模塊化系列機械產(chǎn)品的設(shè)計是工業(yè)發(fā)達國家近二十年來一直采用的一種先進的機械產(chǎn)品設(shè)計方法，它將系統(tǒng)根據(jù)功能分解為若干模塊，通過模塊的不同組合得到不同品種和不同規(guī)格的產(chǎn)品。在實際機械產(chǎn)品的設(shè)計與制造時，模塊化系列機械產(chǎn)品的設(shè)計還應用了CAD技術(shù)、成組技術(shù)，柔性加工技術(shù)等先進技術(shù)，可將產(chǎn)品中同一功能的單元設(shè)計成具有不同性能、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械產(chǎn)品的設(shè)計，因此產(chǎn)品的精度高、性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉。顯然，為了保證模塊的互換，必須提高其標準化、通用化和規(guī)格化的程度。
早在20世紀70年代，法國的Potain公司、瑞典的Linden公司以及德國的Liebherr公司等就將模塊化設(shè)計的方法應用到塔機產(chǎn)品的開發(fā)過程中，用有限的模塊組合成適用于各種具體施工需要的塔機。例如，瑞典的Linden公司采用61個標準模塊和一些非模塊零部件，經(jīng)過選擇理論上可組合成4萬多種不同性能的回轉(zhuǎn)塔機。美國Case公司將模塊化設(shè)計方法應用于小型裝載機產(chǎn)品上，在發(fā)動機功率為13.2～44.1kW的范圍內(nèi)，開發(fā)出30多種基型和變型的產(chǎn)品。近年來，我國的工程技術(shù)人員和專家學者也將機械系統(tǒng)的模塊化應用于各種機械設(shè)計之中，齒輪減速器的模塊化設(shè)計就是其中比較成功的例子。本文以齒輪減速器（下文簡稱減速器）為例，介紹模塊化系列機械產(chǎn)品設(shè)計的原理、模塊化設(shè)計的分類、模塊的劃分與組合及模塊化設(shè)計的步驟。
1 減速器模塊化設(shè)計的原理
減速器是機器的動力模塊與執(zhí)行模塊之間的獨立機械傳動裝置，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，如軸上傳動零件、軸承、聯(lián)軸器、軸承蓋、箱體等。通常的減速器設(shè)計，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）對每個零件進行設(shè)計或選用。這種設(shè)計方法的缺點是設(shè)計和制造的工作量大、重復勞動生產(chǎn)率低和生產(chǎn)周期長，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。事實上，對于主參數(shù)不同但很接近的減速器，按同一規(guī)格設(shè)計和制造反而會獲得更好的技術(shù)經(jīng)濟綜合指標。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，沒有必要另行設(shè)計和制造。因此，如何對不同主參數(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行有機結(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題。
減速器的模塊化設(shè)計，就是對各種不同規(guī)格品種的減速器進行功能的分析和劃分、進而設(shè)計出一系列功能模塊，并通過對這些功能模塊的選擇和組合來構(gòu)成不同的減速器，以適應市場的需求。
減速器的規(guī)格品種繁多，國外已有一些廠家成功地進行了減速器的模塊化設(shè)計。例如，比利時的Hansen專利模塊化減速器系列，其基本模塊為17對弧齒錐齒輪和28對螺旋齒圓柱齒輪，由此組成的減速器可以具有2320種的傳動比。
2 減速器模塊化設(shè)計的分類
減速器的模塊化設(shè)計與其它產(chǎn)品的模塊化設(shè)計一樣，可以分為橫系列模塊化設(shè)計、縱系列模塊化設(shè)計、跨系列模塊化設(shè)計和全系列模塊化設(shè)計四類。
減速器的橫系列模塊化設(shè)計是在某種規(guī)格的基型減速器基礎(chǔ)上，通過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)計的特點是通用模塊多，專用模塊少，同一橫系列減速器所需模塊種類少，易于實現(xiàn)模塊化設(shè)計。
減速器的縱系列模塊化設(shè)計是對不同規(guī)格的同一類型的基型減速器進行的模塊化設(shè)計，這種設(shè)計適用于不同主參數(shù)的減速器。在通常設(shè)計中，若主參數(shù)（尤其是動力參數(shù)如功率、轉(zhuǎn)矩等）不同，則設(shè)計的主要零部件的結(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)計成相同的通用模塊，則為了滿足強度和剛度的需要，勢必造成材料的浪費和結(jié)構(gòu)的龐大。為了克服上述的缺點，可以對與動力主參數(shù)有關(guān)的模塊，采用分段通用的方法進行設(shè)計；而對與動力主參數(shù)無關(guān)的模塊，盡量接通用模塊進行設(shè)計。與橫系列模塊化設(shè)計相比，縱系列模塊化設(shè)計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)計難度大。
通常，人們綜合了橫系列模塊化設(shè)計和縱系列模塊化設(shè)計的長處，在橫系列模塊化設(shè)計的基礎(chǔ)上兼顧了縱系列模塊化設(shè)計，形成既有橫系列又有縱系列的跨系列模塊化設(shè)計。當跨系列模塊化設(shè)計應用于全部系列范圍的模塊化設(shè)計時，就稱為全系列模塊化設(shè)計。
在四種模塊化設(shè)計中，全系列模塊化設(shè)計覆蓋了同類產(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)計中的重要問題之一。如何合理地劃分模塊，是模塊化產(chǎn)品設(shè)計的關(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，可以滿足對產(chǎn)品各種功能、性能的需要，提高整個模塊化系統(tǒng)的柔性。一般設(shè)計時應從產(chǎn)品系統(tǒng)的整體出發(fā)，對功能、性能和成本諸方面進行全面分析，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）�；灸K是加工單元，是實際使用時拼裝組合的模塊，可以是部件、組件或零件。
一般應用時常以部件作為基本模塊。例如，工程機械中的底盤部件、發(fā)動機部件、駕駛室部件、制動器部件，機床中的主軸箱部件、夾緊裝置等，它們都是基本模塊。應該指出，這些部件既是基本模塊，又因直接承擔一定的功能，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)往往過大，這就導致了可實現(xiàn)方案數(shù)的減少，且更換模塊時成本增加了。
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Hansen公司的專利減速器系列的2320種傳動比，就是由45對齒輪和8種箱體組合而成的。德國馬格公司生產(chǎn)橋式起重機中的吊鉤，通過改變吊鉤的材料，使每一種型號的吊鉤具有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，近年來提出了分級模塊的思想，即把模塊分成不同的級別，低一級模塊組合便成為高一級模塊。顯然，低級模塊的結(jié)構(gòu)簡單，因此更容易地實現(xiàn)標準化，并且可以靈活地組合，從而提供更多的解決方案，簡化設(shè)計過程。例如，將承擔同一功能的超重機架分為長度較短的若干“節(jié)”，這樣，不僅便于制造、運輸，而且能方便地組合成不同長度的機架。
4 減速器模塊化設(shè)計的步驟
在減速器的模塊化設(shè)計前，應做好市場調(diào)研與用戶訪問工作，并根據(jù)市場需要，科學地制定產(chǎn)品的發(fā)展規(guī)劃。
減速器模塊化設(shè)計的步驟可用圖2所示的框圖表示，由于篇幅所限，本文只能作一些簡單的說明。
圖2 減速器模塊化設(shè)計的步驟框圖
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，這時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
包括基型設(shè)計、箱體模塊設(shè)計、軸的模塊設(shè)計，校核計算和完成基型的結(jié)構(gòu)裝配圖等。
4.3 擴展系列設(shè)計
包括橫系列設(shè)計、縱系列設(shè)計等（具體內(nèi)容可參考《機械設(shè)計》）。
4.4 全系列模塊設(shè)計
對全系列產(chǎn)品減速器的主要尺寸及其參數(shù)進行必要的調(diào)整和標準化處理，以提高模塊化程度。例如，對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，則可通過改變螺栓的個數(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)計結(jié)果
采用112對斜齒圓柱齒輪和70對錐齒輪作為基型進行模塊化設(shè)計，可組成332種平行軸和220種相交軸傳動的減速器，它可代替非模塊化設(shè)計的1252對齒輪所組成的減速器。模塊化設(shè)計的減速器只需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
應該指出，由于減速器模塊化設(shè)計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，標明各產(chǎn)品和模塊組的組成及制造和驗收條件等。
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