При кустарном производстве ТС, когда не использовался чертежный способ проектирования, наилучшие формы изделия появлялись в процессе многовековых поисков путем проб и ошибок как результат бесчисленных неудач и находок. Хранилась информация об этом, в первую очередь, в форме самого изделия. Кроме того, частично информация хранилась в виде эталонов, шаблонов, а также передаваемых при обучении навыков. Такое положение было гарантией того, что изготовленная ТС будет работоспособна и надежна [75].
При современном производстве и чертежном способе проектирования, при котором значительно легче изменить и подогнать на бумаге детали друг к другу, конструктор уже не может с гарантией утверждать, что изделие будет полностью соответствовать условиям его изготовления и эксплуатации. В значительной мере эта проблема разрешается путем проведения комплекса расчетов изделия, а затем его изготовлением и испытанием опытных образцов.
Расчет позволяет определить прочность, жесткость, надежность конструкции, а также её эксплуатационные характеристики. Чем больше элементов конструкции ТС предварительно определяются при помощи расчетов и чем точнее эти расчеты, тем меньше переделок, изменений и уточнений потребуется после испытаний опытных образцов и тем меньше времени потребуется на внедрение его в производство.
Целесообразно повышение как качества, так и количества выполняемых расчетов на стадии проектирования ТС. Желательно, чтобы все элементы конструкции (размеры, сечения, деформации, материал и др.) определялись расчетом. Однако не всегда для этого разработаны соответствующие методики, создание которых требует глубоких знаний и понимания происходящих физических процессов в ТС, а также умения описать эти процессы математически. Многие процессы могут быть объяснены и поняты только после проведения соответствующих научно-исследовательских работ. Зачастую разработанная методика расчета ТС является основой кандидатской или даже докторской диссертации.
При проектировании машины и её деталей выполняются два основных вида работ: первый - расчет конструкции, второй — изображение конструкции детали. Эти работы могут выполняться последовательно, параллельно и чередуясь, в зависимости от сложности конструкции и имеющейся расчетной базы.
В том случае, когда расчетная база мала, то есть недостаточно разработано методик расчета данной ТС, многие размеры и параметры ТС устанавливаются на основе аналогии- сходства каких-либо отдельных свойств, признаков, элементов, характеристик объектов, в целом отличающихся друг от друга [17]. Такое сравнение подобных конструкций позволяет конструктору по сходству (аналогии) выбирать значения соответствующих размеров в проекте. Например, при проектировании зубчатых передач приблизительно 70 % размеров устанавливается по аналогии или просто по интуиции и только 30% по расчету [72]. Такое положение приводит к тому, что в процессе доводки ТС и далее при её серийном изготовлении в конструкцию ТС вносится значительное число изменений, которых можно было избежать при более широком и тщательном проведении расчетов на этапе проектирования. В тех проектных организациях, где расчетам уделяется первостепенное внимание, где постоянно растет расчетная база, где тщательнейшим образом анализируются результаты экспериментов и эксплуатации машин, а по результатам анализа уточняются методики расчета, там можно ожидать значительного сближения результатов расчета и эксперимента, а иногда их полного совпадения. Это снижает количество требуемых изменений чертежей, а значит, разгружает в первую очередь конструкторов от дополнительной работы.
Можно утверждать, что качество разработки конструкции прежде всего определяется качеством и объёмом выполненных расчетов этой конструкции. Инженеры-расчетчики принимают участие в разработке ТС на всех стадиях проектирования. Они выполняют важнейшую работу по переводу конструкции с уровня предварительных решений на уровень научно-обоснованных. Они выполняют кинематические и энергетические расчеты, расчеты на прочность, обеспечивая минимальную массу объекта. Общая расчетная схема ТС должна выполняться в следующей наиболее целесообразной последовательности [73]:
- расчет кинематической схемы;
- расчет энергетики, потребляемой и передаваемой мощности, потерь энергии;
- расчеты на прочность и долговечность ТС.
Такая схема позволяет конструкторам быстро ориентироваться в исходных данных при разработке порученных им частей ТС. В ходе разработки должны быть выполнены расчеты сечений валов, долговечность подшипников, размеры шестерен, длины шпонок и шлицов, жесткость пружин, размеры тормозных колодок, усиления на рычагах и др. Эти расчеты могут выполняться как централизованно инженерами-расчетчиками, так и конструкторами при разработке ими соответствующих деталей.
Важность тщательного выполнения расчетов при проектировании может быть подтверждена примерами из различных областей техники. В электромеханике точность расчета электрических машин и аппаратов в первую очередь определяется точностью расчета магнитной системы и невидимого магнитного потока.
Первые электромеханические устройства рассчитывались по аналогии с ранее выполненными - наиболее удачными. Такой расчет приводил к многочисленным промашкам и большим погрешностям в определении размеров магнитной цепи.
Английский электротехник Джон Гопкинсон (1849- 1898) в 1879 году дал графическое представление о зависимостях в электрических машинах, называемых в настоящее время характеристиками электрической машины (характеристика холостого хода, внешняя характеристика и др.). В 1885 году Джон Гопкинсон сформулировал закон магнитной цепи. А в 1886 году Джон и Эдвард Гопкинсоны создали теорию электрических машин постоянного тока.
Эти и другие работы позволили перейти от неточной аналогии и грубой эмпирики к достаточно строгому рас-
чету электротехнических устройств. В настоящее время точность расчета магнитных полей ещё более повышена благодаря применению численных методов, основанных на использовании уравнений Д.К. Максвелла, являющихся фундаментом электродинамики. Реализованы эти методы на быстродействующих вычислительных машинах.
Другой пример из области воздушного транспорта, связанный с созданием одновинтовых вертолетов [20]. Известно, что в одновинтовом вертолете (в настоящее время около 90% вертолетов - одновинтовые) наибольшие трудности возникают в управлении ими. Одним из важнейших изобретений в этой области, приведшим к широкому внедрению одновинтовых вертолетов, является автомат-перекос, предложенный замечательным русским ученым и изобретателем, академиком Б.Н. Юрьевым ещё в 1944 году, когда он был 22-летним студентом знаменитого МВТУ. Без автомата-перекоса для управления одновинтовым вертолетом необходима установка трёх рулевых винтов, что значительно усложняет конструкцию вертолета и делает её менее надежной в эксплуатации из-за взаимного аэродинамического влияния винтов. Внедрение автомата-перекоса позволило устранить два рулевых винта, сохранив лишь винт компенсации реактивного момента.
Принцип действия автомата-перекоса следующий. Каждая лопасть описывает круг при вращении. Если выполнить лопасти, имеющими возможность менять угол наклона к плоскости вращения, то можно легко управлять вертолетом. Так, если часть круга будет пройдена с большим углом установки лопасти, а часть с меньшим, то тяга винта будет асимметричной, с одной стороны - большей, с другой - меньшей, что приведет к повороту винта (и машины) в соответствующую сторону.
Конструктивно автомат-перекос выглядит следующим образом (рис. 8.2).
Рис. 8.2. Схема автомата-перекоса: 1 - угол наклона автомата-перекоса; 2 - неподвижное кольцо; 3 - подвижное кольцо; 4 — поводки, управляющие кольцом; 5 - управление
с общим шагом
На валу несущего винта устанавливаются концентрические кольца из подвижного кольца и двух неподвижных, охватывающих подвижное. Кольцо может иметь различный угол наклона относительно оси. От подвижного кольца идут тяги к лопастям винта, а от не вращающихся колец идут рулевые тяги. Поворотом тяг кольца меняется угол установки лопастей.
Автомат-перекос требует тщательного расчета и качественного изготовления, поэтому он долгое время не находил широкого применения. Основная роль в том, что одновинтовые вертолёты с применением автомата-перекоса заняли ведущее положение в вертолётостроении, принадлежит американскому авиаконструктору И. Сикорскому (русскому по происхождению, в 1919 г. эмигрировавшему в Америку). Когда он строил свой первый вертолёт, в котором был применен автомат-перекос, в 1939 г., он отказался от определения всех параметром путем расчетов, предполагая определить оптимальную конструкцию экспериментальным путем. Это привело к тому, что многочисленные недостатки вертолета
сразу же дали о себе знать на первых же испытаниях. Так как автомат-перекос был неверно рассчитан, вертолёт плохо слушался руля и в конце концов опрокинулся и сломался.
Отказавшись от автомата-перекоса, Сикорский ввел в конструкцию три рулевых винта. Но такая конструкция оказалась неудачной из-за значительного аэродинамического взаимовлияния винтов. Неудачи с этой машиной убедили Сикорского в необходимости использования автомата-перекоса.
В новом вертолёте, построенном в 1943 г., автомат-пере- кос был рассчитан с большой тщательностью, что привело к очень успешным испытаниям этого вертолёта, изумившим присутствовавших на них военных специалистов своей высокой маневренностью и точностью приземления.
В области архитектуры [25] интересна история строительства отеля «Бурж-аль-Араб * (в переводе «Арабская башня») в Объединенных Арабских Эмиратах, в районе Дубая. Это один из шикарнейших отелей мира, поражающий туристов своей красотой. Он задумывался его владельцем, министром обороны Эмиратов шейхом Мохаммадом аль-Макстумом, как здание, которое должно поразить мир.
Приглашенный для создания этого чуда архитектуры, архитектор, имя которого держится в тайне, предложил шейху грандиозный план: на берегу Персидского залива, в 20 км от Дубая, возвести вначале первый корпус отеля высотой в сто метров в виде голубой волны, а затем посреди морских волн возвести второй корпус высотой 321 м в виде паруса. Стоимость проекта оценивалась в несколько миллиардов долларов.
Так как форма здания была в виде раздутого паруса, основание которого меньше, чем средняя часть - необходимо было проведение тщательнейших сложнейших расчетов. Для этой цели были приглашены японские специалисты. Однако на заключительном этапе строительства оказалось, что отель стал сползать с насыпи - за год на 2 мм.
Срочно была полностью заменена команда архитекторов и строителей. Кроме японцев в команду были включены немецкие специалисты. Было принято решение - для того чтобы здание немного наклонилось в противоположную от сползания сторону, в определенных местах укрепить утяжеляющие детали. Такое решение оказалось достаточным.
Строительство башни было успешно закончено в 1999 году. Только на отделку этого необычного отеля было израсходовано около 100 тонн золота. Отель попал в книгу рекордов Гин- неса.
Опыт проектирования и создания большого числа различных ТС убеждает в чрезвычайной важности тщательнейшего выполнения расчетов как можно большего числа элементов ТС.
Иногда, пренебрегая расчетами для ускорения проектирования, многие элементы конструкции выбираются по аналогии с ранее выбранными. При этом зачастую происходит перерасход материалов, утяжеление конструкции, длительная и мучительная наладка или невыполнение требований технического задания на ТС.
Поэтому, перефразируя афоризм А.В. Суворова можно утверждать: «Тяжело считать - легко внедрять».