6.6 初始數(shù)據(jù)一致化處理
至此，可對(duì)圓柱齒輪減速器設(shè)計(jì)的初始數(shù)據(jù)進(jìn)行一致化處理。本文僅以圓柱減速器承受變交載荷時(shí)對(duì)載荷的處理說(shuō)明如下：
輸入的交變載荷如圖6-3所示。當(dāng)量載荷按下式計(jì)算：
Teq=∑（NiTi)/NLeq
Ni=60ni*k*hi
NLeq=∑Ni
其中，k齒輪每轉(zhuǎn)同側(cè)齒的嚙合次數(shù)；
Ti（i=l,2,3，…，N）為減速器各級(jí)載荷（扭矩單位N·M)；
Ni(i=1,2,3，…，N）為減速器各級(jí)載荷相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；
ni(i=l,2,3,…，N）為第i級(jí)載荷齒輪的轉(zhuǎn)速r/min ；
hi(i=l,2,3，…，N）在第i級(jí)載荷下齒輪的工作小時(shí)數(shù)；
p齒輪材料與熱處理的特性系數(shù)，見表6-6。
6.7齒輪傳動(dòng)幾何參數(shù)設(shè)計(jì)
1.按強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算齒輪傳動(dòng)幾何參數(shù)
齒輪傳動(dòng)計(jì)算是機(jī)城設(shè)計(jì)中非常典型的過(guò)程，其中有計(jì)算，有經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，要處理大量的圖線數(shù)表知識(shí)，同時(shí)還有許多回溯過(guò)程。本系統(tǒng)采用的方法是過(guò)程加其它知識(shí)的處理方式進(jìn)行，具主要步驟見圖3-l。
2.齒輪強(qiáng)度校核
齒輪強(qiáng)度的校核包括齒輪接觸強(qiáng)度校核，齒根彎曲強(qiáng)度校核和過(guò)載能力校核三部分。強(qiáng)度校核部分和強(qiáng)度計(jì)算部分有著不可分離的聯(lián)系，其過(guò)程見圖3-1。
齒輪強(qiáng)度計(jì)算和校核過(guò)程中，大量地使用能夠使計(jì)算向有利于解的方向發(fā)展的啟發(fā)式知識(shí)，如：
（1）當(dāng)重合度為1～1.1，螺旋角不在10°、13°范圍內(nèi)時(shí)，調(diào)整齒輪寬度或（和）齒輪模數(shù)的方法；
（2）當(dāng)總變位系數(shù)不在0.5～1.2 范圍內(nèi)時(shí)，按不同的條件調(diào)整大（或小）齒輪齒數(shù)的方法；
（3）當(dāng)接觸強(qiáng)度安全系數(shù)不滿足要求時(shí)，改變傳動(dòng)參數(shù)的方法；
（4）當(dāng)齒根彎曲強(qiáng)度安全系數(shù)不滿足要求時(shí)，改變傳動(dòng)參數(shù)的方法。
3.齒輪潤(rùn)滑與膠合安全系數(shù)
齒輪潤(rùn)滑與膠合安全系數(shù)計(jì)算包括潤(rùn)滑劑特性值、齒面粗糙度系數(shù)、最大嚙合長(zhǎng)度、齒形膠合特性值、允許接觸應(yīng)力、節(jié)點(diǎn)接觸應(yīng)力等計(jì)算過(guò)程。
4.輪齒最大剪切應(yīng)力探度與滲碳層有效深度
本項(xiàng)計(jì)算的內(nèi)容有各種曲率半徑及系數(shù)、接觸應(yīng)力分布寬度、斯特利勃接觸應(yīng)力、赫茲應(yīng)力等。
5.圓柱齒輪減速器熱功率計(jì)算
熱功率計(jì)算主要考慮環(huán)境條件和減速器類型等因素，可歸納如下的規(guī)則：
rules==＞((rule ptl-coefficient-1
(if (gearbox is 1 grade transmission)
(airflow rate Uw is about (cal ? (<1.4))s/m))
(then (ptl equals (* 0.00326 (expt a 1.9)))))
……）
6.8傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)
1.軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
抽是減速器的重要零件，它既承受彎矩又承受扭矩，受力情況十分復(fù)雜。減速器軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括定出軸的合理外形和全部結(jié)構(gòu)尺寸。
軸的結(jié)構(gòu)通常為階梯軸，階梯的級(jí)數(shù)以及各階梯的直徑和長(zhǎng)度，應(yīng)綜合考慮軸上零件和裝配固定形式，軸的加工工藝性等因素進(jìn)行設(shè)計(jì)，階梯數(shù)以易于安裝，同時(shí)減少加工次數(shù)為主要原則。通過(guò)大量統(tǒng)計(jì)分析分類，系統(tǒng)采用七種軸的結(jié)構(gòu)形式，分別用框架表示。表6-8其中一類軸的定義形式。其中，表中主要內(nèi)容：12為段數(shù)，chatnfered-shoulder、…，nose、…分別為軸段特性、尺寸、加工特性等，第九行中的shaft-gear為連軸式齒輪，最后一列的gear-No為該齒輪的編號(hào)，可以作為索引查詢到該齒輪的參數(shù)。在確定尺寸時(shí)，某類軸的形式有時(shí)會(huì)發(fā)生變化。例如，階梯軸某一段長(zhǎng)度為零時(shí)，這一階梯軸段便在設(shè)計(jì)圖紙上消失。
2.軸段尺寸
軸的直徑的確定，各段按下列進(jìn)行：
軸伸直徑dha，按下列計(jì)算式確定：
其中，A,n,P1分別為材料系數(shù)，計(jì)算軸的轉(zhuǎn)速和功率。
軸伸擋肩直徑一般為軸承內(nèi)徑dg（密封處直徑與軸承內(nèi)徑相等）；
當(dāng)dha≤50，按標(biāo)準(zhǔn)確性直徑選dg比dha大兩級(jí)；
當(dāng)dha>50，按標(biāo)準(zhǔn)直徑選dg比dha大一級(jí)；
當(dāng)由于軸伸強(qiáng)度及軸承內(nèi)徑dg，齒輪孔徑曲的限制，不能形成多臺(tái)肩時(shí)，允許dg=dha,即軸伸無(wú)臺(tái)肩。
其它直徑，如齒輪安裝處等，按相應(yīng)的結(jié)構(gòu)尺寸確定。
軸承處直徑按計(jì)算選取時(shí)，有時(shí)需要作進(jìn)一步的修改，即選擇的軸承內(nèi)徑與計(jì)算的軸徑不一致（軸徑系列與軸承系列不同），這時(shí)會(huì)影響到軸的全部直徑。
傳動(dòng)軸各段的長(zhǎng)度，需要在箱體設(shè)計(jì)之后進(jìn)行，見§6.11。
3.軸的公差與配合（見6.13）。
4.鍵的選取（見§6.12）。
6.9齒輪結(jié)構(gòu)的選擇與參數(shù)設(shè)計(jì)
圓柱齒輪減速器采用的齒輪有取造齒輪和焊接齒輪。鍛造齒輪其結(jié)構(gòu)分連軸式、整體式、平輻板式等，歸納的規(guī)則如下：
rules==>((rule gear-structure-49
（if (gear (>number) addend addedndum circle diameter/shaft
diameter （cal?(<1.5))))
(then(gear (< number) structure is shaft-style)))))
……））
下面所示的是一鍛造齒輪的設(shè)計(jì)輸出，其中4為齒輪編號(hào)。
4 forge-gear-tooth-number 76
4 forge-gear-modulus 7
4 forge-gear-block-width 124
4 forge-gear-tooth-width 119.0
……
4 forge-gear-key-width 45
4 forge-gear-key-depth 25
4 forge-gear-spoke-holl-distributing-eiamter 0.0
4 forge-gear-spoke-holl-number 8
4 forge-gear-spoke-holl-diametor 21
4 forge-gear-tooth-surface-roughnesso 0.63
……
4 forge-gear-form-tolerances(SAME AXLE 0.016)
6.10 軸承
1.軸承型號(hào)
軸承系標(biāo)準(zhǔn)件，在設(shè)計(jì)時(shí)主要的任務(wù)是選用。在圓柱齒輪減速器，多采用滾動(dòng)軸承。軸承的選用，一般考慮如下幾個(gè)因素：軸承所受的載荷方向，轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，旋轉(zhuǎn)精度的要求，載荷的平穩(wěn)性因素，徑向尺寸的要求，軸的剛度，軸承安裝及一致性要求等。具體選用原則如下規(guī)則所示。
rules==>((rule bearing-l
(if (total center dlstance equals ( cal ? （<=710））））
(then (high speed shaft bearing is order1）
(jackshaft bearing is orderl)))
……
(rule bearing-13
(if (selected high speed sbaft bearing is “7600E”))
(then（lower speed shaft bearing is “7500E”)))
……))
同材料選擇類似，軸承的選用也是一個(gè)系列，如ORDER2系列有軸承（3600 3500 (3000 3282000）……）等。對(duì)于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)音時(shí)不存在的軸承數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過(guò)運(yùn)行物入而加以擴(kuò)充。
2.軸承尺寸及固定
軸承尺寸的限制因素為：
(D1ou＋D2ou）+2≤0.8a
式中，D1ou、2ou、a分別為小、大齒輪軸軸承外徑，軸承孔中心距。
固定方式可參閱《文搞》。
6.11 箱體設(shè)計(jì)
箱體是減速器所有零件的安裝基礎(chǔ)件，從設(shè)計(jì)上必須保證足夠的剛度，強(qiáng)度，良好的加工工藝性，便宜安裝、拆卸及維修等，它由兩部分組成，箱蓋及底座。
箱體分鑄造箱體和焊接箱體。這里，僅以鑄造箱體內(nèi)例。
在進(jìn)行圖1-1、圖1-2-1、l-2-2、1-2-3種類的圓柱齒輪減速器設(shè)計(jì)時(shí)，箱體是種類最多，變化程度最大的部件，因此，不可能建立一種統(tǒng)一的模式。根據(jù)傳動(dòng)方案的不同，箱體形狀會(huì)發(fā)生很大的變化，設(shè)計(jì)工作量極繁重。通過(guò)分析，本系統(tǒng)采用的方法是通過(guò)框架來(lái)表達(dá)箱體設(shè)計(jì)的大量知識(shí)，如表6-11所示的框架是圖1-2-2 中第9號(hào)箱體的結(jié)構(gòu)定義式。
通過(guò)表3-3的求值，并對(duì)箱體敵據(jù)表6-9 的填值，完成減速器箱體的設(shè)計(jì)。
6.12傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)參數(shù)長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)計(jì)算
箱體結(jié)構(gòu)及尺寸設(shè)計(jì)完成后，便可進(jìn)行傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)參數(shù)長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)計(jì)算。軸的各段長(zhǎng)度，決定于軸上零件的寬度，零件間的相對(duì)位置，傳動(dòng)布置，箱體尺寸以及安裝要求等。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是根據(jù)草圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，專家系統(tǒng)則要求精確的數(shù)值計(jì)算。軸段長(zhǎng)度的計(jì)算是通過(guò)其知識(shí)框架和嵌套在框架中的過(guò)程知識(shí)進(jìn)行，如表6-10所示。過(guò)程知識(shí)主要用于非規(guī)律性知識(shí)的求值。在計(jì)算時(shí)，§6.8中定義的軸的結(jié)構(gòu)有時(shí)會(huì)發(fā)生變化，這主要表現(xiàn)在
軸段安裝時(shí)的限制因素導(dǎo)致軸段發(fā)生變化，從而某段在軸上消失。
6.13密封件、鍵以及其它附件的設(shè)計(jì)
1.密封件的形式有許多種，如氈封式，圓形間除式，墊圈式，皮碗式，迷宮式，聯(lián)臺(tái)式等，根據(jù)減速器軸的形式選用其中的一種。本系統(tǒng)優(yōu)先選擇氈封式和墊圈式，并進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)結(jié)果參數(shù)如表6-11所示。
注：表中各項(xiàng)參數(shù)分別為端蓋外緣參數(shù)、外緣凸臺(tái)參數(shù)、端蓋軸孔徑處參數(shù)、端蓋內(nèi)部凸臺(tái)參數(shù)、端蓋螺孔參數(shù)。
2.鍵的選擇
鍵是標(biāo)準(zhǔn)件，機(jī)械設(shè)計(jì)中，首先選擇鍵的類型，決定鍵及鍵槽的剖面尺寸，然后校核鍵的強(qiáng)度。鍵的類型選擇主要考慮以下因素：
①所傳遞的扭矩的大小，
②軸上零件是否需要移動(dòng)；
③是否對(duì)軸上零件進(jìn)行定位；
④鍵在軸上的位置等。
一般情況下，減速器中軸上零件與軸采用平健聯(lián)接。
根據(jù)聯(lián)接處軸徑，鍵及鍵槽的剖面尺寸按表6-12選擇，鍵的長(zhǎng)度可取等于或小于輪毅長(zhǎng)。
鍵接的強(qiáng)度校核包括工作面的比壓和鍵的抗翦強(qiáng)度，由下式?jīng)Q定：
P=（2*T）/（d*k*l）≤[P] N/mm
t=（2*T）/（d*b*l）≤[t] N/mm
式中，p、t、T、d、k、l、b分別為工作面比壓、鍵軸向剖面剪應(yīng)力、軸傳遞的扭矩、連接處的軸徑、鍵的工作高度、長(zhǎng)度、寬度。
其它內(nèi)容，如銷，螺栓等等，便一一略去了。
6.14圓柱齒輪減速器主要零件的配合
減速器主要配合尺寸有軸與齒輪、軸承、聯(lián)軸器，軸承與箱體等。配合的選擇需要考慮的因素較復(fù)雜，如緊固要求、對(duì)中性要求、裝配和拆卸要求等，各類推薦的配合種類見有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、手冊(cè)。本系統(tǒng)中用框架形式表示配合知識(shí)，形式如表6-13。
其中：fit-face：零件間配合的表面，如shaft-gear,shaft-bearing等；
the-kind：相配合零件的種類，如對(duì)軸承來(lái)講，是球軸承還是其它；
load-type：載荷的種類；
accuracyl：相配合零件l的精度；
accuracy2：相配合零件2的精度；
dimension：相配合零件的尺寸范圍；
fit-type：配合種類。
配合框架知識(shí)元的知識(shí)的運(yùn)行過(guò)程為依次對(duì)fi-face槽、the-kind側(cè)面、load-type側(cè)面、accuracyl側(cè)面、accuracy2側(cè)面、dimension側(cè)面匹配，若成功，將返回的知識(shí)加入到專家系統(tǒng)的上下文中；否則系統(tǒng)將根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)提問(wèn)，要求輸入相應(yīng)的配合方式。
6.15 概算圓柱齒輪減速器體積、重量
1.圓柱齒輪減速器體積
概算體積V不計(jì)軸伸、通氣帽等尺寸，按下式計(jì)算：
V=L×B×H/10003 m3
2.圓柱齒輪減速器重量GW
GW=1.2×（GW1+GW2+GW3+GW4+GW5)
其中，GW1為機(jī)體、機(jī)蓋重量，通過(guò)簡(jiǎn)化六面體并乘于相應(yīng)的系數(shù)得到；
GW2為齒輪重量，按不同的齒輪分別進(jìn)行計(jì)算；
GW3為高速軸齒輪軸部分重量；
GW4為中間軸齒輪軸部分重量；
Gw5為低速軸重量；
1.2為考慮其它零件、附件時(shí)的系數(shù)。
6.16 圓柱齒輪減速器價(jià)格、生產(chǎn)周期
1.圓柱齒輪減速器價(jià)格主要考慮齒輪材料、精度，減速器中心距，總重量等因素，如表6-14。專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可用框架表示（表6-15 ):
2.生產(chǎn)周期主要由減速器中心距決定，同時(shí)計(jì)算出磨齒工時(shí)，滾齒工時(shí)和滲碳工時(shí)。
表6-14圓柱齒輪減速器價(jià)格
| 中心距mm |
80 |
100 |
112 |
125 |
140 |
160 |
180 |
200 |
… |
單價(jià)
Dor
萬(wàn)元 |
一級(jí) |
0.12 |
0.18 |
- |
0.25 |
- |
0.35 |
- |
0.45 |
… |
| 二級(jí) |
- |
- |
0.25 |
0.30 |
0.38 |
0.50 |
0.65 |
0.85 |
… |
| 三級(jí) |
- |
- |
- |
- |
- |
0.75 |
0.95 |
1.20 |
… |
注：①二、三級(jí)圓柱齒輪減速器中心距按低速級(jí)計(jì)；
②該表為滲破淬火磨齒齒輪、6 級(jí)精度；
當(dāng)為滲碳淬火不磨齒齒輪、7級(jí)精度時(shí)，價(jià)格按表6-15乘以系數(shù)0.7；
當(dāng)為調(diào)質(zhì)中硬度齒面HB286～360、7級(jí)精度時(shí)，價(jià)格按表6-15乘以系數(shù)0.55；
當(dāng)為調(diào)質(zhì)齒輪HB217～286、8級(jí)精度時(shí)，價(jià)格按表6-15乘以系數(shù)0.35；
當(dāng)中心距不在表列之中時(shí)，可按插值法計(jì)，大于710mm時(shí)，按每噸1.4萬(wàn)元計(jì)。
6.17 減速器設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)與選擇
通常倩況下，滿足設(shè)計(jì)條件的機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案并不是唯一的。因此，在專家系統(tǒng)中需要具備對(duì)多種方案進(jìn)行評(píng)價(jià)決策的能力，通過(guò)某種評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)劣排序并決策一種最優(yōu)方案，同時(shí)提供有關(guān)信息和建議．對(duì)圓柱齒輪減速器設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)本文采取以下三種方法：
1.加權(quán)平均法：任一設(shè)計(jì)方案都含有許多衡量性能的指標(biāo)，某一指標(biāo)為最優(yōu)的方案并不一定就是所有方案的最優(yōu)者。所以，需要對(duì)所有性能指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。又由于用戶根據(jù)不同的要求而對(duì)不同的性能指標(biāo)有所側(cè)重，為了反映這種側(cè)重性，采用加權(quán)的方法，即對(duì)要求較高的指標(biāo)分配較大的權(quán)系數(shù)，故加權(quán)平均的綜合評(píng)價(jià)方法可表示為：
上兩式中，P是綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果，qj是第j個(gè)指標(biāo)所占的權(quán)重，是根據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)際需要確定的，qj是第j個(gè)指標(biāo)的單因素評(píng)價(jià)。使用時(shí)，sj在數(shù)量上均相對(duì)于第一個(gè)方案進(jìn)行歸一化處理，轉(zhuǎn)化為無(wú)量綱的指標(biāo)量。本文采用減速器齒輪重量、箱體重量、軸重量、體積、減速器承載能力、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性系數(shù)、傳動(dòng)齒輪圓周速度等七項(xiàng)指標(biāo)組成。
2.減速器承載能力比較法：對(duì)所設(shè)計(jì)的減速器的承載能力進(jìn)行比較，優(yōu)選承載能力大的減速器。
3.結(jié)構(gòu)合理性比較法：對(duì)沒有特殊設(shè)計(jì)要求的減速器進(jìn)行結(jié)構(gòu)合理性比較，如大、小齒輪直徑比是否超標(biāo)；減速器的總高、總寬和總厚比是否合理。
6.8 系統(tǒng)的輸出
圓柱齒輪減速器設(shè)計(jì)完成后，其結(jié)果為一系列表（LISP 語(yǔ)言形式）組成的結(jié)果。為了使專家系統(tǒng)的結(jié)果方便地被用戶所理解，系統(tǒng)設(shè)置有相應(yīng)的輸出函數(shù)，并以表格的形式，輸出所需的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。下表（表6-16）為專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一一級(jí)圓柱齒輪減速器的示例。
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