3. Основы проектирования деталей и механизмов машин

3.1 Особенности проектирования изделий

3.1.1 Общие вопросы проектирования

Цель проектирования любого устройства – создание эффективных и надежных механизмов, выполняющих все заданные функции. Проектирование - творческий процесс со свойственными ему закономерностями построения и развития. Основные особенности этого процесса состоят в многовариантности решения, необходимости согласования принимаемых решений с общими и специфическими требованиями, предъявляемыми к механизмам, а также с требованиями соответствующих ГОСТов, регламентирующих термины, определения, условные обозначения, систему измерений, методы расчета и т.п. Выбор того или иного вида механизма зависит от предъявляемых к нему требований, к которым относятся: надежность и долговечность элементов механизма; простота конструкции, ее компактность; малое сопротивление движению, особенно во время пуска; наименьшая инерционность (быстродействие механизма); бесшумность; технологичность и унификация деталей, а также небольшая стоимость. В процессе проектирования делают необходимые расчеты (кинематические, динамические, на прочность и жесткость, на износ, технико-экономические и др.), разрабатывают чертежи и технологию производства, а для особо ответственных изделий изготавливают и испытывают макеты и натурные образцы.

Проектирование современных механизмов – комплексная научно-техническая и экономическая задача, при решении которой необходимо учитывать мировой опыт изготовления и эксплуатации подобных изделий. Проектом какого-либо механизма, прибора или машины (в общем случае – изделия) принято называть совокупность технико-экономических расчетов, схем, чертежей и других конструкторских документов, которые содержат данные об устройстве и принципе действия изделия, основных параметрах кинематики и динамики, надежности, эффективности и экономичности, а также указания по технологии изготовления, сборке и испытаниям.

Этапы проектирования. Система проектирования предусматривает следующие стадии разработки проекта: техническое задание, техническое предложение, эскизный и технический проекты, разработку рабочей документации.

Техническое задание (ТЗ) обычно составляется заказчиком с целью определить основное назначение разрабатываемого изделия, его технико-экономические характеристики и требования (скорость, производительность, специфические особенности работы будущего изделия и др.). В техническом задании могут быть предусмотрены требования к технологии изготовления, автоматизации регулирования и управления, технике безопасности, эстетике и эргономике. В задании намечается порядок проектирования и состав конструкторской документации.

Техническое предложение представляет собой совокупность конструкторских документов, содержащих технико-экономическое обоснование выбора варианта построения проектируемого изделия. С этой целью разрабатывают несколько вариантов решения поставленной в техническом задании задачи, проводят их анализ и сравнительную оценку с учетом существующих подобных изделий, а также патентных материалов. Важный элемент этой стадии проектирования - выбор структурных схем передаточных механизмов, что определяет как основные свойства, так и надежность проектируемой системы. Техническое предложение после согласования и утверждения является основанием для последующего проектирования.

При проработке технического предложения и на дальнейших этапах проектирования проводится патентный поиск, который заключается в просмотре всех патентных материалов России и других стран по данной тематике за период 30…50 лет. Во время патентного поиска выявляются прогрессивные технические решения для возможного использования в проектируемом изделии. Попутно рассматриваются вопросы о целесообразности закупки лицензий по зарубежным патентам. Патентные материалы помогают решить вопрос о том, является ли проектируемое изделие (или какие-либо его части) изобретением. Наряду с патентоспособностью важное значение имеет патентная чистота. В патентно-чистом изделии не должно быть технических решений, которые защищены патентами в стране-импортере, при необходимости использовании зарубежных изобретений закупаются лицензии.

В эскизном проекте разрабатываются принципиальные конструкторские решения принятого варианта, дающие общее представление об устройстве и принципе действия системы, а также проводятся расчеты основных параметров и размеров. В сложных и ответственных случаях разрабатываются макеты и модели отдельных узлов проектируемой системы для экспериментальной их проверки и отработки.

Технический проект - наиболее ответственная часть проектирования, в которой даются окончательные технические и конструкторские решения. Графическая часть технического проекта состоит из чертежей общего вида, сборочных и монтажных чертежей, схем и спецификаций, которые служат основанием для разработки рабочей конструкторской документации. В необходимых случаях изготавливаются и испытываются макеты и модели отдельных узлов. Расчетно-пояснительная записка к проекту должна содержать необходимые расчеты по кинематике и динамике системы, расчеты на прочность, надежность и точность взаимодействия деталей и механизмов.

Рабочая документация включает все необходимое для изготовления и испытания опытного образца (или опытной партии) изделий, выпуска установочной серии или организации серийного производства. Для сокращения сроков проектирования допускается совмещать стадию технического предложения со стадиями эскизного и технического проектов.

Принципы конструирования. При проектировании механизмов необходимо соблюдать следующие основные принципы: технологичность, наиболее короткую кинематическую цепь, компактность, статическую определимость.

Понятие технологичности включает обеспечение минимальной трудоемкости изготовления и сборки, меньшей себестоимости и материалоемкости и др. Повышением технологичности деталей, узлов и механизма в целом, достигается существенное удешевление проектируемой системы. Предусмотрены следующие виды технологичности: производственная, эксплуатационная, при техническом обслуживании и ремонте, технологичность заготовки, детали и сборочной единицы. При проектировании изделия учитывают все указанные аспекты технологичности. Количественные показатели производственной технологичности отдельной детали – трудоемкость изготовления и коэффициент использования материала, определяемый отношением массы готовой детали к массе заготовки. Чтобы повысить технологичность, иногда целесообразно расчленить трудно обрабатываемые сложные детали на ряд простых по конфигурации, соединяемых затем сваркой, запрессовкой и другими методами. При прочих равных условиях конструкция тем точней, чем выше производственная технологичность.

Одним из эффективных средств ускорения технического прогресса, повышения производительности труда и улучшения качества изделий является стандартизация. Каждое новое изделие, прибор, в том числе и находящиеся на уровне изобретения, должны иметь максимум стандартных и унифицированных элементов, проверенных на практике и надежных в эксплуатации.

Второй принцип конструирования – наиболее короткой кинематической цепи - требует минимального числа кинематических пар и звеньев механизма для выполнения заданных функций механизма.

Принцип компактности часто выражает эргономические требования. Так, при проектировании цилиндрической зубчатой передачи с передаточным числом u = 15 целесообразно применять двухступенчатую передачу (например, u₁ = 5 и u₂ = 3). Это позволяет уменьшить габариты, по сравнению с одноступенчатой передачей, почти в 2 раза. Но при такой конструкции нарушается принцип наиболее короткой кинематической цепи. Окончательное решение всегда компромиссно.

Принцип статической определимости требует наложения минимального числа связей, так как наличие избыточных (или пассивных) связей приводит к возникновению деформации и снижению точности системы.

Техническое совершенство механизма или прибора определяется технико-эксплуатационными параметрами (производительностью, энергоемкостью, материалоемкостью и др.), надежностью, а также рядом технических и экономических факторов (унификация и стандартизация, патентоспособность, эстетический и эргономический уровень и ряд других). Недостаточное внимание к этим требованиям неизбежно приводит к снижению качества и экономичности создаваемых изделий.

Форма организации процесса проектирования определяется составом средств, методов и содержанием труда инженерно-технических работников.

Безмашинная (ручная) форма проектирования, а позднее формы типового группового и частично механизированного типового проектирования, ограничивали производительность труда конструктора. Они требовали значительных затрат рабочего времени на рутинные работы по поиску информации о стандартных элементах, материалах, ранее спроектированных конструкциях, а также работы по вычерчиванию типовых изображений. В результате, усложнение конструкций в последние годы настолько увеличило время проектирования, что оно в ряде случаев стало превосходить сроки эксплуатации изделий.

Выход из создавшегося положения дали изменение и упорядочение технологии проектирования. Усложнению конструкции и, как следствие, увеличению объема используемой конструктором информации были противопоставлены новые методы ее обработки, т.е. автоматизация проектирования. В этом случае конструктор ставит задачу для ЭВМ и принимает окончательное решение, а машина обрабатывает весь объем информации и делает первичный отбор.

Для такого общения человека с машиной созданы и создаются системы автоматизированного проектирования (САПР) – организационно-технические системы, выполняющие автоматизированное проектирование объектов и состоящие из комплекса средств автоматизации проектирования, взаимосвязанного с подразделениями проектной организации. Объектами проектирования в САПР являются изделия (детали, узлы, комплексы), технологические процессы и организационно-технические системы.

Целями создания САПР являются повышение технико-экономического уровня проектируемых изделий, сокращение сроков, уменьшение стоимости и трудоемкости проектирования.