Основные принципы конструирования

Развитие техники может происходить только на базе создания новых машин и совершенствования уже построенных. Теоретические и экспериментальные исследования машин для определения силы взаимо­действия их деталей и сборочных единиц (узлов), практика конструи­рования, а также опыт их изготовления составляют основу создания современных машин.

Многообразие и сложность факторов, влияющих на конструкцию, изготовление и эксплуатацию технологического оборудованию, не дают возможности составить общую расчетную схему и обеспечить соответст­вие результатов расчета окончательным размерам деталей и машин в целом. В связи с этим при проектировании машин, а также простых и сложных деталей, обычно возникает необходимость разработки несколь­ких вариантов решений. При этом рацио­нальное конструирование машин и оборудования возможно только с учетом технологии и организации работ. Машины, спроектированные и изготовленные с нарушением указанных требований, не могут быть эффективно использованы. Поэтому проектирование любой машины и их комплектов для комплексного механизированного и автоматизиро­ванного производства начинают с анализа заданного процесса произ­водства и прежде всего принятой технологии. Раскроем суть категории «конструирование».

Конструирование — это логико-математический творческий процесс поиска оптимального варианта структуры, форм, размеров, материалов и взаимосвязи совокупности отдельных элементов, предназначенных для выполнения заданных функций в соответствии с требованиями техни­ческого задания, с учетом достижений науки и техники, патентных оценок и перспектив развития отрасли.

Результатом конструирования является полный комплект конструкторских документов, необходимых для изготовления, испытания и эксплуатации изделия.

Конструирование изделия (деталь, узел, механизм, привод машины, технологическая линия и т.п.) начинается с формирования и анализа входных данных. Эта процедура связана с анализом компоновочной и кинематической схем машины, компоновочной и кинематической схем узла (механизма). Здесь целесообразно выполнить следующие действия:

1) уточнить служебное назначение сборочной единицы,

2) разобрать кинематическую схему узла (механизма), т. е. выделить составляющие звенья кинематической цепи, уточнить последователь­ность передачи энергии от начального звена по кинематической цепи к конечному звену, выделить неподвижное звено (корпус, стойку и т.п.), относительно которого перемещаются все остальные звенья, уточнить связи между звеньями, т. е. вид кинематических пар, установить служебные функции неподвижного звена и всех подвижных звеньев,

3) рассчитать восприятие звеньями усилия, так как они определяют тип и размеры составляющих их деталей,

4) начать конструирование узла с наиболее ответственного звена определить его тип, выделить составляющие его элементы, расчетом или
конструктивно определить основные размеры элементов кинематических
пар и элементов звена,

5) последовательно конструировать все звенья узла, выполняя проработку их элементов,

6) эскизно сконструировать неподвижное звено узла,

7) уточнить разделение каждого звена на детали,

8) разделить каждую деталь на составляющие элементы,

9) установить служебную функцию (функции) и назначение каждого элемента и его связи с другими элементами,

10) выделить сопрягаемые, прилегающие и свободные поверхности каждого элемента детали,

11) установить окончательно форму каждой поверхности и ее положение,

12) окончательно оформить изображение каждой детали на изобра­жении сборочной единицы.

На различных стадиях проектирования применяют три типа изображений деталей и их элементов изображения, упрощенно отображающие форму, положение и ориентацию детали и ее элементов (кинематические и прочие схемы); изображения, упрощенно отображающие форму, точное положение и ориентацию детали и ее элементов (чертежи общих видов и сборочные); изображения, точно отображающие форму, положение и ориентацию элементов детали (чертежи деталей).

Как правило, при конструировании оригинальных деталей используют все три вида их изображений. При эскизном проектировании кинема­тических и компоновочных схем машин, узлов и механизмов используют условное изображение деталей, как элементов более низкого уровня иерархии этих технических объектов, выполняющих их элементарные функции. При техническом проектировании выполняют конструктивную проработку оригинальных деталей узлов и механизмов: в соответствии со служебным назначением уточняют конфигурацию детали и формы ее основных функциональных элементов, определяют марку материала, рассчитывают или выбирают основные размеры элементов, определяют требования к их положению и ориентации.

Обобщая вышеизложенное относительно основного принципа конст­руирования — функциональной целесообразности, приведем следующие этапы этого процесса:

· формирование требований и выходных параметров;

· выбор или синтез (составление, соединение) структуры в виде
отдельных блоков;

· выбор или синтез конфигурации каждого из блоков;

· выбор материалов и синтез геометрии отдельных элементов.

Каждый из этапов предполагает компоновку объекта из составляющих частей, исходя из данных, содержащихся в справочной литературе, предпочтительно в электронном виде — автоматизированном банке данных. Для любого этапа нужно иметь аналоги и прототипы, так как незачем повторять работу, проделанную другими. Все творческие усилия следует направить на составление и сопоставление вариантов для конкретных условий, например, какой привод лучше подходит: элект­рический, гидравлический или пневматический, — как перераспределены функции между приводом, передаточным механизмом и системой управ­ления, между несущей частью (рамой) и исполнительным звеном и т.п.

Процесс конструирования многогранен. В самом его начале нужно представлять, как разрабатываемый технический объект можно изго­товить и как он будет выглядеть в конце процесса.

Конструктор — это художник, — это композитор, — это поэт в своей области. Если он не обладает талантом, обширными и глубокими знаниями, пространственным (многомерным) мышлением, то создать новую совершенную конструкцию ему не помогут никакие правила или принципы. Создавать искусственный мир — это прежде всего искусство, а наука, как совокупность знаний, только помогает интуиции и таланту. Теория и конструкторский опыт должны быть сбалансированы. Цель конструирования — наиболее полное решение поставленной функциональной задачи. Приступать к разработке проекта нужно, только поняв функцию будущего изделия и представив в пространстве возможное решение или путь решения. Здесь идет речь о пространстве не только трехмерном (геометрическом), но и многомерном (время, исторические тенденции, материалы и технологии). В этой связи, если Вы обладаете линейным или плоским представлением вещей, то конструирование не Ваша сфера деятельности, а если вы мысленно можете представлять геометрию изделия, то постарайтесь развить Ваше качество до многомерного понимания искусственного мира.

Для решения функциональной задачи одинаково важны геометрическая форма (собственно конструкция), материалы и технология.

Функциональная целесообразность— принцип, означающий соответ­ствие выбранного решения поставленной задаче. Иными словами — задача должна быть выполнена без превышения необходимых затрат.

Функциональная целесообразность предусматривает, в частности, обеспечение минимально допустимой для заданной функции прочности, минимальной жесткости и других характеристик, если их повышение сопря­жено с увеличением массы, удорожанием изготовления и эксплуатации устройства; выполнение защитных конструкций тонкостенными (в виде кожухов) в отличие от несущих конструкций; обеспечение высокой точности и центрирования деталей только в случаях, когда это влияет на работоспособность устройства; исключение лишних опор для деталей, которые могут самоустанавливаться; обеспечение высокого качества только трущихся, посадочных, а также открытых для обозрения и контакта поверхностей.

Выбор схем и конструкций должен быть на альтернативной основе. Основная функциональная задача решается благодаря выполнению множества частных функций, таких как восприятие определенного вида нагрузки, изменение определенного параметра движения, передача вращающего момента, центрирование, компенсация определенной погрешности, ограничение перемещений и т.п. Из многообразия частных функций и их конструктивных решений нужно определить ту единст­венную совокупность, которая в полной мере соответствует поставлен­ной задаче, причем совмещение функций позволяет привести к уменьшению габаритных размеров и массы.

Многопоточность передачи энергии.Одна из основных задач конструирования — передача механической энергии от источника (привода) к испытательному устройству (рабочему органу) машины. Под многопоточной передачей понимается параллельное (в энергетическом, кинематическом или силовом нагрузочном смысле) размещение нескольких кинематических цепей (соединений) или нескольких подвижных соединений. К таким системам относятся:

· планетарные многосателлитные передачи, в том числе, частные варианты с неподвижными осями колес, передачи с многопарным зубчатым зацеплением (например, волновые зубчатые передачи), многодисковые вариаторы скорости и т.п.;

· многоэлементные (например, шлицевое соединение в сравнении
со шпоночным) и групповые неподвижные соединения, в т.ч. много­
элементные упругие соединительные муфты и др.;

· многопоточные (замкнутые) механические передачи движения с
постоянным передаточным отношением;

· многопоточные (замкнутые) комбинированные передачи с изменяемым (регулируемым) передаточным отношением из параллельных
ветвей;

· многодвигательные приводы с неподвижным соединением выход­ных звеньев каждой из параллельных ветвей с общим выходным звеном;

· многодвигательные приводы с дифференциальным соединением
(через суммирующий механизм) выходных звеньев каждой из параллель­ных ветвей с общим выходным звеном;

· многодвигательные приводы с двумя и более выходными звеньями
с соединением ветвей системы через дифференциальный (разветвляющий,
суммирующий) механизм;

· разветвленные механические трансмиссии, присоединяющие одно­временно или выборочно несколько выходных звеньев к общему двигателю;

· многопоточные многоподвижные манипулирующие механизмы.

Многопоточность при одинаковой функции сравнивае­мых устройств (характера воспроизводимого движения, несущей нагрузочной способности) имеет ряд преимуществ:

1 Дробление энергетического потока приводит к уменьшению размеров и массы каждого из элементов или звеньев параллельных ветвей,
но происходит это не пропорционально уменьшению нагрузки, а в
большей мере так, как «срабатывает» масштабный эффект — влияние
размеров объекта на изменение характеристик сопротивления усталости,
трения и изнашивания и т.п. Чем меньше диаметр заготовки, тем выше
достигаемые механические свойства материала, тем больше технологических возможностей совершенствования геометрической формы и точности ее воспроизведения, а также уменьшения шероховатости. Уменьшение размеров приводит к уменьшению линейных скоростей звеньев и скоростей скольжения, что позволяет уменьшить виброактив­ность системы, легче решать проблемы виброзащиты, снижать потери на трение, выбирать более рациональные решения подшипников и уплотнений, обеспечивать герметичность соединений и т.п.

2 Уменьшение размеров детали может привести к изменению схемы
ее нагружения и возможности изменения геометрической формы в
сторону ее упрощения — сравни, например, форму сателлита в виде
кольца с зубьями с формой обычного зубчатого колеса, содержащего
обод, диск и ступицу.

3 Чем меньше размеры деталей, тем легче осуществить автоматизацию обработки и сборки. В конечном итоге стоимость изготовления нескольких однотипных деталей или элементов может быть уменьшена по сравнению со стоимостью изготовления одной крупной детали.

4 Варьированием количества двигателей, редукторов, соединений в
одной системе можно добиться рационального использования унифицированных, уже выпускаемых сборочных единиц, в т.ч. используемых в других системах.

Имеются и другие преимущества многопоточных систем, но в то же время следует предупредить читателя, что любое направление в конструировании не лишено недостатков, поэтому в каждом конкретном случае многопоточную систему нужно рассматривать как альтернатив­ный вариант (или варианты) однопоточной системе и выбирать из них наиболее подходящий для решения поставленной задачи.

Вопросы для самоконтроля

1 В чем суть процесса проектирования?

2 Какие стадии и какова последовательность процесса проектирования?

3 Дайте определение категории конструирование.

4 Назовите основные принципы конструирования.

5 Что служит основой конструирования?

6 В чем суть принципа «многопоточность передачи энергии»?