Основные требования к деталям, узлам и механизмам

Одним из важнейших показателей, определяющих спрос на проектируемый объект, является его качество. Обес­печение необходимого качества возможно при удовлетворе­нии эксплуатационных, производственно-технологических, экономических и эргономических требований, предъявляе­мых к деталям, узлам и механизмам.

К эксплуатационным требованиям относятся требо­вания работоспособности, технического обслуживания и ре­монта. Работоспособность  способность изделия выпол­нять заданные функции с параметрами, установленными в техническом задании (ТЗ). Техническое обслуживание  этап эксплуатации, направленный на поддержание надежнос­ти и готовности технических объектов и их элементов к штат­ной эксплуатации. В этот этап входят работы по профилак­тике, контролю, регулированию, смазке и др. Ремонт  это совокупность технических мероприятий, осуществляемых с целью восстановления работоспособности устройств.

Рассмотрим подробнее эксплуатационные требова­ния. Они включают в себя показатели назначения (функци­ональные показатели), надежность, массу, габариты, КПД, точность и др.

Показатели назначения входят в техническое зада­ние, в котором указывается назначение объекта, его состав, структура, особенности и ряд технико  экономических показа­телей:

- технические характеристики  вид и скорость движения, производительность, надежность, масса, габариты, КПД, точность;

- энергетические характеристики  источники питания, мощность, КПД;

- устойчивость к внешним воздействиям, влияющим на ра­ боту объекта;

- стоимость и другие показатели, зависящие от назначения объекта проектирования.

Отметим одно из противоречий, возникающих в группе эксплуатационных требований: для обеспечения требований технического обслуживания и ремонта необходимо преду­смотреть в конструкции подходы к ряду агрегатов и узлов, что реализуется обычно введением люков, откидных крышек и т. д. Это приводит к увеличению массы конструкции, что не­желательно для технических характеристик изделий.

Важнейшей характеристикой механизма (объекта) являет­ся его надежность. Надежность  свойство изделий выпол­нять в течение заданного времени или заданной наработки свои функции и сохранять в заданных пределах эксплуатаци­онные показатели. Надежность характеризуется безотказно­стью, долговечностью, ремонтопригодностью и сохраняемо­стью. Безотказность  свойство изделия сохранять рабо­тоспособность в течение некоторой наработки без вынуж­денных перерывов. Долговечность  свойство изделия сохранять работоспособность до предельного состояния с необ­ходимыми перерывами для технического обслуживания и ре­монта. Ремонтопригодность  приспособленность изде­лия к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей путем проведения технического обслужива­ния и ремонта. Сохраняемость  свойство изделия сохра­нять обусловленные эксплуатационные показатели в течение срока хранения, установленного в технической документа­ции, а также после срока хранения и транспортирования. Свойство безотказности существенно для изделий, выход из строя которых вызывает катастрофические последствия, на­пример отказ устройств летательного аппарата, может привес­ти к его гибели. Отметим, что у объектов, эксплуатирующих­ся на земле, после отказа возможно восстановление работоспо­собности. В наиболее ответственных системах для повышения надежности используется резервирование. Под резервиро­ванием понимают метод повышения надежности путем введе­ния резервных и дублирующих частей, являющихся избыточ­ными по отношению к минимальной, функциональной струк­туре изделия, необходимой и достаточной для выполнения заданных функций. Например, при низкой надежности элек­тродвигателя для повышения надежности электропривода в конструкцию вводят второй (резервный) двигатель, а на КА для открытия активных замков дублирование осуществляется трижды. Для повышения надежности возможно использова­ние предохранительных устройств, например предохранитель­ных муфт, ограничивающих вращающий момент, передавае­мый на последующие звенья передачи.

Массогабаритные показатели важны при создании технических объектов. Конструктор должен обеспечить требо­вания ТЗ по массе. Основой минимальных массы и габаритов механизма является правильный выбор материала, раци­ональной конструктивно-силовой схемы, формы и размеров деталей, применение композитов и т. д. При выборе матери­ала целесообразно использовать металлы с высокой удельной прочностью, неметаллы и композиты. При выборе формы де­тали балочного типа необходимо выбрать рациональное се­чение и обеспечить равнопрочность. При разработке любой конструкции актуален вопрос материалоемкости, так как сто­имость материала в общей стоимости изделия доходит до 80% в машиностроении, а в автомобильной промышленности  до 70%.

Важным параметром любого механизма является КПД. Од­ной из важнейших задач конструктора является обеспечение максимального КПД передачи. Повысить КПД можно путем перехода к более совершенным типам передач, у которых меньше потери на трение, например заменой передачи винт-гайка скольжения на шариковинтовую передачу (ШВП) или роликовинтовую передачу (РВП). При использовании под­шипников скольжения нужно применять такие материалы для вала и подшипника, чтобы они образовывали антифрик­ционную пару, определяемую низким коэффициентом тре­ния, высокой износостойкостью при правильном выборе сма­зочного материала. При высоком КПД снижается расход энер­гии. В механизмах, узлах и деталях должна быть обеспечена необходимая точность. Снижение точности ухудшает экс­плуатационные характеристики изделия, а завышение увели­чивает стоимость конструкции.

Выполнение производственно  технологических тре­бований обеспечивает технологичность конструкции. Техно­логичной называют такую конструкцию, для создания кото­рой требуются наименьшие затраты времени, труда и средств, при заданном объеме выпуска в условиях данного производст­ва. Например, в серийном и массовом производствах, более технологична та конструкция, в процессе изготовления дета­лей которой удается получить форму заготовки, максимально приближенную к конечной форме детали.

Рассмотрим примеры взаимодействия между эксплуатаци­онными и производственно-технологическими требованиями. При повышении точности обработки и уменьшении шерохова­тости контактирующих поверхностей в подшипнике скольже­ния увеличивается его долговечность, т. е. улучшаются экс­плуатационные показатели, однако повышаются затраты тру­да и средств, т. е. ухудшаются производственно-технологи­ческие и экономические показатели. Из этого противоречия следует, что не рекомендуется необоснованно завышать точ­ность обработки поверхностей. Использование в конструкции стандартных деталей упрощает ее ремонт и позволяет автома­тизировать изготовление таких деталей. Следовательно, улучшаются как эксплуатационные, так и производственно-техно­логические показатели, т. е. они, взаимодействуют, а не проти­воречат один другому.

Экономические требования связаны с достижением минимальной стоимости изготовления и эксплуатации дета­ли, узла и др. Уменьшение себестоимости, как правило, связа­но со снижением затрат живого труда, материалов, энергии на изготовление и эксплуатацию, с совершенствованием техно­логии и т. д.

Эргономические требования определяются безопасно­стью и комфортом для человека, эксплуатирующего объект, снижением или исключением вредных воздействий на чело­века и окружающую среду, повышением положительных эмоций.

Важно отметить, что в соответствии с ТЗ в первую очередь должны быть обеспечены эксплуатационные требования. Про­ектировщик большое внимание должен обращать не только на производство, но и на сбыт создаваемой продукции, т. е. тех­нические и экономические характеристики конструкции должны быть увязаны с требованиями потребителя.

При проектировании привода или узла должны учитывать­ся все перечисленные требования, а те из них, по которым осу­ществляется оценка объекта проектирования, становятся по­казателями качества  критериями, например критерий обеспечения минимальной массы конструкции или мини­мальной стоимости. Часто оптимизация системы осуществля­ется упрощенно и сводится к выбору наилучшего варианта конструкции, поэтому эффективнее ее проводить на основе математической теории оптимизации. В большинстве случаев задачи проектирования являются многокритериальными. При оптимизации полное удовлетворение всех требований часто нецелесообразно, поэтому ищут компромиссное реше­ние, например, используя метод Парето.

Работоспособность и надежность детали (элемен­та) обеспечивается за счет выполнения следующих основных требований: прочности, жесткости и стойкости к различным воздействиям (износу, вибрации, температуре и др.). Выпол­нение требований прочности при статическом, циклическом и ударном нагружениях должно исключить возможность раз­рушения, а также возникновения недопустимых остаточных и упругих деформаций. Требования жесткости к детали или контактной поверхности сводятся к ограничению возни­кающих под действием нагрузок деформаций, нарушающих работоспособность изделия, к недопустимости потери общей устойчивости для деталей балочного типа, подвергающих­ся сжатию, и местной  у тонкостенных элементов. Должна быть обеспечена износостойкость детали, которая сущест­венно влияет на долговечность работы механизма. Необходи­ма стойкость к вибрации, определяемая вибропрочно­стью детали. Достаточно, чтобы для каждой детали выполня­лись не все перечисленные требования, а лишь те, которые связаны с ее эксплуатацией. Например, пружина редуктора гидросистемы смазки машины должна удовлетворять требо­ваниям прочности, жесткости, стойкости к изменению темпе­ратуры и химическому воздействию среды, где она находится.

Для другой детали  металлической гайки, нагруженной си­лой, требования сводятся лишь к обеспечению прочности в за­данном интервале температур, а при контакте с влагой  защите от коррозии. При выполнении сформулированных требований деталь должна иметь минимальную массу и габа­риты, обладать необходимой точностью. Также необходимо выполнять и другие требования  обеспечить технологич­ность, безопасность изготовления и низкую стоимость детали.