Основные требования к валу редуктора 1 глава

Дисциплина "Основы конструирования машин" является курсом, завершающим общетехническую и общеинженерную подготовку студентов-механиков. Она включает в себя основы теории, расчетов и конструирование деталей и узлов машин, а также знакомство с методологией современных принципов проектирования и конструирования машин в целом.

При подготовке механиков-конструкторов дисциплина формирует будущего инженера как специалиста, вносящего основной творческий вклад в создание материальных ценностей. Для технологов конструкторская подготовка также необходима в связи с потребностью проектирования технологической оснастки, средств механизации и автоматизации и участия в создании специального оборудования.

Современный машиностроительный комплекс играет ведущую роль в обеспечении народного хозяйства прогрессивной высокопроизводительной техникой и технологиями. Именно в нем материализуются основополагающие научно-технические идеи, создаются новые орудия труда, системы машин, которые во многом определяют долговременный прогресс в других отраслях народного хозяйства. Уровень и качество выпускаемых машин практически предопределяет уровень развития производительности труда в других отраслях. Если лишить современное общество машин, то оно будет отброшено в своем развитии далеко назад.

Исторически сложилось так, что дисциплине "Основы конструирования машин" предшествовали курсы "Детали машин", "Детали машин и основы конструирования", "Основы конструирования деталей и узлов машин". Эти курсы имеют хорошо разработанную и в достаточном количестве изданную учебную и учебно-методическую литературу.

Однако в этих курсах полностью отсутствует раздел по методологии проектирования и конструирования, что существенно затрудняет возможность формирования у студентов современного представления о проектировании как сложном многофакторном процессе, лишает их возможности познакомиться с новыми методами проектирования.

Недостаточно полно изложены экономические вопросы конструирования изделий с привлечением аппарата оптимизации. Практически не освещены вопросы, формирующие творческое отношение будущего конструктора к своей работе, хотя в этом направлении ¾ изобретательская работа и интеллектуальная собственность ¾ имеются существенные изменения. Необходимо не только знать о них, но и с их помощью развивать способности к творческому решению задач конструирования.

Студенты, как правило, затрудняются на первом, начальном этапе конструирования с решением вопросов по обоснованному назначению материала деталей, способов обработки их типовых поверхностей и рациональному назначению шероховатостей поверхностей. Это обусловлено с одной стороны тем, что сведения о машиностроительных материалах не систематизированы в одной главе, а разбросаны по отдельным группам деталей машин, а с другой стороны ¾ студенты еще не приобрели практические навыки по технологии изготовления деталей, излагаемой за рамками курса "Основы конструирования машин".

Настоящее учебное пособие имеет целью устранить эти пробелы, сосредоточив внимание читателей на существенных вопросах дисциплины "Основы конструирования машин", сведения о которых носят разрозненный, не систематизированный характер.

1. ВОПРОСЫМЕТОДОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Внедрение научных достижений зависит прежде всего от развития машиностроения. Все то передовое, что создает научная и инженерная мысль, машиностроение должно быстро и эффективно осваивать и воплощать в высокоэффективные и надежные машины, приборы и технологические линии.

При современном уровне и возможностях технологий можно быстро освоить производство практически любых изделий и темпы технического прогресса определяются темпами производства новых эффективных технических решений. Поэтому повышение качества и производительности процесса проектирования сегодня является решающим условием роста эффективности всего машиностроительного производства.

Современному конструктору приходится работать в очень сложных условиях, сталкиваясь с целым рядом серьезных проблем. Существующие традиционные методы проектирования хорошо зарекомендовали себя на уровне разработки отдельных процессов, агрегатов и типовых машин, когда есть основа для сравнения и масса альтернатив обозримо. При создании же технических систем необходимы новые методы проектирования, позволяющие проанализировать и оценить большое число возможных вариантов с учетом не только технических, но и социально-экономических факторов.

Резкое увеличение количества различных систем, быстрый рост объема научно-технической информации, используемой в конструкторских разработках, сокращение сроков создания новых изделий и уменьшение времени их морального старения ¾ все эти факторы приводят к тому, что объем необходимых проектных работ возрастает примерно в 10 раз через каждые 10 лет [1].Такими темпами, разумеется, число конструкторов расти не может. Возникает и все более усугубляется дефицит между необходимым и фактическим объемом проектных работ. В результате большинство проектов новых технических средств все менее прорабатываются, что снижает их качество.

Проектирование ¾ это, пожалуй, единственная область деятельности человека, где с момента ее зарождения и до наших дней достигнуты самые скромные результаты в повышении производительности труда. Если в производстве она возросла в среднем на 100 %, то в конструировании ¾ менее, чем на 20 %. Даже такой мощный и эффективный инструмент, каким в руках высококвалифицированного проектировщика являются системы автоматизированного проектирования (САПР), не исправляет положения коренным образом в силу того, что, к сожалению, еще не создана общая теория проектирования [1].

В настоящем разделе мы постараемся возможно подробнее познакомить читателя с различными аспектами проектирования и конструирования в их современном понимании и трактовке различными авторами.

1.1. Задачи современного проектирования

Современное проектирование ¾ это сложный и специфичный вид творческой деятельности, в котором гармонично сочетаются наука, искусство и математика.

Главная трудность проектирования заключается в том, что проектировщик на основании современных данных должен прогнозировать некоторое будущее состояние, которое возникает в том случае, если его прогнозы верны. В ходе проектирования и конструирования инженер должен наглядно изобразить нечто, что предметно еще не существует, а является лишь продуктом его умственной деятельности. Это и есть творческая инженерная задача в области техники.

Трудность проектирования технических систем заключается в необходимости учета большого числа социальных, научно-технических, производственных и многих других факторов.

Техническое творчество связано с наукой и производством. Современный конструктор обязан знать, понимать и использовать данные основных физических и математических дисциплин, должен учитывать возможности производства. Техническое творчество связано с искусством в функционально-эстетическом плане, так как конструктор всегда стремится к тому, чтобы созданное им изделие было красиво.

Деятельность проектировщиков технических систем связана с экономикой, социологией и психологией. Связь с экономикой очевидна, и инженер-проектировщик должен знать экономические возможности, как в масштабах своего предприятия, так и в рамках объединения, отрасли и страны в целом. Знание особенностей социологии и психологии необходимо проектировщику в связи с тем, что для обеспечения успешного существования изделия после изготовления он обязан заранее верно моделировать взаимоотношения между производителями и покупателями в условиях быстроменяющихся рыночных отношений.

Литература о методах проектирования начала появляться в большинстве промышленно развитых стран мира в 50...60-х годах ХIХ века. Однако попытки сформировать процесс современного проектирования появились лишь сравнительно недавно. При этом следует обратить внимание на разнообразие формулировок, в которых авторы попытались отразить наиболее характерное для процесса проектирования:

1) целенаправленная деятельность по решению задач;

2) принятие решений в условиях неопределенности с тяжелыми последствиями в случае ошибки;

3) приведение изделия в соответствие с обстановкой при максимальном учете всех требований;

4) оптимальное удовлетворение суммы и истинных потребностей при определенном комплексе условий;

5) творческая деятельность, которая вызывает к жизни нечто новое и полезное, чего ранее не существовало.

Удивительно, но в этих цитатах ни разу не упоминается изготовление чертежей, хотя эта операция неизбежно выполняется проектировщиками всех специальностей. Ясно, что современный процесс проектирования может меняться в очень широких рамках. Именно в разнообразии приведенных формулировок, видимо, заключено самое существенное для современного проектирования. Для этого нужно дать определение проектирования, исходя не из течения самого процесса, а из его результатов. При этом единственное, что можно утверждать с уверенностью, - так это то, что общество (НИР) стало иным, чем оно было до появления объекта проектирования [2].

Если проект был удачным, он вызвал именно такие изменения, на которые рассчитывал заказчик. Если проект оказался неудачным (что, вообще говоря, случается чаще), его конечное влияние может быть весьма далеким от расчетов заказчика и прогнозов проектировщика и все же он и в этом случае вызовет изменения того или иного характера.

Обратимся к примерам. В течение ряда лет на равнин­ной реке Волга был построен целый каскад гидроэлектро­станций. Поскольку Волга ¾ река равнинная, то для обес­печения стабильной работы гидротурбин были одновременно у каждого гидроузла сооружены значительного объема водохра­нилища. После реализации проекта вместе с положительными (ожидаемыми) изменениями ¾ относительно дешевой электро­энергией ¾ были получены незапланированные (отрицатель­ные) изменения в окружающей природе: уменьшение рыбных запасов, особенно ценных пород, зарастание водохранилищ на мелководьях водорослями с дополнительными затратами на их очистку, существенное ухудшение самоочистки воды в реке Волга и т.п. Подобного рода проектов достаточно много, например: бездумная мелиорация, массовое применение химических удобрений в сельском хозяйстве.

В любом случае можно заключить, что цель проектирования ¾ положить начало изменениям в окружающей человека искусственной среде (рис.1) [2].

Если раньше процесс проектирования протекал за чертежной доской, то сейчас он включает в себя научные исследования и ОКР, снабжение, разработку технологии, подготовку производства, сбыт, системное проектирование и многое другое. Современное проектирование переросло рамки таинственного умения чертить и зримо представляет себе ситуации будущего.

Цель проектировщика традиционного типа заключалась в том, чтобы разработать чертежи, которые могли бы получить одобрение у заказчика и дать необходимые указания изготовителю.

Из определения проектирования, как процесса, который создает начало изменениям в искусственной среде, следует, что должны существовать какие-то другие цели, достижимые до окончания и даже до начала разработки чертежей. Если объект разрабатывается для того, чтобы вызывать изменения в мире, то проектировщик должен предвидеть конечный результат осуществления своего проекта и определить меры, необходимые для достижения этого результата. Проектирование оказывается все меньше направленным на сам разрабатываемый объект и все больше на те изменения, которые должны претерпеть производство, сбыт, потребитель и общество в целом в ходе освоения и использования нового объекта.

Каждый из обозначенных на рис.2 этапов представляет собой стадию существования изделия и не зависит от предшествующего этапа. Ни заказчик, ни проектировщик не могут непосредственно влиять на всю последующую историю изделия, оно выходит из под их контроля еще до поступления в производство.

Нижняя половина рис.2 показывает, что в соответствии с полученным заданием (ТЗ) проектировщик должен подготовить свои предложения (ТП), в которых наиболее полно спрогнозировать связи и взаимоотношения на каждой стадии существования изделия. От него требуется тем или иным способом предсказать свойства объекта (изделия) и реакцию на них на каждом этапе его существования. Для этого проектировщик на каких-то моделях проводит экстраполяцию от известных характеристик аналогичных конструкций в прошлом к поведению объекта в будущем, в новой среде. Проектировщик должен предвидеть конечный результат и определить меры, необходимые для достижения этого результата [2].

1.2. Традиционные методы проектирования

Определив проектирование как процесс, который создает начало изменениям в искусственной среде, мы включаем в него не только изготовление рабочих чертежей (собственно конструирование), но и планирование всех этапов существования будущего изделия. Такое более широкое понимание далеко не совпадает с общепринятым представлением о проектировании как о занятии людей, переводящих практические потребности на язык чертежей.

Если обратиться к истории, то можно проследить, что предшественником современного проектировщика был не создатель чертежей, а создатель вещей, искусный ремесленник, деятельность которого начинается там, где кончается естественная эволюция. Этапу проектирования на уровне чертежей предшествовал гораздо более древний этап эволюции кустарных промыслов.

Неграмотный кустарь, вооруженный элементарными инструментами, создает сложную и рациональную форму изделия без чертежей. Например, колеса телеги установлены с "развалом", а сами колеса имеют чашеобразную форму. Почему ремесленники придали им именно такую форму?

Это понадобилось им не только для увеличения объема кузова (наклонные стенки), но и для лучшего восприятия колесами боковых нагрузок. Управляемые передние колеса современного автомобиля кроме прочих углов установки имеют угол развала, который позволяет уменьшить нагрузки на внешний подшипник колеса и улучшить управляемость автомобиля [3].

Анализ эволюции кустарных промыслов позволяет установить следующие характерные особенности самого раннего этапа проектирования.

1. Ремесленник не вычерчивал эскиз своего изделия и не мог зачастую удовлетворительно объяснить, почему он принял то или иное решение.

2. Изменение формы кустарных изделий происходит в результате бесчисленных неудач и успехов в процессе многовекового поиска методом проб и ошибок. Этот медленный дорогостоящий поиск может в конечном счете привести к удачной конструкции, которая в высокой степени удовлетворяет нуждам потребителя.

3. Эволюция кустарных промыслов может привести и к дисгармонии в решениях. В этом сказывается несовершенство процесса.

4. Хранилищем всей важной информации, собранной в ходе эволюции промысла, является в первую очередь сама форма изделия, которая остается постоянной и изменяется только для исправления ошибок или при возникновении новых потребностей. Частично информация хранится в виде шаблонов, эталонов и т.д.

Для нас основным выводом из эволюции кустарных промыслов является то, что ни профессиональный проектировщик, ни чертежная доска (на которой можно подогнать друг к другу отдельные части конструкции) не представляют собой необходимых условий, без которых нельзя создать изделия сложной формы, приспособленные к условиям их применения [2].

Метод проектирования путем создания чертежей в определенном масштабе сейчас очень широко применяется. Принципиальная разница между ним и предшествовавшей ему эволюцией кустарных промыслов заключается в том, что здесь поиск методом проб и ошибок отделен от производства, что все изменения проводятся на масштабном чертеже, а не на самом изделии.

Такое разделение позволяет:

1. Задавать размеры изделия до его изготовления, т.е. разделить труд по изготовлению отдельных частей изделия между несколькими работниками, заводами, странами. Это и есть то самое разделение труда, которое знаменует собой силу и слабость индустриального общества.

2. Возникшее вместе с масштабными чертежами разделение труда дает возможность не только увеличить размеры изделий (корабли, крупные сооружения), но и темп их производства.

Изделие, на создание которого у ремесленника-одиночки ушло бы несколько дней, разбивается на более мелкие стандартные детали, производство которых может идти одновременно, отнимая всего несколько часов или минут, и требует лишь однообразного ручного или машинного труда.

Естественно, что при этом основная часть трудностей и радостей творчества уходит из производственной сферы и становится уделом нового вида работников ¾ тех, кто изготавливает чертежи. Проектирование или конструирование выделяется в особую профессию [2].

Конструктор может видеть всё изделие целиком, манипулировать им и ничто уже не мешает ему вносить в конструкцию даже принципиальные изменения. Для этого ему требуется чертежный инструмент, бумага и средства вычисления.

Суть традиционного метода проектирования заключается в том, что на большом листе бумаги вычерчиваются последовательные варианты решений. Отправленной точкой для проектировщика служит единая конструкция, которая в довольно точном виде предстает перед его мысленным взором.

Основным критерием для оценки различных вариантов конструкций служит геометрическая увязка деталей, которую можно определить по чертежу.

Таким образом, процесс конструирования чертежным способом можно рассматривать как ускоренный вариант эволюции кустарного промысла, позволяющий за один раз изменять не одну, а целую совокупность деталей.

Важно отметить следующее: над чертежом одновременно может работать только один человек, и все ситуации, которым должна удовлетворять конструкция, приходится держать в одной голове. Из-за этого на ранних стадиях проектирования чертежным способом работу ведет один человек, чаще всего главный (ведущий) конструктор или руководитель группы.

Только после того, как ведущему конструктору удалось сформулировать критические подпроблемы данной задачи и найти их удовлетворительное решение, можно распределить работу между несколькими исполнителями.

Именно невозможность привлечения многих умов к решению задачи на самом важном (начальном) этапе проектирования является основным существенным недостатком традиционных методов проектирования в современных условиях.

1.3. Необходимость появления прогрессивных методов проектирования

Масштабный чертеж ¾ главное орудие традиционного конструктора и проектировщика, позволяющее ему изменять форму изделия в целом вместо того, чтобы, подобно ремесленнику, вносить в нее лишь мелкие коррективы. Чертеж можно рассматривать как легко видоизменяемую модель взаимоотношений между деталями и узлами, составляющими изделие. Поскольку чертеж легко поддается пониманию и способен хранить временное решение для одной детали (узла) пока разрабатывается другое, конструктор получает возможность решать очень сложные задачи целенаправленно.

Предположим, что, создавая изделие из 10 деталей, конструктор каждую из них может выполнить десятью различными способами. Тогда общее число вариантов конструкции равно десяти миллиардам (10¹⁰), из которых он должен выбрать один. Если же конструктор использует чертеж для выбора одного комплекта из десяти геометрически совместимых друг с другом деталей, то его задача сводится лишь к десятикратному выбору среди десяти частных решений. Общее количество альтернатив в этом случае сокращается с десяти миллиардов до сотни.

Таким образом, масштабный чертеж резко сокращает затраты времени на выбор приемлемого варианта из огромного числа альтернатив.

Это происходит потому, что чертеж позволяет конструктору игнорировать почти все поле поиска и сконцентрировать свое внимание на тех небольших его участках, где можно ожидать приемлемых решений. Тем не менее, любой конструктор слишком хорошо знает, сколько труда ему пришлось вложить в многократные циклы изменений, прежде чем было достигнуто тонкое равновесие, закрепленное в окончательном варианте проекта [2].

Когда же конструктор от внутренней увязки нового изделия переходит к его согласованию с внешними условиями, чертеж становится ему не нужен, бесполезен. В этот период конструктору приходится опираться на свой опыт и воображение и ¾ в меньшей степени на расчет и испытания важнейших характеристик изделия. Слова "опираться на свой опыт и воображение" характеризуют загадочную (творческую) сторону проектирования ¾ процесс творческого мышления. Исследователи единодушно отмечают три стадии этого творческого процесса:

1. Очень часто человек, стоящий на пороге оригинального решения, в течение длительного времени, как кажется посторонним, только впитывает информацию, сравнительно бесплодно работает над, казалось бы тривиальными задачами, этот период известен как "вынашивание идеи".

2. Решение трудной задачи или возникновение оригинальной идеи зачастую происходит совершенно неожиданно ("озарение") и носит характер резкого изменения формулировки задачи (смена "установки"). В результате такой трансформации сложная задача нередко становится простой.

3. Врагами оригинальности являются негибкость мышления и склонность принимать желаемое за действительное. Чаще всего оригинальные решения делаются на стыке проблем и ситуаций.

Примеров "внезапного" решения сложных научных и проектных задач известно достаточно. Знакомая теперь любому старшекласснику очень логичная периодическая система химических элементов предстала мысленному взору автора во сне практически в завершенном виде. Однако этому моменту предшествовала гигантская, кропотливая научная работа великого химика.

При проектировании современных стартовых комплексов для космических ракет необходимо было решить вопрос надежного удержания ракеты на старте, в период запуска двигателей и освобождения ракеты именно в нужный момент, исключающий торможение ракеты захватным устройством. Предлагались различные, довольно сложные автоматические системы со значительным объемом гидропривода. Однако решение пришло главному конструктору "внезапно" и очень простое: использовать для удержания ракеты ее собственный вес и простые двуплечие рычаги, расположенные по окружности. Ракета устанавливается на нижние рычаги, а верхние прижимаются к ее корпусу, надежно удерживая ракету на старте. При запуске двигателей и появлении реактивной тяги вес ракеты начинает уменьшаться, уменьшается и прижатие вторых концов рычагов к корпусу ракеты. Как только сила тяги двигателей полностью уравновесит вес ракеты, концы рычагов автоматически отойдут от корпуса ракеты, и она освобождается для самостоятельного полета. Решение предельно просто и оригинально.

Из сказанного следует, что традиционный способ решения сложных задач состоит в том, чтобы в каждый данный момент рассматривать лишь одну концепцию целого. Воплощенный в форме чертежа, этот принцип позволяет резко сократить гигантское количество возможных решений, касающихся формы и положения каждой части конструкции.

Когда такая стратегия упрощения не приводит к удовлетворительным результатам, проектировщик преобразует концепцию, заложенную в чертежах, заменяет ее новой, которая может коренным образом отличаться от первой и призвана ликвидировать источник первоначальных трудностей.

Положительным примером кардинального преобразования концепции конструирования является проектирование теплонапряженного червячного редуктора. Если при конструировании одноступенчатого червячного редуктора (передаточное число 64) не удается снизить температуру за счет принудительного обдува и дополнительного оребрения корпуса, то весьма перспективным является усложнение конструкции и переход на конструирование двухступенчатого червячного редуктора (передаточное число 8*8=64 и общий КПД около 0,81 вместо 0,65 у одноступенчатого редуктора). В результате, более сложная конструкция двухступенчатого редуктора позволяет резко снизить тепловые потери за счет увеличения КПД почти на 25 %.

Самым явным признаком того, что обществу нужны совершенные методы проектирования является наличие в промышленно развитых странах крупных неразрешимых проблем, возникших в связи с применением искусственно созданных предметов.

Примерами могут служить транспортные затраты на дорогах, проблемы парковки автомобилей в крупных городах, несчастные случаи на дорогах, пресечение и раскрытие преступлений, экологические катастрофы, проблемы развития больших городов.

Эти недостатки никак нельзя считать ошибками природы и пассивно мириться с ними ¾ напротив, их можно рассматривать как результат человеческого неумения предвидеть ситуации, которые возникли в результате появления проектируемых человеком изделий.

Если внимательно рассмотреть расширение процесса проектирования при включении в него помимо вопросов создания изделия также и задач проектирования систем (т.е. связей и отношений между изделиями), то мы выходим на новый уровень сложности проектирования [2]. При этом к иерархии предметов, относящихся к традиционной сфере деятельности проектировщика, добавляется еще одна ступень. Если же еще расширить объем понятия "проектирование", включив в него политические и социальные аспекты поведения потребителей, связанные с отношениями между системами, обнаруживается наличие еще одной ступени ¾ уровня общественных групп (или социальной сферы)(рис.3).

Многие нерешенные проблемы проектирования встречаются в приведенной иерархии уже на уровне систем. В настоящее время этот уровень лежит вне поля традиционного проектирования и в то же время ниже уровня деятельности социальной сферы. Для ликвидации таких неприятных явлений как транспортные пробки и дефицит дешевой жилой площади недостаточно действие только социальной сферы. Чтобы при разработке систем (второй уровень, рис.3) в представленной иерархии процветала гармония, а не нарастал беспоря­-

док необходимо сочетание организационного планирования с гибкостью и силой предвидения, свойственных процессу проектирования изделий.

Увеличение (с двух до четырех) количества иерархических ступеней проектирования означает резкое уменьшение стабильности проектной ситуации и одновременно с этим увеличение ее сложности.

Такое расширение сферы проектирования по меньшей мере равноценно совершенному ранее переходу от кустарного промысла к чертежному способу проектирования. Проектирование на уровне систем сопряжено с преодолением дополнительных трудностей, которые раньше проектировщикам не встречались. Трудности эти носят внешний и внутренний характер.

Внешние трудности характеризуются следующими особенностями:

1. Перенос технических решений. Это планомерный поиск в отдаленных отраслях технологий таких изобретений и разработок, которые позволяют решить данную задачу проектирования.

ПРИМЕР. Использование новейших достижений в области производства пластмасс позволило резко понизить стоимость и расширить сбыт домашней мебели.

2. Возможность возникновения побочных эффектов. Побочные эффекты необходимо прогнозировать на самых ранних стадиях проектирования, когда еще можно с их учетом изменить конструкцию изделия и организацию системы.