圓柱齒輪減速器專(zhuān)家系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程
6.1任務(wù)描述
完整的設(shè)計(jì)一臺(tái)圓柱齒輪減速器是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，欲能夠?qū)崿F(xiàn)圖1-l 及圖1-2-1 、圖1-2 -2、圖1-2-3如此眾多種類(lèi)的圓柱齒輪減速器的設(shè)計(jì)專(zhuān)家系統(tǒng)任務(wù)將是更加艱巨，如何組織、構(gòu)成系統(tǒng)，必須進(jìn)行分析。正確、合理地分析設(shè)計(jì)過(guò)程的同時(shí)，充分考慮計(jì)算機(jī)資源的影響制約因素將對(duì)圓柱齒輪減速器專(zhuān)家系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成敗起重要的作用。第一章曾經(jīng)討論過(guò)圓柱齒輪減速器設(shè)計(jì)的全過(guò)程，在此采用的分析方法是：在系統(tǒng)的目的和總目標(biāo)的指導(dǎo)下，對(duì)各設(shè)計(jì)階段分層次，在各個(gè)層次有不同的分目標(biāo)，并以各個(gè)層次的分目標(biāo)，構(gòu)造出對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)總目標(biāo)以及各個(gè)層次分目標(biāo)的系統(tǒng)組成要素，這些要素的相互關(guān)系以及在系統(tǒng)階層上的分布形式和整體的協(xié)調(diào)形式，這就保證了系統(tǒng)在對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)總目標(biāo)和環(huán)境因素約束集的條件下，構(gòu)成系統(tǒng)組成要素集，這些要素集之間相互關(guān)系集以及要素集及相關(guān)關(guān)系集在階層分布上最優(yōu)結(jié)合，導(dǎo)致系統(tǒng)輸出為最優(yōu)。
系統(tǒng)以層次形式存在時(shí)，層次得劃分便成為系統(tǒng)構(gòu)成的一個(gè)重要因素。分層次性主要有以下兩個(gè)因素：一是傳遞設(shè)計(jì)信息的效率和費(fèi)用，如果構(gòu)成系統(tǒng)的傳遞鏈及傳遞路徑過(guò)長(zhǎng)，那么，各功能團(tuán)出入的次數(shù)增多，系統(tǒng)的效率將降低，周期變長(zhǎng)，費(fèi)用隨之增加。從另一角度講，如果階層幅面太寬，不僅實(shí)現(xiàn)功能不利，難于控制，計(jì)算機(jī)資源也將耗費(fèi)貽盡，使系統(tǒng)根本就無(wú)法運(yùn)行。二是功能團(tuán)（或功能單元）合理的結(jié)合和歸屬，對(duì)于設(shè)計(jì)而言，有些功能團(tuán)之間相互交叉，互為補(bǔ)充。有些功能團(tuán)之間的聯(lián)系則要松弛的多。因此，合理地解決這個(gè)問(wèn)題，將會(huì)對(duì)系統(tǒng)的研制起到事半功倍的效果。
總之，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最佳布局，最大利用計(jì)算機(jī)資源，論文了提出圓柱齒輪減速器設(shè)計(jì)摸型：總?cè)蝿?wù)控制各分任務(wù)，分任務(wù)調(diào)度各級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)，實(shí)現(xiàn)圓柱齒輪減速器的專(zhuān)家系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
系統(tǒng)總體構(gòu)造如圖6-l 所示。
從圖6-1 中可以看出，圓柱齒輪減速器設(shè)計(jì)任務(wù)本身包括二部分：減速器參數(shù)設(shè)計(jì)和減速器繪圖。本章論述圓柱齒輪減速器參數(shù)設(shè)計(jì)。
圓柱齒輪減速器參數(shù)設(shè)計(jì)部分包括原始數(shù)據(jù)輸入，設(shè)計(jì)、計(jì)算以在數(shù)輸出，是減速器專(zhuān)家系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部分。
6.2系統(tǒng)的輸入及輸入處理
6.2.1 系統(tǒng)的輸入
系統(tǒng)的輸入是專(zhuān)家系統(tǒng)的“開(kāi)場(chǎng)條件”，人工設(shè)計(jì)的方法是由定貨單位向設(shè)計(jì)人員提供任務(wù)書(shū)（以口頭或書(shū)面形式），設(shè)計(jì)人員通過(guò)這些已知條件進(jìn)行設(shè)計(jì)工作。專(zhuān)家系統(tǒng)則要求設(shè)計(jì)人員（或由定貨人員）與計(jì)算機(jī)進(jìn)行“對(duì)話(huà)”，以便使專(zhuān)家系統(tǒng)了解原始的已知條件。事實(shí)上，由于受人工智能和計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的限制，還不能同計(jì)算機(jī)形成視、聽(tīng)對(duì)話(huà)，因而，圓柱齒輪減速器設(shè)計(jì)專(zhuān)家系統(tǒng)仍采用傳統(tǒng)CAD所采用的方法，即采用精確的輸入方式（或稱(chēng)數(shù)據(jù)輸入方式而非語(yǔ)言物入方式）。
減速器的原始輸入數(shù)據(jù)有：
1.充分條件：
（1）原動(dòng)機(jī)的型號(hào)規(guī)格，轉(zhuǎn)速，功率（或扭矩），允許短時(shí)過(guò)載能力，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，起動(dòng)扭矩；
（2）工作機(jī)械的型號(hào)規(guī)格，用途，頗定功率（或工作扭矩），變載荷的負(fù)載圖，起制動(dòng)、短時(shí)過(guò)載扭矩和次數(shù)，工作制度和負(fù)載持續(xù)率，工作轉(zhuǎn)速，旋轉(zhuǎn)方向；
（3）傳動(dòng)比與允許誤差（工作機(jī)械允許轉(zhuǎn)速的誤差）；
（4）要求壽命，安全系數(shù)，可靠性；
（5）安裝型式（與原動(dòng)機(jī)，工作機(jī)的相對(duì)位置），尺寸，重量要求；
（6）環(huán)境條件：溫度，散熱冷卻條件，潤(rùn)滑條件（是否有集中潤(rùn)滑站）濕度，酸城度，灰塵濃度；
（7）操作，控制要求；
（8）批量（制造臺(tái)數(shù)）；
（9）制造廠的設(shè)備條件（加工能力）；
（10）材料，毛坯，標(biāo)準(zhǔn)件來(lái)源，庫(kù)存倩況；
（11）交貨期限；
（12）成本和價(jià)格要求等。
2.必要條件（不可少的條件）
必要條件是充分條件中的前三條。其余條件用戶(hù)如果未提，由設(shè)計(jì)人員按此三條確定。對(duì)于一個(gè)實(shí)用型的系統(tǒng)，人機(jī)交互口是非常重要的，它是一個(gè)軟件系統(tǒng)的外在表現(xiàn)，直接關(guān)系到系統(tǒng)的可用性。CGREST采用的方法是對(duì)輸入進(jìn)行分類(lèi)后，對(duì)不同類(lèi)型采用不同屏幕的表格輸入技術(shù)。具體如表6-1、表6-2所示：
由于輸入數(shù)據(jù)的不確定性，系統(tǒng)允許進(jìn)行缺省輸入，以“N”為標(biāo)志；當(dāng)輸入數(shù)據(jù)有錯(cuò)誤需要修改時(shí)，在“HIT”處鍵入“N”修改此屏幕的輸入數(shù)據(jù)。
6.2.2系統(tǒng)輸入?yún)?shù)的處理
系統(tǒng)的輸入以數(shù)據(jù)形式進(jìn)行，專(zhuān)家系統(tǒng)則以知識(shí)的某種形式表達(dá)。如表6-3和表6-4的輸入“K”（指金屬滾軋機(jī)械類(lèi)）和“C”（指冷軋機(jī)），則產(chǎn)生如下的轉(zhuǎn)變：
METAL ROLLINE==>（KIND OF MACHINE IS METAL ROLLING MACHINE）
COOL ROLLING MACHINE==>（WORKING MACHINE IS COOL ROOLING MACHINE）
一般情況下，工作機(jī)械確定后，其工況條件便有可能隨之確定。這就是說(shuō)，在確定工作機(jī)械名稱(chēng)時(shí)，隱含確定以下內(nèi)容：即這種工作機(jī)械的載荷情況（如均勻、中等沖擊還是強(qiáng)沖擊），一般負(fù)載情況，一般要求效率等等。為了適應(yīng)特殊情況，系統(tǒng)通過(guò)逆向推理的方式對(duì)默認(rèn)值的詢(xún)問(wèn)得到設(shè)計(jì)人員的進(jìn)一步認(rèn)可，即將工作機(jī)械的默認(rèn)工況條件作為假設(shè)目標(biāo)，通過(guò)詢(xún)問(wèn)進(jìn)一步確定。其形式如下：
Is （middle impact load）true__？
6.3減速器原動(dòng)機(jī)械的選擇
它動(dòng)力機(jī)械時(shí)可以用輸入的方法決定。
電動(dòng)機(jī)是已經(jīng)系列化的產(chǎn)品。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，關(guān)于電動(dòng)機(jī)的選擇，主要是根據(jù)所需電動(dòng)機(jī)的輸出功率、工作機(jī)構(gòu)的要求、工作條件、工作環(huán)境、經(jīng)濟(jì)性等因素，確定電動(dòng)機(jī)的類(lèi)型、功率及轉(zhuǎn)速，亦即確定電動(dòng)機(jī)的型號(hào)�？蓺w納出如下的規(guī)則：
rules==＞((rule motor-l
(if (working mechine is elevator))
(then （motor type is JZ series)))
((rule motor-5
(if (working mechine has standard as IEC)
(then ( motor type is Y series)))
……）
電動(dòng)機(jī)的型號(hào)確定后，根據(jù)工作機(jī)械的功率并考慮傳動(dòng)效率等因素選擇電動(dòng)機(jī)容量；根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)選擇電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；并進(jìn)行一系列的校核。然后從電動(dòng)機(jī)文件中查取標(biāo)準(zhǔn)的電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)。
6.4 選擇材料
減速器需要設(shè)計(jì)的零件種類(lèi)很多；同時(shí)，每一種零件可供選擇的材料也有許多種。如綱材，鑄鐵以及特殊情況下使用的有色金屬，粉末冶金及塑料等。但在重型機(jī)城減速器中，以鋼為主。零件材料中，以齒輪材料的選擇較為典型，現(xiàn)討論如下：
6.4.1 齒輪材料
選擇齒輪材料，除考慮圓柱齒輪減速器的工作條件、結(jié)構(gòu)、尺寸、精度、壽命、經(jīng)濟(jì)性等方面的要求外，還要考慮制造廠的生產(chǎn)技術(shù)條件。可以通過(guò)推理選擇一種材料，但這在實(shí)用的系統(tǒng)中并不實(shí)際，一個(gè)顯而易見(jiàn)的原因是若生產(chǎn)廠家無(wú)此種材料的情況出現(xiàn)。通常滿(mǎn)足某類(lèi)條件的是一材料系列，例如，
滲破齒輪鋼ORDERI==＞(17CrNiMo6 20CrNi4W 20Cr2MnMo…… 16MnCr5)
高調(diào)質(zhì)鋼OROBR2==＞(40GrNiMo 42CrMO4V 34GrNiMo6V 42CrMo)
以及調(diào)質(zhì)炯ORDER3==＞(42CrMo4V 42CrMO 40CrNi)
等使用時(shí)選用的規(guī)則如下（產(chǎn)生式）:
若選用材料類(lèi)確定，則計(jì)算機(jī)出現(xiàn)下列形式
The PRDER1 series material is （17GrNiMo6 20CrNi4W 20Cr2MnMo ……）
selecting the material ==>17CrNiMo6
satisfactory ？ （Y or N）
默認(rèn)時(shí)選擇材料系列的前項(xiàng)，否則依次向后。
當(dāng)材料確定后，系統(tǒng)從材料庫(kù)（如表6-5）中選取相應(yīng)的材料。
6.4.2 軸及其他材料
軸、箱體以及對(duì)大型組裝具輪采用的支撐部分的材料的選擇方法類(lèi)同于齒輪材料，在此不詳細(xì)討論。若當(dāng)前材料數(shù)據(jù)庫(kù)無(wú)可供選擇的材料時(shí)，系統(tǒng)便要求用戶(hù)輸入指定的材料特性，并按相應(yīng)的格式加入到材料數(shù)據(jù)庫(kù)，以便不斷地完善系統(tǒng)的材料庫(kù)。
6.4.3 材料熱處理
材料確定后，根據(jù)選擇材料的種類(lèi)，可以確定所采用的熱處理工藝，（可從表6-5中看出）并同時(shí)確定齒輪材料與熱處理特性系數(shù)，有表6-6（框架方法）表示之，特殊情況這里不予考慮。
6.4傳動(dòng)方案
傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)由齒輪齒形，傳動(dòng)級(jí)數(shù)和傳動(dòng)型式等組成部分。
6.5.1齒輪齒形
齒輪齒形的選擇需要考慮許多因素，如傳動(dòng)效率、傳動(dòng)平穩(wěn)性、承載能力、振動(dòng)、沖擊、噪音等。圓柱齒輪有三種齒輪齒形可供選擇：直齒、斜齒、人字齒形。可歸納如下的規(guī)則形式（齒輪齒形選取規(guī)則）：
其中，規(guī)則六實(shí)際上是一條缺省規(guī)則。
規(guī)則l的條件項(xiàng)，初次使用時(shí)，由于中心距尚未確定，不能觸發(fā)運(yùn)用。系統(tǒng)采用的方法是先用初次選用的齒形參與傳動(dòng)計(jì)算，待求出中心距時(shí)再次調(diào)用該規(guī)則集進(jìn)行推理。若于原來(lái)的假設(shè)發(fā)生沖突，撤銷(xiāo)原假設(shè)并以新事實(shí)重新進(jìn)行計(jì)算。
6.5.2 傳動(dòng)級(jí)數(shù)
1.總傳動(dòng)比
總傳動(dòng)比i（i=nl/n2 ）已在設(shè)計(jì)條件中給出。
若傳動(dòng)裝置中各級(jí)傳動(dòng)串聯(lián)時(shí)，則總傳動(dòng)比
i=i1x×i2×i3×… ×ig
式中，il～ig為各級(jí)傳動(dòng)的傳動(dòng)比。
表6-7傳動(dòng)比范圍
|
齒 輪 特 性 |
傳 動(dòng) 比 范 圍 |
|
單級(jí) |
二級(jí) |
三級(jí) |
四級(jí) |
|
滲碳、淬火、磨齒
6級(jí)精度 |
≤5.6
（6.3） |
6.3-20
（31.5） |
22.5-100
（180） |
112-560
（1000） |
|
調(diào)質(zhì)齒面HB286-360
滾齒精度7-8級(jí) |
≤6.3
（7.1） |
7.1-31.5
（40） |
35.5-200
（250） |
225-1000
（1600） |
|
調(diào)質(zhì)齒面HB217-286
滾齒精度8級(jí) |
≤7.1
（8） |
8-40
(50) |
40-250
（350） |
250-1600
（2500） |
一般情況下，傳動(dòng)級(jí)數(shù)按表6-7傳動(dòng)比范圍選取，表中括弧內(nèi)的值是可能的最大值。對(duì)于最佳范圍內(nèi)的易于實(shí)現(xiàn)較優(yōu)的傳動(dòng)設(shè)計(jì)方案（例如等強(qiáng)度原則）。但是，對(duì)于傳動(dòng)比集相交的，例如圖6-2 所示的，則評(píng)價(jià)準(zhǔn)則相當(dāng)復(fù)雜。到目前為止，難以找出一種較佳的判別準(zhǔn)則，專(zhuān)家系統(tǒng)采用的方法是：當(dāng)傳動(dòng)比在交集范圍內(nèi)時(shí)，便展開(kāi)不同方案的進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后形成多方案，然后對(duì)不同的方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，選擇最優(yōu)方案。這個(gè)問(wèn)題將在以后討論。除按上面介紹的方法確定傳動(dòng)級(jí)數(shù)及傳動(dòng)比外，專(zhuān)家系統(tǒng)根據(jù)用戶(hù)條件亦可按照下列條件確定傳動(dòng)級(jí)數(shù)及傳動(dòng)比，其依據(jù)為：
①用戶(hù)要求減速器矮而長(zhǎng)；
②負(fù)載不大，但要求輸入軸和物出軸的距離大。
2.各級(jí)傳動(dòng)比
二級(jí)以上圓柱齒輪減速器的各級(jí)傳動(dòng)比分配原則，最優(yōu)先是各級(jí)傳動(dòng)承載能力大致相等，其次是使各級(jí)大齒輪能夠浸油潤(rùn)滑，減速器尺寸小，重量較小，各級(jí)齒輪圓周速度低，對(duì)于系列減速器還要根據(jù)所采用的材質(zhì)工藝方案，充分考慮零、部件的通用性問(wèn)題。傳動(dòng)比分配采用以經(jīng)驗(yàn)方法求出基本可行的分配方案，到下一步優(yōu)化設(shè)計(jì)（精確設(shè)計(jì)計(jì)算或校核計(jì)算）時(shí)進(jìn)一步肯定或做微小調(diào)整，經(jīng)驗(yàn)公式為：
（1）二級(jí)傳動(dòng)減速器
ig=
在滿(mǎn)足用戶(hù)需要的前題下，ig取鄰近的標(biāo)準(zhǔn)傳動(dòng)比（標(biāo)準(zhǔn)傳動(dòng)比系列可見(jiàn)附表l),il向較大標(biāo)準(zhǔn)值靠，12向較小標(biāo)準(zhǔn)值靠，i1和i2之間也可問(wèn)跳一級(jí)或取相鄰的二級(jí)，主要視傳動(dòng)誤差及用戶(hù)要求。
（2）三級(jí)傳動(dòng)減速器
ig=
優(yōu)先采用的方案為：取i2為ig相鄰的標(biāo)準(zhǔn)傳動(dòng)比，i1為大于i2一級(jí)，i3為小于i2一級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)傳動(dòng)比。
也可實(shí)現(xiàn)下式的方案：
i1≤i2≈ig≤i3
（3
）四級(jí)傳動(dòng)減速器
ig=
優(yōu)先采用：i1>i2≈ig≈i3>i4
對(duì)各級(jí)減速器，總傳動(dòng)誤差分析如下：
△i=￤（i-i＇）÷i￤×1000%
式中：△i、i、i＇分別為總傳動(dòng)誤差、理論傳動(dòng)比和實(shí)際傳動(dòng)比。
對(duì)傳動(dòng)誤差的要求：
△i≤（g+2)*100% g=1,2,3,4為傳動(dòng)級(jí)數(shù)
對(duì)于特殊情況下傳動(dòng)比的確定，由于情況千差萬(wàn)別，無(wú)明確規(guī)則可以遵循，系統(tǒng)暫時(shí)采用輸入的方法決定。
6.5.3 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)型式
傳動(dòng)結(jié)構(gòu)型式是指齒輪及其軸線(xiàn)的布置和相對(duì)位置。系統(tǒng)采用默認(rèn)方式（如齒輪材料中介紹的方法）在圖l-2中選擇傳動(dòng)結(jié)構(gòu)型式。如按專(zhuān)家建議，對(duì)一級(jí)傳動(dòng)優(yōu)先采用序號(hào)1等。對(duì)于其它傳動(dòng)型式或特殊設(shè)計(jì)，系統(tǒng)暫時(shí)未能考慮。
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(jiàn)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(xiàn)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(jiàn)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(jiàn)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�。X輪齒數(shù)的方法；
（3）當(dāng)接觸強(qiáng)度安全系數(shù)不滿(mǎn)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(mǎn)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(lèi)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(lèi)，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(lèi)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(xún)到該齒輪的參數(shù)。在確定尺寸時(shí)，某類(lèi)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：
dha=A
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(jiàn)§6.11。
3.軸的公差與配合（見(jiàn)6.13）。
4.鍵的選�。ㄒ�(jiàn)§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(lèi)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(lèi)的圓柱齒輪減速器設(shè)計(jì)時(shí)，箱體是種類(lèi)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(zhuān)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(lèi)型，決定鍵及鍵槽的剖面尺寸，然后校核鍵的強(qiáng)度。鍵的類(lèi)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(xiāo)，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(lèi)推薦的配合種類(lèi)見(jiàn)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(lèi)，如對(duì)軸承來(lái)講，是球軸承還是其它；
load-type：載荷的種類(lèi)；
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(lèi)。
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(zhuān)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(zhuān)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(mǎn)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(zhuān)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(hù)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：
（j=1，2，3，…，N）
（j=1，2，3，…，N）
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(méi)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(zhuān)家系統(tǒng)的結(jié)果方便地被用戶(hù)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(zhuān)家系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一一級(jí)圓柱齒輪減速器的示例。
