Основы конструирования

При проектировании изделия решают следующие задачи: 1. выбор рациональной кинематической и силовой схемы конструкции;

2. обеспечение показателей ТЗ – мощности, скорости, производительности, стоимости и т.п.;

3. повышение надёжности и ресурса;

4. снижение материалоёмкости (за счёт применения материалов с высокой удельной прочностью, в том числе и композитов, упрочнения деталей, компактности механизмов выравнивания напряжений при выборе размеров и формы деталей, получение заготовок с минимальными припусками под обработку после литья, ковки, высадки и штамповки;

5. малое энергопотребление и высокая износостойкость;

6. обоснованное назначение шероховатости и точности (допусков и посадок), обеспечение взаимозаменяемости деталей, использование стандартизации и унификации;

7. исключение попадания грязи, пыли и влаги на подвижные детали механизмов, защита от коррозии;

8. включение элементов (регулировочных устройств и лючков) для обеспечения технического обслуживания, ремонта и контроля;

9. выполнение эргономических требований к изделию;

10. учёт производственно-технологических требований.

Конкурентоспособная конструкция должна иметь высокое качество при низкой цене, а её технические параметры – иметь резерв развития. При проектировании учитываются результаты фундаментальных исследований, передовые конструкторские разработки, прогрессивные процессы обработки и анализируется опыт эксплуатации прототипов.

Использование стандартизации и унификации деталей и узлов улучшает качество изделий, делает конструкцию более технологичной, а её производство - экономичным.

Стандартизация – это регламентирование типоразмеров и конструкций, что ускоряет проектирование (особенно САПР) и облегчает изготовление. В зависимости от сферы действия используют ГОСТы, ОСТы и СТП.

Унификация – это приведение объектов одинакового функционального назначения к единообразию по принятому признаку и рациональное сокращение числа этих объектов.

Унификация состоит в применении в конструкции одних и тех же элементов и деталей.

Прочная и жёсткая деталь не должна разрушаться и подвергаться недопустимым деформациям. Так опасной деформацией является большой прогиб вала, вызывающий перекос зубчатого колеса, образование ямок на дорожках подшипников качения.

Обеспечение прочности проверяется расчётом по допускаемым или разрушающим напряжениям, а также по запасам прочности. Для ответственных конструкций обычно проводят стендовые или натурные испытания.

При конструировании узлов и деталей минимальной массы с необходимой прочностью принимают в расчёт следующие рекомендации:

- создание изделия с рациональной силовой схемой (передача силы по кратчайшему пути, что возможно при растяжении, сжатии и сдвиге, но не изгибе), примеры даны на рис.1;

- рациональная форма сечения (для балок - двутавр или полый прямоугольник, кольцевое сечение для валов при нагружении изгибающим или крутящим моментами и т.п.);

- уменьшение нагрузки за счёт увеличения числа звеньев, передающих силы и моменты;

- применение композитов с ориентированными волокнами по линии приложения нагрузки;

- снижение концентрации напряжений конструктивными или технологическими методами (в первом случае следует избегать резких переходов формы и скачков нагрузки, во втором случае циклическая прочность увеличивается при создании в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия и увеличения его твёрдости);

- упрочнение детали в наиболее нагруженных местах, например поверхность зуба колеса выполняют более прочной по сравнению с сердцевиной;

- удаление материала в малонагруженных участках.

Повышение жёсткости возможно путём:

- применения материалов с более высоким модулем упругости или удельной жёсткостью;

- замены деформации изгиба на растяжение-сжатие;

- использования рёбер или перегородок;

- увеличения площади контакта при локальной деформации;

- увеличение жёсткости наиболее податливого элемента (например, упругой прокладки при сжатии).

Точность деталей и их взаимного положения определяется назначенными допусками и посадками. Для обеспечения точности взаимного расположения деталей в конструкции предусматривают специальные элементы – центрирующие, фиксирующие, компенсирующие и др. Они должны иметь простую форму и свободный подход для режущего и мерительного инструмента.

Базирование – это требуемое расположение детали относительно выбранной системы координат. В качестве базы используют поверхность, ось или точку. Отклонение фактического положения детали от требуемого называют погрешностью базирования. Например, при сопряжении вала со ступицей для l/d<0,8 в качестве базы используют бурт вала, а при l/d>0,8 - его цилиндрическую поверхность.

Центрирование и фиксация деталей. Работоспособность изделия зачастую определяется необходимой соосностью деталей, которая характеризуется величиной смещения номинально совпадающих осей цилиндрических поверхностей

Для её обеспечения необходимо использовать только одну пару поверхностей, выполняя в другом сопряжении зазор между деталями.

Для фиксации деталей также следует использовать одну поверхность. Так крышка базируется по плоскости основания корпуса и фиксируется с помощью двух штифтов. Призматическую шпонку фиксируют по рабочим граням, предусмотрев зазоры по торцам, а также между верхней плоскостью шпонки и пазом под шпонку в ступице.

Наиболее технологична конструкция, в которой используется метод полной взаимозаменяемости. Однако, наряду с ним приходится применять способы компенсации, например, установку регулировочных колец, сильфонов.

К другим методам конструирования относятся:

метод совмещения; метод «матрёшки», когда один элемент конструкции расположен внутри другого; метод наоборот (замена вращения винта на вращение гайки); блочный принцип (установка подшипникового узла в стакан).