Основы конструирования. 
Детали машин и основы конструирования

Основные принципы и правила конструирования

Во избежание ошибок при создании конкретных конструкций необходимо познакомиться с азбукой конструирования. Такой подход позволит в дальнейшем создавать не только типовые, но и самые разнообразные совершенные изделия.

Вначале рассмотрим общие концепции при конструировании, в основе которых лежат эксплуатационные, производственно-технологические, экономические и эргономические требования. Затем перейдем к знакомству с принципами и правилами конструирования и примерами их конструктивных решений.

Конструкция изделия должна максимально удовлетворять потребности пользователя — при низкой цене иметь высокое качество. Технические характеристики должны находиться на уровне мировых достижений и иметь резерв развития.

При конструировании механизмов узлов и деталей должны выполняться следующие мероприятия:

• ? выбор рациональной схемы конструкции и ее элементов, например использование вместо развернутой схемы соосной или замена передачи скольжения винт—гайка на роликовинтовую передачу (РВП). Создание машин нового поколения на базе мехатроники, когда механические системы сочетаются с электронными;
• ? обеспечение показателей, записанных в техническом задании (ТЗ), определяющих назначение, технические и экономические характеристики объекта такие, как производительность, мощность, скорость движения, стоимость и другие параметры, которые должны превышать соответствующие параметры существующих изделий;
• ? повышение надежности и ресурса. Изделие в течение заданного времени должно выполнять свои функции, сохраняя эксплутационные показатели. У детали надежность определяется прочностью, жесткостью и стойкостью к воздействиям вибрации, износа, температуры, давления, влажности и др. В зависимости от назначения и условий эксплуатации требования могут быть различными, например при воздействии вибрации на резьбовые детали они должны стопориться;
• ? уменьшение материалоемкости. Это условие выполняется при создании компактных конструкций и изготовлении деталей из материала с высокой удельной прочностью, включая металлы, биметаллы, неметаллы и композиты, выборе размеров и формы детали, обеспечивающей выравнивание напряжений. Возможно также упрочнение материала различными методами (термическими, химико-термическими, физическим воздействием высоких энергий и др.)* использование заготовок, максимально приближенных к окончательной форме детали, получаемых при больших сериях литьем, штамповкой, сваркой и другими высокопроизводительными способами;
• ? малое энергопотребление и высокая износостойкость при эксплуатации, что реализуется при минимальных потерях на трение и высоком КПД, например уменьшением потерь путем использования в передачах подшипников качения вместо подшипников скольжения;
• ? обоснованное назначение точности и шероховатости деталей и обеспечение их взаимозаменяемости, использование стандартизации и унификации деталей и их элементов;
• ? исключение попадания грязи, пыли и влаги на подвижные детали изделий, что достигается созданием герметичных корпусов, кожухов, уплотнений и других элементов конструкций, а также нанесением антикоррозионных покрытий на ряд поверхностей, особенно наружных. В результате такими мероприятиями устраняется коррозия, а в узлах трения уменьшается износ;
• ? включение элементов (лючков, регулировочных устройств) для обеспечения технического обслуживания, ремонта и контроля;
• ? создание безопасности и комфорта оператору или исключение его присутствия (автоматизация процесса), устранение вредного воздействия на человека и окружающую среду;
• ? учет производственно-технологических требований (см. разд. 3.2).

Рассмотрев общие концепции, перейдем к более подробному изучению основ конструирования.

Стандартизация и унификация Использование стандартизации и унификации деталей и узлов улучшает качество изделий, делает конструкцию более технологичной, а ее производство — экономичным.

Стандартизация — это регламентирование типоразмеров и конструкций применяемых машиностроительных деталей, узлов, агрегатов. Стандартизация ускоряет проектирование, облегчает изготовление, эксплуатацию и ремонт машин и механизмов и при целесообразной конструкции деталей способствует увеличению надежности машин. Например, имеются стандарты на резьбу, модули зубчатых колес, что позволяет для их изготовления применять стандартный инструмент. Использование стандартных деталей и изделий позволяет наладить их массовое производство, что обеспечивает высокое качество.

В зависимости от сферы действия предусматриваются следующие категории стандартов: государственные (ГОСТ), отраслевые (ОСТ) и стандарты предприятий (объединений) (СТП).

ГОСТы устанавливают требования преимущественно к продукции массового и крупносерийного производства широкого и межотраслевого применения, например ряды нормальных линейных размеров, модули зубчатых передач, допуски и посадки, размеры и допуски резьбы и др.

ОСТы устанавливают требования к специфической для отрасли продукции, технической оснастке, инструменту. ОСТы разрабатывают также для ограничения числа, например, типоразмеров крепежных деталей, полей допусков и посадок. В авиации используется 0СТ1.

СТП распространяются на нормы, правила, методы, составные части изделий. Они применяются только на данном предприятии (объединении).

Унификация — это приведение объектов одинакового функционального назначения к единообразию по установленному признаку и рациональное сокращение числа этих объектов на основе данных об их эффективной применяемости. Унификация состоит в многократном применении в конструкции одних и тех же элементов и деталей. Это наиболее распространенная и эффективная форма улучшения технологичности изделий.

Стандартизация изделий, их составных частей и деталей дает наибольший эффект при сочетании с унификацией. В результате этих мероприятий сокращается номенклатура стандартного рабочего и мерительного инструмента, что особенно важно при использовании сложного инструмента (фрез, метчиков, плашек и др.), стоимость которых значительно увеличивается при индивидуальном производстве нестандартных образцов.

На рис. 3.1 приведен пример конструкции до (а) и после (б) унификации (т — модуль). Она включает переход к единой шпонке и единому модулю для всех зубчатых колес, что сокращает количество необходимого для изготовления инструмента.

Прочность и жесткость Прочная и жесткая деталь при эксплуатации не должна разрушаться и подвергаться недопустимым упругим и пластическим деформациям. Примерами опасных деформаций являются большие прогибы и перекосы валов с зубчаты;

Рис. 3.1.

ми колесами при действии сил, образование ямок на дорожках подшипников качения от действия нагрузок.

Условия прочности для сечения, в котором под действием сил возникают лишь нормальные напряжения, следующие:

• ? в расчетах общего машиностроения по допускаемым напряжениям a_max < [c]_RN = Ojim п/п или по запасам прокпости п = о_ИтД/0_тах > [п], где [o]_RN, о_ИтД — допускаемые и предельные, нормальные напряжения; п, [п] — фактический и допускаемый коэффициенты запаса прочности;
• ? при расчетах ЛА по разрушающим напряжениям F_p = F₃f, а_р = F_p/A, r| = а_в/а_р > 1, где F_p, F₃ — расчетные и эксплуатационные нагрузки, f — коэффициент безопасности (/ > > 1,3), г| — коэффициент запаса прочности по разрушающим напряжениям, А — площадь поперечного сечения. Для касательных напряжений формулы аналогичны, но в них нужно заменить, а на т.

Самый простой способ повышения прочности и жесткости детали заключается в увеличении размеров опасных сечений или замене материала на более качественный. Обычно такое решение приводит к увеличению массы, габаритов и стоимости. Однако цель конструктора и состоит в отыскании способов обеспечения прочности при минимальном увеличении массы. Эти способы и являются предметом изучения.

Прочность узлов и деталей. Конструирование прочных узлов и деталей минимальной массы сводится к выбору рациональной схемы конструкции, формы, размеров и материала деталей. Возможно использование и упрочнения материала. Минимальная масса конструкции обеспечивается следующими способами:

? создание изделия с рациональной конструктивно-силовой схемой. Например, грунтозаборное устройство I корабля, совершающего посадку на Венеру, в исходном варианте имело трубчатый корпус шнека, который крепился кронштейнами к двум различным элементам конструкции: кронштейны 2, 3 к ферме Ф, а кронштейн i —- к приборному отсеку П (рис. 3.2, а). При испытаниях было установлено, что в момент посадки при перегрузке около 400# шнек заклинивало. Внесенные изменения позволили получить более рациональную конструктивно-силовую схему (рис. 3.2, б) — корпус шнека стал крепиться на едином кронштейне К, что уменьшило деформацию и обеспечило надежную работу.

Для получения конструкций минимальной массы необходимо предусмотреть передачу силы по кратчайшему пути (рис. 3.3). Это осуществляется тогда, когда конструкция подвергается растяжению, сжатию, сдвигу, но не изгибу. На рис. 3.3, а изображена неудачная конструкция качалки, плечи которой работают на изгиб. В измененной конструкции (рис. 3.3, б) этот недостаток устранен, так как дополнительная полка передает нагрузки по кратчайшему пути и работает на растяжение, а напряжения от изгиба значительно меньше. На рис. 3.3, в также показана неудачная конструкция, а на рис. 3.3, г — рациональная. В конструкциях предпочтительнее использовать двухопорные балки, а не консольные, так.

Рис. 3.3.

как максимальный изгибающий момент у них в 4 раза больше.

• (рис. 3.3, д и е);
• ? конструирование балки минимальной массы. Форма детали должна быть согласована с напряженно-деформированным состоянием (НДС), т. е. где нагрузка — там и материал, отсутствует нагрузка — нет материала. Форма такой детали определяется двумя условиями:
• ?? выбором рациональной формы сечения. Для балки, нагруженной изгибающим моментом, рациональным сечением является двутавр или полый прямоугольник. Это связано с тем, что нормальные напряжения в сечении распределяются неравномерно (рис. 3.4, а). Они имеют макси-

мальное значение в крайних точках сечения и снижаются до нуля у нейтральной оси. Для выравнивания напряжений необходимо удалить материал из наименее нагруженных мест и сосредоточить его в более нагруженных участках сечения, т. е. используется принцип — форма и размеры детали должны соответствовать нагрузке. При переходе от прямоугольного сечения к двутавровому (рис. 3.4, б) или к полому прямоугольнику (рис. 3.4, в) для обеспечения равного момента сопротивления при одинаковой ширине Ь нужно несколько увеличить высоту у нового сечения, погонная масса которого уменьшается. Так, при г| = h/H_x = 0,5, HJH = 1,07, К = 0,53 (К = GJG — коэффициент совершенства по массе, G, G_x — погонные массы балки прямоугольного сечения и двутавра или полого прямоугольника). У облегченных балок необходимо предусмотреть стенки для восприятия перерезывающих сил. Аналогично у вала, нагруженного изгибающим и крутящим моментами, рациональным является кольцевое, а не сплошное круглое сечение. При увеличении внутреннего диаметра кольцевого сечения возможен переход к равномерному распределению напряжения. Проиллюстрируем это на примере вала, нагруженного изгибающим М_и и крутящим Т моментами. У сплошного вала нормальные а_и и касательные т напряжения распределяются неравномерно (рис. 3.5), напряжения меняются пропорционально радиусу г:

где г — расстояние от нейтральной оси.

При наличии у вала отверстия напряжения распределяются более равномерно (рис. 3.6), при d₀ -> D, о = const,.

т — const (переход к тонкостенным конструкциям).

При растяжении—сжатии балок сечение может быть произвольным, если силы приложены в центре жесткости;

?? созданием равнопрочной по длине балки (п = const). Рассмотрим вал круглого сечения, нагруженный посереди;

Рис. 3.7.

не силой F (рис. 3.7, а). Переходя от вала постоянного сечения к равнопрочному, полученному путем изменения наружного диаметра (рис. 3.7, б), получаем уменьшение массы примерно на 30%. При использовании равнопрочного вала, в котором выбрано рациональное (кольцевое) сечение, изменяется также размер отверстия (рис. 3.7, б), масса уменьшается примерно на 70%, К — характеристика относительной массы вала (отношение массы равнопрочного вала к массе вала с постоянным, сплошным сечением). В равнопрочной конструкции вероятность разрушения всех элементов одинакова. На рис. 3.7, в показаны реализации таких валов;

• ? уменьшение нагрузки. Снижение нагрузок на детали реализуется увеличением числа элементов, передающих силы и моменты, например заменой однопоточной схемы у планетарного редуктора на многопоточную с несколькими сателлитами, что приводит к снижению нагрузок на зубья, массы и габаритов (см. гл. 8);
• ? применение композиционных материалов. Детали из композиционного материала (КМ) можно придать свойства, согласованные с действующими нагрузками (где больше нагрузка, там в материале матрицы больше высокопрочных волокон, направленных вдоль действующих сил);

а уменьшение концентрации напряжений. Это важно для увеличения прочности и долговечности при циклическом нагружении. Снижение концентрации напряжений можно выполнить двумя способами: конструктивным и технологическим. В первом случае рекомендуется не делать резких переходов формы (галтели с малым радиусом, пазы под шпонки и т. п.) и скачков нагрузки от сосредоточенных сил, прессовых посадок и др. При технологическом способе прочность детали увеличивается за счет создания в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия и/или повышения прочности поверхностного слоя. Это осуществляется дробеструйной обработкой, обкаткой роликами, химико-термическими способами (цементация, азотирование), методами физического воздействия высокой энергией (лазерная, ионно-плазменная обработка) и др.;

• ? упрочнение материала детали в наиболее напряженных местах. Упрочнение выполняется теми же технологическими способами, как и при уменьшении концентрации напряжений (предыдущий вариант). Например, рабочую поверхность зуба колеса делают более твердой по сравнению с сердцевиной. В результате зуб выдерживает большие контактные напряжения, а пластичная сердцевина не дает ему разрушаться при изгибе. Такое мероприятие позволяет снизить массу в 2 раза и более;
• ? удаление материала в малонагруженных участках.

На рис. 3.8 показано, как нужно изменить форму детали для уменьшения ее массы (конструкции рис. 3.8, а заменить на более рациональные конструкции рис. 3.8, б). В улучшенных конструкциях у зубчатого колеса в малонагруженном.

Рис. 3.8.

диске, соединяющем ступицу с ободом, сделаны дополнительные проточки, а в консольно расположенной на валу шестерне расточено отверстие в центре, где напряжения малы.

Жесткость деталей и узлов. Жесткость определяет способность детали сопротивляться деформации при нагружении. Наряду с деталями, где деформация ограничена, а жесткость должна быть достаточно высокой (валы, балки), имеются элементы с регламентированной и/или малой жесткостью (пружины, сильфоны, гибкие колеса волновых передач). Для обеспечения необходимой жесткости балок целесообразно использовать рациональные сечения, выбранные из условия прочности. Такие сечения также будут иметь минимальную массу, а равнопрочная конструкция — минимальную жесткость.

Нельзя допускать потерю общей и местной устойчивости. Общая устойчивость балки, нагруженной сжимающими силами, связана с жесткостью. Действующая сила должна быть меньше критической силы, которая определяется по формуле Эйлера:

При конструировании длинных стержней, которые могут потерять общую устойчивость, следует иметь в виду, что их рациональным сечением, обеспечивающим минимальную массу, будет кольцевое, которое имеет максимальное значение отношения момента инерции сечения к погонной массе, поэтому в конструкциях используются детали, состоящие из труб.

Повышение жесткости возможно путем:

• ? использования материала с более высоким модулем упругости (например, вместо алюминиевых сплавов Е =* = 0,72 • 10⁵ МПа бериллиевых Е = 1,35 • 10⁵, который имеет более высокую удельную жесткость J57/p) или композиционных материалов;
• ? замены деформации изгиба на растяжение—сжатие;
• ? использования ребер или перегородок;
• ? увеличения площади контакта;
• ? увеличения жесткости наиболее податливого сжатию элемента (например, упругой прокладки) и др.

Точность взаимного положения деталей Точность деталей и их взаимного положения определяется назначенными допусками и посадками. Рассмотрим лишь общие подходы к точности положения деталей. В конструкции должны быть предусмотрены элементы, обеспечивающие заданную точность относительного расположения ее частей — центрирующие, фиксирующие, компенсирующие и другие части. Они должны иметь простую конструкцию и свободный подход для режущего и мерительного инструментов.

Базирование деталей. Базирование — придание детали требуемого положения относительно выбранной системы координат. Поверхность, ось, точка, принадлежащие детали и.

Рис. 3.9.

используемые для базирования, называются базами. Погрешностью базирования называют отклонение фактически полученного положения детали от требуемого. Чаще всего базирование производят по плоским и цилиндрическим поверхностям деталей и их комбинациям. Вследствие погрешностей формы сопрягаемых поверхностей и некоторых других факторов при соединении возможны перекосы на валах, особенно при установке узких деталей. В случае малого отношения длины сопряжения к диаметру l/d < 0,8 для повышения точности базирования деталь прижимают к торцу буртика вала_у т. е. базируют по торцу. Детали с отношением l/d > 0,8 базируют по цилиндрической поверхности (рис. 3.9).

На рис. 3.9, а радиальный зазор между валом 1 и отверстием в детали 2 (ступицы колеса, втулки и т. д.), определяющий погрешность центрирования, должен быть мал. Между торцами детали 2 и буртиком вала образуется клиновый зазор k (il/d > 0,8, основная база — цилиндр), а на рис. 3.9, б радиальный зазор 8 достаточно велик, деталь 2 своим торцом полностью прилегает к буртику вала (l/d < 0,8, основная база — торец).

Центрирование деталей. Работоспособность проектируемого изделия во многом определяется необходимой соосностью деталей и узлов, входящих в изделие, т. е. требуемой точностью центрирования. Соосность характеризуется величиной смещения номинально совпадающих осей цилиндрических поверхностей. Выбор расположения этих поверхностей определяет допуск соосности. При обеспечении требуемой соосности надо принимать во внимание то, что резьбовые соединения не обеспечивают правильного центрирования из-за биения среднего диаметра и зазоров в резьбе. В качестве центрирующих поверхностей в таких случаях, как правило, используются цилиндрические или соосные с резьбой гладкие.

Рис. 3.10.

цилиндрические пояски. На рис. 3.10, а базой является резьба, что не обеспечивает необходимой точности положения оси пальца и подшипника. В правильных конструктивных решениях (рис. 3.10, б) палец запрессован в водило и базой является цилиндрическая поверхность, а у подшипника сделан цилиндрический поясок.

Необходимо также избегать фиксации детали по нескольким поверхностям, так как это усложняет изготовление и сборку. Например, фиксировать призматическую шпонку следует только по рабочим граням, предусмотрев по торцам К, а также между верхней плоскостью шпонки и пазом под шпонку в ступице зазоры Т и 3 (рис. 3.11, а). Неправильные конструкции изображены на рис. 3.11, б_у где отсутствует за;

Рис. 3.12 Рис. 3.13.

зор Т у торцевой поверхности К и фиксация шпонки выполняется по всем граням. Аналогично у втулки (рис. 3.12) и пальца (рис. 3.13) в одной из двух цилиндрических поверхностей также нужно делать зазор. Центрирование по двум поверхностям обычно усложняет изготовление и сборку, увеличивает стоимость и не улучшает конструкцию. На рис. 3.12, а центрирование втулки, а на рис. 3.13, а пальца выполняется по двум цилиндрическим поверхностям 1 и 2, что неоправданно. Правильные конструкции приведены на рис. 3.12, б, в и 3.13, б у в у где предусмотрены зазоры s, а на рис. 3.12, в верхняя часть (буртик) выступает наружу. Отметим, что на рис. 3.12, а неправильно произведена фиксация втулки вдоль оси — опора по двум поверхностям 3 и 4. На рис. 3.12, б это устранено введением зазора а, а на рис. 3.12, в — увеличением отверстия, расположенного ниже втулки.

Фиксация детали на плоскости. Фиксация детали на плоскости, например крышки на основании корпуса (рис. 3.14), может осуществляться с помощью двух, а иногда и более штифтов. Более двух штифтов устанавливают, когда они не только фиксируют деталь, но и передают большие силы, действующие в плоскости стыка. Силы, перпендикулярные к плоскости стыка, воспринимаются винтами (шпильками). Не рекомендуется плоскость стыка делать ступенчатой, так как это усложняет его изготовление и герметизацию.

Наиболее технологична конструкция, в которой используется метод полной взаимозаменяемости. Однако наряду с ним иногда приходится использовать методы компенсации (введением компенсатора) или пригонки (один из размеров подгоняется при сборке). Метод пригонки используется лишь в индивидуальном производстве.

Устранение пригонки (подгонки). Использование пригонки затрудняет изготовление конструкций, и ее нужно по возможности исключать, что особенно важно в крупносерийном и массовом производствах. Точность замыкающего звена вместо пригонки (метод пригонки) может обеспечиваться за счет введения компенсатора (метод регулировки).

На рис. 3.15 показаны активный (ЗА) и пассивный (ЗП) замки, установленные на стыковочных шпангоутах космического аппарата. Крюк активного замка закреплен и перемещается под действием пальца, соединенного с крюком в точке О_э. Палец эксцентрично закреплен на барабане Б, вращающемся вокруг оси О_б. На барабане закреплен трос Г, который приводит его во вращение. Трос соединяет группу замков, которые приводятся в движение от одного редуктора. Пассивный замок состоит из крюка, имеющего гайку Г для регулировки зазора между замками, которая через тарельчатые пружины /7, являющиеся компенсаторами, передает нагрузки на стыковочный шпангоут. При соединении крюков активного и пассивного замков возможна ситуация, когда на одних замках люфт отсутствует, а на других наблюдается зазор. Тогда движение крюков будет продолжаться и за счет перемещения компенсатора зазор устраняется во всех соединениях, что обеспечивает жесткое и надежное соединение стыковочных шпангоутов КА.

Рис. 3.16 Рис. 3.17 Рис. 3.18.

В гидросистемах в качестве компенсаторов используются сильфоны (рис. 3.16), которые хорошо деформируются, так как имеют меньшую, чем у трубопровода, жесткость.

Компенсаторы в виде регулировочных колец используются в схеме установки подшипников враспор, что позволяет создать необходимый зазор для обеспечения удлинения вала при изменении температуры (см. гл. 14).

Разновидностью использования компенсаторов можно считать применение метода самоустанавливаемост и. Для этого в конструкцию вводят подвижные детали, компенсирующие неточности. Например, у подшипника добавляется шаровая опора, устраняющая перекос опоры вала (рис. 3.17). Узлы, приведенные на рис. 3.18, а и 3.19, а, не обеспечивают необходимое крепление заготовки.

Введение

самоустанавливающихся звеньев позволяет надежно закрепить детали (рис. 3.18, 6, 3.19,6). Такие рычажные системы используются в стеклоочистителях автомобилей. В конструкции на рис. 3.19,6 под накидной гайкой Н подложена сфериче;

ская шайба Ш> разгружающая откидной болт Б от изгибающего момента.

Для компенсации углового перемещения относительно двух перпендикулярных осей используется шаровая опора, показанная на рис. 3.20, где 1 — стержень, 2 — накидная гайка, 3 — опора, 4 — шпилька, 5 — гайка,.

6 — стопорная шайба, 7 — отсек. ^^ис< **20.

Другие методы и принципы конструирования Помимо рассмотренных выше методов конструирования деталей и узлов механизмов используются и другие подходы, облегчающие создание и эксплуатацию изделий. Рассмотрим некоторые из них.

Блочный принцип. Использование блочного конструирования позволяет существенно повысить технологичность при сборке и особенно при ремонте изделия. На рис. 3.21, а приведен золотник, после износа последнего при ремонте необходима пригонка цилиндрической поверхности золотника и сопряженного цилиндрического отверстия, выполненного в корпусе. На рис. 3.21, б изображена более совершенная конструкция, где золотник заключен в стакан, наружная поверхность которого не изнашивается, и при ремонте не дорабатывается корпус, а заменяется весь блок, что существенно упрощает ремонт.

Компактность конструкции. Меньшие габариты получаются при переходе к более совершенным передачам, например при замене многоступенчатой цилиндрической зубчатой передачи на волновую. Использование более совершенных схем расположения колес (рис. 3.22) также уменьшает разме;

ры. Соосная схема редуктора (рис. 3.22, б) лучше, так как она имеет меньший объем и массу, чем развернутая (рис. 3.22, а).

Рис. 3.22.

При конструировании для получения более совершенных изделий можно использовать эвристические приемы. Приведем некоторые из них:

• ? метод совмещения. На рис. 3.23, а показаны два коромысла, каждое из которых имеет свою опору, а на рис. 3.23, б—г приведены варианты, в которых две опоры объединены в одну. При этом конструкция становится проще, а масса меньше;
• ? метод «матрешки», когда один элемент конструкции помещается внутри другого — например мотор устанавливается внутри колеса и узел становится более компактным;
• ? метод наоборот, при котором, например, в передаче винт—гайка вращение винта заменяется на вращение гайки.