Раздел 1. Принципы конструирования, критерии работоспособности и основные характеристики машин

1.1. Общие понятия

Расчеты и конструирование деталей машин базируются на теоретических и экспериментальных данных исследований взаимодействия деталей, свойств материалов, практики конструирования, опыта изготовления и эксплуатации машин.

Многообразие и сложность факторов, влияющих на конструкцию, изготовление и эксплуатацию оборудования не позволяет составить общую расчетную схему, способную обеспечить точное соответствие результатов теоретического расчета окончательной форме и размерам детали. В связи с этим при проектировании сложных деталей машин обычно выявляется необходимость разработки нескольких вариантов решений.

Рациональное конструирование оборудования возможно только с учетом существующей технологии и организации работ. В противном случае спроектированные и изготовленные машины, аппараты, приспособления не смогут быть эффективно использованы. Поэтому проектирование любой машины начинают с анализа процесса производства.

Несмотря на большое многообразие современных машин, установлены общие требования, предъявляемые к конструкции самих машин, а также их узлов и деталей. Машина должна отличаться целесообразностью, легкостью и компактностью конструкции, экономичностью ее изготовления и эксплуатации, прочностью и долговечностью в работе, надежностью и безопасностью действия, привлекательным внешним видом и удобством пользования. К конструкциям узлов машин предъявляются требования легкой их сборки и разборки, легкой замены износившихся деталей и т.д.

Детали должны иметь минимальный вес при достаточной прочности и быть надежными в эксплуатации. Прочность детали обеспечивается правильным выбором материала, надлежаще рассчитанными размерами. Уменьшение веса деталей достигается применением более прочных материалов и созданием рациональных конструктивных форм. При конструировании многие детали подвергаются расчетам на жесткость, износостойкость и специальным испытаниям опытных образцов. Детали должны быть возможно простыми по форме и экономичными в изготовлении. Такое требование может быть выполнено при условии тесного сотрудничества конструкторов и технологов на всех стадиях разработки проектно-конструкторской документации.

1.2 Принципы конструирования машин

Машиноведение- наука о машинах, включающая знания и исследования по наиболее общим вопросам, связанным с конструированием, изготовлением и эксплуатацией машин общего пользования. Под машиностроением понимают такие отрасли промышленности, которые изготавливают орудия труда, продукцию оборонного назначения и предметы потребления.

Под понятием конструкция понимается совокупность признаков изделия, характеризующих его состав, взаимное расположение и связь частей, форму и расположение поверхностей деталей и соединений, их состояние, размеры, материалы. Процесс конструирования начинается с разработки конструкторской документации, т.е. создания графических и текстовых документов, которые определяют состав и устройство изделия и содержат необходимые данные для его разработки (проектная документация ) или изготовления

( рабочая документация ) контроля, приемки, эксплуатации и ремонта.

Техническое условие (ТУ)- документ, устанавливающий требования, которым должны соответствовать разработанное изделие или предлагаемая услуга. ТУ указывает методы и критерии соответствия установленным требованиям.

Работы по созданию новых изделий начинаются с процесса проектирования, под которым понимают составление описания, необходимого для создания на основе заданных требований еще не существующего объекта. При этом выполняют первичное описание этого нового объекта и алгоритма его функционирования.

Создание механизма начинается с кинематического синтеза, т.е. с проектирования кинематической схемы , выбора составляющих компонентов, и расчета геометрических параметров в соответствии с заданной функцией. В дальнейшем проводится кинематический анализ, т.е. определение законов движения звеньев механизма по заданному движению начального звена.

При проектировании машин используется такой прием конструирования как совмещение функций, который обеспечивает совместное воспроизведение заданных функций полностью или частично одним механизмом, соединением, элементом или одной деталью при наличии возможности раздельного воспроизведения. При этом упрощается конструкция, уменьшаются габаритные размеры, например, при совмещении функций корпуса и исполнительного устройства ( мотор-колесо, мотор-редуктор и др.).

Процесс проектирования включает следующие основные стадии:

- техническое задание на разработку устанавливает стадии , этапы разработки и соответствующие им виды и комплектность документации;

- техническое предложение содержит документы, обосновывающие варианты принципиальных решений технического задания, их сравнительную оценку и другие данные, позволяющие определить направление дальнейшей разработки;

-эскизный проект содержит принципиальную схему конструкции, общую компоновку изделия , оценку габаритных размеров, а также габариты и массу наиболее ответственных деталей;

-технический проект дает уточненную конструкцию изделия, содержит данные о форме, размерах, материалах, точности изготовления отдельных сборочных единиц и деталей, видах покрытий и термической обработки, о порядке сборочных работ;

-рабочий проект содержит чертежи деталей, сборочные чертежи, спецификации и другие материалы, необходимые для промышленного изготовления изделий.

Стадии технического предложения, эскизного и технического проекта допускается объединять.

В настоящее время широкое применение в конструкторской деятельности находит система автоматизированного проектирования ( САПР), при которой описание объекта или алгоритма его функционирования осуществляется взаимодействием человека и ЭВМ. Система САПР предусматривает следующие этапы проектирования:

- выявление необходимости и целесообразности проектирования;

- постановка и формирование задачи, т.е. выбор прототипа, патентные исследования, определение характеристик изделия, его качества , рабочих параметров и стоимости;

- синтез структурных и конструктивных решений, анализ и оптимизация конструкции, оценка полученных решений;

- представление результатов проектирования в виде комплекта необходимой документации, разработка технологии изготовления.

САПР позволяет ускорить выполнение отдельных операций, и работ монотонного, нетворческого характера. В результате этого могут быть существенно сокращены сроки проектирования, стоимость работ и улучшено качество продукции. Рабочие места конструкторов должны иметь графические терминалы, операторские устройства ввода , графопостроители, вспомогательные запоминающие устройства и др.

В процессе проектирования используется метод моделирования, т.е. исследование сложных систем на их моделях, соответствующих условиям подобия. Метод математического моделирования предусматривает получение и решение модели в виде системы уравнений, формул и т.д., которые с определенной долей приближения описывают состояние, поведение объекта или процесс. Экспериментальное или физическое моделирование осуществляют на уменьшенных моделях или упрощенных объектах. Физические модели получают, исходя из предварительных расчетов в соответствии с теорией подобия.

В процессе конструирования необходимо учитывать весь комплекс мероприятий, влияющих на качество изделий. При этом под качеством понимается совокупность свойств и характеристик изделия, обеспечивающая удовлетворение обусловленных потребностей. Сюда относится и понятие технологичности конструкции. Под этим понимают совокупность свойств объекта, характеризующих его приспособленность к получению минимальных затрат при производстве и эксплуатации для получения заданных показателей качества, объема выпуска и условий выполнения работ.

Технологичность зависит от таких факторов как простота формы деталей и всей компоновки, от унификации сборочных единиц , простота сборки и эксплуатации, простота измерений и технического контроля и др. Таким образом рассматривается технологичность при изготовлении и эксплуатации. Возможность производить сборку без дополнительной подгонки деталей называется взаимозаменяемостью, а сами детали взаимозаменяемыми. Взаимозаменяемостью обладают как отдельные детали, так и узлы, группы. Например, в редукторах взаимозаменяемыми могут быть валы, зубчатые колеса, подшипники и др.

В машине сами редукторы могут быть взаимозаменяемыми. В практике машиностроения различают полную и частичную взаимозаменяемость. При полной - любая деталь может быть соединена с сопрягаемой деталью без подгонки. При частичной - допускается групповой подбор деталей при сборке, а также небольшая дополнительная обработка - подгонка одной детали к другой.

С технологичностью связано такое понятие как типизация, т.е. сокращение многообразия объектов и определение наиболее рациональных типов, видов, типоразмеров продукции или наиболее прогрессивных методов работ.

На качество изделий и сокращение сроков конструирования машин оказывает влияние унификация- приведение к единообразию технических характеристик изделий, технологических процессов, документации и других требований. Унификация изделий заключается в рациональном сокращении числа объектов одинакового назначения, которые можно многократно применять (повторять) в разрабатываемой конструкции. Унификация позволяет увеличить серийность и тем самым снизить стоимость изготовления деталей, упростить процесс конструирования, облегчить обслуживание и ремонт за счет уменьшения номенклатуры инструмента и запасных частей. Характерным принципом унификации является проектирование машин, агрегатов или сооружений из конструктивно завершенных унифицированных частей.

Важнейшей характеристикой современных машин является надежность, т.е. свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования. Надежность может включать в себя безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость.

Под ремонтопригодностью понимается приспособленность изделия к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта. Долговечность - это свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов. Под сохраняемостью следует понимать свойство изделия сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих его способность выполнять требуемые функции в течение и после хранения или транспортирования.

Под работоспособным состоянием или работоспособностью объекта понимается такое состояние, при котором он способен выполнять заданные функции, соответствующие требованиям нормативно-технической документации.

Работоспособность может быть полной или пониженной, когда сохраняется способность объекта частично выполнять заданные функции.

Одним из важных требований конструирования является равнопрочность, т.е. способность всех деталей устройства в одинаковой мере сопротивляться разрушению по критерию прочности. Равнопрочность может характеризовать как одну деталь, так и сборочную единицу, например, в болтовом соединении выбирают одинаковой прочность соединяемых деталей и болтов.

Используя разработанные принципы конструирования, современные методы расчета и проектирования, можно получить наиболее качественные характеристики проектируемых машин и механизмов.