模块化系列机械产品的设计是工业发达国家近二十年来一直采用的一种先进的机械产品设计方法，它将系统根据功能分解为若干模块，通过模块的不同组合得到不同品种和不同规格的产品。在实际机械产品的设计与制造时，模块化系列机械产品的设计还应用了CAD技术、成组技术，柔性加工技术等先进技术，可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，而选用不同模块，就可组成不同类型、不同规格的产品。由于采用了模块化系列机械产品的设计，因此产品的精度高、性能稳定，结构简单、成本低廉。显然，为了保证模块的互换，必须提高其标准化、通用化和规格化的程度。
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13.2～44.1kW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设计之中，齿轮减速器的模块化设计就是其中比较成功的例子。本文以齿轮减速器（下文简称减速器）为例，介绍模块化系列机械产品设计的原理、模块化设计的分类、模块的划分与组合及模块化设计的步骤。
1 减速器模块化设计的原理
减速器是机器的动力模块与执行模块之间的独立机械传动装置，它起到降低转速和增大转矩的作用。减速器由许多零件组成，如轴上传动零件、轴承、联轴器、轴承盖、箱体等。通常的减速器设计，是根据减速器的主参数（如输入功率与转速，输出功率与转速等）对每个零件进行设计或选用。这种设计方法的缺点是设计和制造的工作量大、重复劳动生产率低和生产周期长，且零件的加工质量难以一致，因此减速器的性能差别很大。事实上，对于主参数不同但很接近的减速器，按同一规格设计和制造反而会获得更好的技术经济综合指标。此外，在不同主参数的减速器中，许多零件或组件是可以通用的，没有必要另行设计和制造。因此，如何对不同主参数的各种减速器确定这些通用的零件、组件或某些非通用的零件、组件，并且将这些零件或组件进行有机结合以构成不同主参数的各种减速器，这就是减速器的模块化所要解决的主要问题。
减速器的模块化设计，就是对各种不同规格品种的减速器进行功能的分析和划分、进而设计出一系列功能模块，并通过对这些功能模块的选择和组合来构成不同的减速器，以适应市场的需求。
减速器的规格品种繁多，国外已有一些厂家成功地进行了减速器的模块化设计。例如，比利时的Hansen专利模块化减速器系列，其基本模块为17对弧齿锥齿轮和28对螺旋齿圆柱齿轮，由此组成的减速器可以具有2320种的传动比。
2 减速器模块化设计的分类
减速器的模块化设计与其它产品的模块化设计一样，可以分为横系列模块化设计、纵系列模块化设计、跨系列模块化设计和全系列模块化设计四类。
减速器的横系列模块化设计是在某种规格的基型减速器基础上，通过增减或变更某些特殊功能的模块，得到所需的不同的变型减速器。显然，由此获得的各种变型减速器的主要参数（尤其是动力参数）相同，不同之处仅在于某些功能、结构和布局。横系列模块化设计的特点是通用模块多，专用模块少，同一横系列减速器所需模块种类少，易于实现模块化设计。
减速器的纵系列模块化设计是对不同规格的同一类型的基型减速器进行的模块化设计，这种设计适用于不同主参数的减速器。在通常设计中，若主参数（尤其是动力参数如功率、转矩等）不同，则设计的主要零部件的结构或尺寸也就不同。如果把不同主参数的减速器的零件或组件设计成相同的通用模块，则为了满足强度和刚度的需要，势必造成材料的浪费和结构的庞大。为了克服上述的缺点，可以对与动力主参数有关的模块，采用分段通用的方法进行设计；而对与动力主参数无关的模块，尽量接通用模块进行设计。与横系列模块化设计相比，纵系列模块化设计可以得到各种主参数的减速器，但其通用模块少，专用模块多，模块通用化程度低，模块化设计难度大。
通常，人们综合了横系列模块化设计和纵系列模块化设计的长处，在横系列模块化设计的基础上兼顾了纵系列模块化设计，形成既有横系列又有纵系列的跨系列模块化设计。当跨系列模块化设计应用于全部系列范围的模块化设计时，就称为全系列模块化设计。
在四种模块化设计中，全系列模块化设计覆盖了同类产品的全部规格品种，因此所需的模块种类最多，模块化复杂程度和难度最大。
3 减速器模块的划分与组合
减速器模块的划分是模块化设计中的重要问题之一。如何合理地划分模块，是模块化产品设计的关键。模块种类少，通用化程度高，加工批量大，可以降低成本。模块种类多，可以满足对产品各种功能、性能的需要，提高整个模块化系统的柔性。一般设计时应从产品系统的整体出发，对功能、性能和成本诸方面进行全面分析，才能合理确定模块的种类和数量。
划分模块的出发点是功能分析。功能分析就是根据产品的总功能分解为分功能、功能元，划分相应的功能模块，再具体确定生产模块。功能模块的分类如图1所示。
图1 功能模块的分类
生产模块是在功能模块的基础上，根据具体的生产条件确定的加工模块（基本模块）。基本模块是加工单元，是实际使用时拼装组合的模块，可以是部件、组件或零件。
一般应用时常以部件作为基本模块。例如，工程机械中的底盘部件、发动机部件、驾驶室部件、制动器部件，机床中的主轴箱部件、夹紧装置等，它们都是基本模块。应该指出，这些部件既是基本模块，又因直接承担一定的功能，因此也是功能模块。部件作为基本模块，可以使模块具有较高的独立性和完整性，便于组合与分离，因此装配质量容易得到保证，且便于生产管理。但是，模块组合的结构往往过大，这就导致了可实现方案数的减少，且更换模块时成本增加了。
组件可以使部件有不同的功能和性能。例如，摇臂钻床的主轴箱，变换其中的齿轮传动轴系组件，可得到6种不同的转速范围。
零件作为生产模块，具有更火的灵活性。例如，比利时Hansen公司的专利减速器系列的2320种传动比，就是由45对齿轮和8种箱体组合而成的。德国马格公司生产桥式起重机中的吊钩，通过改变吊钩的材料，使每一种型号的吊钩具有5种起重量，这样就可以减少零件的种类。
为了更好地发展模块化设计，近年来提出了分级模块的思想，即把模块分成不同的级别，低一级模块组合便成为高一级模块。显然，低级模块的结构简单，因此更容易地实现标准化，并且可以灵活地组合，从而提供更多的解决方案，简化设计过程。例如，将承担同一功能的超重机架分为长度较短的若干“节”，这样，不仅便于制造、运输，而且能方便地组合成不同长度的机架。
4 减速器模块化设计的步骤
在减速器的模块化设计前，应做好市场调研与用户访问工作，并根据市场需要，科学地制定产品的发展规划。
减速器模块化设计的步骤可用图2所示的框图表示，由于篇幅所限，本文只能作一些简单的说明。
图2 减速器模块化设计的步骤框图
4.1 根据减速器的主要参数确定其系列型谱
在减速器的模块化设计中，首先根据它的主要参数确定其系列型谱。例如，欲要设计中小功率的通用齿轮减速器系列，要求满足平行轴及相交轴的传动，这时可确定其系列型谱如图3所示，它包含12种的装配形式。
图3 减速器的装配形式
4.2 技术设计
包括基型设计、箱体模块设计、轴的模块设计，校核计算和完成基型的结构装配图等。
4.3 扩展系列设计
包括横系列设计、纵系列设计等（具体内容可参考《机械设计》）。
4.4 全系列模块设计
对全系列产品减速器的主要尺寸及其参数进行必要的调整和标准化处理，以提高模块化程度。例如，对于不同中心距的减速器，若其输出轴的直径相近，最好取成同一圆整的数，以便于联轴器的通用。又如，减速嚣的端盖的尺寸应尽量归类为少数几种模块，而端盖上的联接螺栓的受力不同，则可通过改变螺栓的个数而不是改变螺栓的大小加以解决。因此，可选用相同规格的螺栓，以减少螺栓的种类。
4.5 设计结果
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l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丰要零部件的通用化程度较高，这就降低了成本，且便于管理。
表1 减速器模块化系列中的主要零部件的通用化程度
应该指出，由于减速器模块化设计中的模块不直接与产品联系，因此必须要做好技术文件的编制工作。技术文件的编制主要包括：编制模块组合与配置各类产品的关系表，其中包括全系列的模块种类及各产品使用的模块种类和数量；编制所有产品的模块组和模块目录表，标明各产品和模块组的组成及制造和验收条件等。
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本文标题：机械设计中的模块化设计思想
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