基于EXCEL的减速器设计计算软件的开发

2021-12-22杜海彬张长军张勇张华瑾马俊怀玉兰王玉高桂仙河北机电职业技术学院河北邢台054000

机械工程师 2021年12期

杜海彬，张长军，张勇，张华瑾，马俊，怀玉兰，王玉，高桂仙（河北机电职业技术学院，河北邢台 054000）

0 引言

设计开发了一款带式输送机上圆柱齿轮减速器设计计算软件。以满足工程中快速设计减速器为出发点，根据圆柱齿轮减速器一般手工设计计算流程，采用设计人员都比较熟悉的EXCEL软件作为开发平台，将繁杂的手工设计计算与EXCEL高效准确的数据处理能力有效结合，将圆柱齿轮减速器的设计计算过程化繁为简，可有效提高设计人员的设计效率、设计灵活度，整个软件操作简单、实用性强[1]。

1 圆柱齿轮减速器设计计算流程分析

圆柱齿轮减速器设计过程主要包含齿轮、高速轴、低速轴、键连接、轴承、箱体等零部件的设计计算。虽然不同功率、不同工况所需设计出的圆柱齿轮减速器是不同的，但是其主要设计流程是一样的，只需实际设计中根据功率和工况选择合适的参数即可。圆柱齿轮减速器的主要设计流程如图1所示。

图1 圆柱齿轮减速器设计计算流程图

2 软件设计理念

1）设计计算理论依据。

本圆柱齿轮减速器设计计算软件依据《机械设计基础》[2]、《减速器设计实例精解》[3]等资料中关于圆柱齿轮减速器设计计算方面的资料，并结合圆柱齿轮减速器手工设计计算流程进行编制。

2）软件运行平台。

本软件开发运行是基于EXCEL 2010 平台，适合支持一切能运行EXCEL 2010及以上版本的电子设备中，如电脑、平板电脑、手机等，对电子设备要求不高，可使用范围广。

针对某些设计计算软件只出计算结果，不能呈现计算过程，使得机械设计人员对其设计原理不清楚，进而“不敢用”这类软件。而本软件进行开发时充分考虑到这一问题，使软件不仅能进行机械设计计算，设计计算的依据是什么，根据哪个公式进行计算的，参数如何进行选取等一系列问题展示得一清二楚。

而且本软件的整个设计计算流程继承了传统的手工设计计算流程，这更符合机械设计人员的设计思路，使得机械设计人员“知其然知其所以然”，这样才能让设计人员“安心”地使用设计软件。

圆柱齿轮减速器的设计计算过程是个系统且复杂的计算过程，而且圆柱齿轮又分直齿圆柱齿轮和斜齿圆柱齿轮两类，为便于机械设计人员操作，软件开发时只开发了斜齿圆柱齿轮传动的设计计算，对于直齿圆柱齿轮传动可以看成螺旋角为零的斜齿轮传动即可，这样就大大简化了软件开发及其使用的灵活性；对于设计计算过程中需要查找的一些技术标准进行了软件嵌入处理，设计人员可以根据实际使用直接进行调用即可，这大大减轻了设计人员查技术标准的劳动量；本软件对设计计算公式进行了加密保护，防止设计人员由于“误”修改计算公式造成设计计算错误情况的发生；将各种手工设计计算中的加、减、乘、除、开方、几次幂等问题均由EXCEL来完成，完全实现“电算化”。

3 软件使用注意事项

本软件可以适用一级、二级圆柱齿轮减速器的设计计算；能满足以下要求：1）直齿轮传动、平行轴斜齿轮传动的设计计算，包括齿轮的选材、热处理方式、许用应力值的选取、强度计算及校核、齿轮精度的选取等设计计算；2）轴的设计计算，包括轴材料的选择、热处理方式、许用应力的选取、估算轴的直径、确定各轴段的直径和长度等设计计算；3）键连接的强度设计计算；4）轴承寿命的设计计算。

本软件在圆柱齿轮减速器方案拟定、设计计算、投标估算等阶段均可使用。本软件与其它的相关软件及手工设计计算相比具有如下优点：1）本软件是基于EXCEL开发平台的，能够在台式机电脑、笔记本电脑、平板电脑、支持EXCEL的手机等设备中应用。应用中既可以应用软件中的部分计算功能，还能应用最终结果，整个过程实现“所见即所得”。2）保留和继承了传统圆柱齿轮减速器设计计算流程和计算方法，同时提高了设计计算效率，降低了手工设计计算反复计算易出错且不易查找等问题，设计计算完成后既可以生成PDF格式文件，还可以直接打印成A4纸质材料，这样有利于查验和校核。3）本软件操作简单、方便灵活，符合机械设计人员设计圆柱齿轮减速器的设计思路，整个设计计算既有设计计算过程又有设计计算结果，依据充分明了，进而解决了某些软件“不好用、不敢用”等难题。4）本软件设计计算覆盖范围广，可以实现一级圆柱齿轮减速器的设计计算，也可以实现二级圆柱齿轮减速器的设计计算，无论是一级、二级圆柱齿轮或直齿、斜齿，均可应用本软件进行设计计算，还可进行轴类零件、键连接等设计计算。5）设计者既可进行整个减速器的设计计算，也可进行局部的设计计算，应用较为灵活。6）本软件是基于EXCEL平台开发的，具有强大的计算和扩展功能，可以通过插入批注的方式内嵌一些表格和图片，方便设计人员查询和使用，节省设计时间，增加判断函数，对设计计算结果进行预判和提示，防止错误的出现。

4 软件功能展示及说明

本软件是基于EXCEL平台建立的工作表，其中下粗实线单元格为已知量，需要手工输入数值；下虚线单元格为选择输入单元格；单元格右上角带三角的表示该单元格有批注，相应参数选取时可直接参考批注进行选取即可，不用再查手册等资料；四周为粗实线的单元格为经过计算公式计算后得到的数值；四周为虚线的单元格为根据判断函数判断后得到的结果。

1）如图2所示，本软件设计架构构成分为总体设计、V带传动、直齿高速软齿轮、直齿低速软齿轮、直齿高速硬齿轮、直齿低速硬齿轮、斜齿高速软齿轮、斜齿低速软齿轮、斜齿高速硬齿轮、斜齿低速硬齿轮、高速轴、中间轴、低速轴，可根据设计需要选择合适的结构组成。例如：高速级齿轮既可以选择软齿面也可以选择硬齿面，既可以选择直齿也可以选择斜齿；低速级齿轮也是同样的；当然也可以作为单级齿轮传动使用。总之，高速级有4种选择，低速级有4种选择，作为单级圆柱齿轮设计有8种选择，再加上有无V带传动，一共可设计（4×4+8）×2=48种类型圆柱齿轮减速器。除此之外，还可以单独作为V带传动设计、圆柱齿轮设计、轴设计进行使用。

图2 软件设计架构构成

2）所有计算过程均可以打印成A4纸质资料或PDF资料，便于检查核对和校验。图2中最右侧的竖虚线以左区域即为打印区域。

3）可以将V带传动、直齿高速软齿轮、直齿低速软齿轮、直齿高速硬齿轮、直齿低速硬齿轮、斜齿高速软齿轮、斜齿低速软齿轮、斜齿高速硬齿轮、斜齿低速硬齿轮、高速轴、中间轴、低速轴中的一项单独进行使用，如图2所示。单独使用时建议进行备份后再使用，使用过程中需要手工输入已知参数，将不能再直接调用“总体设计”中的参数。

4）可直接调用各设计单元中的已知条件与“总体设计”中的参数，不用再进行手工输入，减少中间环节，避免出错。例如：对于图2中的已知额定功率，可以在B3单元格中直接输入“=总体设计!C31”，即直接调用“总体设计”中的C31的数据。

5）对于常需查表或查图等资料的数据，均进行了技术处理，采用插入批注的方式对相应参数进行批注提示，例如：对于图3中的小齿轮选材、热处理及硬度值，可将鼠标移动到“1）小齿轮”单元格上便可自动弹出批注，大大缩减了查表时间，便于应用。

图3 数据调用及批注使用说明示例

6）对计算得到的数据进行预判是否合理，利用EXCEL中的判断函数对数据进行自动判断，如图4所示。例如：斜齿轮螺旋角一般在8°～20°之间进行选取，如果计算结果小于8°，就会提示“角度太小，请重新计算”；如果计算结果大于20°，就会提示“角度太大，请重新计算”；如果计算结果在8°～20°间，就会提示“角度在选择范围内，可以使用”。这样可有效降低数据出错可能性，还可自动判断齿轮计算强度是否满足要求，如果满足要求，就会提示“强度满足要求”，如果不满足强度要求，就会提示“强度不满足要求，请重新计算”，这时设计人员需要重新调整设计参数进行重新计算，直到满足强度要求为止。