Конспект лекций по КМР

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

раметрам, как, например, мощность на выходе или точность отработки угла поворота. При поиске скрытых запасов конструктор не должен забывать и о принципиальной схеме, так как при переходе от нее к конструкции особенно легко допустить избыточность.

Следствием снижения запасов по жесткости или прочности (запасы второй группы) отдельных частей модуля является снижение их массы. В реальной конструкции, где все взаимосвязано, уменьшение габаритов и массы отдельных частей вызывает далеко идущие последствия. В частности, снижение массы, сопровождаемое снижением жесткостных характеристик каких-либо деталей, может в то же время сопровождаться улучшением других жесткостных характеристик, существенных для нормального функционирования модуля в целом. При этом может быть получен немалый выигрыш в надежности.

С величиной различного рода “запасов” связан выбор типоразмеров готовых изделий, входящих в конструкцию модуля. Так, например, масса и размеры электродвигателя определяются развиваемой им мощностью. Уменьшение потребной мощности за счет снижения каких-либо “запасов” в модуле дает возможность перейти к соседнему по шкале типоразмеру меньшему двигателю. Но такой скачкообразный с точки зрения массы и габаритов переход почти всегда открывает новые возможности для лучших вариантов компоновки. Нередко случается, что при реализации этих возможностей компоновка приобретает совершенно иной вид, становится более рациональной. Дальнейшее конструирование ведется как бы на новом “уровне рациональности” компоновки при котором возможности уплотнения функциональной нагрузки частей, возможности их подгонки и частичной “интеграции”, а также выгоды от снижения запасов обеих групп реализованы в максимальной степени.

Уменьшение запасов второй группы является нелегкой задачей, требующей тщательных расчетов и знания технологических возможностей сегодняшнего дня.

16.6.7. Компактность конструкции

Наиболее очевидная возможность уплотнения конструкции модуля – сближение его частей, т.е. уменьшение расстояния между частями. Этот путь связан с рядом трудностей, возникающих по мере уменьшения зазоров. Даже определение величин зазоров между сближаемыми частями при сложной их конфигурации является

531

трудоемкой работой. Неизмеримо большие трудности возникают в производстве при изготовлении деталей с жесткими допусками и их сборке. Не следует забывать, что чрезмерное уменьшение зазоров может по ряду причин понизить надежность конструкции (например, из-за температурных деформаций).

Чем труднее протекает процесс сближения частей, тем чаще конструктор возвращается к рассмотрению технического задания, пытаясь переосмыслить требования, послужившие причиной подобных затруднений. Это особенно относится к тем случаям, когда какое-либо “узкое” место препятствует значительному сжатию всей конструкции. Стремление “расширить” такое “узкое” место способствует усилению и углублению обратных воздействий на исходные требования.

Иногда становится возможным осуществлять такие изменения в технических требованиях, которые ведут к существенному улучшению компоновки, не сказываясь сколько-нибудь отрицательно на целевых функциях и эксплуатационных характеристиках модуля.

Шаговый процесс с возвратом. Методика отбора требований,

наиболее важных для компоновки, предполагает необходимость той или иной корректировки первоначально скомпонованного модуля, т.е. возврат от последующих этапов, на которых реализуются оставшиеся требования, к предыдущему. Выбор каждого шага производится с таким расчетом, чтобы чертежная работа, вызванная корректировкой результатов, свелась к минимуму. Если габариты модуля на чертеже окончательной компоновки уменьшились по сравнению с габаритами, предусмотренными эскизной компоновкой, это свидетельствуют о том, что корректировка способствовала оптимизации конструктивного решения по критерию минимизации габаритов.

Представление о компоновке модуля, как о шаговом процессе с возвратом, основывается, с одной стороны, на природе нестрого поставленных задач, допускающих варьирование исходными данными в ходе решения, с другой, на ограниченности возможностей человека в отношении оптимальной конструктивной реализации множества взаимосвязанных переменных.

16.6.8. Чертеж окончательной компоновки

Своеобразие этого этапа в его двойственности: с одной стороны, чистовым вычерчиванием чертежа окончательной компоновки (общего вида или сборочного чертежа) подводится итог проделан-

532

ной ранее длительной работы; с другой стороны, это не просто вычерчивание, это конструирование, притом начинающееся с самого начала, с самой первой линии и заканчивающееся созданием чертежа, практически полностью обеспечивающего этап деталировки.

Приступая к чистовому вычерчиванию чертежа окончательной компоновки, конструктор тем самым решается на отказ от дальнейших поисков, от сравнения и отбора вариантов. В то же время вся методика вычерчивания чертежа должна оставлять конструктору максимальную свободу варьирования на протяжении всего хода работы. Необходимость в текущих изменениях создаваемой конструкции заставляет вести вычерчивание в два приема: в тонких линиях с последующей их обводкой.

На первых порах возможно исключить из графической работы над чертежом окончательной компоновки элементы конструирования.

Если перенести на лист без больших изменений чертеж эскизной компоновки, получим своеобразный “костяк” – основу чертежа будущей конструкции модуля. Костяк чертежа строится в нескольких проекциях. Если чертеж эскизной компоновки оказывается непригодным для такого построения, то это является свидетельством его недоработанности. Очередность нанесения на чертеже окончательной компоновки элементов костяка в основном совпадает с очередностью нанесения тех же элементов на чертеже эскизной компоновки. Неудачный выбор последовательности вычерчивания элементов костяка чертежа окончательной компоновки может дать себя знать позднее и создать значительные трудности при подробной конструктивной реализации того или иного узла.

Сложность, многодетальность, действие критериев минимизации массагабаритных параметров, критериев надежности – все эти факторы требуют строгой последовательности чистового вычерчивания чертежа окончательной компоновки.

После вычерчивания костяка чертежа конструктор получает возможность сосредоточить усилия на конкретной разработке отдельных узлов и деталей. При конструкторской проработке узлов и деталей не только проверяется правильность допущений, принятых на предыдущих стадиях, но до некоторой степени исправляются и ошибки компоновки.

Детализацию узлов и деталей необходимо вести от средней части к периферии, чтобы избежать “рыхлости” или чрезмерной сжатости в радиальных направлениях. Наносить на лист элементы, однозначно определившиеся по форме и расположению, чтобы воспользоваться вносимыми ими ограничениями, а также не отклады-

533

вать на последнюю очередь проработку узлов и деталей с невыявленными габаритами, чтобы иметь возможность своевременно скомпенсировать увеличение их габаритов за счет уплотнения соседних.

Уменьшение числа деталей в модуле часто достигается за счет усложнения характера движения звеньев. Простейшим примером может служить планетарный редуктор. Ценой усложнения характера движения планетарного колеса удается уменьшить число зубчатых пар (по сравнению с обычным зубчатым редуктором).

Следует отметить, что вопросы, касающиеся способов изготовления деталей, удобства сборки изделия, регулировки и юстировки, взаимозаменяемости, унификации, использования оснастки и инструмента, назначения допусков, выбора материалов, покрытий, термообработки, чистоты обработки поверхностей, способов смазки и т.п. требуют обдумывания и решения именно в процессе вычерчивания набора деталей на чертеже окончательной компоновки.

К числу вопросов, решение которых практически полностью относится к этапу вычерчивания чертежа окончательной компоновки относится обеспечение технологичности сборки как одного из слагаемых общего критерия технологичности модуля.

Из множества рекомендаций, касающихся сборки и разборки устройств, выделим одну, имеющую общий характер: следует стремиться по возможности выполнять набор деталей таким образом, чтобы при сборке и разборке модуля каждая последующая деталь могла быть удалена через пространство, освобождаемое при удалении предыдущей детали.

По мере уточнения конфигурации деталей возрастают возможности оценки надежности их функционирования расчетным путем. Наличие прорисованного набора деталей и узлов позволяет поновому проанализировать взаимосвязи с окружением не всего модуля в целом, а каждого узла, каждой детали в отдельности.

При отработке набора деталей на чертеже окончательной компоновки следует тщательно проверить, всюду ли, где возможно, применены нормализованные или типовые элементы.

Оптимальной с точки зрения обеспечения надежности является такая конструкция, в которой применены типовые, хорошо освоенные в производстве блоки, модули, узлы, детали. Сложность процесса детализации вызывает постоянное опасение преждевременности проработки того или иного узла или детали. Поэтому симметричные узлы и детали бывает выгодно вычерчивать лишь с одной стороны от оси симметрии, так как в процессе детализации может возникнуть несколько различных вариантов их конструкции.

534