Предварительное конструирование основных частей устройства в отдельности (третий этап)

Разработка технических требований к конструируемому устройству (второй этап)

Изучение технологических и экономических возможностей

На поэтапной схеме приведен еще один компонент, отражающий работу конструктора по накоплению исходной информации. Этот компонент, о котором будет подробнее сказано несколько позднее, заключается в изучении технологических и экономических возможностей выполнения задания, а также реализации тех дополнительных требований, накопление и формирование кото­рых происходит уже на данном этапе.

Заканчивая рассмотрение первого этапа, обратим внимание на то, что анализ взаимосвязей, проводимый до процесса собственно конструирования, не может считаться окончательным. Действительно, если принципиальная схема устройства занимает свое место в общей картине взаимосвязей, то конструкция устройства остается на рассматриваемом этапе практически “белым пятном”. Конструкция сложного устройства формируется позднее по определенным логическим правилам. Если она непроизвольно возникает в виде случайного варианта, то конструктор должен постараться исключить ее из общей картины взаимосвязей. Можно подумать, что конкретизация конструкции устройства на рассматриваемом этапе приведет к конкретизации взаимосвязей и этим облегчит их анализ. Однако результаты такого анализа при изменении конструкции устройства в дальнейшем окажутся непригодными. Поэтому рассмотрение взаимосвязей до выявления конструкции устройства не может быть ни достаточно полным, ни достаточно конкретным. Результаты работы рассматриваемого этапа оказываются неизбежно незавершенными. Очевидно, что по мере формирования конструкции они должны корректироваться.

По мере раскрытия и изучения взаимосвязей вся информация, необходимая конструктору для последующей работы,- должда фиксироваться. Этот материал служит для отработки дополнительных технических требований, дополняющих перечень исходных технических требований задания.

В сложных конструкторских задачах путь от анализа взаимосвязей до четко сформулированных технических требований к устройству, необходимых конструктору, может быть значительно более сложным, чем рассмотренный выше. Этот путь может проходить через такие стадии создания устройства, как научно-исследовательская разработка, промежуточное макетирование, а также может сопровождаться расчетными и экспериментальными работами, далеко не всегда выполняемыми при участии конструктора.

Возвращаясь к нашей схеме, допустим, что конструктор на основе изучения взаимосвязей уточнил и дополнил исходные технические требования задания на конструирование устройства. Тем самым он получил в свое распоряжение особого рода техническое описание, изложенное с той степенью технической строгости, которая определяется четкостью выводов, сделанных из рассмотрения взаимосвязей. В перечне требований даются уже не сами связи, а технические характеристики устройства и параметры, отражающие условия его эксплуатации.

Можно сделать следующие замечания относительно существа требований и формы их изложения.

1. Каждое из требований должно допускать логическую возможность рассматривать его в значительной сте­пени независимо от других требований.

2. Перечень требований не должен быть чрезмерно большим. Каждое требование должно быть изложено предельно лаконично. В противном случае перечень станет неудобным для практического использования.

3. Каждое требование должно быть сформулировано так, чтобы не возникало необходимости в его переработке или перефразировке при последующей реализации в конструкции.

Для того чтобы последний пункт стал очевидным, обратимся непосредственно к тем понятиям, при помощи которых формулируются требования. В соответствии с природой этих понятий можно разделить требования независимо от их содержания на четыре группы.

Первая группа. Требования, содержащие ограничения геометрического характера. Требования, содержащие ограничения конструктивного характера, т.е. ставящие необходимым условием реализацию определенного конструктивного варианта той или иной части будущего устройства.

Пример формулировки: «Корпус бортового высотомера должен быть стандартным (ф 80 мм)».

Вторая группа. Требования, выраженные при помощи технических или физических понятий, записанных в виде чисел с размерностями.

Третья группа. Требования, выраженные словесно, не включающие в себя ни понятий, определенных количественно, ни геометрических ограничений в конструкции. Пример формулировки: «Устройство должно быть быстросъемным».

Четвертая группа. Требования, сформулированные при помощи сложных понятий или математических зависимостей.

Пример формулировки: «Для данного конструируемого устройства распределение атмосферного давления в рабочем диапазоне высот следует принимать согласно МСА (международной стандартной атмосферы)».

Требования первой группы наиболее подготовлены к непосредственной реализации в конструкции. Геометрические и конструктивные ограничения, содержащиеся в общем перечне технических требований, играют роль «мостков» для перехода от них к компоновке устройства. Если такие ограничения распространяются на крупные конструктивные части будущего устройства, то задача перехода существенно упрощается. Если, например, дано задание сконструировать самолетный высотомер в стандартном корпусе (для установки на приборной доске), то это позволяет конструктору отказаться от ряда промежуточных стадий и начать работу с вычерчивания корпуса (рис. 2.3).

Последующий ход работы определится:

а) заданными размерами ряда стандартных узлов и деталей, укрепленных на корпусе (шкал, механизма кремальеры, подводящего штуцера и др.);

б) размерами и формой мембранной коробки.

Если геометрические и конструктивные ограничения распространяются на второстепенные части будущего устройства, то они не могут столь сильно упростить ход дальнейшего конструирования.

Первая группа требований значительно пополняется в результате выявления ограничений, связанных с местом установки конструируемого устройства. Множество конструктивных и геометрических ограничений возникает в качестве следствий из особенностей принципиальной схемы устройства.

Вторая группа требований является в значительной степени результатом количественного отображения взаимосвязей устройства с внешним окружением и особенностей принципиальной схемы. Однако наиболее технически законченная форма количественного отобра­жения взаимосвязей не является наиболее подготовленной для компоновки: конструктивная реализация требований выраженных при помощи четких технических понятий, определенных количественно (таких, например как передаточное число и т. п.), может быть осуществлена различным образом. Преимущества такой формы написания требований очень велики, так как она не несет в себе неопределенности (если не говорить о неоднозначности конструктивной реализации) и служит средством объективной проверки правильности кон­струкции. В такой форме выражаются требования к входам и выходам устройства и все наиболее важные технические характеристики. Все сказанное относительно второй группы требований можно отнести и к четвертой группе.

Следует особо остановиться на третьей группе требований. Словесная форма написания технических требований в большинстве случаев свидетельствует о незаконченности процесса формализации реальной физи­ческой картины. Иногда она порождена отсутствием информации о количественной стороне тех или иных взаимосвязей или незнанием сущности каких-либо процессов в сложной системе «устройство — окружение». Нередко словесная формулировка посредством весьма общих понятий объединяет воедино множество нераскрытых связей. Примером может служить часто встречающийся в технических заданиях «дежурный» пункт гласящий, что «устройство должно быть удобным в эксплуатации, при монтаже и демонтаже».

Конструктор, уточняющий и дополняющий техническое задание для себя, должен расшифровать такой пункт рассмотрев наиболее существенные взаимосвязи между устройством и обслуживающим персоналом. В результате такого рассмотрения могут возникнуть более конкретные требования к быстросъемности устройства, требования, регламентирующие технику регулировки, включения и выключения устройства, требования к взаимо­заменяемости отдельных частей и целый ряд других весьма существенных требований. Появятся и количественные характеристики, свидетельствующие о том что отдельные стороны сложной эксплуатационной картины выявлены с достаточной полнотой и определенностью. Такую работу важно провести своевременно чтобы освободить себя от нее в процессе собственно конструирования. Но это не значит, что следует стремиться к наиболее полной формализации (вплоть.до количественного выражения) всех без исключения технических требований. Степень необходимой формализации определяется, с одной стороны, трудностями ее осуществления, с другой — требованиями последующих этапов конструирования.

Для написания технических требований весь разнообразный арсенал понятий, начиная от специальных и кончая общими понятиями обыденной речи, должен использоваться с достаточной гибкостью. Если строгие технические понятия хорошо приспособлены для характеристики основных особенностей будущей конструкции, то понятия обыденной речи могут служить напоминанием о ряде второстепенных обстоятельств, в меньшей степени влияющих на конструкцию, но все же требующих к себе внимания при конструировании.

После того как перечень требований составлен, конструктор ориентируется именно на них и лишь при) необходимости обращается к рассмотрению тех сторон реальной физической картины, которые в этом перечне не отражены.

Процесс реализации требований в конструкции, как выше уже отмечалось и как отражено на поэтапной схеме, сопровождается обратными воздействиями на технические требования. Для осуществления рациональною процесса «реализации требований» конструктор должен иметь возможность в допустимых пределах варьировать параметрами технических требований. Важно поэтому в требованиях отражать не только номинальные но и предельные значения закладываемых величин. Для конструктора поочередно реализуемые требования становятся своего рода вехами, отмечающими ход работы.

Сложный многоступенчатый переход от воображаемой картины работы устройства в условиях эксплуатации непосредственно к его конструкции требует от начинающего конструктора развития технической эрудиции, а также некоторой способности к самоанализу, помогающему отдать себе отчет в своих сильных и слабых сторонах.

Технические требования рассматривались до сих пор преимущественно как результат обработки информации, относящейся к задачам, поставленным перед конструктором. Но последний лишен возможности подробно углубляться в вопрос о том, что он будет делать, не создавая себе почтиодновременно пусть самого общего представления о путях реализации задуманного. Вопрос что делать неотделим при конструировании от вопроса как делать. Требования к устройству не могут быть сформулированы, если общее направление конструирования не выбрано. Выбор такого направления означает как первую корректировку созданного перечня требований, как и его пополнение. Можно сказать, что законченный перечень технических требований всегда отражает степень ясности представлений конструктора о выбранном направлении работы. Вот почему при изучении и уточнении технических требований конструктор должен потратить значительную часть времени на сбор данных производственного, технологического и экономического характера. Изучение возможности реализации технических требований начинается, как уже было сказано, на первом этапе конструирования.

В плане выяснения возможностей реализации заданных и уточненных требований конструктора в первую очередь интересуют:

1) запланированные размеры партии изделий (в нашем случае речь может идти об опытной партии);

2) характер, возможности и перспективы развития производственной базы;

3) номенклатура имеющихся на складе материалов;

4) наличие готовых изделий, предусмотренных принципиальной схемой устройства в качестве составных частей;

5) экономические возможности изготовителя.

После того как такая информация получена и переработана (часть ее может содержаться и в задании на конструирование), конструктор должен уже думать о возможной технологии изготовления будущего устройства. До начала компоновки, не зная еще, из каких узлов и деталей будет состоять устройство, конструктор делает выбор между сваркой, литьем, штамповкой, фрезеровкой и т. п., имея в виду общее технологическое направление конструирования. Еще не зная кинематики устройства, конструктор уже решает вопрос о том, каким способом будет достигнута необходимая точность отработки поворотов выходного звена. При этом он.делает очень существенный, с точки зрения как технологичности, так и экономичности конструкции выбор между жесткими и свободными допусками звеньев кинема­тической цепи, решаясь в последнем случае на введение в кинематическую цепь специальных упругих звеньев для выбора люфтов.

При решении этих вопросов почти неизбежно как прямую, так и косвенную роль играют соображения эко­номического характера. Например, выбор того или иного материала производится не только с учетом его стои­мости, но и с учетом стоимости обработки, стоимости обслуживания устройства при эксплуатации и др. Очевидна тесная связь стоимостных вопросов с надежностью. Здесь большое значение имеют опыт конструи­рования и знание технологии производства.

Итак, к концу рассматриваемого этапа конструктору известны:

1) принципиальная схема устройства;

2) дополненные и систематизированные технические требования к устройству;

3) общее технологическое направление конструирования.

Каковы представления конструктора к моменту окончания разработки технических требований о компоновке будущего устройства и конструкции отдельных узлов? Несомненно, что некоторый обобщенный образ устройства возникает у конструктора уже после знакомства с принципиальной схемой. Без такого обобщенного преставления был бы невозможен ни отбор необходимых взаимосвязей устройства с окружением, ни их последующая формализация. По мере того как в результате переработки информации о взаимосвязях по­полняется перечень технических требований, начинается попутный, точнее говоря встречный процесс формирования конструкции некоторых частей устройства. Заложенные в технических требованиях ограничения геомет­рического и конструктивного характера содействуют этому в наибольшей степени. Если, например, принципиальная схема предусматривает «выход» устройства в виде поворотного рычага, а в технических требованиях ука­зывается угол поворота, угловая скорость и вращающий момент на выходном валу, то у конструктора совершенно естественно возникают соображения о возможных размерах рычага и даже его конструкции.

Выбор даже самого общего технологического на­правления конструирования способствует еще большей конкретизации конструкции рычага. Сказанное относится не только к отдельным частям будущего устрой­ства, но и к его компоновке в целом. Но такая конкретизация далеко не всегда совершается с постепенностью, соответствующей накоплению исходного мате­риала. Случается, что вариант компоновки устройства возникает «сам собой», без подготовки, без разработки достаточно полных технических требований.

Творческий процесс конструирования не может развертываться по заранее заготовленной логической канве без каких-либо отклонений. Варианты компоновки устройства возникают, разумеется, задолго до завершения подготовительных стадий. Чем проще, оригинальнее, изящнее кажется внезапно возникший вариант компоновки, тем сильнее соблазн именно его и материализовать в металле, не тратя усилий и времени на поиски других возможностей. Эстетическое воздействие первого неожиданно легко найденного решения компоновки, будто бы разрешающего все трудности, оказывается чрезвычайно сильным. Неудивительно, что начинающий конструктор, не имевший заранее намеченного логического плана поиска такого решения, останавливается на нем без дальнейших раздумий и сомнений.

Варианты компоновки, возникающие до завершения подготовительных стадий процесса конструирования, не могут учитывать всей совокупности обстоятельств, раскрывающихся позднее. Как правило, такие варианты основываются на какой-либо отдельной яркой идее конструктивного или технологического характера. Опытный конструктор отдает себе отчет в том, что длительная работа по созданию компоновки сложного устройства по существу только-только начинается. Знает он и то, что в дальнейшем возникнет немало других не менее заманчивых вариантов, так же как и соображений, пре­пятствующих их осуществлению. Поэтому он благоразумно откладывает на будущее не только реализацию, но даже всестороннюю оценку первых компоновочных решений с тем, чтобы вернуться к ним вновь на достаточно высоком уровне подготовки.

Как было отмечено, стремление конструктора к улучшению компоновки сложного устройства посредством объединения отдельных частей, несущих разные функции, сдерживается рядом факторов. Объединение частей возможно лишь на основе объединения их функций, в общем случае разнородных, что является почти всегда нелегкой задачей.

Конструктивные варианты, основанные на объединении частей, часто носят проблемный характер, требуют, длительной теоретической или экспериментальной проверки и потому часто выходят за рамки возможностей конструктора. Помимо этого, стремление к органическому объединению, сращению частей нелегко согласуется с весьма существенными для сложных конструкций требованиями поэтапной сборки. Преимущества конструкции, предусматривающей окончательную сборку устройства после сборки отдельных частей, заключаются в возможности предварительного контроля качества собранных частей, возможности их комплексной регулировки и проверки по техническим условиям, применения стандартизированных узлов, кооперирования и т. п.

Принимая во внимание все эти причины, будем считать, что процесс объединения частей типичного сложного устройства, создаваемого впервые, как правило не доходит до степени их полного слияния. Это позволо нам в результате учета особенностей принципиальной схемы и изучения технических требований различить в будущем устройстве, независимо от возможных вари­антов его компоновки, несколько крупных частей, выполняющих различные функции.

Если такое расчленение произведено правильно, то имеет смысл начать собственно конструирование с раздельного рассмотрения каждой части будущей конструкции. Этот решающий шаг сразу открывает чрезвычайно важную возможность для разделения и группировки технических требований, составляющих единый перечень. Каждая составная часть должна удовлетворять определенной группе требований перечня, среди которых уже легче выделить несколько наиболее существенных для компоновки данной части. Строго говоря, требования, относящиеся непосредственно к данной части устройства, должны быть сгруппированы по степени их важности для компоновки. При этом, конструктору наряду с имеющимися техническими требованиями необходимо учесть и дополнительные, не входящие в первоначальный перечень, но отражающие связи рассматриваемой части с другими частями устройства.

Предположим, что конструктор сумел для каждой составной части отобрать несколько эскизов конструктивных вариантов (будем называть их подвариантами), которые он счел наиболее удачными. Если теперь, сочетая между собой различные подварианты различных частей, оценивать возникающие варианты компоновки всего устройства по некоторым заранее выбранным критериям, то можно отобрать наиболее оптимальные варианты, приблизившись тем самым к решению задачи.

Такова примерная схема перехода от технических требований к первоначальным эскизным решениям компоновки устройства в целом. Схема может считаться типичной для сложных устройств.

Первоначальный поиск конструктивных вариантов это.наиболее увлекательная стадия конструирования, имеющая ярко выраженный творческий характер начала процесса. Вся последующая работа по выбору окончательного варианта компоновки устройства связана с многократными масштабными прорисовками вариантов сочетаний частей, с поисками компромиссов, принятием вынужденных решений, словом, с обычными трудностями реализации технических идей.

Но в рассматриваемый момент конструктору надо найти эти идеи, набросать эскизы первых компоновочных решений для каждой из основных частей устройства. Найденные подварианты каждой из частей на самых первых порах поиска не сопоставляются друг с другом и не слишком тщательно проверяются на соответствие техническим требованиям. Компоновщик до из­вестного момента дает волю фантазии. Он позволяет себе облекать принципиальную схему в самые разные конструктивные одежды, не отдавая ни одной предпочтения. Пусть запас времени у конструктора и невелик, но он сознательно оттягивает стадию сравнения подвариантов и отбора наилучших, так как отдать сразу предпочтение какому-либо из подвариантов — это значит в какой-то степени уже лишить себя свободы дальнейшего поиска, а вместе с тем и возможностей отыскать иные, лучшие решения.

В процессе поиска первоначальных подвариантов создание самостоятельных комбинаций из общеизвестных и присущих только данной конструкции деталей сочетается с заимствованием готовых узлов, с нахожде­нием конструктивных принципов ассоциативным путем и т. п. Условно можно говорить о наличии у каждого конструктора не только некоторого запаса готовых вариантов, но и некоторой области их поиска, которая по мере накопления опыта работы непрерывно расширяется.

Область ближайшего поиска вариантов — это те или иные источники информации, хранящие и систематизирующие накопленный опыт конструирования сходных устройств. Здесь и чертежно-техническая докумен­тация, и проектные материалы, и результаты испытаний, и научно-технические отчеты. К той же области можно отнести специализированную техническую литературу, справочники по деталям машин, механизмам и т. п.

Область дальнего поиска вариантов безгранична н неопределенна. Оригинальные конструктивные решения могут быть найдены и вокруг нас, в мире привычных вещей, и в заводских цехах, и в мире живой природы. Ре­шающее преимущество в таком поиске имеет тот конструктор, которому интерес к механике, к внутренней жизни заводских цехов, к машинам и механизмам позволил до возникновения данной задачи уже накопить достаточно полный, разнообразный и мобильный запас инженерных знаний. Пополнение запаса конструктивных вариантов должно составлять непрестанную заботу начинающего конструктора. Интерес к такого рода заня­тию может в известной степени служить мерой склонности к конструированию.