Принципы конструирования

1. ЗАДАЧИ КОНСТРУИРОВАНИЯ
Задача конструктора состоит в создании машин, полно отвечающих потребностям промышленности или сельского хозяйства, дающих наибольший экономи­ческий эффект и обладающих наиболее высокими технико-экономическими и эксплуатационными показателями.
Главными показателями являются: высокая производительность, эко­номичность, прочность, надежность, малая масса и металлоемкость, габариты, энергоемкость, объем и стоимость ремонтных работ, расходы иа оплату труда операторов, высокий ресурс долговечности и степень автоматизации, простота и безопасность обслуживания, удобство управления, сборки и разборки.
Проектируя машину, конструктор должен добиваться всемерного уве­личения ее рентабельности и повышения экономического эффекта за весь период работы. Величина экономического эффекта зависит от обширного комплекса технологических, организационно-производственных и эксплуатационных факторов.

2. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ МАШИН
Экономический фактор играет первостепенную роль в конструировании. Частности конструкции не должны заслонять основной цели конструирования — увеличения экономического эффекта машин.
Экономический эффект определяется величиной полезной отдачи машины и суммой эксплуатационных расходов за весь период работы машины. Стоимость машины является только одним не всегда главным, а иногда и очень незначительным составляющим этой суммы.
Экономически направленное конструирование должно учитывать весь комплекс факторов, определяющих экономичность машины и правильно оценивать относительное значение этих факторов.
Главными факторами, определяющими экономичность машин, являются величина полезной отдачи машины, долговечность, надежность, расходы на оплату труда операторов потребление энергии и стоимость ремонтов.

Коэффициент использования машины представляет собой отношение времени фактической работы машины за определенный период к длительности этого периода.
H — период эксплуатации машины, h — фактическое время работы машины за этот период
Если машина работает до полного исчерпания своего механического ресурса, то h представляет собой долговечность машины D (общую возможную ее наработку за период эксплуатации). Тогда
Величина ηИСП для машин, работающих по календарному режиму, зависит главным образом от:
1) числа рабочих смен и
2) холостого времени (простои из-за неисправностей машины, недогрузка из-за нарушений производственного ритма).

Рентабельность машины q выражается отношением полезной отдачи машины От за определенный период к сумме расходов Р за тот же период
Сумма расходов в общем случае складывается из стоимости: Эи — расходуемой энергии, Мт — материалов и заготовок, Ин — инструмента, Тр — оплаты труда операторов, Об — технического обслуживания, Рм — ремонта, Нк — накладных цеховых и заводских расходов, Ам — амортизационных расходов
Величина q должна быть больше 1, иначе машина будет работать убыточно и смысл ее существования утрачивается.

Экономический эффект. Годовой экономический эффект от работы машины (годовой доход)
где От — годовая отдача, руб/год;
Р — сумма эксплуатационных расходов, руб /год.
Суммарный экономический эффект ΣQ за весь период службы машины (общий доход) равен разности суммарной отдачи ΣΟт и суммы расходов ΣΡ за период службы (в рублях)
Отдача машины и эксплуатационные расходы, за исключением ΣΑм и ΣΡм, пропорциональны продолжительности фактической работы h за период эксплуатации. Амортизационные расходы за период эксплуатации равны стоимости С машины. Ремонтные расходы не находятся в прямой зависимости от h их размер и периодичность определяются условиями эксплуатации и надежностью машины.

Выделяя факторы ΣΡμ и ΣАм = С, получаем
Если машина работает до исчерпания механического ресурса (h = D)
то
Повышение отдачи может выражаться или в увеличении числа единиц продукции или в увеличении стоимости каждой единицы (повышение качества продукции, увеличение объема операции, выполняемых над заготовкой). В первом случае расход материалов и инструмента пропорционален отдаче: Мт + Ии = а*От, где а — доля стоимости материала и инструмента в стоимости продукции.
Накладные расходы принято выражать в долях трудовых затрат: Нк = b*Тр, где b — фактор пропорциональности.

Срок окупаемости Нок определяется как период службы, при котором суммарный экономический эффект равен стоимости машины, т. е.
где Р — годовые эксплуатационные расходы
Расход на амортизацию за срок окупаемости
где Н — период службы машины.
После подстановки значения Ам в уравнение получаем

3. МЕТОДИКА КОНСТРУИРОВАНИЯ
Исходными материалами для проектирования могут быть следующие:
техническое задание, выдаваемое планирующей организацией или заказчиком, и определяющие параметры машин, область и условия ее применения;
техническое предложение, выдвигаемое в инициативном порядке проектной организацией или группой конструкторов;
научно-исследовательская работа или созданный на ее основе экспериментальный образец;
изобретательское предложение или созданный на его основе экспериментальный образец;
образец зарубежной машины, подлежащий копированию или воспроизведению с переделками.
К техническим заданиям необходимо подходить критически. Конструктор должен хорошо знать отрасль промышленности, для которой проектируют машину. Он обязан проверить задание и в нужных случаях обоснованно доказать необходимость его корректирования.

Машины с неправильно выбранными, заниженными параметрами, основанные на шаблонных решениях, не обеспечивающие технического прогресса, несовместимые с новыми представлениями о роли качества,- надежности и долговечности, устаревают уже к началу серийного выпуска.
Конструктивная преемственность — это использование при проектировании предшествующего опыта машиностроения данного профиля и смежных отраслей, введение в проектируемый агрегат всего полезного, что есть в существующих конструкциях машин
Полезно составлять графики, отображающие изменение по годам главных параметров машин (мощность, производительность, массу и т. д.).
Анализ таких графиков и их экстраполяция позволяют составить довольно четкое представление о том, каковы будут параметры машин и их конструкция через несколько лет.
Выбору параметров будущей машины должно предшествовать полное исследование всех факторов, определяющих жизнеспособность машины. Необходимо изучить опыт выполненных зарубежных и отечественных машин, провести сравнительный анализ их достоинств и недостатков, выбрать правильный прототип, выяснить тенденции развития и потребности данной отрасли машиностроения.

ИЗУЧЕНИЕ СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ МАШИН
Проектированию машин, предназначенных для определенной отрасли промышленности, должно предшествовать тщательное изучение этой отрасли, динамики ее количественного некачественного развития, потребностей в данной категории машин и вероятности появления новых технологических процессов и методов производства.
При выборе параметров машины необходимо учитывать конкретные условия ее применения. Нельзя, например, произвольно увеличивать про­изводительность машины, не учитывая производительности смежного обо­рудования. В некоторых случаях машины с повышенной производитель­ностью могут оказаться в эксплуатации недогруженными и будут больше простаивать, чем работать.

ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ
При выборе параметров машины, основной схемы и типа конструкции в центре внимания должны быть факторы, определяющие экономическую эффективность машины,—высокая полезная отдача, малые энергопотребление и расходы на обслуживание, низкая стоимость эксплуатации и длительный срок применения. Схему машины обычно выбирают путем параллельного анализа нескольких вариантов, которые подвергают тщательной сравнительной оценке со стороны конструктивной целесо­образности, совершенства кинематической и силовой схем, стоимости изготовления, энергоемкости, расходов на рабочую силу, надежности действия, габаритов, металлоемкости и массы, технологичности, степени агрегатности, удобства обслуживания, сборки-разборки; осмотра, наладки регулирования.
Следует выяснить, в какой мере схема обеспечивает возможность последующего развития, форсирования и совершенствования машины, образования на базе исходной модели производных машин и модификаций.

Не всегда удается найти решение, полностью отвечающее поставленным требованиям. Дело не в недостатке изобретательности, а в противоречивости выдвигаемых требований. В таких случаях приходится идти на компромиссное решение и поступаться некоторыми из них, не имеющими первостепенного значения в данных, условиях применения машины.
Нередко приходится выбирать вариант, не столько имеющий наибольшие достоинства, сколько обладающий наименьшими недостатками.
После выбора схемы и основных показателей агрегата разрабатывают компоновку, на основе которой составляют эскизный, технический и рабочий проекты.

МЕТОД ИНВЕРСИИ
Среди приемов, облегчающих сложную работу конструирования, видное место занимает метод инверсии (обращение функций, форм и рас­положения деталей).
В узлах иногда бывает выгодным поменять детали ролями, например ведущую деталь сделать ведомой, направляющую — направляемой, охватывающую — охватываемой; неподвижную — подвижной. Целесообраз­но иногда инвертировать формы деталей, например наружный конус заменить внутренним, выпуклую сферическую поверхность вогнутой. В других случаях оказывается выгодным переместить конструктивные элементы с одной детали на другую, например шпонку с вала на ступицу.
Каждый раз конструкция при этом приобретает новые свойства. Дело конструктора — взвесить преимущества и недостатки исходного и инвертированного вариантов с учетом прочности, технологичности, удобства эксплуатации и выбрать наилучший из них.

Рассмотрим примеры инвертирования нескольких машиностроительных узлов
В схеме I рычаг 1 приводит в действие тягу 2 через ось 3, установленную в вилке тяги. В схеме II ось установлена в вилке рычага. Результат инверсии — устранение поперечных усилий на тягу. В конструкции по схеме II затруднительна обработка проушины тяги
В схеме I боек коромысла 4 плоский, тарелка толкателя 5 — сферическая, в схеме II-наоборот. Инверсия устраняет поперечные нагрузки на толкатель. Боек можно выполнить цилиндрическим, что обеспечивает линейный контакт
В схеме I тяга выполнена со сферическим наконечником 6, в схеме II сферическим выполнен боек 7 коромысла, Инверсия улучшает смазку сочленения (масло, находящееся в полости привода, скапливается в чаше тяги)

Схема II повышает прочность резьбового соединения (податливость бобышки у начальных витков способствует более равномерному распределению нагрузки по виткам)

КОМПОНОВАНИЕ
Компонование обычно состоит из двух этапов: эскизного и рабочего. В эскизной компоновке разрабатывают основную схему и общую конструкцию агрегата (иногда несколько вариантов). На основании анализа эскизной компоновки составляют рабочую компоновку, уточняющую конструкцию агрегата и служащую исходным материалом для дальнейшею проектирования.
При компоновании важно уметь выделить главное из второстепен­ного и установить правильную последовательность разработки конструкции. Попытка скомпоновать одновременно все элементы конструкции является ошибкой.
Компоновку следует начинать с решения главных вопросов — выбора рациональных кинематической и силовой схем, правильных размеров и формы деталей, определения наиболее целесообразного взаимного их расположения. При компоновании надо идти от общего к частному, а не наоборот.
Основное правило компонования — разработка вариантов, углубленный их анализ и выбор наиболее рационального.

В процессе компонования необходимо производить расчеты, хотя бы ориентировочные и приближенные. Основные· детали конструкции должны быть рассчитаны на прочность и жесткость.
Неправильно всецело полагаться и на расчет. Во-первых, существующие методы расчета на прочность не учитывают ряда факторов, определяющих работоспособность конструкции. Во-вторых, необходимые размеры деталей зависят не только от прочности, но и от других факторов. Конструкция литых деталей определяется в первую очередь требованиями литейной технологии. Для механически обрабатываемых деталей следует учитывать сопротивляемость усилиям резания и придавать им необходимую жесткость итд
Необходимое условие правильного конструирования - постоянно иметь в виду вопросы изготовления и с самого начала придавать деталям технологически целесообразные формы.
Компоновку необходимо вести на основе нормальных размеров (диаметры посадочных поверхностей, размеры шпоночных и шлицевых соединений, диаметры резьб и т.д.).