Часть 1 2010 (Что-то вроде лекций или метод), страница 2

Структурные элементы конструкции. Всякое сложное изделие можно разделить на такие составные части, при разработке которых имеются существенные различия в методах и принципах конструирования. Эти части целого являются элементами структуры его конструкции (см. рис. 4). Выявление структурных элементов важно для осуществления процесса конструирования, изучения конструкций готовых объектов и обучения конструированию.

С
труктура ОП в целом может быть представлена в виде его иерархических уровней, составных частей (подсистем), связанных друг с другом определенными соотношениями (связями) (рис. 4).

Рис. 4. Структура ОП.

Потеряна КЦ

С системных позиций ФУ представляет собой подсистему ОП, которая работает автономно, но определенными отношениями связана с другими под­системами (например, для передачи информации, энергии, вещества).

В свою очередь, ФУ состоят из конструктивных узлов (КУ) - сборочных единиц, которые могут конструироваться (а в дальнейшем и собираться) отдельно от других составных частей ОП или всего прибора в целом и выполнять определенную функцию в ОП только (в отличие от ФУ) совместно с другими составными частями.

В КУ можно выделить соединения деталей (СД) - элементарные сборочные единицы, состоящие из двух или нескольких деталей, находящихся в непос­редственном физическом контакте друг с другом, атакже конструктивные цепи (КЦ).. Первичными элементами СД, а, следовательно, и ОП, являющимися простейшими объектами конструирова­ния, являются детали (Д) - конструктивные элементы, выполняемые из однородного материала (в результате его обработки) без соединения с другими конструктивными элементами (без применения сборочных операций).

Методы и принципы конструирования элементов ОП различного уровня сложности имеют существенные различия, поэтому их изучение обычно начи­нают с деталей, переходя от простого к более сложному, и заканчивают ФУ.

1.1.3.Структурные элементы деталей

Структурные элементы детали в данном подразделе рассматриваются кратко, лишь некоторые общие, а также специфические вопросы конструирования деталей, так как студентам (и прочим читателям) они, как правило, в известной степени знакомы из других учебных курсов и публикаций. Как было сказано, детали являются простейшими объектами конструиро­вания. Они представляют собой однородные неделимые тела, состоящие из элементов формы (геометрических поверхностей тел) и материала.

В каждой детали различают следующие структурные элементы (поверх­ности): рабочие (активные), базовые, соединительные (свободные) и техноло­гические.

Рабочие элементы (РЭ) (их называют также активными или исполнитель­ными поверхностями) непосредственно выполняют заданные функции детали. Например, РЭ являются оптическая ось линзы (рис 5,а);(в некоторых литературных источниках РЭ линзы считают ее сферические поверхности, но это не удобно, т.к. связывается с БЭ именно оптическая ось), эвольвентная поверхность зубчатого венца колеса (рис. 5,6), плоская и цилиндрическая поверхности гнезда оправы линзы (рис. 5,в), цилиндрическая поверхность и плечико для установки подшипника в стойке (рис. 5,г).. Эти поверхности, как правило, тщательно обрабатываются, и к ним предъявляются высокие требования: точность расположения, погрешность формы, чистота поверхности, размеры и т.п.

Базовые элементы (БЭ) обеспечивают координацию детали (т.е. координацию ее РЭ) относительно других деталей и представляют собой поверхности, по которым деталь сопрягается (соединяется) с базовой деталью (см. рис. 5). Данные поверхности изготавливаются также весьма тщательно.

Рис. 5. Структурные элементы детали: а) линза, б) зубчатое колесо, в) оправа, г) стойка.

Соединительные элементы (СЭ) (их называют часто свободными) служат для обеспечения материальной связи между рабочими и базовыми элементами (см. рис. 5). К СЭ не предъявляются высокие требования к тщательности и точности изготовления (за исключением требований к чистоте поверхностей, когда это обусловлено эстетическими показателями качества детали).

Технологические элементы (ТЭ) служат для обеспечения технологического процесса изготовления и последующей сборки детали (например, фаски, гал­тели, выточки, центровые отверстия в валиках и т.п.). Для линзы (см. рис 5, а) ТЭ являются фаски, устраняющие выколки, появляющиеся на кромках при ее шлифовке; для зубчатого колеса (см. рис. 5, б) ТЭ является резьбовое отверстие под стопорный винт для фиксации зубчатого колеса на валике при рассверливании отверстия под штифт; в оправе линзы (см. рис. 5,б) ТЭ является резьба (и канавка для выхода резьбы) для закрепления оправы (с линзой) в центрировочном патроне (рис.5,в).

Следует отметить, что одни и те же поверхности (части поверхностей) могут выполнять роль РЭ, БЭ и СЭ. Наиболее благоприятным считается вариант, когда в конструкции удается объединить РЭ и БЭ, минимизировать СЭ.

1.1.4.Конструктивные характеристики детали

Процесс конструирования детали заключается в выборе материала, формы ее поверхностей и определения ее размеров. Кроме этого, конструктор должен указать допустимые отклонения характеристик материала, погрешности изго­товления размеров и форм, тип покрытий, вид обработки, технические и технологические условия и требования (например, азотирование, закалка, ста­рение и т.п.).

Итак, конструктивные характеристики детали: МАТЕРИАЛ, ФОРМА, РАЗМЕРЫ.

Ниже приводятся общие аспекты названных характеристик. Более подробный обзор приводится при описании технологических методов.

Выбор материала производится исходя из: функционального назначения детали; условий ее эксплуатации; рациональной технологии изготовления; стоимости и дефицитности материала; требований эргономики и эстетики.

Конструктор руководствуется при этом номенклатурой, сортаментом и физико-механическими свойствами конструкционных материалов (табл. 1).

Например, если конструируется линза, то ее материал должен быть про­зрачным для рабочего диапазона длин волн света. Если линза будет эксплуа­тироваться в условиях тропического или морского климата, необходимо вы­брать материал, стойкий к воздействию влаги, грибков, соли и других вредных факторов. Исходя из условия минимизации массы, возможности получения линзы литьем, она могла бы быть изготовлена из органического стекла (если это не нарушает других показателей качества детали).

При выборе материала деталей, взаимодействующих с человеком как непосредственно, так и косвенно, учитываются эргономические показатели: гигиенические, антропометрические и психофизиологические (уровень шума, амплитуда и частота вибраций, температура, возможность получения опти­мальной формы, усилия, контраста и т.п.).

Свойство материала обуславливает также достижение соответствия формы внешних деталей их назначению, качество и совершенство отделки, возмож­ность нанесения декоративных покрытий и другие эстетические показатели. В общем случае решение задачи по выбору материала детали является многовариантным, так как требования к ее точности, надежности, массе, прочности, жесткости, экономичности, эстетичности и др. вступают в проти­воречие друг с другом, которое приходится преодолевать, оптимизируя выбор материала с помощью ранжирования значимости показателей качества детали и свойств материала. Весьма часто выбор материала производится с помощью расчета необходимых значений некоторых его характеристик по требуемым показателям качества (например, марок и оптических констант стекла по допустимым аберрациям системы, модуля упругости материала валика по его Допустимым деформациям, коэффициента линейного расширения материала по допустимым изменениям размеров детали при изменении температуры и т.п.).

Выбор формы ограничивающих деталь поверхностей осуществляют исходя из функционального назначения технологии изготовления эсте­тических и эргономических требований, конструктивной целесообразности.

Таблица I.

Физико-механические и технологические свойства материалов

Выбор формы детали сводится к выбору поверхности и набора типовых поверхностей: плоскость, цилиндр, сфера и группа специальных поверхностей – параболоид, эллипсоид, тор, эвольвента и т.д.

Форма рабочих элементов типовых деталей довольно часто бывает вполне определенной. Примером могут служить сферические поверхности линз, плос­кие поверхности преломляющих и отражающих граней призм, эвольвентные поверхности зубьев зубчатого колеса, спиральный профиль кулачка и т.п.. Рабочие элементы оригинальных деталей выполняют в виде специальных поверхностей, например, параболическими, эллиптическими, торическими и т.д.

Форма базовых, свободных и технологических элементов обычно представ­ляет собой типовые поверхности — плоскость, цилиндр, конус, сферу — для оптических.

Более технологичными являются типовые поверхности, получаемые при обработке деталей на универсальном оборудовании типовым инструментом.

Специальные поверхности получают, используя фасонный инструмент, специализированное оборудование, оснастку, технологические процессы и контроль, что существенно снижает их технологичность по сравнению с типовыми.

Следует помнить, что точность формы поверхности снижается с увеличе­нием ее протяженности, при дискретном (зонном) процессе обработки поверх­ности по сравнению с непрерывным процессом, при увеличении числа пара­метров, которые нужно выдержать при обработке.

Форма поверхностей детали влияет на эргономические показатели, опреде­ляет их внешний вид, выразительность элементов и композиции, связана с качеством и совершенством отделки. Параметры формы могут быть получены эвристически, расчетным путем, исходя из условий стандартизации и унифи­кации, технологических возможностей производства и т.п. (например, радиу­сы кривизны сферических поверхностей линз определяют из аберрационного расчета и ГОСТ на них, угол конуса конической или дугообразной поверхности центрового отверстия детали назначают, исходя из типа детали, ее массы, требований к точности обработки и ГОСТ 14034-74).

Определение размеров детали производится с учетом большого числа факторов, среди которых следует выделить: функциональную точность; па­раметрическую надежность; жесткость; компактность; эстетичность и эргономичность; технологичность; требования стандартизации и унифика­ции; массу и используемый сортамент материала.