基于模块化设计原理的机械创新设计

基于模块化设计原理的机械创新设计

［摘要］介绍了机械创新设计的基本原理、模块和模块化设计的概念，分析了模块化设计的特点和过程。通过齿轮减速器功能划分和模块库建立、模块组装过程，进一步分析了模块化方法在机械产品创新设计中的应用，并对减速器创新设计方案进行评价，说明模块化创新设计获得了理想结果。

［关键词］创新设计；模块化；功能模块；齿轮减速器

1 机械创新设计

机械创新设计是在设计中采用新的技术手段、技术原理和非常规的方法进行设计，以满足市场需求，提高产品的竞争能力。机械创新设计的目标是由所要求的机械出发，改进、完善现有机械或创造发明新机械，实现预期的功能，并使其具有良好的工作品质及经济性。设计过程充分发挥设计者的创造力，利用已有的相关科学技术理论、方法、原理等进行创新构思，设计具有新颖性、创造性及实用性的机械产品。创新设计的内容含义很广泛,它包括现代设计的所有内容：并行设计、智能设计、模糊设计、反求设计、纳米技术、模块化设计等。

2 模块化在机械创新设计中的作用

2.1 模块及模块化的概念。模块是一组具有同一功能和结合要素(指联接部位的形状、尺寸、联接件间的配合或啮合等)，但性能、规格或结构不同却能互换的单元。模块化设计是将产品中同一功能的单元设计成具有不同性能，可以互换的模块，选用不同模块，即可组成不同类型、不同规格的产品。模块化设计的原则是：力求以少数模块组成尽可能多的产品，并在满足用户要求的基础上使产品精度高、性能稳定、结构简单、成本低廉。

2.2 模块化设计的特点。模块化设计在技术上和经济上都具有明显的特点，经理论分析和实践证明,其优越性主要体现在下述几个方面：（1）容易实现局部更新，产品更新换代快；（2）只需更换部分模块，或设计、制造个别模块即可更新产品，缩短了设计和制造周期；（3）同一模块可以用于数种产品，降低了生产成本；（4）模块互换性强，便于维修；（5）功能划分和模块设计保证了机械的性能，产品稳定可靠；（6）适用于小批量生产。

2.3模块化设计过程。模块化设计分为两个不同层次，第一个层次为系列模块化产品研制过程，如图1所示。第二个层次为单个产品的模块化设计，如图2所示。总的说来，模块化设计遵循一般技术系统的设计步骤，但比后者更复杂，要每个零部件都能实现更多的部分功能。

2.4 模块化与创新设计。模块化设计是一种先进的设计方法，它的核心思想是将系统根据功能分解为若干模块，通过模块的不同组合，可以得到不同的品种、不同规格的产品。它能与CAD技术、成组技术、柔性加工技术等先进技术密切联系起来，应用到实际产品的设计和制造之中。早在20世纪70年代，法国的Potain公司、瑞典的Linden公司以及德国的Liebherr公司等就将模块化设计的方法应用到塔机产品的开发过程中，用有限的模块组合成适用于各种具体施工需要的塔机。例如，瑞典的Linden公司采用61个标准模块和一些非模块零部件，经过选择理论上可组合成4万多种不同性能的回转塔机。美国Case公司将模块化设计方法应用于小型装载机产品上，在发动机功率为1

3.2～4

4.1kW 的范围内，开发出30多种基型和变型的产品。近年来，我国的工程技术人员和专家学者也将机械系统的模块化应用于各种机械创新设计之中。

3 模块化设计的应用举例

齿轮减速器在现代机械中应用非常广泛，随着市场经济的发展和减速器市场的变化，用户对减速器的的需求呈现出差异而多变，这迫使企业跟随用户采用多品种、小批量的生产方式，按订单组织生产。同时，面对瞬息万变的市场环境，更要求企业不断地开发新产品，以吸引顾客，这样才能保证企业在竞争环境中立于不败之地。通过减速器的模块化设计的实施，可以使企业具备从捕捉产品信息到及时投放市场的全面快速响应能力。

3.1市场调研和参数范围的确定

经市场调研，确定齿轮减速器参数系列见表1。

3.2减速器的模块划分。模块划分的出发点是功能分析。根据产品的总功能分解为分功能、功能元，求相应的功能载体（功能模块），然后具体化成加工单元（生产模块）。减速器的总功能可用图3所示的黑箱来进行分析。根据减速器的工作要求，可知

式中，n2为输出转速；n1为输入转速；T2输出转矩；T1输入转矩。由

式（1）可知，减速器的总功能为降速增矩，功能分析如图4所示。在功能分解的基础上建立功能模块系统，如图5所示。

3.3 减速器主要模块设计。(1) 箱体模块：中心距相同而速比不同的二级、三级减速器可采用相同箱体模块，只是二级传动时，原箱体高速级孔不需要镗出或用闷盖封死。当输入轴与输出轴需要垂直，高速级采用圆锥齿轮传动时，同样可使用原基本箱体，只需要在输入端增加侧盖即可。为了增加减速器安装的灵活性，以适应各种不同的安装场合，在箱体的上下、前后、轴向端面分别设置安装平面和安装孔，箱体就可以实现4种方位的安装方式：卧式和立式各两种。

(2) 齿轮模块：在具体确定各级传动齿轮的技术参数时，应尽可能提高各系列箱体之间齿轮的互换程度，除了用于相同中心距和速比的传动齿轮互换外，不同中心距和速比的传动齿轮也应能实现一定的互换比例。为了实现标准中心距，齿轮应采用角度变位，具体几何尺寸参数需要进一步优化。另外以单级齿轮为基础模块，二级、三级传动齿轮从单级齿轮模块中选取，尽量减少齿轮品种提高通用化程度。

(3) 轴模块：轴模块的设计主要是根据轴和其它零部件如轴承、密封圈等之间的装配关系确定，不同传动比尽可能选用结构尺寸相同的轴，即使轴的其他尺寸不同，装轴承处的直径和该段长度应尽量相同，以便于轴承、端盖密封等模块的通用。

3.4 设计结果

模块化齿轮减速器是由箱体、齿轮、轴、轴承、端盖等通用模块和较少数量专用模块所组成。通用模块可事先规划设计并可成批进行制造。当用户需要一台新的齿轮减速器时,只需设计制造其中的专用零部件,然后与现有的通用模块和外购标准件采用搭积木的方法组装在一起即可。这种模块化减速器产品具有很大适应性和灵活性,且有设计周期短、制造成本低等一系列优点,使其在市场上具有很强的竞争力。

采用112对斜齿圆柱齿轮和70对锥齿轮作为基型进行模块化设计，可组成332种平行轴和220 种相交轴传动的减速器，它可代替非模块化设计的1252 对齿轮所组成的减速器。模块化设计的减速器只需3种箱体。表2为减速器模块化系列中的主要零部件的通用化程度。由该表可知，减速器模块化系列中的主要零部件的通用化程度较高，降低了成本，且便于管理。

4 结语