Учет ошибок конструирования

Разновидностью более общего метода конструирования на основе аналогов является метод анализа ошибок. Одно из основных правил конструирования гласит: «найдите содержащиеся в аналогичной конструкции недостатки и попытайтесь уменьшить их». При конструировании ошибки неизбежны. Они появляются из-за невнимательности, утомления, недостаточной квалификации проектировщика и по другим причинам. В зависимости от стадии проектирования могут возникать ошибки: формообразования, компоновки, кинематической схемы; связанные с назначением материалов, выбором формы базовых деталей; в расчетах (прочности, жесткости, размерных цепей и др.); сборки, базирования, установки, силовой схемы; эстетического характера и др.

Явные и неявные ошибки. Ошибки могут быть явными (ошибки размеров, недостаточной прочности и др) и неявными. Явные ошибки менее опасны, поскольку обнаруживаются, как правило, при изготовлении опытного образца. Неявные ошибки могут сказываться на работе в течение всего времени выпуска машины и поэтому более опасны. Скрытые ошибки при функционировании изделия могут ухудшать эксплуатационные показатели (точность, виброустойчивость и др.).

На рис. 1.49. показаны примеры явных конструкторских ошибок. Б двухступенчатой коробке скоростей (схема 7, рис. 1.49, а) малое расстояние между колесами (l < b) не позволяет переключить блок 7 (правильное положение показано штриховыми линиями). Величина перемещения I блока зубчатых колес не согласована с длиной втулки С, на которую опирается ось 2 вилки. Исправить положение при тех же размерах коробки можно конструктивным исполнением опоры 2 оси 3 (схема II). При подаче масла в левую полость гидроцилиндра 4 вначале перемещается ось 3 вместе со втулкой 5, а затем (после упора втулки в кольцо 6) ось дополнительно перемещается относительно втулки, благодаря чему увеличивается длина хода l.

На рис. 1.49, б, в показаны конструкции, отличающиеся тяжелыми условиями сборки - разборки. В схеме 7 с конической посадочной поверхностью даже небольшое изменение натяга или незначительный износ приводит к тому, что установить штифт становится невозможно. В схеме II штифт небольшого диаметра (без резьбы) трудно вытащить из отверстия. В схеме III нельзя зафиксировать гайки, так как требуется исключить проворот гайки 1 при завертывании гайки 2.

В схеме I, показанной на рис. 1.49, в, исключительно сложно снять подшипник; этот недостаток исключен в схемах II и III. В схеме на рис. 1.49, г из-за бурта 1 на валу невозможно осуществить разборку - сборку вала (необходимо заменить бурт, например, проставочным кольцом 2).

В схеме I запрессовки деталей (рис. 1 49, д) из-за отсутствия фаски на оси 1 ее трудно вставить в отверстие, кроме того, воздух в замкнутой камере 2 будет препятствовать ее перемещению. Этот недостаток отсутствует в схеме II.

В клиновом соединении, выполненном по рис. 1.49, е, при перемещении узла 1 по направлению стрелки произойдет выборка зазора по размеру В и заклинивание. Необходимо исключить возможность самопроизвольного перемещения клина 2, например, установить компенсатор 3 (показано штриховыми линиями).

В конструкции зубчатого колеса расстояние 77 между шпоночным пазом и диаметром впадин зубьев явно недостаточно (рис. 1.49, ж), что может привести к поломке в опасном сечении (H ≥ 1,8m)

В схеме, показанной на рис. 1.49, з, подшипник 7 ошибочно установлен на шлицевом валу 2, кроме того, вилка переключения 3 зубчатого колеса касается торцов зубьев колеса 4, что приведет к быстрому износу вилки. В схеме, показанной на рис. 1.49, и, трудно установить подшипник 7 на вал 2 из-за большой длины посадочной поверхности вала. Для обеспечения монтажа на валу нужно предусмотреть обнижение 5.

Учет ошибок конструирования

Для выявления неявных ошибок кроме знаний требуется опыт работы конструктором. Анализ конструкций, в которых отсутствуют ошибки, но тем не менее работающих неудовлетворительно, дает конструктору неоценимую способность в сложных ситуациях находить оптимальное решение. Например, если в конструкции соединения тонкого и толстого листов методом сварки (или пайки) в месте I появляются трещины (рис. 1.50, а, схема I), то нужно найти причину их появления, поскольку явных ошибок в конструкции нет. Причиной может быть колебание тонкой стенки (толстая не колеблется ввиду большой жесткости) Способ исправления недостатка данной конструкции — уменьшение колебаний (если это возможно), например, уменьшением жесткости толстой стенки (схема II) в месте соединения.

На рис. 1.50, б приведена схема передней бабки тяжелого горизонтального зубофрезерного станка, в котором обнаружилась большая кинематическая ошибка обрабатываемых колес при достаточно высокой точности цепи обката станка (ее проверяли кинематомером). Анализ возможных причин этого явления показал на значительное влияние деформации делительного червячного колеса 1, установленного па планшайбе 2, при закреплении силой F заготовки 4 в тисках 3. Поэтому в таких станках делительное колесо располагается достаточно далеко от планшайбы (например, у задней опоры 5).

Учет ошибок конструирования

Анализ ошибок. Силовой анализ предполагает изучение цепей, передающих движения от двигателя до исполнительного органа, восприятия нагрузок в разных направлениях, замыкания силовых цепей и др. Анализ сборки содержит проверку условий сборки зубчатых колес, валов, подшипников, наличия компенсирующих звеньев, размерных цепей, поиск лишних звеньев, места подвода смазочного материала и др.

Анализ условий эксплуатации может содержать поиск ответов на вопросы типа:

  • что будет, если температура узла (вала, подшипника) будет расти (уменьшаться)?
  • чем воспринимаются рабочие нагрузки?
  • что будет, если прекратится подача смазки?
  • что будет при износе отдельных элементов, например, уплотнений и т.п.?

Анализ технологичности конструкции предполагает изучение условий обработки (на каком оборудовании, как базировать и т.п.), простановку размеров, выбор заготовок и материала, а также ответ на вопросы типа: как исправить ситуацию, например, если при конструировании выявится возможный брак расточки отверстий, находящихся близко к стенкам или друг к другу (когда «рубашку» поставить весьма трудно)?

Ошибки функционирования. Одним из изобретателей была предложена схема для реализации в прессостроении, при которой малой силой F можно обеспечить большую силу прессования q (рис. 1.51). Это вытекает из следующих выражений:

Учет ошибок конструирования

Учет ошибок конструирования

Учет ошибок конструирования

Учет ошибок конструирования

Учет ошибок конструирования

     Учет ошибок конструирования

Выполнив S2 - S1 весьма малой, можно небольшой силой F обеспечить значительную силу прессования. Однако если S1 = S2 (т.е. рассмотреть граничный случай), то очевидно, что система выйдет из равновесия. Где же ошибка?

Из уравнений (1.1) и (1.2) найдемУчет ошибок конструированият.е. давление при такой схеме зависит от силы F, а мы его сократили в уравнениях (1.3) и (1.4). При увеличении F нужно увеличивать и давление р.

Ошибки формообразования. На рис. 1.52, а (схема I) приведена схема обработки напильников 1 (установленных радиально по всей поверхности планшайбы 5) обкаткой двумя вращающимися дисковыми резцами 2 (типа долбя- ков), образующими пересекающиеся зубцы (показано образование зубцов только одного наклона). Зубья по длине напильников получают путем нарезания многозаходных архимедовых спиралей 3, 4, ... с постоянным шагом. Для образования требуемого профиля зубцов на напильниках вращение ωр дисковых резцов 2, ωст стола 5 и радиальное перемещение SР резцов 2 находятся в строгой кинематической зависимости. Как показала практика, схеме формообразования присущи следующие недостатки:

1) погрешности кинематических цепей и шаговая погрешность (б Ф t2) инструмента могут приводить к искажению профиля напильника (схема II);

Учет ошибок конструирования

2) различная толщина напильников (h2 ≠ h3) вызывает изменения толщины зубьев при вершине (схемы III, IV). Это предопределило судьбу метода формообразования, несмотря на то, что производительность и условия работы лучше, чем при существующих схемах обработки.

На рис. 1.52, б показана схема фрезерования гребных винтов на станках с ЧПУ параллельными слоями (строчная обработка), осуществляемого специальными концевыми фрезами 7 и 2 (схема 7) и торцовой фрезой 3 (схема 77). В первом случае оси фрез 1 и 2 не перпендикулярны обрабатываемой поверхности для исключения нулевой скорости резания на вершине фрезы. Опыт показал, что даже при компенсации радиальных сил, действующих на лопасть (за счет одновременной работы двумя фрезами), условия работы оказались непригодными вследствие возникновения недопустимых вибраций. Обработка же одной торцовой фрезой дала положительные результаты.

Кинематические ошибки. На рис. 1.53, а показана часть кинематической цепи обката зубофрезерного станка, работающего червячной фрезой 1. При обработке зубчатого колеса 2 однозаходной фрезой погрешности окружного шага fи изделия в значительной степени зависят от точности передач, расположенных у конечных звеньев 3 и 8, в частности от элементов цепи, расположенных на валу 6. В этой связи оказываются не безразличными как величина передаточного отношения передачУчет ошибок конструирования, так и распределение его между передачами.

Если принять кра ным передаточное отношение этих передач (например, Учет ошибок конструирования, то погрешность окружных шагов изделия fи при формировании профиля в точках 1, 2, 3, ... (схема II) не зависит от кинематических ошибок передач z4 - z5, z7 - z8, поскольку резание в этих точках осуществляется при одном и том же относительном положении зубьев указанных передач (за один оборот колеса 8 колеса 4, 5, 7 делают целое число оборотов). Если перераспределить передаточное отношение цепи (например,Учет ошибок конструирования, то профиль зубьев в точках 1 — 3 (схема II) будет образовываться уже при разном относительном положении колес 5, 7, 8, так как за каждый оборот колеса 8 колеса 5 и 7 сделаютУчет ошибок конструированияоборотов, где п - целое число (относительное положение колес повторяется через 3, 6, 9, 18,... оборотов).

В трехступенчатой коробке скоростей при перемещении блока 1 в крайнее правое положение промежуточный вал 2 вращается с высокой частотой за счет повышающей передачи 3-4 (рис. 1.53, б). В двухступенчатой коробке при переключении блока 1 происходит реверсирование частоты вращения на валу 2, что недопустимо (рис. 1.53, в). Кроме того, в положении подвижного зубчатого колеса 1, показанном на схеме, происходит суммирование частот вращения обоих валов на колесе 3, что приводит к повышенному уровню шума (правильное решение показано штриховыми линиями).

Учет ошибок конструирования

В фрагменте схемы цепи деления зубофрезерного станка с ЧГУ при числе импульсов датчика обратной связи 1 контроля вращения фрезы 2, равном 10 000 за один оборот датчика (рис. 1.53, г), передаточное отношение передачиУчет ошибок конструированиявыбрано неверно, так как за один оборот фрезы датчик повернется на угол, в котором не содержится целое число дискрет. Для исправления положения необходимо либо перейти на передаточное отношение, равное 1/5, либо установить промежуточные передачи для связи с датчиком (показано штриховыми линиями).

Учет ошибок конструирования

Ошибки компоновок. Погрешности выбора компоновок могут быть связаны с нерациональным сопряжением подвижных деталей, с неправильной ориентацией инструмента относительно заготовки, неверным выбором формы и сечения базовых деталей и т.п Компоновка сказывается на всех основных показателях станков, таких как точность, виброустойчивость, удобство обслуживания и др. На рис. 1.54, а показана схема сопряжений поперечных салазок 1 токарного станка, у которого при перемещении салазок в крайнее положение (штриховые линии) база сопряжения b изменяется (b < l схемаI) или остается постоянной (b1 = l, схема II). В последнем случае обеспечивается большая стабильность точности и жесткости.

На рис. 1.54, б показана схема резцедержателя при обработке точением. Центр поворота 7 вершины резца радиусом R находится ниже нормали п - п к поверхности заготовки, построенной в точке обработки (центр вращения определяется конструкцией резцедержавки, приспособлением и др.). В этом случае при увеличении сил резания резец не отходит от поверхности заготовки, уменьшая толщину стружки и силу, а, наоборот, дополнительно внедряется в деталь на величину At, что приведет к дальнейшему возрастанию силы резания и к неустойчивости процесса резания. По правильной компоновочной схеме конструкции резцедержавки, т.е. при расположении центра 7 поворота на оси заготовки или выше нее, этих явлений можно легко избежать.

Конструкции механизмов, в которых не в полной мере учтены условия эксплуатации. Это наиболее характерные ошибки для любых машин (влияние температуры, деформаций, условий эксплуатации и др.). Здесь успех в значительной мере зависит от квалификации конструктора. На рис. 1.55, а показана схема высокоскоростного шпинделя на гидростатических опорах, в котором осевой подшипник образован буртом 2 стального шпинделя и торцами бронзовых втулок 7 и 3. По мере разогревания масла зазор в осевой опоре уменьшается ввиду различия коэффициентов линейного расширения шпинделя и втулок на длине L, что может приводить к заклиниванию шпинделя. В конструкции, показанной на рис. 1.55, б (схема 7) вал 7 передает вращение на коническое колесо 2. Заклинивание передачи возможно при тепловых деформациях At вала 7, поскольку осевые опоры вала удалены от колеса 2 (осевые опоры не показаны). В схеме 77 этот недостаток устранен за счет плавающего переднего конца вала.

Широко применяется схема закрепления шкива 7 на валу 2 с помощью шайбы 3 (рис. 1.55, в, схема 7). Однако при больших частотах вращения требуется центрирование шайбы (схема II).

На рис. 1.55, г приведены схемы конструкций, в которых плохая работоспособность вызвана низкой жесткостью вала, т.е. параметры вала выбраны только из условий прочности. В схеме I вследствие изгибной деформации вала (штрих- пунктирная линия), сопровождающейся малыми относительными перемещениями (сотые доли миллиметра), в зоне посадки зубчатого колеса на вал возникают знакопеременные силы трения (показаны стрелками). Это приводит к износу (фретинг-коррозии) посадочных поверхностей. Улучшить ситуацию можно за счет повышения жесткости вала, натяга в посадке или изменив конструкцию ступицы (схема II). В трехступенчатой коробке скоростей (схема III) из-за низкой жесткости валов возможно не только нарушение контакта в зацеплении (особенно при перемещении блока 7 в крайние положения), но и (при динамической нагрузке) самопроизвольное переключение блока колес I.

При обработке шатунных шеек неподвижного коленчатого вала 7 дисковой фрезой 2 с внутренними зубьями фреза вращается со скоростью резания ωрез и вместе с вертлюгом 3 - со скоростью круговой подачи ωкр (рис. 1.55, д). Поскольку фреза смещена на величину е относительно оси вращения вертлюга

Учет ошибок конструирования

(схема II), при его вращении формируется профиль шатунной шейки радиусом г. Сложной проблемой здесь оказалась защита крупных крестовых роликоподшипников 4 (являющихся опорами вертлюга) от попадания в них мелкой стружки, образующейся при резании твердосплавной фрезой. Обычных лабиринтных уплотнений оказалось недостаточно, и положительные результаты получены только при выполнении на вращающейся наружной поверхности 5 винтовой канавки соответствующего направления. С ее помощью, с одной стороны, происходит удаление наружу попавшей в лабиринт стружки, а с другой - возникает насосный эффект, препятствующий попаданию стружки в лабиринт.

Нерациональное восприятие нагрузок. На рис. 1.56, а показаны схемы закрепления оправки 1 зубофрезерного станка в опоре 2. При одном радиальном подшипнике (схема I) коническое соединение 3 должно воспринимагь изгибающий момент оправки от силы резания Fp, а сила зажима F должна быть весьма большой. В схеме II момент воспринимается вторым радиальным подшипником и силу зажима можно существенно снизить. На рис. 1.56, б (схема II) показана схема неправильной установки радиально-упорных подшипников, воспринимающих консольную нагрузку (линии действия сил пересекаются в одной точке). Увеличение эффекта «заделки» достигается в соответствии со схемой I, где L > 0.

Учет ошибок конструирования

На рис. 1.56, в показана передняя опора шпиндельного узла, в которой осевая сила воспринимается пружинным кольцом I, не обладающим требуемой жесткостью. В этом случае целесообразно заменить кольцо, например буртом в корпусе (однако при этом ухудшается технологичность корпуса).

В конструкции, показанной на рис. 1.56, г, ширина b2 колеса 2 назначена большей, чем ширина b1 колеса 1, имеющего меньший диаметр, в то время как нагрузки F2 и F1 на зубья обратно пропорциональны диаметрам колес. Другой ошибкой является установка подшипника меньшего размера (справа) у зубчатого колеса 1, воспринимающего большую нагрузку (F1 > F2).

На рис. 1.56, д приведены схемы сварных направляющих, отличающихся по жесткости в несколько раз (направляющая по схеме II имеет существенно большую податливость).

Погрешности изготовления и сборки. Конструкция должна быть такой, чтобы ее работоспособность не снижалась при неизбежных в производстве погрешностях изготовления и сборки. В схеме, показанной на рис. 1.57, а, задний торец шпинделя 1 выполнен по номинальным размерам на уровне торца втулки 2. Поэтому любое отклонение этого торца влево на 2...3 мм может полностью вывести гидростатический подшипник из строя, так как размер дросселирующих перемычек на втулке b = 5...6 мм. Штриховыми линиями показан требуемый запас длины шпинделя А/.

В конструкции вала на рис. 1.57, б затруднена разборка вследствие того, что проставочная втулка 2 может провернуться (как при работе, так и при разборке) таким образом, что шпоночный паз установится не против шпонок I и 3 вала, а в произвольном положении. В этом случае разборка вала будет невозможна. Правильное решение состоит в установке шпонки большей длины (штриховые линии). Опасность такой ошибки состоит в том, что она может не выявиться на опытных образцах.

Учет ошибок конструирования

Много ошибок связано с нерациональным назначением посадок, зазоров, натягов в соединениях. Часто изменение зазоров и натягов в нужном направлении полностью изменяет работоспособность машины. Например, доля демпфирования, обусловленная зазорами, составляет 90...95 %, поэтому установление малых зазоров (например, в ползунах, направляющих с гидростатическими опорами) может снизить (а не повысить, что кажется очевидным) виброустойчивость в несколько раз, так как энергия демпфирования примерно равна 1/2 произведения максимального перемещения на мгновенное значение силы демпфирования.

В горизонтально-расточном станке с выдвижным шпинделем 7 между ним и полым шпинделем 2 оставляют зазор 8 = 5...15 мкм для возможности осуществления осевого перемещения шпинделя 7 (рис. 1.57, в). При разных зазорах условия прилегания шпинделя 7 к отверстию шпинделя 2 при колебаниях будут различными. При относительно больших зазорах (схема 7) изгибные колебания шпинделя 7 происходят даже внутри шпинделя 2 (штриховая линия), что повышает демпфирование. При малых зазорах δ (схема II) изгибные колебания происходят в основном в его выступающей на величину L части.

На рис. 1.57, г показана схема посадки шпинделя 1 диаметром D = 1180 мм на конус планшайбы 2. При натяге Д больше определенного значения происходит существенная деформация шпинделя и искажения правильной формы цилиндрической поверхности Уже при натяге Δ = 0,35 мм (что соответствует радиальному натягу около 60 мкм) искажение формы (кривая 2) составляет 31 мкм, несмотря на достаточно большое сечение стенки шпинделя (t = 80 мм). Удовлетворительные результаты (кривая 7) получены при Δ = 0,12...0,15 мм, при котором деформация не превышала 9 мкм

При устаноьке сменного зубчатого колеса 1 на копусе 2, как показано на рис. 1.57, д, будет образовываться уступ в отверстии (в точке 3), который препятствует перемещению колеса в осевом направлении по мере износа. Правильное решение, связанное с введением проточки 4, показано в нижней части схемы.

Нерациональные конструкции. Потенциальные ошибки конструирования связаны часто с недостаточным учетом технологичности (технологической рациональности). Так, в бобышке 2 (рис. 1.58, а) передней опоры шпинделя 1 по конструктивным соображениям уменьшено сечение (t1 < t2). Это приводит к погрешности формы растачиваемого под подшипник отверстия и потере точности шпинделя.

В схеме / гидростатической опоры (рис. 1.58, б) положение рабочего торца I упорного подшипника зависит от точности резьбы 2 (от перпендикулярности резьбы к оси шпинделя). В схеме  II предусмотрено базирование втулки I по торцу 2 шпинделя, благодаря чему этот недостаток исключен.

На рис. 1.58, в показана типовая конструкция закрепления планок 7 на салазках 2. При малом значении t в результате закрепления планок 7 винтами возникает вспучивание металла. Например, при t = 3...5 мм, винтах М24 величина

Учет ошибок конструирования

вспучивания составила 30...40 мкм при длине L = 30...40 мм (разрез А-А). Поэтому нужно либо увеличить t, либо исключить резьбу из зоны расположения направляющих (схема II).

Недостатки оформления чертежей. Значительное количество ошибок может быть связано с неправильной простановкой размеров в рабочих чертежах, несогласованностью характерных размеров сопряженных деталей и с другими причинами. Положение каждой поверхности определяют относительно баз. Базой может служить поверхность, ее ось или плоскость симметрии детали, используемая для определения самой детали или детали, присоединяемой к ней. На рабочих чертежах деталей рекомендуется использовать  конструкторские базы для нанесения координирующих размеров. Конструкторские базы определяют положение самой детали в машине или другой детали, присоединяемой к ней.

При простановке размеров необходимо исходить из следующего: правила непосредственного размера - размер а с малым отклонением должен быть задан непосредственно, а не через размеры b и с (рис. 1.59, а);

Учет ошибок конструирования

 

 

Смотрите также