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基于模塊化設計原理的機械創新設計

作者:admin 更新時間:2019年03月19日 16:52:03

  [摘要]介紹了機械創新設計的基本原理、模塊和模塊化設計的概念,分析了模塊化設計的特點和過程。通過齒輪減速器功能劃分和模塊庫建立、模塊組裝過程,進一步分析了模塊化方法在機械產品創新設計中的應用,并對減速器創新設計方案進行評價,說明模塊化創新設計獲得了理想結果。


  [關鍵詞]創新設計;模塊化;功能模塊;齒輪減速器


  1機械創新設計


  機械創新設計是在設計中采用新的技術手段、技術原理和非常規的方法進行設計,以滿足市場需求,提高產品的競爭能力。機械創新設計的目標是由所要求的機械出發,改進、完善現有機械或創造發明新機械,實現預期的功能,并使其具有良好的工作品質及經濟性。設計過程充分發揮設計者的創造力,利用已有的相關科學技術理論、方法、原理等進行創新構思,設計具有新穎性、創造性及實用性的機械產品。創新設計的內容含義很廣泛,它包括現代設計的所有內容:并行設計、智能設計、模糊設計、反求設計、納米技術、模塊化設計等。


  2模塊化在機械創新設計中的作用


  2.1模塊及模塊化的概念。模塊是一組具有同一功能和結合要素(指聯接部位的形狀、尺寸、聯接件間的配合或嚙合等),但性能、規格或結構不同卻能互換的單元。模塊化設計是將產品中同一功能的單元設計成具有不同性能,可以互換的模塊,選用不同模塊,即可組成不同類型、不同規格的產品。模塊化設計的原則是:力求以少數模塊組成盡可能多的產品,并在滿足用戶要求的基礎上使產品精度高、性能穩定、結構簡單、成本低廉。


  2.2模塊化設計的特點。模塊化設計在技術上和經濟上都具有明顯的特點,經理論分析和實踐證明,其優越性主要體現在下述幾個方面:(1)容易實現局部更新,產品更新換代快;(2)只需更換部分模塊,或設計、制造個別模塊即可更新產品,縮短了設計和制造周期;(3)同一模塊可以用于數種產品,降低了生產成本;(4)模塊互換性強,便于維修;(5)功能劃分和模塊設計保證了機械的性能,產品穩定可靠;(6)適用于小批量生產。


  2.3模塊化設計過程。模塊化設計分為兩個不同層次,第一個層次為系列模塊化產品研制過程,如圖1所示。第二個層次為單個產品的模塊化設計,如圖2所示。總的說來,模塊化設計遵循一般技術系統的設計步驟,但比后者更復雜,要每個零部件都能實現更多的部分功能。


  2.4模塊化與創新設計。模塊化設計是一種先進的設計方法,它的核心思想是將系統根據功能分解為若干模塊,通過模塊的不同組合,可以得到不同的品種、不同規格的產品。它能與CAD技術、成組技術、柔性加工技術等先進技術密切聯系起來,應用到實際產品的設計和制造之中。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計的方法應用到塔機產品的開發過程中,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,經過選擇理論上可組合成4萬多種不同性能的回轉塔機。美國Case公司將模塊化設計方法應用于小型裝載機產品上,在發動機功率為13.2~44.1kW的范圍內,開發出30多種基型和變型的產品。近年來,我國的工程技術人員和專家學者也將機械系統的模塊化應用于各種機械創新設計之中。


  3模塊化設計的應用舉例


  齒輪減速器在現代機械中應用非常廣泛,隨著市場經濟的發展和減速器市場的變化,用戶對減速器的的需求呈現出差異而多變,這迫使企業跟隨用戶采用多品種、小批量的生產方式,按訂單組織生產。同時,面對瞬息萬變的市場環境,更要求企業不斷地開發新產品,以吸引顧客,這樣才能保證企業在競爭環境中立于不敗之地。通過減速器的模塊化設計的實施,可以使企業具備從捕捉產品信息到及時投放市場的全面快速響應能力。


  3.1市場調研和參數范圍的確定


  經市場調研,確定齒輪減速器參數系列見表1。


  3.2減速器的模塊劃分。模塊劃分的出發點是功能分析。根據產品的總功能分解為分功能、功能元,求相應的功能載體(功能模塊),然后具體化成加工單元(生產模塊)。減速器的總功能可用圖3所示的黑箱來進行分析。根據減速器的工作要求,可知


  式中,n2為輸出轉速;n1為輸入轉速;T2輸出轉矩;T1輸入轉矩。由式(1)可知,減速器的總功能為降速增矩,功能分析如圖4所示。在功能分解的基礎上建立功能模塊系統,如圖5所示。


  3.3減速器主要模塊設計。(1)箱體模塊:中心距相同而速比不同的二級、三級減速器可采用相同箱體模塊,只是二級傳動時,原箱體高速級孔不需要鏜出或用悶蓋封死。當輸入軸與輸出軸需要垂直,高速級采用圓錐齒輪傳動時,同樣可使用原基本箱體,只需要在輸入端增加側蓋即可。為了增加減速器安裝的靈活性,以適應各種不同的安裝場合,在箱體的上下、前后、軸向端面分別設置安裝平面和安裝孔,箱體就可以實現4種方位的安裝方式:臥式和立式各兩種。


  (2)齒輪模塊:在具體確定各級傳動齒輪的技術參數時,應盡可能提高各系列箱體之間齒輪的互換程度,除了用于相同中心距和速比的傳動齒輪互換外,不同中心距和速比的傳動齒輪也應能實現一定的互換比例。為了實現標準中心距,齒輪應采用角度變位,具體幾何尺寸參數需要進一步優化。另外以單級齒輪為基礎模塊,二級、三級傳動齒輪從單級齒輪模塊中選取,盡量減少齒輪品種提高通用化程度。


  (3)軸模塊:軸模塊的設計主要是根據軸和其它零部件如軸承、密封圈等之間的裝配關系確定,不同傳動比盡可能選用結構尺寸相同的軸,即使軸的其他尺寸不同,裝軸承處的直徑和該段長度應盡量相同,以便于軸承、端蓋密封等模塊的通用。


  3.4設計結果


  模塊化齒輪減速器是由箱體、齒輪、軸、軸承、端蓋等通用模塊和較少數量專用模塊所組成。通用模塊可事先規劃設計并可成批進行制造。當用戶需要一臺新的齒輪減速器時,只需設計制造其中的專用零部件,然后與現有的通用模塊和外購標準件采用搭積木的方法組裝在一起即可。這種模塊化減速器產品具有很大適應性和靈活性,且有設計周期短、制造成本低等一系列優點,使其在市場上具有很強的競爭力。


  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計的1252對齒輪所組成的減速器。模塊化設計的減速器只需3種箱體。表2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主要零部件的通用化程度較高,降低了成本,且便于管理。


  4結語


  機械創新設計是一項反復實踐,不斷深化、完善的過程。通過大量的產品設計實踐,模塊化設計方法應


  用于齒輪減速器的創新設計,獲得較理想的設計結果。例如,比利時的Hansen專利模塊化速器系列,其基本模塊為17對弧齒錐齒輪和28對螺旋齒圓柱輪,由此組成的減速器可以具有2320種的傳動比。另外,模塊化系統也進行著新陳代謝,一些優良的新模塊不斷補充進去,一些設計不良的模塊連續被替代和淘汰,以此不斷豐富和發展模塊系列提高模塊化的通用程度。

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