Основы конструирования

электронный учебно-методический комплекс

Назад | На главную | Содержание | Поиск на странице | Печать | E-mail | Далее

Тема 2. Этапы проектирования

2.1. Основные условия, обеспечивающие целесообразность проектируемой конструкции

Создание новых машин и механизмов – это творческий процесс, подчинённый определённым закономерностям. Проектируемые изделия и детали должны обладать следующими свойствами.

Прочность. Детали машин в процессе работы не должны ломаться под действием возникающих в них напряжений. Выбрав предварительно материалы, следует произвести расчёт на прочность. Если результаты расчётов неудовлетворительны, следует выбрать материалы с более высокими механическими характеристиками или подвергнуть деталь термической или термохимической обработке (закалка или цементация с последующей закалкой).

Жёсткость. Деталь под действием возникающих в процессе работы напряжений не должна прогибаться или деформироваться. Например, недостаточная жёсткость валов редуктора нарушит правильное зацепление зубчатых передач, что может привести к разрушению зубьев.

Необходимо произвести расчёт валов на прогиб, учитывая возникающие усилия. В корпусных деталях для увеличения жёсткости делают рёбра жёсткости, силовые пояса и т. п.

Долговечность. Если во время работы детали будут быстро изнашиваться и терять свои размеры, машина выйдет из строя. Повысить долговечность машины можно путём снижения износа деталей, смазывая трущиеся поверхности. Износ уменьшается, если трущиеся поверхности будут шлифованные или полированные. На уменьшение трения, а следовательно и износа, влияет также правильный подбор материала трущихся деталей. Например, стальной вал в стальной втулке изнашивается быстрее, чем стальной вал в чугунной или бронзовой втулке.

На износ влияет также твёрдость трущихся поверхностей. Деталь с закалённой поверхностью изнашивается меньше. Для меньшего износа и снижения потерь на трение в червячной передаче требуется высокая твёрдость рабочих поверхностей витков червяка. Обычно червяки изготовляют из углеродистой или низколегированной стали (15Х, 20Х), причём для достижения высокой твёрдости поверхность витков подвергают цементации и закалке. Такой червяк работает в паре с бронзовым колесом при обильной смазке.

Кроме износа деталей на их долговечность влияет контактная прочность поверхностного слоя металла. При недостаточной контактной прочности появляется разрушение поверхностного слоя, трещины.

Надёжность – это вероятность безотказной работы конструкции в определённых условиях в течение заданного срока службы.

Расчёт надёжности базируется на статистических данных, собранных путём наблюдением за изделием в эксплуатации или путём проведения специальных испытаний. Чем большее количество изделий подвергается испытанию, тем точнее будет определена вероятность надёжности. При определении надёжности могут быть выбраны различные показатели: число отказов в работе, средний срок службы в часах, число километров пробега и т. п., в зависимости от типа и назначения изделия.

Согласно теории вероятности коэффициент надёжности является произведением коэффициентов надёжности отдельных составных элементов изделия. Надёжность изделия в первую очередь зависит от продуманной, рациональной конструкции и технологии изготовления изделия.

Высокий коэффициент полезного действия. Вновь создаваемая машина должна иметь к. п. д. более высокий, чем в ранее существующих подобных машинах. Например, у паровоза к. п. д. был в пределах 7 – 12 %. Такой низкий к. п. д. связан с большими потерями в механизмах. В связи с этим паровозы сняты с производства и заменены электровозами и тепловозами, у которых к. п. д. значительно выше и составляет 21 – 28 %.

На повышение к. п. д. влияет снижение различных потерь на трение и выбор более правильного принципа работы проектируемого изделия.

Технологичность. Под технологичностью понимают наиболее дешёвый и простой способ изготовления, сборки и разборки. Для правильного решения этой важной задачи конструктор должен хорошо знать технологию изготовления, сборки и ремонта изделия.

Минимальный вес. Снижение веса машины – основная задача при конструировании, позволяющая экономно расходовать металл и тем самым снизить себестоимость изделия.

Вес изделия равен его объёму, умноженному на удельный вес материала, из которого изготовлены детали изделия:

Q = qV,
где: Q – вес изделия, q – удельный вес, V – объём изделия.

Из приведённой зависимости видно, что для снижения веса изделия следует выбирать материал с меньшим удельным весом (например, титан вместо стали) и стремиться к уменьшению размеров (объёма изделия).

Снижение себестоимости. Стоимость проектируемой машины должна быть возможно меньше. Добиться снижения себестоимости можно применением, например, менее дорогих и недефицитных материалов. Следует вместо металла применять пластмассы и другие неметаллические материалы, комбинировать дорогостоящий материал с дешёвым (венец червячного колеса выполняется из бронзы, а ступица из чугуна), заменять натуральные материалы искусственными (для обивки сидений применяют кожзаменители вместо натуральной кожи). Такие решения, не снижая качества изделий, дают большую экономию. Снижение себестоимости зависит также от масштабного выпуска изделий. При единичном или мелкосерийном выпуске стоимость изделий машин намного выше, чем при выпуске больших серий или при массовом производстве.

Удобство эксплуатации и обслуживания. Создавая новое изделие, конструктор должен предусмотреть максимальные удобства при его эксплуатации и обслуживании. Например, при проектировании зерноуборочного комбайна необходимо правильно расположить рулевую колонку, чтобы при работе оператор не уставал. Располагать маслоуказатели, смотровые люки так, чтобы ими было удобно пользоваться.

Удобство транспортировки. При проектировании необходимо продумать, как будет доставлена заказчику новая изготовленная машина. Крупногабаритные изделия необходимо проектировать разборными, чтобы можно было их доставлять железнодорожным транспортом. Необходимо также разработать удобную упаковку, чтобы во время транспортировки не повредить изделие. В переносных механизмах и приборах следует предусмотреть ручки для удобства переноса и т. д.

Красота и совершенство формы и отделки. Требования промышленной эстетики являются неотъемлемым элементом при разработке конструкции. Следует стремиться к тому, чтобы новое изделие было пропорциональным, красивым, обтекаемым; все движущиеся части машин следует располагать в корпусах или прикрывать щитками. Это важно не только с точки зрения эстетики, но этим достигается безопасность в работе. Выделяя вертикальные или горизонтальные линии отделочных частей машины, достигают впечатления лёгкости и изящества (вертикальные линии) или тяжеловесности и основательности (горизонтальные линии). Окраска изделия создаёт не только внешнее ощущение, а имеет важное техническое значение, предохраняя металл от коррозии. Выбор цвета окраски рекомендуется производить в соответствии с требованиями научной организации труда и технической эстетики.

Отделка (полирование, хромирование и т. п.) неокрашиваемых поверхностей имеет важное эстетическое и эксплуатационное значение. например, в автомобилестроении правильное решение перечисленных вопросов обеспечивает группа специалистов из конструктора, художника и моделиста.

На крупных машиностроительных предприятиях имеются специальные художественно-конструкторские бюро, где инженеры-конструкторы работают совместно с художниками-конструкторами.

Техника безопасности. Необходимо тщательно продумывать процесс эксплуатации машины и создать безопасные условия работы.

Например, все движущиеся части станков и механизмов должны быть закрыты прочно закреплёнными кожухами. Станины электрифицированных станков, корпуса электромоторов, металлические части, закрывающие электроаппаратуру и т. п. должны иметь защитное заземление.