杜海彬，張長(zhǎng)軍，張勇，張華瑾，馬俊，懷玉蘭，王玉，高桂仙（河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北邢臺(tái) 054000）

0 引言

設(shè)計(jì)開發(fā)了一款帶式輸送機(jī)上圓柱齒輪減速器設(shè)計(jì)計(jì)算軟件。以滿足工程中快速設(shè)計(jì)減速器為出發(fā)點(diǎn)，根據(jù)圓柱齒輪減速器一般手工設(shè)計(jì)計(jì)算流程，采用設(shè)計(jì)人員都比較熟悉的EXCEL軟件作為開發(fā)平臺(tái)，將繁雜的手工設(shè)計(jì)計(jì)算與EXCEL高效準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)處理能力有效結(jié)合，將圓柱齒輪減速器的設(shè)計(jì)計(jì)算過程化繁為簡(jiǎn)，可有效提高設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)效率、設(shè)計(jì)靈活度，整個(gè)軟件操作簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)[1]。

1 圓柱齒輪減速器設(shè)計(jì)計(jì)算流程分析

圓柱齒輪減速器設(shè)計(jì)過程主要包含齒輪、高速軸、低速軸、鍵連接、軸承、箱體等零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算。雖然不同功率、不同工況所需設(shè)計(jì)出的圓柱齒輪減速器是不同的，但是其主要設(shè)計(jì)流程是一樣的，只需實(shí)際設(shè)計(jì)中根據(jù)功率和工況選擇合適的參數(shù)即可。圓柱齒輪減速器的主要設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 圓柱齒輪減速器設(shè)計(jì)計(jì)算流程圖

2 軟件設(shè)計(jì)理念

1）設(shè)計(jì)計(jì)算理論依據(jù)。

本圓柱齒輪減速器設(shè)計(jì)計(jì)算軟件依據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》[2]、《減速器設(shè)計(jì)實(shí)例精解》[3]等資料中關(guān)于圓柱齒輪減速器設(shè)計(jì)計(jì)算方面的資料，并結(jié)合圓柱齒輪減速器手工設(shè)計(jì)計(jì)算流程進(jìn)行編制。

2）軟件運(yùn)行平臺(tái)。

本軟件開發(fā)運(yùn)行是基于EXCEL 2010 平臺(tái)，適合支持一切能運(yùn)行EXCEL 2010及以上版本的電子設(shè)備中，如電腦、平板電腦、手機(jī)等，對(duì)電子設(shè)備要求不高，可使用范圍廣。

針對(duì)某些設(shè)計(jì)計(jì)算軟件只出計(jì)算結(jié)果，不能呈現(xiàn)計(jì)算過程，使得機(jī)械設(shè)計(jì)人員對(duì)其設(shè)計(jì)原理不清楚，進(jìn)而“不敢用”這類軟件。而本軟件進(jìn)行開發(fā)時(shí)充分考慮到這一問題，使軟件不僅能進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算，設(shè)計(jì)計(jì)算的依據(jù)是什么，根據(jù)哪個(gè)公式進(jìn)行計(jì)算的，參數(shù)如何進(jìn)行選取等一系列問題展示得一清二楚。

而且本軟件的整個(gè)設(shè)計(jì)計(jì)算流程繼承了傳統(tǒng)的手工設(shè)計(jì)計(jì)算流程，這更符合機(jī)械設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)思路，使得機(jī)械設(shè)計(jì)人員“知其然知其所以然”，這樣才能讓設(shè)計(jì)人員“安心”地使用設(shè)計(jì)軟件。

圓柱齒輪減速器的設(shè)計(jì)計(jì)算過程是個(gè)系統(tǒng)且復(fù)雜的計(jì)算過程，而且圓柱齒輪又分直齒圓柱齒輪和斜齒圓柱齒輪兩類，為便于機(jī)械設(shè)計(jì)人員操作，軟件開發(fā)時(shí)只開發(fā)了斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算，對(duì)于直齒圓柱齒輪傳動(dòng)可以看成螺旋角為零的斜齒輪傳動(dòng)即可，這樣就大大簡(jiǎn)化了軟件開發(fā)及其使用的靈活性；對(duì)于設(shè)計(jì)計(jì)算過程中需要查找的一些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了軟件嵌入處理，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)實(shí)際使用直接進(jìn)行調(diào)用即可，這大大減輕了設(shè)計(jì)人員查技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的勞動(dòng)量；本軟件對(duì)設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行了加密保護(hù)，防止設(shè)計(jì)人員由于“誤”修改計(jì)算公式造成設(shè)計(jì)計(jì)算錯(cuò)誤情況的發(fā)生；將各種手工設(shè)計(jì)計(jì)算中的加、減、乘、除、開方、幾次冪等問題均由EXCEL來完成，完全實(shí)現(xiàn)“電算化”。

3 軟件使用注意事項(xiàng)

本軟件可以適用一級(jí)、二級(jí)圓柱齒輪減速器的設(shè)計(jì)計(jì)算；能滿足以下要求：1）直齒輪傳動(dòng)、平行軸斜齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算，包括齒輪的選材、熱處理方式、許用應(yīng)力值的選取、強(qiáng)度計(jì)算及校核、齒輪精度的選取等設(shè)計(jì)計(jì)算；2）軸的設(shè)計(jì)計(jì)算，包括軸材料的選擇、熱處理方式、許用應(yīng)力的選取、估算軸的直徑、確定各軸段的直徑和長(zhǎng)度等設(shè)計(jì)計(jì)算；3）鍵連接的強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算；4）軸承壽命的設(shè)計(jì)計(jì)算。

本軟件在圓柱齒輪減速器方案擬定、設(shè)計(jì)計(jì)算、投標(biāo)估算等階段均可使用。本軟件與其它的相關(guān)軟件及手工設(shè)計(jì)計(jì)算相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：1）本軟件是基于EXCEL開發(fā)平臺(tái)的，能夠在臺(tái)式機(jī)電腦、筆記本電腦、平板電腦、支持EXCEL的手機(jī)等設(shè)備中應(yīng)用。應(yīng)用中既可以應(yīng)用軟件中的部分計(jì)算功能，還能應(yīng)用最終結(jié)果，整個(gè)過程實(shí)現(xiàn)“所見即所得”。2）保留和繼承了傳統(tǒng)圓柱齒輪減速器設(shè)計(jì)計(jì)算流程和計(jì)算方法，同時(shí)提高了設(shè)計(jì)計(jì)算效率，降低了手工設(shè)計(jì)計(jì)算反復(fù)計(jì)算易出錯(cuò)且不易查找等問題，設(shè)計(jì)計(jì)算完成后既可以生成PDF格式文件，還可以直接打印成A4紙質(zhì)材料，這樣有利于查驗(yàn)和校核。3）本軟件操作簡(jiǎn)單、方便靈活，符合機(jī)械設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)圓柱齒輪減速器的設(shè)計(jì)思路，整個(gè)設(shè)計(jì)計(jì)算既有設(shè)計(jì)計(jì)算過程又有設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，依據(jù)充分明了，進(jìn)而解決了某些軟件“不好用、不敢用”等難題。4）本軟件設(shè)計(jì)計(jì)算覆蓋范圍廣，可以實(shí)現(xiàn)一級(jí)圓柱齒輪減速器的設(shè)計(jì)計(jì)算，也可以實(shí)現(xiàn)二級(jí)圓柱齒輪減速器的設(shè)計(jì)計(jì)算，無論是一級(jí)、二級(jí)圓柱齒輪或直齒、斜齒，均可應(yīng)用本軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，還可進(jìn)行軸類零件、鍵連接等設(shè)計(jì)計(jì)算。5）設(shè)計(jì)者既可進(jìn)行整個(gè)減速器的設(shè)計(jì)計(jì)算，也可進(jìn)行局部的設(shè)計(jì)計(jì)算，應(yīng)用較為靈活。6）本軟件是基于EXCEL平臺(tái)開發(fā)的，具有強(qiáng)大的計(jì)算和擴(kuò)展功能，可以通過插入批注的方式內(nèi)嵌一些表格和圖片，方便設(shè)計(jì)人員查詢和使用，節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間，增加判斷函數(shù)，對(duì)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行預(yù)判和提示，防止錯(cuò)誤的出現(xiàn)。

4 軟件功能展示及說明

本軟件是基于EXCEL平臺(tái)建立的工作表，其中下粗實(shí)線單元格為已知量，需要手工輸入數(shù)值；下虛線單元格為選擇輸入單元格；單元格右上角帶三角的表示該單元格有批注，相應(yīng)參數(shù)選取時(shí)可直接參考批注進(jìn)行選取即可，不用再查手冊(cè)等資料；四周為粗實(shí)線的單元格為經(jīng)過計(jì)算公式計(jì)算后得到的數(shù)值；四周為虛線的單元格為根據(jù)判斷函數(shù)判斷后得到的結(jié)果。

1）如圖2所示，本軟件設(shè)計(jì)架構(gòu)構(gòu)成分為總體設(shè)計(jì)、V帶傳動(dòng)、直齒高速軟齒輪、直齒低速軟齒輪、直齒高速硬齒輪、直齒低速硬齒輪、斜齒高速軟齒輪、斜齒低速軟齒輪、斜齒高速硬齒輪、斜齒低速硬齒輪、高速軸、中間軸、低速軸，可根據(jù)設(shè)計(jì)需要選擇合適的結(jié)構(gòu)組成。例如：高速級(jí)齒輪既可以選擇軟齒面也可以選擇硬齒面，既可以選擇直齒也可以選擇斜齒；低速級(jí)齒輪也是同樣的；當(dāng)然也可以作為單級(jí)齒輪傳動(dòng)使用?？傊?，高速級(jí)有4種選擇，低速級(jí)有4種選擇，作為單級(jí)圓柱齒輪設(shè)計(jì)有8種選擇，再加上有無V帶傳動(dòng)，一共可設(shè)計(jì)（4×4+8）×2=48種類型圓柱齒輪減速器。除此之外，還可以單獨(dú)作為V帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)、圓柱齒輪設(shè)計(jì)、軸設(shè)計(jì)進(jìn)行使用。

圖2 軟件設(shè)計(jì)架構(gòu)構(gòu)成

2）所有計(jì)算過程均可以打印成A4紙質(zhì)資料或PDF資料，便于檢查核對(duì)和校驗(yàn)。圖2中最右側(cè)的豎虛線以左區(qū)域即為打印區(qū)域。

3）可以將V帶傳動(dòng)、直齒高速軟齒輪、直齒低速軟齒輪、直齒高速硬齒輪、直齒低速硬齒輪、斜齒高速軟齒輪、斜齒低速軟齒輪、斜齒高速硬齒輪、斜齒低速硬齒輪、高速軸、中間軸、低速軸中的一項(xiàng)單獨(dú)進(jìn)行使用，如圖2所示。單獨(dú)使用時(shí)建議進(jìn)行備份后再使用，使用過程中需要手工輸入已知參數(shù)，將不能再直接調(diào)用“總體設(shè)計(jì)”中的參數(shù)。

4）可直接調(diào)用各設(shè)計(jì)單元中的已知條件與“總體設(shè)計(jì)”中的參數(shù)，不用再進(jìn)行手工輸入，減少中間環(huán)節(jié)，避免出錯(cuò)。例如：對(duì)于圖2中的已知額定功率，可以在B3單元格中直接輸入“=總體設(shè)計(jì)!C31”，即直接調(diào)用“總體設(shè)計(jì)”中的C31的數(shù)據(jù)。

5）對(duì)于常需查表或查圖等資料的數(shù)據(jù)，均進(jìn)行了技術(shù)處理，采用插入批注的方式對(duì)相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行批注提示，例如：對(duì)于圖3中的小齒輪選材、熱處理及硬度值，可將鼠標(biāo)移動(dòng)到“1）小齒輪”單元格上便可自動(dòng)彈出批注，大大縮減了查表時(shí)間，便于應(yīng)用。

圖3 數(shù)據(jù)調(diào)用及批注使用說明示例

6）對(duì)計(jì)算得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)判是否合理，利用EXCEL中的判斷函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)判斷，如圖4所示。例如：斜齒輪螺旋角一般在8°～20°之間進(jìn)行選取，如果計(jì)算結(jié)果小于8°，就會(huì)提示“角度太小，請(qǐng)重新計(jì)算”；如果計(jì)算結(jié)果大于20°，就會(huì)提示“角度太大，請(qǐng)重新計(jì)算”；如果計(jì)算結(jié)果在8°～20°間，就會(huì)提示“角度在選擇范圍內(nèi)，可以使用”。這樣可有效降低數(shù)據(jù)出錯(cuò)可能性，還可自動(dòng)判斷齒輪計(jì)算強(qiáng)度是否滿足要求，如果滿足要求，就會(huì)提示“強(qiáng)度滿足要求”，如果不滿足強(qiáng)度要求，就會(huì)提示“強(qiáng)度不滿足要求，請(qǐng)重新計(jì)算”，這時(shí)設(shè)計(jì)人員需要重新調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行重新計(jì)算，直到滿足強(qiáng)度要求為止。

圖4 自動(dòng)判斷使用說明

7）對(duì)整個(gè)軟件中的計(jì)算公式進(jìn)行保護(hù)處理，避免因使用人員私自修改公式而造成計(jì)算錯(cuò)誤，如需對(duì)計(jì)算過程進(jìn)行修改或改進(jìn)建議，可與開發(fā)者進(jìn)行聯(lián)系，共同探討和研發(fā)，這樣既保證了計(jì)算過程的可靠性，又開放了軟件的二次開發(fā)。

5 結(jié)語

該軟件在高校和企業(yè)中進(jìn)行了推廣應(yīng)用，受到設(shè)計(jì)人員的喜愛，將原來需要設(shè)計(jì)計(jì)算幾天的工作量縮短到十幾分鐘完成，大大提高了設(shè)計(jì)計(jì)算效率，縮短了設(shè)計(jì)計(jì)算周期。隨著該軟件的進(jìn)一步開發(fā)，將擴(kuò)展到圓錐齒輪減速器、蝸輪蝸桿減速器等設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算中，希望借此軟件的研發(fā)和應(yīng)用推動(dòng)機(jī)械設(shè)計(jì)向電算化、信息化方向發(fā)展。