4.4. Совершенство конструктивной схемы.

Наибольшие возможности уменьшения массы заложены в применении рациональных конструктивных схем с наименьшим числом деталей и наиболее выгодным течением силового потока, обеспечивающих компактность и малые габариты конструкций.

С окращение звеньев механизма и устранение звеньев способствующих значительному снижению массы агрегата. Например, упразднение крейцкопфа (рис. 4.8.) в поршневых двигателях, который раньше устанавливали с целью разгрузки стенок цилиндра от поперечных сил, вызываемых наклоном шатуна при вращении кривошипа. Оказалось, что функцию крейцкопфа может выполнить поршень, если увеличить его высоту и улучшить смазку. Безкрейцкопфные (тронковые) двигатели (вид б) имеют почти вдвое меньшую высоту.

Примером рационального размещения деталей с целью уменьшения объема и габаритных размеров может служить двухступенчатый редутор. Исходную конструкцию (рис. 4.9,а), выполненную в обычной трехвальной схеме, можно сделать более компактной и легкой, если конечное зубчатое колесо 4 перебора у становить соосно с начальным колесом 1 (рис. 4.9,б) "двухвальная схема".

Кроме того, при таком расположении колес 1 и 4 значительно снижаются силы, действующие на промежуточные колеса 2 и 3 и определяющие нагрузку на подшипники, а также уменьшаются нагрузки на стенки корпуса. На рис 4.9,а силы привода от начального и конечного колес направлены в одну сторону; их результирующая значительна. На рис 4.9,б силы направлены в разные стороны, благодаря чему результирующая уменьшается почти в два раза.

Дальнейшее снижение размеров и массы можно осуществить уменьшением диаметра зубчатых колес. Повышение окружных сил можно компенсировать увеличением длины зуба, переходом на косой или шевронный зуб, изготовлением колес из более прочных и твердых материалов и применением рациональной смазки.

Масса конструкции во многом зависит от силовой схемы, т.е. от способа восприятия и замыкания главных действующих в конструкции нагрузок. Силовая схема рациональна, если силы замыкаются на коротком участке элементами, работающими предпочтительно на растяжение, сжатие или кручение. Целесообразно использовать имеющиеся элементы конструкции, так как введение специальных элементов увеличивает массу.

Привод смесителя 1 через редуктор 2 и коническую шестеренную передачу 3 (рис 4.10,а) нерационален. Возникающие на шестернях радиальные и осевые силы нагружают валы и корпус смесителя и редуктора. Установка отличается большими размерами. Целесообразен привод от фланцевого электродвигателя через соосный редуктор 4, смонтированный непосредственно на корпусе смесителя (рис. 4.10,б). В этом случае реактивные силы привода уравновешиваются наикратчайшим путем в корпусе редуктора, не вызывая дополнительных нагрузок на элементы системы. Габариты установки резко сокращаются. Помимо этого, все приводные механизмы получаются закрытыми, что позволяет организовать правильную смазку.

З начительный выигрыш по массе можно получить применением многопоточных схем, т.е. разделением силового потока на несколько параллельных ветвей.

Передача крутящего момента через несколько параллельно работающих зубчатых колес (каскадные передачи, многосателлитные планетарные передачи) уменьшает нагрузки на зубья пропорционально числу потоков и разгружает опоры центрального колеса от радиальных сил привода.

И з сравнения размеров передач однопоточной (рис 4.11,а) и четырехсателлитной планетарной (рис. 4.11,б) с одинаковым передаточным числом, рассчитанных на передачу одинаковой мощности, виден выигрыш, который можно получить в случае применения многопоточных схем.

В начале этого раздела "Совершенство конструктивной схемы" говорилось о возможности уменьшения массы конструкции применением рациональных конструктивных схем. Одним из признаков рациональной конструкции является компактность. Целесообразное использование объема уменьшает размеры, массу и металлоемкость.

Компактность конструкции машины или её отдельных элементов можно достичь:

1 . Уменьшением осевых размеров за счет увеличения радиальных. Например, в шлицевых, конусных и других соединениях, несущая способность которых пропорциональна квадрату диаметра, при одинаковой нагруженности длина сопрягаемой поверхности деталей подчиняется соотношению l1/l2 = (D2/D1)2, при этом можно достичь значительного сокращения осевых размеров сравнительно малым увеличением диаметров (рис. 4.12, 1, 2).

В целях компактности для размещения конструктивных элементов следует использовать свободные полости сопрягаемых деталей. Например, компенсирующей шлицевой муфте (рис. 4.12, 3) с заданной длиной промежуточной втулки можно сократить осевые габариты путем полного ввода ступиц приводных полумуфт в полость промежуточной втулки (рис. 4.12, 4).

2 . Совмещение конструктивных функций. Размеры и массу конструкции в некоторых случаях можно уменьшить совмещением нескольких функций в одной детали. Например, при парной установке радиально-упорных подшипников, воспринимающих осевые нагрузки в двух направлениях, нагрузку воспринимает в каждый момент какой-то один из подшипников, а второй в это время бездействует (рис. 4.13, а). Использование однорядного подшипника двухстороннего действия, в котором шарики заключены в обоймы с глубокими канавками и под нагрузкой прижимаются к той или иной стороне канавки (в зависимости от направления нагрузки), позволяет при одинаковой нагруженности вдвое уменьшить осевые размеры опоры вала (рис. 4.13, б).

Другой пример совмещения конструктивных функций представлен ранее на рис 4.9, б, где функцию корпуса подшипника для быстроходного вала 1 выполняет шестерня выходного вала 4, что сделало конструкцию редуктора на много компактнее.

Целесообразно конструировать узлы в виде независимых агрегатов, отдельно собираемых, регулируемых, подвергаемых обкатке, контрольным испытаниям и устанавливаемых в отработанном виде на машину. Последовательно проведенное агрегатирование позволяет осуществить параллельную и независимую сборку узлов машины, упрощает монтаж, ускоряет доводку опытных образцов, облегчает использование на новых машинах отработанных и проверенных в эксплуатации конструкций и упрощает ремонт, позволяя комплексно заменять износившиеся узлы новыми. Агрегатирование иногда усложняет конструкцию, но в конечном счете всегда дает большой выигрыш в общей стоимости изготовления машин, надежности и удобства эксплуатации.