Конспект лекций по КМР

16.6.1. Техническое задание

При получении технического задания на конструирование нового модуля, конструктор прежде всего ищет в задании возможно более полного и строгого формулирования той конечной цели, которая перед ним ставится. Если создаваемый модуль является частью более общей системы, то конечная цель, которая ставится перед конструктором в задании, должна быть сформулирована на основе знания места и роли модуля в системе. В этом случае целевое назначение модуля определяется целевым назначением системы.

Необходимость критического подхода к формулировке цели является одной из особенностей инженерных, в частности конструкторских задач.

Изучение принципиальной схемы модуля. В техническом задании на разрабатываемый модуль может быть представлена его принципиальная схема и ряд технических требований к нему. Степень приближения принципиальной схемы к реальной конструкции может быть самой различной.

Принципиальная схема анализируется, оценивается и корректируется конструктором прежде всего с точки зрения возможностей ее конструктивной реализации. При этом он стремится усовершенствовать схему в направлении “интеграции”, т.е. объединения частей и уплотнения их функциональной нагрузки. Очень часто множество независимых от конструктора проблем как научного, так и технического характера ограничивают такие стремления. Чем совершеннее схема, тем меньше возможностей у конструктора улучшить ее в указанном направлении.

При изучении предложенной принципиальной схемы конструктор должен проанализировать ее с точки зрения надежности. Оценка надежности принципиальной схемы может производится конструктором по ряду факторов: оценка возможностей резервирования, использование тех или иных готовых элементов и стандартизированных деталей, обеспечение безопасности обслуживающего персонала и т.д. Схема может быть проанализирована по критериям “цены реализации отдельных ее элементов”, технологичности, минимизации габаритов и массы и др.

Технические требования. Технические требования, приведенные в задании на конструирование, будем называть исходными техническими требованиями. В наиболее общем случае перечень исходных технических требований задания охватывает широкий круг вопросов. Прежде всего в нем приводятся “входные” и “выходные”

521

характеристики модуля и основные параметры принципиальной схемы. Затем дается описание тех наиболее характерных внешних воздействий на модуль, которые могут иметь место при его эксплуатации, а также вызванные этими воздействиями допустимые отклонения от нормальных режимов работы. Наконец, перечисляются меры, обеспечивающие удобство работы оператора, обслуживающего персонала, потребителя. Эти требования составляют лишь часть того материала, который должен учитываться конструктором при последующей реализации задания. Поэтому до начала собственно конструирования модуля, конструктор должен дополнить исходные требования задания новыми требованиями, выявленными им на основе самостоятельного анализа взаимовоздействий модуля с окружением, а также исходя из соображений производственного, технологического и экономического характера. Дополненный перечень технических требований должен давать конструктору всестороннее и достаточно четкое представление о процессе функционирования готового модуля в реальных условиях.

Технологические возможности реализации технического задания.

Изучение технологических возможностей заключается в возможности выполнения задания, а также реализации тех дополнительных требований, накопление и формирование которых происходит уже на данном этапе. Конструктор решает вопрос сравнительной сложности изготовления применительно не только ко всему модулю в целом, но и к отдельным узлам и даже деталям. При этом рассматриваются возможности производственной базы, технологии изготовления деталей, сборки, регулировки, настройки и т.д., то есть конструктор должен наглядно представить себе прохождение модуля через заводские цеха.

16.6.2. Анализ взаимосвязей модуля с внешним окружением

Под внешним окружением будем понимать всю ту материальную среду, которая, находясь вне модуля, оказывает на него какиелибо воздействия или испытывает их со стороны модуля.

Входными воздействиями называют такие воздействия на модуль, которые необходимы для его функционирования, т.е. для формирования таких выходных воздействий (параметров), ради которых и создается модуль. Все остальные взаимосвязи модуля с внешним окружением в большинстве случаев необязательны и не-

522

желательны. Не всегда бывает очевидным, какие воздействия принять за входные, какие за выходные, не всегда входы и выходы могут считаться однонаправленными, не всегда их легко отделить от остальных воздействий, не вводя те или иные условности.

Широта охвата картины взаимодействий модуля с внешним окружением зависит от располагаемой информации и потраченного на работу времени. Поэтому часть существенных для конструктора взаимосвязей иногда может остаться необнаруженной или недостаточно раскрытой ввиду ограниченности возможности получения информации и времени.

На что может повлиять недостаточная полнота раскрытия взаимосвязей? Прежде всего на надежность будущего модуля. Не упустить из виду ни одного существенного воздействия – главное в рассмотрении взаимосвязей окружения с модулем, если к последнему предъявляются высокие требования по надежности. Анализ взаимосвязей должен вестись направленно и избирательно. Конструктор должен уметь отбросить излишние подробности, ненужные связи и концентрировать свое внимание на существенных.

16.6.3. Разработка технических требований

В конструкторских задачах путь от анализа взаимосвязей до четко сформулированных технических требований к модулю, необходимых конструктору, может быть более сложным, чем рассмотренный выше. Этот путь может проходить через такие стадии создания модуля, как научно-исследовательская разработка, моделирование, промежуточное макетирование, а также может сопровождаться расчетными и экспериментальными работами, далеко не всегда выполняемыми при участии конструктора. В перечне технических требований даются уже не сами связи, а технические характеристики модуля и параметры, отражающие условия его эксплуатации.

Технические требования можно разделить на четыре группы. Первая группа. Требования, содержащие ограничения геомет-

рического и конструктивного характера. Пример формулировки: предельное отклонение межосевого расстояния 0,5мм.

Вторая группа. Требования, выраженные при помощи технических или физических понятий, записанные в виде чисел с размерностями. Пример формулировки: сила сопротивления на выходном звене не более 100Н.

523

Третья группа. Требования, выраженные словесно, не включающие в себя ни понятий, определенных количественно, ни геометрических ограничений в конструкции. Пример формулировки: устройство должно быть быстросъемным.

Четвертая группа. Требования, сформулированные при помощи сложных понятий или математических зависимостей. Пример формулировки: для данного конструируемого устройства распределение атмосферного давления в рабочем диапазоне высот следует принимать согласно МСА (международной стандартной атмосферы) [28].

Первая группа требований значительно пополняется в результате выявления ограничений, связанных с местом установки конструируемого модуля.

Вторая группа требований является в значительной степени результатом количественного отображения взаимосвязей модуля с внешним окружением и особенностей принципиальной схемы. Конструктивная реализация требований, выраженных при помощи четких технических понятий, определенных количественно (таких, например, как передаточное отношение), может быть осуществлена различным образом. Преимущества такой формы написания требований очень велики, так как она не несет в себе неопределенности и служит средством объективной проверки правильности конструкции.

Все сказанное относительно второй группы требований можно отнести к четвертой группе.

Следует особо остановиться на третьей группе требований. Словесная форма написания технических требований в большинстве случаев свидетельствует о незаконченности процесса формализации реальной физической картины. Иногда она порождена отсутствием информации о количественной стороне тех или иных взаимосвязей или незнанием сущности каких-либо процессов в системе “модуль – окружение”. Нередко словесная формулировка посредством весьма общих понятий объединяет множество нераскрытых связей. Пример такой формулировки: “Модуль должен быть удобным в эксплуатации, при монтаже и демонтаже.”

Конструктор, уточняющий и дополняющий техническое задание для себя, должен расшифровать такой пункт, рассмотрев наиболее существенные взаимосвязи между модулем и обслуживающим персоналом. Но это не значит, что следует стремиться к наиболее полной формализации всех без исключения технических требований. Степень необходимой формализации определяется, с одной стороны, трудностями ее осуществления, с другой – требованиями последующих этапов конструирования.

524

Процесс реализации требований в конструкции сопровождается обратными взаимодействиями на технические требования. Для осуществления рационального процена “реализации требований” конструктор должен иметь возможность в допустимых пределах варьировать параметрами технических требований. Важно поэтому в требованиях отражать не только номинальные, но и предельные значения закладываемых величин.

Требования к модулю не могут быть сформулированы, если общее направление конструирования не выбрано. Вопрос что делать неотделим при конструировании от вопроса как делать. Законченный перечень технических требований всегда отражает степень ясности представлений конструктора о выбранном направлении работы.

16.6.4. Предварительное конструирование основных частей модуля

Стремление конструктора к улучшению компоновки модуля посредством объединения отдельных частей, несущих разные функции, сдерживается рядом факторов и является почти всегда нелегкой задачей. В результате анализа принципиальной схемы и изучения технических требований выделяют несколько крупных частей, выполняющих различные функции, и приступают к собственно конструированию каждой части будущей конструкции. Каждая составная часть должна удовлетворять определенной группе требований перечня. При этом конструктору наряду с имеющимися техническими требованиями необходимо учесть и дополнительные, не входящие в первоначальный перечень, но отражающие связи рассматриваемой части с другими частями модуля.

Если конструктор сумел для каждой составной части отобрать несколько наиболее удачных эскизов конструктивных подвариантов, то сочетая различные подварианты различных частей, появляется возможность оценить возникающие варианты компоновки всего модуля по некоторым заранее выбранным критериям и отобрать наиболее оптимальные варианты, приблизившись тем самым к решению задачи. Такова примерная схема перехода от технических требований к первоначальным эскизным решениям компоновки модуля в целом.

Найденные подварианты каждой из частей на самых первых порах поиска не сопоставляют друг с другом и не слишком тщательно проверяют на соответствие техническим требованиям. Кон-

525

структор сознательно оттягивает стадию сравнения подвариантов и отбора наилучших, так как отдать сразу предпочтение какому-либо из подвариантов – это значит в какой-то степени уже лишить себя свободы дальнейшего поиска, а вместе с тем и возможностей отыскать иные, лучшие решения.

В процессе поиска первоначальных подвариантов создание самостоятельных комбинаций из общеизвестных и присущих только данной конструкции деталей сочетается с заимствованием не только готовых узлов, но и с нахождением области их поиска.

Область ближайшего поиска вариантов – это те или иные источники информации, хранящие и систематизирующие накопленный опыт конструирования сходных устройств. Здесь и чертежнотехническая документация, и проектные материалы, и результаты испытаний, и научно-технические отчеты, и специализированная техническая литература.

Область дальнего поиска вариантов безгранична и неопределенна. Оригинальные конструктивные решения могут быть найдены и вокруг нас, в мире привычных вещей, и в заводских цехах, и в мире живой природы.

Процесс предварительного конструирования характеризуется, как правило, своей незавершенностью, причем степень этой незавершенности может быть самой различной для отдельных частей разных модулей.

Рассматриваемый этап предварительного конструирования знаменует начало непрерывной, непрекращающейся до окончания конструирования работы по обеспечению надежности модуля. Выбрав надежность в качестве важнейшего критерия рациональности создаваемой конструкции, мы должны оценить по этому критерию каждый из этапов. Переход от принципиальной схемы к первым конструктивным эскизам основных частей означает переход от идеализированных элементов к реальным деталям. Наибольшие трудности такого перехода связаны с недостаточно глубоким анализом изменений в кинематике и динамике, возникающих при конструктивной реализации схемы, построенной из идеализированных элементов. Нераспознанные, неправильно рассчитанные или просто не принятые во внимание силы инерции, трения, упругости в отдельных звеньях кинематической цепи, а также кинематическая неопределенность составляют характерный класс причин, обусловливающих недостаточную надежность будущего модуля.

При изучении семейств подвариантов раскрываются их качества, так или иначе оцениваемые с точки зрения надежности и, наоборот, подход к анализу семейств с позиций надежности помо-

526

гает находить новые и лучшие подварианты конструкции частей модуля.

16.6.5. Разработка вариантов эскизной компоновки модуля

Эскизная компоновка модуля в наименьшей степени поддается логическому анализу. Рождающиеся в голове конструктора комбинации несут на себе печать его знаний, наблюдений, повседневного и профессионального опыта. Поэтому раньше всего возникают варианты, связанные с более привычными, чаще встречающимися конструктивными решениями. Конструктор испытывает на себе “пороговый эффект” всякий раз, когда следует отойти от привычных конструкторских вариантов и далеко не сразу замечает выгодные возможности. Вся работа сознательного конструктора пронизана непрерывным стремлением освободиться от пелены привычных представлений как в большом, так и в малом.

Эскизирование. Поиск вариантов компоновки как основных частей, так и модуля в целом сопровождается эскизированием. Эскиз состоит из небольшого числа линий, изображающих лишенную подробностей конструктивную схему и лишь иногда те ее части, которые поясняют и развивают основную конструктивную идею. Несовершенство эскизирования искупается быстротой вычерчивания. Отобранные варианты нуждаются в проверке посредством масштабного вычерчивания, которое также не должно быть подробным.

Искусство компоновки заключается в умении видеть на создаваемом компоновочном чертеже не только то, что там изображено, но также и то, что будет нанесено на этот чертеж впоследствии.

О месте установки модуля. Полнота информации о месте установки модуля является чрезвычайно важным условием успешного решения задачи компоновки. Если конструктору не ставят никаких ограничений о месте установки модуля, то он чувствует себя свободнее и может искать более оптимальные решения. Дело обстоит значительно сложнее, если данные о месте установки безусловно важны, но конструктор не располагает ими. Подобная ситуация может возникнуть при создании модуля для еще не спроектированной системы.

Недостаточная информация о месте установки модуля требует уменья представлять его себе обобщенно, а конструкции придавать качества, обеспечивающие возможность установки модуля на любом объекте. Иногда удается обеспечить подобную приспособляемость модуля к разным системам за счет небольшого количества

527

переходных крепежных деталей, выполняемых каждый раз поновому.

Предварительная эскизная компоновка. Основа компоновки мо-

дуля может быть самой различной: удачно найденный физический принцип, рациональное технологическое решение или даже способ удешевления устройства. Процесс подгонки частей друг к другу начинается с поисков удачного сочетания каких-либо двух частей (в большинстве случаев это двигатель и преобразователь движения). Некоторые варианты отбрасываются сразу же. Сочетание выбранных вариантов двух частей, взятое за основу, выдерживает первое испытание, если удается на этой основе удачно подогнать друг к другу все остальные части устройства(тормозные устройства, датчики положения и т.д.). Перебирать сочетания подвариантов без какого-либо плана и метода нерационально. Но планомерный подход вырабатывается не сразу. На первых порах перебор обычно носит беспорядочный характер и лишь постепенно приобретает направленность. Нередко случается, что по мере прорисовки модуля становится все труднее и труднее реализация в конструкции последующих требований. В этих случаях следует своевременно остановиться, с тем чтобы предпринять поиски другой основы его компоновки.

По мере просмотра вариантов, по мере того как безмасштабные прикидки уточняются масштабными прорисовками, конструктору обычно удается отыскать закономерности, которые в состоянии играть роль первоначальных критериев оценки вариантов компоновки. К таким критериям могут быть отнесены такие факторы, как “отсутствие критических зон”, “простота сочленений основных частей”, “совмещение функций” и т.п. То, что не удавалось конструктору при первом знакомстве со схемой, может увенчаться успехом на настоящем этапе в процессе перебора вариантов эскизированием и масштабными прикидками.

Логическая последовательность компоновки, при которой конструктор вначале расчленяет первоначальную схему на части, а затем все-таки находит возможность к их интеграции, может считаться характерным для случаев глубокой конструкторской проработки модулей.

Цена конструктивной реализации параметров. Реализация раз-

личных параметров осуществляется посредством неодинаковых “затрат” массы и располагаемого пространства, различной степенью усложнения отдельных деталей и всего модуля в целом, ценой появления больших или меньших технологических трудностей. Поэтому понятие “цены конструктивной реализации параметров”

528

приобретает вполне определенный смысл и может приобрести чрезвычайную практическую важность. Так, например, иногда удается выразить отдельные параметры технических требований в единицах массы создаваемого модуля. В этом случае конструктор получает выгодную для него возможность количественной оценки наиболее существенных параметров.

В плотно компонуемых модулях почти любые локальные изменения массогабаритных параметров отдельных деталей распространяются на все устройство в целом. В этих условиях от степени полноты реализации одного какого-либо требования могут зависеть, и существенно, габариты и масса всего модуля.

Знание цены конструктивной реализации основных технических параметров позволяет конструктору в ходе компоновки осуществлять рациональное их перераспределение. Этот критерий является одним из основных движущих факторов обратного воздействия на технические требования со стороны формирующейся конструкции.

16.6.6. Чертеж эскизной компоновки

Эскизная компоновка выражает лишь основную конструктивную идею модуля, чертеж эскизной компоновки раскрывает эту идею более полно. В эскизной компоновке реализована лишь предварительно отобранная часть технических требований без подробного рассмотрения возможностей будущей реализации остальных требований. Чертеж эскизной компоновки учитывает гораздо большее количество требований, и именно поэтому основная идея в нем если и неизменна по сравнению с идеей эскизной компоновки, то во всяком случае увязана со всеми этими требованиями. Эскизная компоновка может сочетать в себе первую масштабную компоновку с безмасштабными набросками. Чертеж эскизной компоновки, как правило, выполнен целиком в масштабе. Но, несмотря на большую полноту и масштабность, это еще далеко не чертеж окончательной компоновки.

Важное обстоятельство, отличающее разработку чертежа эскизной компоновки от создания первоначального эскиза, - необходимость определенной последовательности в прочерчивании отдельных узлов. В первую очередь наносятся на чертеж контуры узлов с наибольшими габаритами, (двигатель, преобразователи движения), расположенные в наиболее стесненных зонах и не дающие конструктору возможностей для варьирования их конфигурацией,

529

ориентацией и местоположением. Удачное размещение этих узлов на чертеже дает конструктору уверенность в том, что остальные узлы (датчики положения, тормоза и т.п.), которые будут нанесены в дальнейшем на чертеже окончательной компоновки, существенно не ухудшат созданную компоновку. Каждый наносимый на чертеже узел накладывает на последующие узлы конкретные ограничения, и поэтому от очередности вычерчивания зависит не только рациональность процесса создания компоновки, но и форма, в которую она выливается.

На данном этапе конструктор должен убедится в том, что выбранный им вариант чертежа эскизной компоновки близок к оптимальному. Конструкция может заключать в себе достаточно элементов для удовлетворения требованиям, но не все элементы могут быть для этой цели необходимыми. Для выполнения условия “необходимого и достаточного” следует проверить конструкцию на “избыточность”, т.е. попытаться найти и устранить все то, что является лишним. Все лишнее, не необходимое в конструкции, можно представить себе в виде “запасов” и подразделить на две группы: запасы по параметрам технических требований на модуль и запасы по параметрам самой конструкции, не связанные с техническими требованиями непосредственно, в первую очередь излишние запасы прочности и жесткости.

Запасы по любому параметру технических требований, реализованные в конструкции, свидетельствуют об отклонении создаваемого конструктивного варианта от иного, более рационального. По мере введения масштаба, по мере детализации чертежа эскизной компоновки и перехода к чертежу окончательной компоновки уничтожение запасов первой группы становится все более действенным средством улучшения компоновки и конструкции.

Пустоты в конструкции, свидетельствующие о нерациональности компоновки, можно рассматривать в качестве запасов по располагаемому пространству. Наличие таких запасов говорит о недоиспользовании критерия минимизации габаритов.

Пустоты внутри модуля можно исключить перекомпоновкой частей. Этим достигается уменьшение габаритов. Иногда выгодно, сохранив габариты модуля, использовать пустоты для конструктивных комбинаций, более полно удовлетворяющих каким-либо другим требованиям, например точности, виброустойчивости, удобству работы оператора и т.п.

Запасы по параметрам геометрического характера (например, по угловым и линейным перемещениям движущихся частей) легко обнаружить по чертежу, чего нельзя сказать о запасах по таким па-

530