基于EXCEL的減速器設計計算軟件的開發

杜海彬，張長軍，張勇，張華瑾，馬俊，懷玉蘭，王玉，高桂仙（河北機電職業技術學院，河北邢臺 054000）

0 引言

設計開發了一款帶式輸送機上圓柱齒輪減速器設計計算軟件。以滿足工程中快速設計減速器為出發點，根據圓柱齒輪減速器一般手工設計計算流程，采用設計人員都比較熟悉的EXCEL軟件作為開發平臺，將繁雜的手工設計計算與EXCEL高效準確的數據處理能力有效結合，將圓柱齒輪減速器的設計計算過程化繁為簡，可有效提高設計人員的設計效率、設計靈活度，整個軟件操作簡單、實用性強[1]。

1 圓柱齒輪減速器設計計算流程分析

圓柱齒輪減速器設計過程主要包含齒輪、高速軸、低速軸、鍵連接、軸承、箱體等零部件的設計計算。雖然不同功率、不同工況所需設計出的圓柱齒輪減速器是不同的，但是其主要設計流程是一樣的，只需實際設計中根據功率和工況選擇合適的參數即可。圓柱齒輪減速器的主要設計流程如圖1所示。

圖1 圓柱齒輪減速器設計計算流程圖

2 軟件設計理念

1）設計計算理論依據。

本圓柱齒輪減速器設計計算軟件依據《機械設計基礎》[2]、《減速器設計實例精解》[3]等資料中關于圓柱齒輪減速器設計計算方面的資料，并結合圓柱齒輪減速器手工設計計算流程進行編制。

2）軟件運行平臺。

本軟件開發運行是基于EXCEL 2010 平臺，適合支持一切能運行EXCEL 2010及以上版本的電子設備中，如電腦、平板電腦、手機等，對電子設備要求不高，可使用范圍廣。

針對某些設計計算軟件只出計算結果，不能呈現計算過程，使得機械設計人員對其設計原理不清楚，進而“不敢用”這類軟件。而本軟件進行開發時充分考慮到這一問題，使軟件不僅能進行機械設計計算，設計計算的依據是什么，根據哪個公式進行計算的，參數如何進行選取等一系列問題展示得一清二楚。

而且本軟件的整個設計計算流程繼承了傳統的手工設計計算流程，這更符合機械設計人員的設計思路，使得機械設計人員“知其然知其所以然”，這樣才能讓設計人員“安心”地使用設計軟件。

圓柱齒輪減速器的設計計算過程是個系統且復雜的計算過程，而且圓柱齒輪又分直齒圓柱齒輪和斜齒圓柱齒輪兩類，為便于機械設計人員操作，軟件開發時只開發了斜齒圓柱齒輪傳動的設計計算，對于直齒圓柱齒輪傳動可以看成螺旋角為零的斜齒輪傳動即可，這樣就大大簡化了軟件開發及其使用的靈活性；對于設計計算過程中需要查找的一些技術標準進行了軟件嵌入處理，設計人員可以根據實際使用直接進行調用即可，這大大減輕了設計人員查技術標準的勞動量；本軟件對設計計算公式進行了加密保護，防止設計人員由于“誤”修改計算公式造成設計計算錯誤情況的發生；將各種手工設計計算中的加、減、乘、除、開方、幾次冪等問題均由EXCEL來完成，完全實現“電算化”。

3 軟件使用注意事項

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

本軟件在圓柱齒輪減速器方案擬定、設計計算、投標估算等階段均可使用。本軟件與其它的相關軟件及手工設計計算相比具有如下優點：1）本軟件是基于EXCEL開發平臺的，能夠在臺式機電腦、筆記本電腦、平板電腦、支持EXCEL的手機等設備中應用。應用中既可以應用軟件中的部分計算功能，還能應用最終結果，整個過程實現“所見即所得”。2）保留和繼承了傳統圓柱齒輪減速器設計計算流程和計算方法，同時提高了設計計算效率，降低了手工設計計算反復計算易出錯且不易查找等問題，設計計算完成后既可以生成PDF格式文件，還可以直接打印成A4紙質材料，這樣有利于查驗和校核。3）本軟件操作簡單、方便靈活，符合機械設計人員設計圓柱齒輪減速器的設計思路，整個設計計算既有設計計算過程又有設計計算結果，依據充分明了，進而解決了某些軟件“不好用、不敢用”等難題。4）本軟件設計計算覆蓋范圍廣，可以實現一級圓柱齒輪減速器的設計計算，也可以實現二級圓柱齒輪減速器的設計計算，無論是一級、二級圓柱齒輪或直齒、斜齒，均可應用本軟件進行設計計算，還可進行軸類零件、鍵連接等設計計算。5）設計者既可進行整個減速器的設計計算，也可進行局部的設計計算，應用較為靈活。6）本軟件是基于EXCEL平臺開發的，具有強大的計算和擴展功能，可以通過插入批注的方式內嵌一些表格和圖片，方便設計人員查詢和使用，節省設計時間，增加判斷函數，對設計計算結果進行預判和提示，防止錯誤的出現。

4 軟件功能展示及說明

本軟件是基于EXCEL平臺建立的工作表，其中下粗實線單元格為已知量，需要手工輸入數值；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，相應參數選取時可直接參考批注進行選取即可，不用再查手冊等資料；四周為粗實線的單元格為經過計算公式計算后得到的數值；四周為虛線的單元格為根據判斷函數判斷后得到的結果。

1）如圖2所示，本軟件設計架構構成分為總體設計、V帶傳動、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，可根據設計需要選擇合適的結構組成。例如：高速級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；低速級齒輪也是同樣的；當然也可以作為單級齒輪傳動使用?？傊咚偌売?種選擇，低速級有4種選擇，作為單級圓柱齒輪設計有8種選擇，再加上有無V帶傳動，一共可設計（4×4+8）×2=48種類型圓柱齒輪減速器。除此之外，還可以單獨作為V帶傳動設計、圓柱齒輪設計、軸設計進行使用。

圖2 軟件設計架構構成

2）所有計算過程均可以打印成A4紙質資料或PDF資料，便于檢查核對和校驗。圖2中最右側的豎虛線以左區域即為打印區域。

3）可以將V帶傳動、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、低速軸中的一項單獨進行使用，如圖2所示。單獨使用時建議進行備份后再使用，使用過程中需要手工輸入已知參數，將不能再直接調用“總體設計”中的參數。

4）可直接調用各設計單元中的已知條件與“總體設計”中的參數，不用再進行手工輸入，減少中間環節，避免出錯。例如：對于圖2中的已知額定功率，可以在B3單元格中直接輸入“=總體設計!C31”，即直接調用“總體設計”中的C31的數據。

5）對于常需查表或查圖等資料的數據，均進行了技術處理，采用插入批注的方式對相應參數進行批注提示，例如：對于圖3中的小齒輪選材、熱處理及硬度值，可將鼠標移動到“1）小齒輪”單元格上便可自動彈出批注，大大縮減了查表時間，便于應用。

圖3 數據調用及批注使用說明示例

6）對計算得到的數據進行預判是否合理，利用EXCEL中的判斷函數對數據進行自動判斷，如圖4所示。例如：斜齒輪螺旋角一般在8°～20°之間進行選取，如果計算結果小于8°，就會提示“角度太小，請重新計算”；如果計算結果大于20°，就會提示“角度太大，請重新計算”；如果計算結果在8°～20°間，就會提示“角度在選擇范圍內，可以使用”。這樣可有效降低數據出錯可能性，還可自動判斷齒輪計算強度是否滿足要求，如果滿足要求，就會提示“強度滿足要求”，如果不滿足強度要求，就會提示“強度不滿足要求，請重新計算”，這時設計人員需要重新調整設計參數進行重新計算，直到滿足強度要求為止。

圖4 自動判斷使用說明

7）對整個軟件中的計算公式進行保護處理，避免因使用人員私自修改公式而造成計算錯誤，如需對計算過程進行修改或改進建議，可與開發者進行聯系，共同探討和研發，這樣既保證了計算過程的可靠性，又開放了軟件的二次開發。

5 結語

該軟件在高校和企業中進行了推廣應用，受到設計人員的喜愛，將原來需要設計計算幾天的工作量縮短到十幾分鐘完成，大大提高了設計計算效率，縮短了設計計算周期。隨著該軟件的進一步開發，將擴展到圓錐齒輪減速器、蝸輪蝸桿減速器等設備設計計算中，希望借此軟件的研發和應用推動機械設計向電算化、信息化方向發展。