double arrow

Системный подход к конструированию деталей


Машины и сборочные единицы (узлы) собирают из отде­льных деталей, которые не имеют как разъёмных, так и не­разъёмных соединений [72]. Согласно системному подходу деталь можно рассматривать как совокупность функциональ­ных и структурных частей, принимаемых за подсистемы, на­ходящихся в определённой взаимосвязи и обеспечивающих служебное назначение детали как системы.

На рис. 9.5 дана схема конструкции детали: деталь - это система, части детали - подсистемы, поверхности детали - элементы системы. Основные параметры частей детали и поверхностей должны выбираться исходя из общей дели, стоящей перед деталью. С позиции системного подхода при конструировании детали должен быть решен следующий комплекс вопросов:

1. Выбор материала детали.

2. Выбор формы детали.

3. Определение конструкторских баз.

4. Установление размеров и точности их выполнения.

5. Шероховатость поверхностей.

При решении этих вопросов должны быть учтены требо­вания по выполнению своей функции деталью, а также тре­бования производства и эксплуатации (с учётом ремонта).

Рис. 9.5. Структура конструкции детали ТС

 




Материал детали выбирают, учитывая следующие ос­новные факторы.

1. Необходимо наибольшее соответствие материала дета­ли прямому её назначению. Например, механическая прочность в первую очередь требуется для высоконагру- женных деталей - валов, бандажей; хорошая сваривае­мость металла - для сварных конструкций; достаточная пластичность металла - для деталей, воспринимаю­щих ударные нагрузки; хорошая электро- и магнито- проводимость - для электро- и магнитопроводов и т.п.

2. Стабильность свойств материала при длительном воз­действии на него рабочих нагрузок и температур.

3. Устойчивость при воздействии окружающей среды (коррозия металлов, замасливаемость электроизоля­ционных поверхностей и др.).

4. Стоимость материала.

5. Технологические свойства - допустимые виды обра­ботки материала, адгезионные свойства поверхности материала и т.п.

При выборе материала зачастую трудно учесть все требо­вания к нему. Например, для тяжело нагруженных зубча­тых колёс силовых передач транспортных машин требует­ся, чтобы поверхность зубьев обладала высокой контактной прочностью и одновременно зуб обладал бы достаточной из- гибной прочностью. Для выполнения первого требования рабочая поверхность должна быть высокой твёрдости, а для выполнения второго - средней твёрдости. Удовлетворить эти требования только выбором марки стали не представляется возможным. Решением такой задачи может быть выбор со­ответствующей марки стали и введение поверхностного уп­рочнения материала.

Форма детали выбирается исходя из принятой компонов­ки конструкции ТС, расчёта на прочность, а также с учетом ограничений, накладываемых производством.



При выборе формы детали, кроме компоновки, учитыва­ются также требования по унификации, по заготовке детали и её механической обработке. Таким образом, форма детали определяется различными факторами. Рассмотрим некото­рые из них [83]:

- обеспечение необходимой прочности и жёсткости конс­трукции детали;

- снижение концентрации напряжений на различных участках детали;

- улучшение теплопроводности детали;

- обеспечение возможности разборки ТС;

- технологические требования к детали (отливка, поков­ка, штамповка и т.п.).

Для увеличения жёсткости (способности детали сопро­тивляться действию внешних нагрузок с наименьшим де

формациями) деталей, выполняемых холодной штамповкой из листового материала, применяют выбивку рельефов на стенках рис. 9.6). Рис. 9.6. Конструктивные формы рельефов жёсткости

 

Чтобы такую деталь не отжигать после штамповки рель­ефов - их высота должна быть не более (3-5) S, где S - тол­щина материала. Прочность деталей при набивке рельефов увеличивается не только в силу повышения прочности и жёстокости за счёт изменения формы детали, но и благодаря нагартовке металла.



Рис. 9.7. Расположение рельефов на прямоугольной крышке

 

Рельефные валики должны располагаться вдоль действия изгибающего момента (рис. 9.7, а). При поперечном их рас­положении (рис. 9.7, б) жёсткость детали не увеличивается, а даже снижается. Рельефные валики желательно направлять к узлам жёсткости детали. Наиболее удачное их расположе­ние - диагональное (рис. 9,7, в, г). На рис. 9.8 показаны ва­рианты увеличения жёсткости днища цилиндрического тон­костенного сосуда изменением формы детали. Существуют и другие приёмы повышения жёсткости деталей, выполненных из листового материала, - отбортовка, чеканка кромок и т.п.

е)

Известно, что изгиб и кручение деталей вызывают нерав­номерное распределение механических напряжений по се­чению детали, а деформации растяжения-сжатия приводят к равномерному механическому напряжению по всему сече­нию.

Рис. 9.8. Способы увеличения жёсткости днищ тонкостен­ных цилиндрических деталей

 

То есть в последнем случае материал детали используется наиболее полно, а конструкции, работающие в основном, на растяжение-сжатие, наиболее выгодны по массе, жёсткости и прочности. Поэтому там, где это возможно, целесообразно изгиб заменять растяжением-сжатием, например за счёт из­менения формы детали. Наиболее интересное использование этого принципа показано на рисунках таблиц 9.1 и 9.2.

В таблице 9.1 показаны приёмы увеличения жёсткости рамной консоли, в таблице 9.2 диафрагмы, которая по фор­ме близка к конструкциям подшипниковых щитов электри­ческих машин. Обеспечение более равномерного распределе­ния нагрузок по длине детали или снижения концентрации напряжения на углах ступенчатых деталей также приводит к изменению формы детали.

1—1

Рис. 9.9. Распределение нагрузок по длине зубьев зубчатой передачи при различных конструкциях колёс

 

На рис. 9.9 показано влияние упругости элементов зубча­тых колёс на распределение нагрузки по длине зуба. Характер распределения зависит от взаимного расположения дисков колёс. Максимальная нагрузка на единицу длины зубьев рав­на 2р, где р - средняя нагрузка. Из него видно, что наиболее равномерное распределение нагрузки оказывается, если дис­ки расположены по разные стороны от плоскости симметрии зацепления (рис. 9.9, в), а при расположении дисков в одной плоскости у торца зубцов (рис. 9.9, а) или по оси симметрии зуба (рис. 9.9, б) максимальная нагрузка равна 2р.

На рис. 9.10 показано, как изменением формы сопряже­ния частей (ступеней) ступенчатых валов можно значитель­но снизить концентрацию напряжений во входящих углах вала.

- -— - ■
Ji е)
6)

# , в " rh

a) U

Рис. 9.10. Снижение концентрации напряжений во входя­щих углах ступенчатых валов

При наличии острых углов на участках перехода (рис. 9.10, а, б) наблюдается резкая концентрация напряжения, которая при длительной эксплуатации может привести к трещинам или поломке вала в этих местах. Конические со­пряжения (рис. 9.10, в) снижают концентрацию напряже­ний, но сокращают длину цилиндрической поверхности малого диаметра вала. Чаще всего снижение концентрации напряжения на участках перехода осуществляется введени­ем галтелей (рис. 9.10, г, д, ж).

На рис. 9.11 приведён чертёж вала ТЭД электровоза с двухсторонней зубчатой передачей, выполненного с галтеля­ми по типу рис. 9.10, г радиусом R16. Основная форма вала определена чертежом компоновки ТЭД по рис. 7.18.

9Т конусность V Iв ' —Улнли ляг /г», те

Л jw 9t

Рис. 9.11. Вал тягового двигателя электровоза с двухсторонней передачей

 

Улучшение теплоотвода деталей также часто обеспечива­ется изменением их формы. На рис 9.12 приведены вариан­ты конструкции поршня двигателя внутреннего сгорания с улучшенной теплоотдачей от его днища, охлаждаемого мас­лом, забрасываемым из картера двигателя.

Рис. 9.12. Усиление теплоотвода от днища поршня двигателей внутреннего сгорания

 

Улучшение теплоотвода производится за счёт увеличе­ния теплоотдающей поверхности, осуществляемого введе­нием оребрения крестообразными (рис. 9.12, б), продоль­ными (рис. 9.12, в) или вафельными (рис. 9.12, г) рёбрами, которые одновременно увеличивают прочность и жёсткость детали. Наибольшую поверхность охлаждения при наимень­шей массе дают столбчатые охладители (рис. 9.12, д), кото­рые однако незначительно повышают жёсткость днища. Для очень нагревающихся поршней вводят принудительное мас­ляное охлаждение (рис. 9.12, е); направление движения мас­ла стрелками указано на рисунке.

Однако такое приложение сил может привести к недопус­тимым механическим напряжениям в диске шкива, особен  

Обеспечение возможности сборки-разборки машины также иногда приводит к необходимости изменения формы детали. Например, распрессовка шкива с вала (рис. 9.13) возможна при приложении усилия на торец шкива (рис. 9.13, а), однако лучше, если для этого шкив будет снабжён специальным опорным цилиндрическим поясом, предвари­тельно механически обработанным для обеспечения равно­мерного распределения нагрузки на шкив при распрессовке (рис. 9.13 6).

Рис. 9.13. Обеспечение распрессовки

но при большом диаметре диска. Лучший вариант такой, при котором опорная распрессовочная поверхность расположена у ступицы (рис. 9.13, в). Широко распространена система гид­росъёма деталей (рис. 9.14). Масло, под давлением, превыша­ющим контактное (равное несколько сот атмосфер), подводят через отверстие в валу (рис. 9.14, а) или в ступице (рис. 9.14, б) в кольцевую выточку. Вызванная давлением масла упругая радиальная деформация распрессовываемой детали приводит к сходу детали без применения механических усилий.

Рис. 9.14. Схема гидросъёма

 

Технология изготовления детали также влияет на её фор­му. Так, для получения качественных литых деталей необ­ходимо, чтобы конфигурация их удовлетворяла следующим основным требованиям [74]:

- минимальные толщины стенок отливки должны быть такими, чтобы не появлялся брак литья при заливке;

- чтобы при заливке не возникали пустоты, усадочные трещины и рыхлости сопряжения стенок, конструкции деталей должны выбираться таким образом, чтобы от­ношение диаметра вписанной окружности!) и толщины стенок Т определялось как D/T ~ 1,3; радиус сопряже­ния R при трёх и более стенках принимался по формуле R=(T+t)/3; при сочетании двух стенок толщиной Т и t значение радиуса Ft=t> где t - толщина более тонкой стенки (рис. 9.15);

Рис. 9.15. Сопряжение стенок в литье

 

конструктивные элементы отливки (рёбра, полости, бо­бышки и т.п.) должны располагаться таким образом, что­бы число разъёмов, отъёмных частей модели и стержней было минимальным. На рис. 9.16 показана форма конс­трукции отливки корпуса-нетехнологичная (рис. 9.16, а), в которой наличие «карманов» (квадратная штриховка) и значительная разнотолщинность стенок ведут к снижению качества отливок, и технологичная (рис. 9.16, б) с отсутс­твием «карманов» и со значительно уменьшенной разни­цей толщин стенок, позволяющая обеспечить высокое ка­чество отливок и применить прогрессивные способы литья (не в землю, а в кокиль или под давлением).

Ц

Рис. 9.16. Отливка корпуса машины: а) нетехнологичная;

б) технологичная

Выбор конструкторских баз детали производится на ос­нове проектного компоновочного чертежа, некоторых пара­метров самой детали и условий её изготовления.

Под конструкторской базой понимают (ГОСТ 21495-76) элемент детали, используемый для определения положения детали в изделии.

Основная конструкторская база - это база, принадле­жащая данной детали и используемая для определения по­ложения детали в изделии. Вспомогательная конструк­торская база - это база, принадлежащая данной детали и используемая для определения положения присоединяемых к ней деталей.

Весьма желательно, чтобы конструкторские базы совпа­дали с технологическими, под которыми понимают базу, ис­пользуемую для определения положения изделия в процессе изготовления и ремонта. При несовпадении этих баз появ­ляется необходимость в повышении технологической точ­ности по сравнению с конструкторской с соответствующим увеличением затрат труда и средств.

В чертеже вала ТЭД (рис. 9.11) в качестве конструктор­ской базы принимается ось вращения и торцы вала. Эти же базы принимаются и в качестве технологических.

Установление размеров детали производится на осно­вании исходных данных и требований производства.

Размеры детали определяются следующим путём:

1. На основании расчётов на прочность и долговечность определяются наиболее опасные сечения детали.

2. На основании проектного компоновочного чертежа ТС определяются габаритные размеры детали.

Определяющими факторами при установлении размеров являются компоновка, прочность, долговечность, унифика­ция, заготовка, механическая обработка. На рис. 9.11 нане­сены размеры вала ТЭД, полученные в результате компонов­ки и расчёта вала на прочность. Класс точности на размеры обычно устанавливается самый низкий, при котором деталь отвечает ещё своему назначению.

Масса детали определяется плотностью материала и размерами, установленными на основе расчётов с учётом компоновки и требований производства.

Установление шероховатости поверхности детали производится на основании исходных данных, требований производства и эксплуатации. При конструировании деталей необходимо стремиться устанавливать наименьший класс шероховатости поверхности, при котором деталь отвечала бы своему служебному назначению. Основные факторы при установлении шероховатости - вид соединения, материал, механическая обработка, термообработка. Для неподвиж­ных соединений деталей важно обеспечить усталостную про­чность, для подвижных — износостойкость. Это может быть обеспечено также и подбором соответствующего класса шеро­ховатостей. ГОСТ 2789-73 устанавливает 14 классов шерохо­ватости. Коррозионная стойкость возрастает при снижении шероховатости. Хорошей герметичности при использовании резиновых статических уплотнений можно добиться только при незначительной шероховатости опорной поверхности. Трение и износ снижаются при уменьшении шероховатости. Однако полное отсутствие микронеровностей не позволяет проникать смазке к контактной поверхности и приводит к повышенному износу. Необходим выбор оптимальной шеро­ховатости. Таким образом, выбор шероховатости поверхнос­ти детали требует учёта многих специфических требований.

Как видим, процесс конструирования детали носит твор­ческий характер. При поиске рационального конструктив­ного решения перебирается значительное число вариантов конструкции. Эвристические приёмы, используемые при поиске, те же, что и при изобретательстве. К наиболее час­то применяемым приёмам (см. гл. 4) при конструировании относятся принципы: дробления; вынесения; местного ка­чества; объединения; наоборот; сфероидальности; неологии; аналогии и т.п.







Сейчас читают про: