示，由于篇幅所限，本文只能作一些簡(jiǎn)單的說(shuō)明。

圖2 減速器模塊化設(shè)計(jì)的步驟框圖

    4.1 根據(jù)減速器的主要參數(shù)確定其系列型譜

    在減速器的模塊化設(shè)計(jì)中，首先根據(jù)它的主要參數(shù)確定其系列型譜。例如，欲要設(shè)計(jì)中小功率的通用齒輪減速器系列，要求滿足平行軸及相交軸的傳動(dòng)，這時(shí)可確定其系列型譜如圖3所示，它包含12種的裝配形式。

圖3 減速器的裝配形式

    4.2 技術(shù)設(shè)計(jì)

    包括基型設(shè)計(jì)、箱體模塊設(shè)計(jì)、軸的模塊設(shè)計(jì)，校核計(jì)算和完成基型的結(jié)構(gòu)裝配圖等。

    4.3 擴(kuò)展系列設(shè)計(jì)

    包括橫系列設(shè)計(jì)、縱系列設(shè)計(jì)等（具體內(nèi)容可參考《機(jī)械設(shè)計(jì)》）。

    4.4 全系列模塊設(shè)計(jì)

    對(duì)全系列產(chǎn)品減速器的主要尺寸及其參數(shù)進(jìn)行必要的調(diào)整和標(biāo)準(zhǔn)化處理，以提高模塊化程度。例如，對(duì)于不同中心距的減速器，若其輸出軸的直徑相近，最好取成同一圓整的數(shù)，以便于聯(lián)軸器的通用。又如，減速囂的端蓋的尺寸應(yīng)盡量歸類為少數(shù)幾種模塊，而端蓋上的聯(lián)接螺栓的受力不同，則可通過(guò)改變螺栓的個(gè)數(shù)而不是改變螺栓的大小加以解決。因此，可選用相同規(guī)格的螺栓，以減少螺栓的種類。

    4.5 設(shè)計(jì)結(jié)果

    采用112對(duì)斜齒圓柱齒輪和70對(duì)錐齒輪作為基型進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，可組成332種平行軸和220種相交軸傳動(dòng)的減速器，它可代替非模塊化設(shè)計(jì)的1252對(duì)齒輪所組成的減速器。模塊化設(shè)計(jì)的減速器只需3種箱體。表l為減速器模塊化系列中的主要零部件的通用化程度。由該表可知，減速器模塊化系列中的豐要零部件的通用化程度較高，這就降低了成本，且便于管理。

表1  減速器模塊化系列中的主要零部件的通用化程度

    應(yīng)該指出，由于減速器模塊化設(shè)計(jì)中的模塊不直接與產(chǎn)品聯(lián)系，因此必須要做好技術(shù)文件的編制工作。技術(shù)文件的編制主要包括：編制模塊組合與配置各類產(chǎn)品的關(guān)系表，其中包括全系列的模塊種類及各產(chǎn)品使用的模塊種類和數(shù)量；編制所有產(chǎn)品的模塊組和模塊目錄表，標(biāo)明各產(chǎn)品和模塊組的組成及制造和驗(yàn)收條件等。

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