Основные принципы и правила конструирования

10.1 Общие сведения

Конструкция изделия должна максимально удовлетворять по­требности пользователя, т. е. при низкой цене должна иметь высокое качество. Технические характеристики должны быть на уровне мировых достижений и иметь резерв развития. Основ­ными требованиями к конструкции механизмов узлов и деталей являются:

- выбор наиболее рациональной схемы конструкции и ее эле­ментов;

- обеспечение показателей, записанных в техническом зада­нии (ТЗ), определяющих назначение, технические и экономиче­ские характеристики объекта: производительность, мощность, скорость движения, стоимость и др.;

- повышение надежности и ресурса, обусловленных свойством изделия выполнять в течение заданного времени свои функции, сохраняя эксплутационные показатели. У детали надежность обеспечивается прочностью, жесткостью и стойкостью к воздей­ствиям вибрации, износу, температуре, давлению, влажности и др. В зависимости от назначения и условий эксплуатации тре­бования могут быть различными. Например, при воздействии на резьбовые детали вибрации они должны стопориться;

- уменьшение материалоемкости, что выполняется при созда­нии компактных конструкций и изготовлении деталей из материала с высокой удельной прочностью, включая металлы, неметаллы и композиты; выбор размеров и формы детали, обес­печивающей выравнивание напряжений. Возможно также уп­рочнение материала различными методами (термическими, хи­мико-термическими, физическим воздействием высоких энер­гий и др.);

- малое энергопотребление при эксплуатации, что реализует­ся при минимальных потерях на трение и высоком КПД. Например, использование в передачах подшипников качения вме­сто подшипников скольжения;

- обоснованное назначение точности и шероховатости деталей и обеспечение их взаимозаменяемости; использование стандар­тизации и унификации деталей и их элементов;

- исключение попадания грязи, пыли и влаги на подвижные де­тали изделий, используя герметичные корпуса, кожухи и другие элементы конструкций, а на ряд поверхностей нанесения анти­коррозионных или антифрикционных покрытий. В результате устраняется коррозия, а в узлах трения уменьшается износ;

- включение элементов (лючков, регулировочных устройств и т. п.) для обеспечения технического обслуживания, ремонта и контроля;

- создание безопасности и комфорта оператору или исключе­ние его присутствия (автоматизированный процесс), устранение вредного воздействия на человека и окружающую среду;

- учет производственно-технологических требований. Конструктивные решения будут более совершенными и иск­лючат ошибки при использовании принципов, сформировав­шихся на основании многолетнего опыта создания изделий.

10.2 Стандартизация и унификация

Использование стандартизации и унификации деталей и узлов улучшает качество изделий, делает конструкцию более техноло­гичной и экономичной ее производство.

Стандартизация — регламентирование типоразмеров и конст­рукций, широко применяемых машиностроительных деталей, узлов, агрегатов. Стандартизация ускоряет проектирование, об­легчает изготовление, эксплуатацию, ремонт машин и механиз­мов, способствует увеличению надежности машин.

В зависимости от сферы действия предусматриваются сле­дующие категорий стандартов: государственные (ГОСТ), отрас­левые (ОСТ), стандарты предприятий (объединений) (СТП).

Государственные стандарты включают требования преиму­щественно к продукции массового и крупносерийного производ­ства широкого и межотраслевого применения, например ряды нормальных линейных размеров, нормы точности зубчатых пе­редач, допуски и посадки, размеры и допуски резьбы и др.

Отраслевые стандарты устанавливают требования к продук­ции, технической оснастке, инструменту, специфическим для отрасли. Их разрабатывают также для ограничения количества вариантов, например, типоразмеров крепежных деталей, полей допусков и посадок.

Стандарт предприятия распространяется на нормы, прави­ла, методы, составные части изделий, имеющие применение только на данном предприятии.

Унификация — приведение объектов одинакового функцио­нального назначения к единообразию по установленному призна­ку и рациональное, сокращение числа этих объектов на основе данных об их эффективной применяемости. Унификация состо­ит в многократном применении в конструкции одних и тех же элементов и деталей. Это наиболее распространенная и эффек­тивная форма улучшения технологичности изделий.

Стандартизация изделий, их составных частей и деталей обязательно предполагает их унификацию. В результате этих мероприятий сокращается номенклатура стандартного рабочего и мерительного инструмента, что особенно важно при использо­вании сложных инструментов (фрез, метчиков, плашек и др.), стоимость которых значительно увеличивается при индивиду­альном производстве нестандартных образцов. Пример конст­рукции до унификации приведен на рис. 10.1, а, после унифика­ции (т — модуль) — на рис. 10.1, б.

Рис. 10.1

10.3 Прочность и жесткость

Прочная и жесткая деталь при эксплуатации не должна разру­шаться и подвергаться недопустимым упругим и пластическим деформациям. Например, нельзя допускать за счет прогибов большие перекосы валов с зубчатыми колесами, образование отдействия нагрузок ямок на дорожках подшипников качения. Повышение прочности и жесткости детали наиболее просто можно добиться увеличением размеров в опасных сечениях или заменой материала на более качественный. Обычно такое реше­ние приводит к увеличению массы, габаритных размеров и стои­мости. Поэтому конструктору нужно использовать способы обес­печения прочности при минимальных затратах массы, которые позволяют получить деталь с минимальной материалоемкостью.

Прочность узлов и деталей. Конструирование прочных уз­лов и деталей минимальной массы сводится к выбору раци­ональной схемы конструкции, формы, размеров и материала де­талей. Возможно и упрочнение материала. Минимальная масса конструкции обеспечивается способами: создания изделия с ра­циональной конструктивно-силовой схемой; конструированием деталей минимальной массы; уменьшением нагрузки, концент­рации напряжений; применением композиционных материа­лов; упрочнением материала деталей в наиболее напряженных местах; удалением материала с участков, где напряжения малы.

Уменьшение нагрузки. Снижение нагрузок на детали мож­но реализовать, увеличивая число элементов, передающих силы и моменты. Например, замена однопоточной схемы редуктора на многопоточную обычно приводит к снижению нагрузок и массы.

Уменьшение концентрации напряжений. Это важно для увеличения прочности и долговечности при циклическом нагружении. Снижение концентрации напряжений можно выпол­нить двумя способами: конструктивным и технологическим. При конструктивном способе не рекомендуется делать резких переходов формы (галтели с малым радиусом, пазы под шпон­ки) и скачков нагрузки (сосредоточенные силы, прессовые посадки). При технологическом способе прочность детали уве­личивается за счет создания в поверхностном слое остаточ­ных напряжений сжатия и (или) повышения прочности по­верхностного слоя. Это осуществляется дробеструйной обработ­кой, обкаткой роликами, химико-термическими способами (цементация, азотирование), методами физического воздейст­вия высокой энергией (лазерная, ионно-плазменная обработка) и др.

Применение композиционных материалов (КМ). Детали из КМ можно придать свойства, согласованные с действующими нагрузками (где больше нагрузка, там в материале матрицы больше высокопрочных волокон, направленных вдоль дейст­вующих сил).

Упрочнение материала детали в наиболее напряженных местах. Упрочнение выполняется технологическими способа­ми. Например, рабочую поверхность зуба колеса делают более твердой по сравнению с сердцевиной. В результате зуб выдер­живает большие контактные напряжения, а пластичная сердце­вина не дает ему разрушаться при ударах.

Удаление материала с участков, где напряжения малы.

На рис. 10.2 показано, как нужно в этом случае изменить форму детали для

Рис. 10.2

уменьшения ее массы (конструкции на рис. 10.2, а заменить на другие конструкции (рис. 10.2, б)). В улучшенных конструкциях у зубчатого колеса сделаны дополнительные про­точки, а в шестерне, консольно расположенной на валу, расто­чено отверстие.

Жесткость деталей и узлов. Жесткость определяет способ­ность детали сопротивляться деформации при нагружении. На­ряду с деталями, где деформация ограничена и жесткость долж­на быть достаточно высокой (валы, балки), имеются элементы с регламентированной и(или) малой жесткостью (пружины, сильфоны, гибкие колеса волновых передач). Для обеспечения необ­ходимой жесткости балок целесообразно использовать раци­ональные сечения, выбранные из условия прочности. Такие се­чения также будут иметь минимальную массу. Нельзя допускать потерю устойчивости, как местной, так и общей. Об­щая устойчивость балки, нагруженной сжимающими силами, связана с жесткостью. Действующая сила должна быть меньше критической силы, которую определяют по формуле Эйлера

При конструировании длинных стержней, которые могут потерять общую устойчивость, их рациональным сечением, обеспечивающим минимальную массу, будет кольцевое. Ис­пользуются детали в виде трубы с законцовками.

Повышение жесткости возможно путем:

- использования материала с более высоким модулем упругос­ти (например, вместо алюминиевых сплавов Е = 0,72 • 10⁵ МПа бериллиевых Е = 1,35 • 10⁵, которые имеют более высокую удельную жесткость Е/р;

- замены деформации изгиба на растяжение—сжатие;

- использования ребер жесткости или перегородок;

- увеличения площади контакта;

- увеличения жесткости наиболее податливого элемента сжа­тию (например, упругой прокладки) и др.

10.4 Точность взаимного положения деталей

Точность деталей и их взаимного положения определяется на­значенными допусками и посадками. Рассмотрим лишь общие подходы к точности положения деталей. В конст­рукции должны быть предусмотрены элементы, обеспечи­вающие заданную точность относительного расположения ее частей — центрирующие, фиксирующие, компенсирующие и другие части. Они должны иметь простую конструкцию и сво­бодный подход для режущего и мерительного инструмента.

Базирование деталей. Базирование — предание детали тре­буемого положения, относительно выбранной системы коорди­нат. База — поверхность, ось, точка, принадлежащие детали и используемые для базирования. Погрешность базирования — от­клонение фактически полученного положения детали от тре­буемого. Чаще всего базирование деталей производят по пло­ским и цилиндрическим поверхностям или их комбинациям. При соединении двух деталей вследствие погрешностей формы сопрягаемых поверхностей и некоторых других факторов воз­можны перекосы деталей на валах, особенно при установке уз­ких деталей. Детали с относительно большой длиной (l/d > 0,8) базируются по цилиндрической поверхности между торцом де­тали 2 и упорным буртиком вала 1 образуется клиновой зазор k (рис. 10.3, а). При малом отношении длина детали к диаметру вала (l/d < 0,8) базирование осуществляется по торцевой по­верхности упорного буртика и в соединении образуется ради­альный зазор δ (рис. 10.3, б).

Рис. 10.3

Центрирование деталей. Работоспособность проектируемого изделия во многом определяется необходимой соосностью дета­лей и узлов, входящих в изделие, т. е. требуемой точностью центрирования. Соосность характеризуется величиной смеще­ния номинально совпадающих осей цилиндрических поверхно­стей. Выбор расположения этих поверхностей определяется до­пуском соосности. При обеспечении требуемой соосности следу­ет принимать во внимание то, что резьбовые соединения не обеспечивают правильного центрирования. В качестве центри­рующих поверхностей в таких случаях, как правило, использу­ются цилиндрические или соосные с резьбой гладкие цилиндри­ческие пояски.

На рис. 10.4, а приведены неудачные решения, где точное положение оси базируется лишь на резьбу, что не обеспечивает необходимой точности положения оси, а на рис. 10.4, б показа­ны правильные конструкции.

Рис. 10.4

Фиксация детали на плоскости. Фиксация детали на плос­кости может осуществляться с помощью двух, а иногда и более штифтов. Более двух штифтов устанавливают, когда они не только фиксируют деталь, но и передают большие силы. Не рекомендуется плоскость стыка делать ступенчатой, так как это усложняет его изготовление и герметизацию.

Наиболее технологична конструк­ция, в которой применяется метод полной взаимозаменяемости. Однако наряду с ним иногда используют ме­тод компенсации (путем введения компенсатора) или пригонки (когда один из размеров подгоняется при сборке), причем метод пригонки допускается применять лишь в инди­видуальном производстве, но его нуж­но избегать.

10.5 Другие методы и принципы конструирования

Помимо рассмотренных выше подходов при конструировании деталей и узлов механизмов используются и другие, облегчаю­щие создание и эксплуатацию изделий. Рассмотрим некоторые из них.

Блочный принцип. Использование блочного конструирова­ния позволяет существенно повысить технологичность при сборке, и особенно при ремонте изделия.

Компактность конструкции. Меньшие габаритные размеры получаем при переходе к более совершенным передачам, напри­мер при замене многоступенчатой цилиндрической зубчатой пе­редачи на волновую. Использование более совершенных схем расположения колес также уменьшает размеры. Соосная схема редуктора лучше, так как она имеет меньший объем и массу, чем развернутая.

При конструировании для получения более совершенных из­делий можно использовать эвристические приемы. Приведем некоторые из них.

Метод совмещения. На рис. 10.5, а показаны два коромыс­ла, каждое из которых имеет свою опору, а на рис. 10.5, б—г — другие варианты, где две опоры объединены в одну, конструк­ция которых проще и масса меньше.

Метод «матрешки», когда один элемент конструкции по­мещается внутри другого. Например, мотор устанавливают вну­три колеса.

Метод наоборот. Например, возможна замена в передаче винт-гайка вращение винта на вращение гайки. Разработаны и другие методы.

Рис. 10.5