Варианты конструкций

Разработка различных новых вариантов конструкций или выбор из готовых вариантов решений является важнейшим методическим приемом конструирования. Переход от простых узлов и машин к более сложным сопровождается ростом вариантов в связи с увеличением разнообразия материалов, конструктивных форм, распределения функций и т.п. Как правило, наиболее рациональные решения возникают при разработке достаточно большого числа вариантов и их углубленном анализе.

Целями разработки вариантов конструкции являются ее упрощение, выбор наиболее эффективной, уточнение наиболее важных характеристик и показателей (принцип действия, сокращение числа компонентов, безопасность использования, монтаж и транспортировка, технологичность конструкции), а также уточнение плохо прогнозируемых сторон конструкции.

Разработка вариантов конструкций включает два уровня:

  1. при разработке конструкции в целом уточняется принципиальная возможность реализации идей, принципа действия. При необходимости проводятся необходимые расчеты и эксперименты;
  2. при разработке узлов изучается возможность размещения узлов и механизмов, определяются наиболее важные габаритные размеры и т.п.

При оценке вариантов можно выделить ряд характерных случаев.

Расчетно-логический (количественный) анализ по основным показателям работоспособности конструкции. Это достаточно объективный путь оценки вариантов. При оценке вариантов расчетным путем и для их совершенствования могут использоваться различные методы оптимизации. При этом важными задачами являются:

  • выбор критериев оптимизации;
  • установление граничных условий и ограничений;
  • описание целевой функции и множества допустимых решений;
  • выделение главных критериев и установление весовых коэффициентов других критериев.

Прямая оптимизация. Наиболее простой является прямая оптимизация - нахождение оптимального значения наиболее важного показателя. Примером может служить определение оптимального межопорного расстояния bопт шпиндельного узла для повышения статической жесткости (рис. 1.66, а). При увеличении значения b податливость 1/с, вызванная деформацией самого шпинделя, растет (кривая 1), а податливость, связанная с опорами, уменьшается (кривая 2). При bопт суммарная податливость будет минимальной. Однако наиболее часто на плоскости ху определяют допустимую область решений (рис. 1.66, б), ограниченных изменением ряда величин (f1, f2, f3). Например, распределение передаточного отношения i = i i2 двухступенчатой передачи зависит от выбранного критерия (табл. 1.8).

Варианты конструкций

Варианты конструкций

Выбор оптимального варианта возможен только для относительно простых частных случаев.

Многокритериальная оптимизация. При этом важно выделить наиболее важные показатели и установить значимость каждого из них (например, в виде весовых коэффициентов). Так для планшайбы карусельно-шлифовального станка с диаметром обработки 2500 мм ответственным моментом является назначение привода вращения планшайбы, поскольку колебания от привода могут передаваться изделию (рис. 1.67). В качестве первого варианта I рассмотрен привод

Варианты конструкций

от электродвигателя постоянного тока, через коробку скоростей (не показаны) на шкив клиноременной передачи 1 и далее через торсионный вал 2 на планшайбу 3. Назначение торсионного вала 2 заключается в фильтрации крутильных колебаний привода. Во втором варианте II роль шкива выполняет сама планшайба, а торсионный вал исключен. Оценка вариантов может быть проведена на основе динамического анализа приводов: по амплитудно-частотным характеристикам, форме колебаний элементов привода. Поскольку в рассматриваемом случае момент инерции планшайбы оказался столь значительным, что конструкция привода практически не сказывается на изменении динамических характеристик планшайбы и вид привода определяется конструктивными соображениями.

Технические, экономические ограничения, а также требования техники безопасности, эргономики и др. Среди технических ограничений учитывают условия функционирования, способы изготовления (сварка, литье), сборки, испытаний, контроля, параметры помехоустойчивости, надежности и безопасности, вопросы триботехники, возможности технического обслуживания и др.

Необходимость делать выбор возникает на самой ранней стадии (зарождение идеи, поиск методов формообразования, компоновок) и присутствует в течение всего периода создания машины. Например, на этапе выбора метода обработки очень важно оценить всю совокупность проблем, стоящих перед разработчиком и потребителем при том или ином варианте (готовность производства, квалификацию, затраты, сроки, необходимость проведения научно-исследовательских работ и т.п.).

На основе анализа исходных вариантов устанавливаются (с точки зрения функционального использования и промышленной реализации) их слабые и сильные стороны и выбираются наиболее рациональные из них. Не следует сразу останавливаться на заманчивом, с первого взгляда, оригинальном решении, вроде бы не имеющем минусов, и, тем самым, ограничивать поиск в других направлениях. Особенно это касается ранних стадий проектирования.

Пример выбора метода обработки оптических зеркал (плоских, сферических или асферических). При обработке алмазным резцом 1 (рис. 1.68, а), обладающим высокой стойкостью, требуемые параметры изделия (например, отклонение от плоскостности) обеспечиваются за счет точного контроля положения резца (например, лазерными устройствами 2) относительно изделия 3. При использовании абразивного круга 1 (рис. 1.68., б), совершающего осциллирующее движение, съем материала зависит от удельной силы в контакте инструмента с заготовкой 3, скорости резания, времени нахождения инструмента в контакте с изделием, материала и др. После каждого рабочего цикла профиль изделия измеряется лазерными приборами 2, составляется топография поверхности и в зависимости от величины погрешности изменяется время контакта круга с изделием в данной области, постепенно приближаясь к идеальному профилю.

В абстрактном представлении нельзя обоснованно выбрать тот или иной вариант формообразования. Необходимо знать требуемую производительность, размеры изделия, стойкость резца, возможности приводов и измерительных устройств и многое другое. Но и достаточно полная информация по указанным особенностям не делает этот выбор легким.

При обработке алмазным резцом обеспечивается более высокая производительность, поверхность изделия более однородна. В то же время успех сильно зависит от теплового режима, точности приводов и геометрической точности станка. Затраты на станок могут быть весьма значительными. Обработка абразивным кругом реализуется на более простом (дешевом) станке, ее точность

Варианты конструкций

достигается методом последовательных приближений к заданному профилю и в меньшей степени зависит от точности станка. Однако производительность в этом случае существенно ниже, а качество поверхности хуже вследствие внедрения абразива в деталь.

Часто не представляется возможным дать исчерпывающий расчетный (количественный) анализ конструкции.

Выделение отдельных наиболее характерных качественных критериев работоспособности конструкции (размеры, простота, точность, технологичность и т.д. или сочетания качественных и количественных критериев). Весьма трудно, например, выбрать вариант компоновки: вертикальной, горизонтальной; консольной, портальной; с подвижной стойкой, с подвижным столом и т.п.

Рассмотрим компоновки горизонтальных многоцелевых станков, отличающиеся различным распределением исполнительных движений между узлами (рис. 1.69, а). При крестовой конструкции стола 2 (схема I) стойка 1 неподвижна, а деталь перемещается в горизонтальной плоскости. В схеме II перемещение в горизонтальной плоскости распределено между стойкой 1 и столом 2, а в схеме III деталь неподвижна, а стойка I перемещается вместе с салазками. Все эти компоновки используются на практике даже в пределах одного размера станка. Выбор той или иной компоновки зависит в значительной степени от интуиции, традиций, конкретных специфических условий.

Магазин М инструментов на многоцелевых станках может быть расположен (рис. 1.69, б): на стойке сбоку (схема I); на стойке сверху (схема II); на санях (схема III); на станине (схема IV) При оценке вариантов с позиции динамической податливости несущей системы в зоне резания в низкочастотном диапазоне колебаний установлено, что для тяжелого многоцелевого станка минимальная динамическая податливость обеспечивается при расположении магазина на санях или станине, а для станков средних размеров - при расположении его на стойке или рядом со станком.

Варианты конструкций

Выбор вариантов решений узлов и механизмов на уровне кинематических схем рассмотрим для дифференциалов и коробок передач (рис. 1.70). При выборе дифференциала трудно отдать предпочтение тому или другому варианту. Дифференциал с цилиндрическими колесами (схема I) менее критичен к погрешностям изготовления и монтажа; дифференциал с коническими колесами (схема II) дает возможность применения ведущих колес больших диаметров (при тех же общих размерах). Двухступенчатая коробка скоростей имеет большое передаточное отношение и используется при регулируемой частоте вращения двигателя М. В коробке, выполненной по схема I, входной и выходной валы расположены соосно, что повышает компактность, а одно из передаточных отношений коробки равно единице, в то время как в схеме II его можно изменять по желанию конструктора.

В конструкциях шпиндельных бабок с гидростатическими подшипниками осевой подшипник 1 выполнен по-разному (рис. 1.71, а). В схеме  I он расположен в задней опоре шпинделя, что облегчает монтаж, но вызывает тепловой увод переднего конца шпинделя. Осевая сила замыкается через детали, имеющие значительную протяженность. В схеме II эти недостатки устранены, однако изготовление и сборка шпиндельного узла (особенно осевого подшипника) значительно сложнее.

Механизмы переключения передач на две позиции, выполненные по двум схемам, показаны на рис. 1.71, б. В схеме I механизм имеет автономно перемещающуюся ось I с вилкой 2. В схеме   I I перемещается ось  I, на которой установлен зубчатый блок 2. В обоих случаях перемещение осей осуществляется с помощью гидравлики. Схема II обеспечивает лучшую компактность, но ее подвижная рабочая ось установлена с некоторым зазором в опорах скольжения. Схема  I наиболее распространена, так как механизм переключения скоростей, являясь по существу вспомогательным устройством, выполнен автономным.

Варианты конструкций

Варианты конструкций

В схеме I (рис. 1.71, в) для установки крышек 1 предусмотрены проточки, а в схеме II они отсутствуют. На рис. 1.71, г фиксация зубчатых колес блока осуществляется винтами (схема I) или пружинным кольцом (схема II). На рис. 1.71, д по-разному оформлены конические зубчатые колеса: в схеме I колесо имеет меньшую жесткость в осевом направлении, но изготовление колеса несколько проще и консоль нагружена меньше.

Выбор варианта шпиндельного узла, выполненного на базе радиально-упорных подшипников, также может опираться на современные методы расчета теплового состояния, жесткости и т.п. (рис. 1.72). Например, для работы на высоких частотах при легких или средних осевых нагрузках предпочтительными являются схемы II и IV, а при средних и тяжелых осевых нагрузках - схемы / и III.

Оценку вариантов компоновок также можно проводить исходя из динамической податливости несущей системы станка в зоне резания. В последнее время, особенно в станках с ЧПУ, стали использовать цилиндрический привод с выборкой зазора в зацеплении (рис. 1.73). Вращение от двигателя 3 на шпиндель 1 (и заготовку) передается через зубчатые колеса 4, зацепляющиеся с конечным звеном - зубчатым цилиндрическим колесом 2. Для выборки зазора в зацеплении этих колес предусмотрен торсионный вал 5, разворотом которого на некоторой угол обеспечивают требуемую силу в зацеплении при выборке зазора.

В традиционной схеме привода через червячную пару 1 (рис. 1.74) выборка зазора в ней осуществляется одним из способов, показанных на рис. 2.40 и рис. 2.41.

Цилиндрический привод отличается отсутствием самоторможения (и потенциально лучшими возможностями при работе следящего привода), высоким КПД и высокой допустимой частотой вращения, но при этом имеет сложную конструкцию.

Варианты конструкций

Варианты конструкций

Червячный привод характеризуется высокой редукцией при хорошей компактности, самоторможением, более высокой точностью (благодаря коэффициенту перекрытия реализуются «фильтрующие» способности передачи к погрешностям), однако имеет низкий КПД, ограничение по частоте вращения и износ колеса.

Аналитическим путем пока не удается однозначно ответить на вопрос о предпочтительности того или иного привода, и конструктор решает эту задачу исходя из опыта, технологических возможностей, особенностей проектируемого станка (скорости резания, размера станка и т.п.). Если какой-то тип привода не удовлетворяет техническим требованиям (например, частоте вращения), то вопрос о назначении варианта решается более определенно.

Выбор варианта компактных двухступенчатых коробок скоростей, выполненных на базе планетарной передачи (рис. 1.75, схема  I) или обычной двухступенчатой зубчатой передачи (схема II), может определяться требуемым передаточным отношением, передаваемой мощностью, возможностью предприятия- изготовителя и т.п. При больших передаточных отношениях (4-5) меньшие размеры обеспечивает планетарная коробка скоростей, к тому же передаваемая мощность также выше благодаря трем параллельно работающим сателлитам

Варианты конструкций

(установлены через 120° равномерно по окружности). Переключение передач осуществляется при перемещении колеса 1 с внутренним зубом с помощью гидроцилиндра 2. При меньших передаточных отношениях коробки схема 11 является вполне конкурентоспособной (особенно при небольшой мощности), к тому же она более проста в изготовлении. Переключение частоты вращения с одной ступени на другую производится при перемещении колеса 1 и соответствующим соединением напрямую выходного колеса 2 с двигателем (см. рис. 1.75) либо через две пары зубчатых колес 3 при перемещении зубчатого колеса 1 влево.

Использование личного опыта и интуиции конструктора. Как правило, любой вариант имеет преимущества и недостатки и роль конструктора состоит в том, чтобы при недостаточной информации принять вариант, имеющий больше преимуществ. Задача может решаться только в конкретной постановке, так как вариант, удовлетворяющий одно производство, может совершенно не подходить для другого.

Варианты конструкций

 

Весьма сложной оказалась проблема обслуживания тяжелого зубофрезерного станка при обработке крупных заготовок диаметром 5... 12 м (рис. 1.76): необходимо менять фрезу; попадать во впадину зуба новой фрезой (при замене); контролировать процесс обработки и др. Решение задачи - оснащение станка специальной площадкой оператора, которая позволит ему в любой момент переместиться в зону обработки и провести необходимые действия. В схеме I площадка 1 оператора находится на подъемно-поворотном устройстве 2, закрепленном на стойке станка 3. Такое решение позволяет при относительно компактных размерах устройств обслуживать станок как при небольших, так и при крупных заготовках. В схеме II подъемно-поворотное устройство 1 установлено рядом со станком и при больших размерах станка его габариты существенно больше, чем в первом случае (консоли длиннее). Тем не менее есть и определенные преимущества такой конструкции, полностью независимой от станка (обслуживание, монтаж, меньшее влияние на рабочий процесс и др.). И та и другая схемы применяются на практике.

Варианты конструкций

 

В механизме зажима инструмента с помощью тарельчатых пружин 3, воздействующих через шарики 2 на коническую поверхность оправки 1, разжим осуществляется с помощью гидроцилиндра 4 (рис. 1.77). При отсутствии оправки шарики не должны выпадать из втулки 5, и эта задача решается различными способами: в схеме I (рис. 1.78) выпаданию шариков 2 из втулки 5 препятствует стержень 3, входящий вместо оправки 1 в контакт с шариками (под действием пружины 4); в схеме II предусмотрена втулка 3 с конической поверхностью, расположенной ниже оси центров шариков, а в схеме III - конические отверстия 1 в самой втулке.

Варианты конструкций

 

Варианты конструкций

Очевидно, что однозначно выбрать вариант невозможно, поскольку все три схемы выполняют свою функцию. Ограничимся перечислением преимуществ и недостатков каждого из них. В схеме I необходимы дополнительные детали (пружины, подвижный стержень), выход из строя которых приведет к отказу в работе. Технология изготовления отверстий во втулке под шарики весьма проста (оси должны находиться в одной плоскости). В схеме II для удерживания шариков от выпадания используется неподвижная втулка, которая не снижает надежность работы, но создает хорошие технологические предпосылки для изготовления отверстий под шарики. В схеме III промежуточные детали исключены, но требуется выполнить конические отверстия с высокой точностью (есть опасность изготовления отверстий разной глубины, что исключает равномерную передачу нагрузки шариками). По мнению автора, схема II является предпочтительной.

На примере разработки элементов главного привода зубодолбежного станка (рис. 1.79) рассматривается сложность принятия решения при выборе того или иного варианта конструкции. В схеме, показанной на рис. 1.79, а, вращение от двигателя 1 передается через кривошипный вал 2, каретку 3 и камень 4 на салазки 5 шпинделя 6 станка. Необходимо спроектировать механизм автоматического изменения расхода а (хода) долбяка. Задача сводится по существу к установке каретки 3 таким образом, чтобы расстояние b между осями камня 4 и кривошипного вала 2 составляло 1/2 хода долбяка: b = 1/2 а. Необходимо также зафиксировать каретку 3 в отрегулированном положении. Поэтому задача создания механизма перемещения каретки 3 и устройства ее зажима должна решаться в тесной взаимосвязи.

Для изменения хода долбяка в конструкции по схеме  I (рис. 1.79, б) необходимо зафиксировать коническое колесо 1 (фиксатором 6), тогда при вращении кривошипного вала 2 происходит вращение колеса 5 и винта 4 привода каретки 3. В этом случае зубчатый механизм работает как планетарная передача с вращающимся водилом (кривошипным валом 2). Недостатками такого механизма являются плохое базирование конического колеса 1 при ограничениях по длине (малой ширине В колеса), а также наличие возвратно-поступательного перемещения долбяка при установке расхода. При этом используется единый привод для установки расхода и для обработки.

При использовании схемы II перемещение каретки 3 производится от автономного привода 1 с помощью винта 4. В этом случае происходит соединение зубчатых полумуфт, например, от гидроцилиндра. Такое решение связано с усложнением конструкции (дополнительный привод), а установка расхода происходит при среднем (по длине хода) положении долбяка (так как привод вращения можно конструктивно расположить только горизонтально). Его преимущество заключается в том, что долбяк при перемещении каретки неподвижен.

Варианты конструкций

В механизме, выполненном по схеме III, установка расхода долбяка осуществляется за счет поворота эксцентриковой оправки 1 (с эксцентриситетом е) от главного привода при вращении кривошипного вала 2. Для этого происходит осевое перемещение оправки 1 (привод не показан) и расцепление зубьев кулачковой муфты 3. При этом цапфа диаметром d оправки входит в отверстие 4 салазок .5 и блокирует оправку 1 от проворота при вращении кривошипного вала 2. При повороте оправки 1 относительно кривошипного вала 2 происходит изменение эксцентриситета е (расхода) Следует отметить, что при таком механизме при установке расхода требуется разрывать цепь механизма отскока шпинделя, чтобы не потерять фазу отвода, при нулевом положении пальца (ось цапфы оправки 1 совпадает с осью кулачкового вала 2) механизм не работает, а дискрета отсчета величины расхода не постоянна и зависит от углового положения оправки 1. Преимуществами механизма являются жесткость конструкции и простота выполнения.

Разновидность механизма перемещения каретки - схема IV. В этом случае функция перемещения от автономного двигателя совмещена с закреплением каретки. (Можно также перемещение каретки осуществлять и от главного двигателя.) Это осуществляется с помощью дифференциального винта 1 (винты с разной резьбой - левой и правой), одна часть которого служит для перемещения, а вторая - для закрепления каретки 3 клином 2. При закреплении происходит фиксация гайки 4, связанной с клином 2 Перемещение каретки осуществляется при включении муфты 7, а зажим - муфты 5. При этом в приводе зажима требуется предохранительная муфта б, ограничивающая силу зажима, а ход муфты 5 непостоянен и зависит от положения клина 2.

На рис. 1.79, в показаны различные механизмы зажима каретки, которые реализуются в схемах I и II. При прямом зажиме (схема I) требуется значительная сила тяги, кроме того, зажим осуществляется в средней части кривошипного вала, в то время как каретка имеет перемещение на 1/2 величины хода долбяка. Выполнив ослабленным сечение каретки 3, можно увеличить силу зажима за счет деформации элементов 1 и 2 направляющих каретки. В схеме II зажим производится клином 2, взаимодействующим с кулачковым пазом тяги 1. Выигрыш в силе (за счет клинового механизма) теряется из-за низкого КПД. К тому же конструкция неоправданно усложнена. Зажим в схеме III осуществляется через тягу 1 и кулачково-эксцентриковый механизм 2, что дает выигрыш в силе по сравнению со схемами I и II, но конструкция достаточно сложная.

Зажим, показанный на рис. 1.79, з, осуществляется с помощью рейки 1 (от гидравлики), вращающей зубчатое колесо 2, имеющей на конце коническую поверхность. При осевом перемещении колеса 2 оно деформирует направляющие элементы 3 и 4 каретки 5, благодаря чему и осуществляется зажим. (При зажиме исключается вращение винта с помощью муфты.) При перемещении каретки 5 (за счет вращения винта 6) не происходит относительного изменения положения зажимных элементов (конических поверхностей колеса 2 и каретки 5) и зажим производится одинаково при перемещении каретки 5 в пределах длины хода.

Таким образом, рассматривая решение одной из конструкторских задач, необходимо учитывать большой комплекс вопросов: от условий эксплуатации, технологических возможностей и квалификации предприятия-изготовителя до оценки стоимости, влияния погрешностей изготовления на работоспособность и т.п.

Вследствие невозможности механического перебора всех возможных вариантов (из-за ограниченности времени и средств) успешный выбор рациональных конструкций часто базируется на эвристических подходах, при которых множество вариантов отсекается подсознательно, с учетом опыта.

Смотрите также