Синтез принципа действия Функция цель физический принцип

Синтез принципа действия Функция — цель, физический принцип — основа ее достижения. Задача синтеза принципа действия — перевести словесное описание технической задачи (ТЗ) на материально-физическую основу, предложить функциональнофизическую схему разрабатываемого объекта, причем такую, которая наилучшим образом удовлетворит требованиям ТЗ.

Cоставление функциональной структуры Графическим отображением схемы может служить блок-схема, где обозначено: • Выполняемое действие (функция). Изображается стрелкой с обозначением (Ф). Название функции приводится в ТЗ: это та функция, реализация которой обеспечит выполнение заданной потребности; • проектируемый объект (ТС), который выполняет указанное действие. Изображается в виде прямоугольника; • объект воздействия (ОВ), на который направлено действие. Конкретизирует условия реализации функции, приводится в ТЗ. Изображается прямоугольником.

Возможные виды функциональных схем разрабатываемых объектов

• В отдельных случаях ТЗ включает указание на вид объекта, приводящего проектируемый объект в действие • В начало функциональной схемы вводят блок-источник действия (ИД) и соответствующую стрелку-функцию (рис. б). • При необходимости управления его работой изделия в функциональную схему включают дополнительные связи.

• Блок-схема принимает вид - рис. в, где СУ — система управления, Фу — выполняемая функция (например, регулировать (Фу) усилие, создаваемое устройством (ТС), удерживающим (Ф) некий груз (ОВ)). • Система управления имеет обратную связь - изменяет характер своего действия в зависимости от его результатов. В схеме вводят ответное воздействие (Фо). • Если структура сложная (рис. г), то для удобства анализа ее можно представить в виде простых структур (рис. д)

• Выделение элементарных действий. При составлении функциональной структуры может оказаться, что не ясна суть функции, приведенной в ТЗ, или характеризующие ее термин и схема имеют слишком обобщенный вид. Поэтому следующим шагом является выделение элементарных действий, выполнение которых обеспечивает требуемое функционирование разрабатываемого объекта. Их поиск возможен рядом способов:

1. Выбором из списка операций. Предложено 12 пар операций (прямого и обратного действия): излучение-поглощение, проводимость-изолирование, сборрассеяние, проведение - непроведение, прямое и обратное преобразование, увеличение-уменьшение, изменение направления, выравнивание-колебание, связь-прерывание, объединениеразъединение, соединение-разделение, накопление-выдача. Цепочки составляют интуитивно, эвристическими методами, логически, а затем комбинируют.

2. Посредством декомпозиции исходного понятия функции и построения из найденных элементарных функций функциональных цепочек. Разложение исходной функции (цели) на элементарные понятия 3. На основе анализа подобных объектов с последующей комбинацией выявленных действий.

Составление функциональной структуры можно вести постепенно, полагаясь на итерационный характер процесса проектирования, изучая подобные объекты — аналоги и прототипы, их устройство, опыт эксплуатации. К аналогам относят объекты сходной сущности и достигаемого при использовании результата. Наиболее близкий аналог называется прототипом. Наличие прототипа и затрудняет работу. Он создает психологическую инерцию, предопределяет ход поиска решений.

• В процессе анализа прототипа, прежде всего, изучают его функциональную структуру, способ разрешения имеющихся противоречий, тенденции развития данных объектов техники. • Поиск аналогов и прототипов ведется на основе изучения научно-технической литературы и патентной документации Ведение патентных исследований регламентируется ГОСТ • Патентные исследования позволяют определить патентоспособность создаваемого объекта на уровне способа.

• Поиск патентно-чистой функциональной структуры обязателен: • если необходимо закрепиться на рынке и недопустимо копирование разрабатываемого изделия конкурентами. С этой целью на решение следует получить патент; • чтобы не выпускать продукцию, в основе которой лежат защищенные патентами чужие решения.

Подбор физических эффектов • Понятие физического эффекта • Удовлетворение потребности возможно либо созданием материальных объектов, либо воздействием на потребителя. • Удовлетворение потребности материальным способом базируется на том, что в основе функционирования любого устройства лежит физическая реальность — взаимодействие материальных объектов, подчиняющихся физическим законам. Функционирование большинства изделий основывается на использовании физических законов.

• Взаимодействие, описываемое каким-то одним физическим законом, составляет элементарное физическое явления или физический эффект (ФЭ). Физический эффект устанавливает причинноследственную связь и энергетические потоки между взаимодействующими объектами. В простейшем случае он может быть представлен блок-схемой (рис. а).

Блок-схемы принципа действия

• Здесь Э 1 — энергия, подводимая к некоторому объекту Н 1, а Э 2 — энергетический результат этого воздействия и Н 2 — носитель этой энергии. Например, тепловая энергия Э 1, подведенная к твердому телу Н 1, вызывает электромагнитное излучение Э 2, носителем которого является поле Н 2 (свет). Такая схема отражает закон преобразования и сохранения энергии.

• Блок-схема физического эффекта близка к функциональной схеме: каждой функции соответствует свой вид энергетического состояния, а носителям энергии — техническая система и взаимодействующие с нею объекты. Так, у выше приведенного примера будет следующая функциональная схема (рис. б): нагревать (Фи) объект (ТС), чтобы он испускал (Ф) свет (ОВ). Блоки (ИД, ОВ) функциональной схемы конкретизируют условия применения будущего изделия — чем нагревать и как освещать.

• Часто функциональную и физическую схемы принципа действия совмещают, т. е. работают с функциональнофизической схемой. • Физические эффекты, составляющие принцип действия, должны быть сопряженными, т. е. выходной поток одного эффекта соответствовать входному потоку другого, последующего. Сопряженные физические эффекты могут образовывать как последовательные, так и ветвящиеся маршрутные цепочки принципа действия.

На рис. б показана блок-схема принципа действия электрической лампы накаливания, включающая два сопряженных физических эффекта ФЭ 1>ФЭ 2, где ФЭ 1 — нагрев проводника током, ФЭ 2 — тепловое излучение твердого тела. Большинство физических эффектов —зависят от ряда условий (несколько входных и выходных потоков). Например, в случае нагрева твердого тела (Н 2) трением необходимо обеспечить не только его движение (Э 11) относительно другого тела (Н 1), но и взаимно прижать (Э 12) их.

В настоящее время известно большое число физических эффектов (порядка 5 000). В помощь инженерам существуют базы данных, компьютерные программы, справочники физических эффектов, содержащие описание и примеры применения. Наряду с физическими эффектами в процессе проектирования учитывают : химические эффекты, биологические эффекты, психологические, физиологические и социальные эффекты

Часто оперируют с принципами действия элементарных устройств: Рычаг - предназначен для изменения величины усилия и перемещения;

Клин плоский - предназначен для изменения направления и величины усилия и перемещения

Клин винтовой (винт) - предназначен для преобразования поступательного движения во вращательное

Ворот - предназначен для преобразования видов движений;

Пружина - предназначена для получения упругих смещений

Функции, выполняемые механическими устройствами, подразделяются на : создание механического усилия. Например, удержание одного тела в определенном положении относительно другого. Взаимодействие осуществляются посредством геометрического (контактного) или силового (фрикционного) замыкания; приведение в движение. Такая задача связанна с преобразованием энергии. Например, переместить твердое тело относительно опорной поверхности. Здесь возможными будут эффекты, имеющие на выходе кинетическую энергию (перемещение тела как целого) или энергию деформации (взаимное смещение частей тела).

Составление функционально-физической схемы Имея функциональную схему, переходят к составлению функционально-физической схемы. В ТЗ обычно присутствуют указания на вид объекта воздействия (Н 2, рис. б) и выполняемую функцию (Ф). Из анализа физической сущности этой функции можно установить энергетическое состояние (Э 2) объекта воздействия. Например, из задания «устройство для перемещения груза» следует, что объект воздействия — условно твердые тела (кирпичи, бочки с водой, мешки с песком и т. п. ), которым нужно сообщить кинетическую энергию.

Сведения по виду проектируемого объекта (Н 1) и его энергетическому состоянию могут либо отсутствовать, либо определяться функцией источника действия (Фи), либо выбираться с учетом дополнительных требований ТЗ. Наиболее часто поиск физической схемы ведется эвристическими методами. В автоматизированных системах широко используется метод синтеза, который основан на поиске в базе данных пар сопряженных физических эффектов и построения из них цепочек так, чтобы удовлетворить заданному выходному и возможному входному воздействиям.

Анализ и развитие схемы • Анализ требований ТЗ с целью выявления явных или скрытых физических условий и ограничений уменьшает вариантность, но делает задачу целенаправленной. Основными такими требованиями являются: • доступность источника энергии. Исследуется место эксплуатации разрабатываемого объекта и выясняется, какие источники энергии там имеются или какую энергию можно подвести; •

• Мощность источника энергии должна обеспечить функционирование объекта. Мощность оценивают из закона сохранения энергии, т. е. подводимая энергия должна быть не меньше необходимой для работы объекта. И «производительность» каждого физического эффекта в цепочке должна соответствовать этой мощности. Аналогично проверяют на способность развивать требуемое усилие;

• Промышленная реализация: возможность получения необходимого количества требуемых материалов и последующей их обработки; стоимость используемой энергии, безопасность, экологичность. • стоимость используемой энергии, безопасность, экологичность.

• Удачные принципы действия отличает: • совмещение носителей энергии, т. е. использование одного и того же объекта в нескольких физических эффектах; • минимальное число преобразований одних видов энергии в другие, т. е. выполнение объекта однородными; • совмещение функций в физическом эффекте.

• При разработке объекта сначала подбирают принцип действия для главной функции, потом — для выявленных вспомогательных. Далее, предложенные отдельные принципы действия состыковывают и совершенствуют. • Создание оригинальной схемы служит признаком патентоспособности разрабатываемого объекта. • В процессе проектирования не всегда проходят этап синтеза принципа действия. Однако анализ принципа позволяет установить резервы развития и пути объекта.

Физическая постановка задачи позволяет получить : • знание физического закона конкретизирует условия реализации — уточняется вид и характер связей, сопутствующие явления, возможные последствия. • математическая формулировка физического закона очерчивает круг основных параметров, характеризующих процесс функционирования; • физический принцип и его математическая формулировка составляют основу построения модели функционирования проектируемого объекта. •

Этапы синтеза принципа действия 1. Разработка функциональной структуры. 1. 1. Выбор на основе ТЗ исходной функциональной структуры, уточнение видов объектов и связей между ними. 1. 2. Детализация исходной структуры, выделение элементарных действий. 1. 3. Развитие структуры, выявление дополнительных функций. • .

2. Разработка функционально-физической структуры. 2. 1. Замена элементов функциональной структуры на физические аналоги — энергию и ее носители. 2. 2. Подбор физических эффектов. 2. 3. Построение цепочек физических эффектов. 2. 4. Отбор предпочтительных вариантов.

3. Проверка функционально-физических схем на соответствие требованиям ТЗ. 4. Разработка принципов действия подсистем и состыковка их. 5. 3. Структурный синтез • На этапе синтеза принципа действия становится известна физическая основа проектируемого объекта, вид и состояние материальных тел, их физические параметры. На этапе — синтеза структуры, - эти тела приобретают форму, уточняется их количество и взаимное положение, объект получает зримое представление. Начинается процесс конструирования. • .

• Синтез структур позволяет получить значительное число вариантов решений и является важным средством достижения высоких характеристик проектируемых объектов. Считают, что эффективность принципа действия, оригинальность конструкции и применение новых технологий, прежде всего определяют высокий уровень конкурентоспособности изделия

• Синтез структур — трудно формализуемый этап. Он тесно связан с эвристическими процедурами. Можно предложить следующую последовательность действий: • 1. Переход от функциональнофизической схемы к структурной: для каждого физического эффекта подбирается вариант элементарного устройства, реализующего это действие. Устройство состоит из взаимодействующих тел, физические свойства которых заданы физическим эффектом.

• 2. Состыковка элементарных устройств в единую систему. Условиями сопряжения, например, для механических объектов служат соответствие видов и направлений движений выходного и входного звеньев сопрягаемых устройств или видов и направлений действия нагрузок (для неподвижных систем-конструкций), формы сопрягаемых поверхностей и их расположение. • 3. Исследование возможности изменения взаимного расположения отдельных частей. Например, последовательносоосное расположение, пространственное, плоское, под углом

• 4. Проверка полученной структуры на возможность функционирования. Для механических объектов такой проверкой служит определение числа степеней свободы, если проектировался механизм, и числа связей для неподвижной конструкции. Эти параметры подсчитываются на основе изображения структуры и не требуют знания геометрических размеров.

• Если проектировался механизм, то его число степеней свободы должно быть не меньше единицы. Более 90% используемых в технике механизмов имеют одну степень свободы. Такие механизмы проще управляются, методы их проектирования более разработаны. В настоящее время вместо механизмов с несколькими степенями свободы предпочитают использовать систему одностепенных механизмов, работа которых контролируется и согласовывается единым управляющим устройством (процессором).

При проектировании механической конструкции с относительно неподвижными частями ее число степеней свободы должно быть меньше единицы. Если число степеней свободы равняется: 0, то такие механические системы являются неподвижными статически определимыми. Усилия в элементах определяются из уравнений статики; Если число степеней свободы ≥ 1, то это указывает на относительную подвижность отдельных элементов системы.

• Если система изначально проектировалась как неподвижная конструкция, то необходимо введение дополнительных связей, предотвращающих эту подвижность; • Если число степеней свободы < 0, то такие механические системы статически неопределимы, имеют избыточные связи. Число избыточных связей - степень статической неопределимости.

• В статически неопределимых системах определение реакций в опорах, внутренних силовых факторов, напряженного состояния возможно только при учете условий совместности деформации ее отдельных частей. Результаты расчетов таких систем зависят от конкретных значений параметров рассчитываемой конструкции (начальные зазоры, геометрические размеры и их отклонения, модуль упругости) и условий ее эксплуатации.

• Возникающая неопределенность требует повышенной точности изготовления и сборки, поддержания стабильности условий эксплуатации. Статически неопределимые системы используют для повышения конструктивной жесткости изделия.

• Развитие и совершенствование предложенных структур, разрешение возникших противоречий. Здесь эффективно применение приемов ТРИЗ, постановка и ответы на контрольные вопросы (например, зачем нужен данный элемент формы детали? Какая форма технологичнее? ). Синтез структур в значительной степени является эвристической деятельностью. Широко используют следующие методы генерации структур.

• 1. Перебор вариантов из банка структур-прототипов. Это — метод проектирования по аналогии, приспособления известных решений к новым условиям. Такими банками служат атласы машин и их частей, архивы предыдущих разработок, справочники структур и конструкций, патентная литература.

• 2. Комбинирование элементарных структур. К элементарным структурам относятся схемы передач, установки опор валов, схемы соединений. Распространенные типовые элементарные структуры приведены в справочниках. Для каждого элемента функционально-физической схемы предлагают варианты элементарных структур, комбинированием которых получают варианты структурных схем устройства. Комбинации получают на основе морфологического анализа.

Синтез структур на основе анализа свойств геометрических тел. Нужная структура создается путем подбора элементов из банка геометрических эффектов. На выбор формы поверхности, прежде всего, влияют ее возможная технологичность, способность удовлетворения функциональным требованиям, эстетическое восприятие.

окружность, круг — из фигур с одинаковой площадью обладает наименьшим периметром

сфера, шар — из фигур с одинаковым объемом обладает наименьшей площадью поверхности, имеет бесконечное число осей симметрии

спираль Архимеда — расстояние по нормали между соседними витками является постоянной величиной;

эвольвента круга (спираль) — касательная к основной окружности является нормалью к линии спирали

Параллелограмм при шарнирном закреплении сторон является кинематически подвижной фигурой с постоянно параллельными противоположными сторонами

Треугольник - при шарнирном закреплении сторон является кинематически неизменяемой (жесткой) фигурой

конус — при совпадении вершин пары конусов они катятся один по другому без проскальзывания

однополюсный гиперболоид, цилиндр, конус — имеют линейчатую поверхность;

Цилиндр - имеет линейчатую поверхность

Конус- имеет линейчатую поверхность

однополюсный гиперболоид - имеет линейчатую поверхность

лента Мебиуса — фигура с односторонней поверхностью

складчатые поверхности — имеют большую поверхность при малом объеме, высокую гибкость сильфон

Конструкция типа гармошки

Составление обобщенной структуры • Структура включает возможные элементарные структуры. Например, обобщенной структурой может служить схема многостержневой конструкции с избыточным числом элементов. Включение в работу того или иного стержня учитывается, допустим, коэффициентом, отличным от нуля, а выведение из схемы — присвоением коэффициенту нулевого значения.

• Обобщенной структурой может быть функционал, конкретное значение которого отыскивается методами вариационного исчисления, либо полином. Обобщенная структура позволяет строить обобщенные математические модели и вести поисковое конструирование с привлечением методов оптимального проектирования. Эта структура тесно связана с характеризующими ее параметрами, и поэтому ее вернее было бы считать структурнопараметрической моделью.

Обобщенную структуру можно получить с помощью морфологической таблицы. Структурные признаки удобно отыскивать, анализируя прототипы. Например, для привода : вид передачи, вид зацепления (цевочное, эвольвентное, . . . ), направление линии зуба (прямозубая, косозубая, круглозубая, . . . ), зацепление (внешнее, внутреннее), поточность (одно-, двух-, . . . ), расположение опор (симметричное, несимметричное, консольное), схема установки опор (враспор, врастяг, . . . ), защищенность передачи (закрытая, открытая)

Синтезированная структура проверяется на патентную чистоту. После синтеза вариантов структур переходят к выбору лучшей. Но поскольку методы структурной оптимизации еще недостаточно развиты, то выбор лучшей структуры сводится к поиску рациональной. Широко используют ранжирование структур на основе опыта эксплуатации изделий с подобными структурами. Например, по уровню технологичности цилиндрическая передача предпочтительнее планетарной, которая, предпочтительнее волновой.

Выбранная структура служит основой создания чертежа разрабатываемого объекта. С другой стороны, графическое отображение схемы или эскиза позволяет лучше представить этот объект, облегчает выбор и построение расчетной схемы. Графическое изображение необходимо при обсуждении разработки с другими людьми или фиксирования и архивации результатов работы. В простых и очевидных случаях сразу переходят к расчетам и вычерчиванию конструкции.

Параметрический синтез -ПС На этапе ПС определяются конкретные вид и характеристики проектируемого объекта, дают наиболее обоснованное заключение о допустимости принятых решений. Цель этапа - определение объектных параметров, по которым будет изготавливаться изделие. Остальные параметры используются как вспомогательные и служат для записи требований ТЗ, характеристик объекта и обоснования принимаемых решений.

Определение параметров объекта возможно разными методами — экспериментальными, эвристическими, но чаще всего — посредством расчетов. Чем точнее будут определены параметры, тем выше качество спроектированного объекта, особенно это касается его надежности, компактности, экономичности и других показателей.

Проведение расчетов связано с расчетными моделями. Это могут быть известные модели или разрабатываемые применительно к конкретной задаче. В понятие расчетной модели входит и расчетная схема. Ее составление позволяет проверить соответствие расчетов выбранной схеме, а схемы — реальному объекту. Схема — первична, а расчеты — вторичны, и какими бы точными не были расчеты, они не повысят точность результатов, если расчетная схема была грубая или же неверная.

• Используемые на данном этапе требования ТЗ должны быть максимально формализованными, а ранее выбранные физические принципы, геометрические соотношения и условия состыковки элементов структуры — получить математические выражения. В сложно формализуемых задачах поступают следующим образом:

• декомпозируют исследуемое явление (сведение, условие, ограничение или показатель качества) до получения набора элементарных понятий, которым можно поставить в соответствие математическое выражение. Например, технологичность –> простота форм поверхностей –> использование плоских и цилиндрических поверхностей –> введение ограничений на соотношение параметров, характеризующих формы деталей. Или, красота изделия –> соблюдение золотого сечения –> запись соотношения между параметрами, характеризующими внешний облик;

• проводят экспериментальные исследования с последующей обработкой данных. Например, проведение ресурсных испытаний с целью установления связи между долговечностью детали и действующей на нее нагрузкой; • используют упрощенные «инженерные» зависимости, выбираемые из аналогичных задач и подгоняемые под условия конкретной задачи введением уточняющих коэффициентов (часто определяются из экспериментальных исследований и опыта эксплуатации, например, коэффициенты запаса, динамичности и т. д. ).

В процессе расчета может оказаться, что расчетная схема, охватывающая все интересующие параметры, слишком сложна. Рекомендуют воспользоваться методом последовательных приближений: сначала составить задачу для определения наиболее важных параметров, а затем — второстепенных. В процессе расчетов приходится сталкиваться с проблемами точности решения и принятия решения

Каждый параметр, приводимый в проектной документации, известен с некоторой точностью и характеризуется своими предельными значениями и законом распределения. Представление параметров в виде конкретного числа вносит в расчет неопределенность и поэтому должно проводиться обоснованно. Например, расчет по средним или по предельным значениям, в «запас прочности» .

Точность результатов расчетов определяется точностью исходных параметров и точностью выбранной модели и метода решения задачи. И наоборот, точность выбираемых модели и метода решения должны обеспечивать требуемую точность результатов. Необходимость принятия решения, в основном, связана с особенностью всех реальных задач — множественность получаемых решений. Это вызвано тем, что число искомых параметров больше числа связывающих их условий.

Для получения обоснованного вывода поступают следующим образом: • доопределяют задачу из анализа ТЗ, выявляют недостающее количество условий или обоснованно задаются; • задача формулируется как оптимизационная, а параметры разделяют на искомые (обычно, это — критерии оптимизации), варьируемые (подлежащие определению) и неизменные (постоянные, приблизительно постоянные, константы).

Выполнение технических расчетов -наиболее формализованная часть проектной деятельности. Существуют типовые задачи, с хорошо отработанным алгоритмом решения. Чтобы наглядно представить виды типовых задач, условно разделим все параметры на три группы: Н - параметры нагружения (эксплуатации); объектные параметры, характеризующие облик изделия (геометрические размеры Р) и материал М. Тогда состояние изделия можно охарактеризовать функцией f(Н, Р, М)=0.

Технические расчеты следующие виды: подразделяют на Примечание: Зу - задается из условий, Uу ищется из условий, У - проверяются условия.

1. Задача определения параметров проектируемого объекта по заданной нагрузке (условиям эксплуатации, приведенным в ТЗ). Поскольку, упрощенно говоря, уравнение одно (f), а неизвестных величин — две (Р, М), то задачу решают как оптимизационную или же одним из неизвестных сначала задаются. 1. 1. Если задаются материалом (маркой и физикомеханическими характеристиками), то такая задача называется проектировочным расчетом. Материал выбирают, стараясь учесть требования ТЗ (например, если изделие должно быть компактным, то желателен материал с высокими прочностными характеристиками). Размеры затем определяют из уравнений, отражающих требования ТЗ (условия прочности и жесткости и т. д. ), состыковки и т. п.

1. 2. Если задаются размерами (предельными диаметром или габаритами, присоединительными размерами и т. п. ), то такая задача называется «вписаться в заданный габарит» . Из уравнений, отражающих требования ТЗ, затем определяют физико-механические характеристики материала (модуль упругости, пределы прочности и выносливости, твердость и т. п. ), по которым подбирают его марку. Такая задача может не иметь решения, если заданы очень жесткие ограничения на размеры и по получаемым физико-механическим характеристикам нельзя подобрать материал. Такие ограничения приходится смягчать

• 2. Определение нагрузочной способности. Задача возникает, когда уже имеется спроектированное или изготовленное изделие и требуется либо проверить соответствие его технической характеристики (нагрузочной способности) паспортным данным, либо восстановить ее. Точность выводов зависит от того, насколько правильно и будут учтены особенности эксплуатации и определены исходные данные, выявлены и математически описаны возможные критерии отказов, составлены расчетные схемы. При наличии нескольких условий за допустимую нагрузку принимается предельно возможная.

• 3. Проверочный расчет. Задача ставится, когда изделие уже спроектировано и требуется дать заключение об уровне его надежности (срок службы, запас прочности, уровень безотказности и т. п. ). Заключается в проверке выполнимости условий, либо типовых (для данного вида изделий и условий его эксплуатации), либо выявленных в ходе эксплуатации. . Важным моментом также является обоснованное назначение предельного допустимого значения, в сравнении с которым и делается заключение о выполнимости условия.

Проверочные расчеты относятся к прямым задачам. Сложные проектировочные расчеты часто сводят к серии проверочных, в процессе которых определяют, например, методом последовательных приближений значения искомых параметров. Такой подход используется при расчете подшипников качения и в других случаях.

• После определения параметров объекта становится возможным проверить ранее сделанные предположения (например, о габаритах и массе объекта и его частей) и, при больших расхождениях, уточнить исходные данные и повторить расчеты, проверить согласованность основных параметров взаимодействующих подсистем, таких как производительность (например, величин мощности с учетом КПД), степень надежности (желательно, чтобы части объекта имели одинаковую надежность).

На этапе ПС определяются данные, на основе которых вычерчивается его изображение, и в первую очередь, чертеж общего вида. Их набор (численные данные, приводимые в текстовой документации, и графическая документация) образует необходимый комплект проектной документации. Этап ПС максимально формализован, многие расчеты регламентированы стандартами. Часто необходимо проводить серию однотипных расчетовэффективно применение вычислительной техники

Циклы итерации проектирования По завершении ПС работы по созданию объекта формально должны закончиться. В действительности структура процесса проектирования редко представляет собой прямую последовательность действий. Проектируемые объекты, как правило, сложные, причем необходимость во многих подсистемах выявляется лишь в процессе разработки. Полный набор сведений, необходимый для решения проектной задачи, становится известен только в конце работы.

Часто к проектированию привлекается несколько разработчиков (людей, организаций). В связи с этим реальная структура проектирования сложнее, чем представленная на ранее на рисунках. .

Структура сложного процесса проектирования

Структура проектирования как сложного процесса показана учитывает иерархичность объекта-системы, итерационный характер деятельности и взаимодействие участников разработки. Техническое требование составляет заказчик системы или же разработчик надсистемы. В соответствии с полученным ТТ разработчик формирует ТЗ и на стадии технического предложения ПТ выполняет декомпозицию объекта и подготавливает частные технические задания на подсистемы.

Пусть из состава объекта выделена одна подсистема, которой установлено частное техническое задание ЧТЗ 1. После выполнения всех этапов технического предложения разработчик согласовывает и утверждает его у заказчика (пунктирная линия ПТ-ТЗ), при этом они совместно уточняют исходное ТЗ. Участие разработчика в окончательном оформлении ТЗ делает его более полным и повышает обоснованность поставленной задачи.

• После утверждения ТП разработчик распределяет по соисполнителям частные ТЗ (линия ПТ-ЧТЗ 1), на основании которых могут вырабатываться частные ТЗ для подсистем более низких уровней. Если подсистемы второго уровня отсутствуют, то ТП для подсистем не выполняется, поскольку практически было завершено на уровне системы. • После распределения ТЗ разработчики объекта приступают к выполнению стадии эскизного проекта (линии ТЗ-ЭП и ЧТЗ 1 ЭП 1). Проработка структуры на этой стадии ведется при тесном взаимодействии всех разработчиков (линия ЭП-ЭП 1).

• В процессе такой работы увязываются между собой отдельные части, согласовываются основные параметры проектируемого объекта. Качество проектирования зависит от широты видения разработчиком проблемы, т. е. от его кругозора и способности учесть все связи рассматриваемого объекта, и наличия у него знаний, захватывающих смежные области. В процессе эскизного проектирования и согласования частных решений с общим возможна корректировка ТЗ (пунктирные линии ЭП -ТЗ и ЭП 1 -ЧТЗ 1).

После завершения ЭП, согласования и утверждения полученных технических решений у заказчика переходят к стадии технического проектирования (линии ТЗ-ТП и ЧТЗ 1 -ТП 1). Выполняется вся основная конструктивная проработка объекта и его частей, уточняются технические решения с возвратом на предыдущие стадии (пунктирные линии ТП-ЭП и ТП 1 -ЭП 1). Техническое проектирование ведется при взаимодействии всех разработчиков. Объединение отдельно спроектированных подсистем в единое целое, проверка допустимости сборки и совместного функционирования называется композицией системы.

Композиция проводится на стадиях эскизного и технического проектирования (линии ЭПЭП 1 и ТП-ТП 1), постепенно переходя от согласования структур к согласованию отдельных параметров. По завершении технического проектирования приступают к рабочему проектированию, в процессе которого определяют все параметры объекта и его подсистем, подготавливают итоговый комплект документации, уточняют его в ходе испытаний и отладки в производстве. Возможно уточнение технических решений, предложенных на этапах эскизного и технического проектирования.

Разработка сложных объектов Разработать конструкцию нетипового объекта, включающего даже небольшое число узлов и деталей, не просто. Упрощение процесса проектирования в большинстве случаев достигается ведением разработки методом последовательных приближений. Наиболее распространены два таких подхода.

1. Пошаговое расширение проектируемого объекта (функциональное проектирование). Решают задачу для основных функций, определяют параметры, которые характеризуют выполнение этой функции. На следующем шаге смотрят, что необходимо в помощь этим функциям, чтобы обеспечить их нормальное выполнение и удовлетворение требований ТЗ. Выявляют вспомогательные функции, составляют новое, частное ТЗ и решают проектную задачу. Снова анализируют полученное решение на потребность во вспомогательных функциях следующего уровня и либо заканчивают разработку.

На каждом этапе решается относительно простая частная задача. Однако в итоге может получиться конструкция, состоящая из нагромождения несвязанных частей. Во избежание этого на каждом шаге желательно исследовать получающуюся конструкцию на возможность ее усовершенствования (совмещения функций, объединения частей и их гармонизацию).

• Например, необходимо спроектировать устройство для понижения частоты вращения (редуктор). Пусть в качестве решения остановились на конструкции цилиндрической передачи. Параметрами, характеризующими эту передачу, являются диаметры колес, их ширина и материал. Изображение разработанной конструкции показано на рисунке

Пример функционального проектирования сложной системы

Анализ конструкции показал, что необходимо учесть подвод и отвод движения и фиксацию колес в пространстве. Проектирование этих функций привелок введению в конструкцию валов. Последующий анализ конструкции показал, что необходимо также обеспечить передачу движения с колеса на вал и их осевую фиксацию (учесть условия состыковки). Пусть это потребовало применения посадки с натягом и, из расчета данного соединения, увеличения посадочной ширины колеса (ширины ступицы).

Анализ конструкции показал, что валы нуждаются в фиксации. Решение этой задачи, пусть, привело к использованию опор качения, вид и параметры которых будут определены из учета передаваемой колесами нагрузки и условий сопряжения с валами. • 2. Пошаговая детализация проектируемого объекта. • Проектирование объекта обычно ведется от общего к частному: сначала прорабатываются формы и параметры, непосредственно взаимосвязанные с исходной функцией, затем отражающие наиболее важные требования ТЗ, затем — менее важные.

И так до необходимой степени подробности, обуславливаемой полнотой учета требований ТЗ. После каждого итерационного цикла проверяют совместимость и непротиворечивость прежних и вновь добавленных решений. Схематично процесс проработки конструкции соответствует построению ИЛИ-дерева, с продвижением по которому степень подробности конструкции возрастает. Поиск возможных вариантов ведется не только посредством синтеза новых решений, но и выбором типовых решений из элементной базы.

• Если последовательно наносить на первоначальное упрощенное изображение разрабатываемой детали отыскиваемые таким образом элементы форм, то в итоге сформируется чертеж общего вида этой детали. И тем он будет подробнее, чем полнее будут учтены требования ТЗ и условия состыковки с соседними деталями и узлами. При этом некоторые элементы поверхностей детали, в основном характеризующие технологические свойства (фаски, галтели, уклоны), на чертеже могут не указываться (если подразумевается их обязательное исполнение в процессе производства) или задаваться техническими требованиями.

Пример проработки конструкции колеса. Передача — зубчатая. Из условия выполнения исходной функции (понижение частоты вращения) определились цилиндрическая форма и параметры зацепления, а из условия сопряжения с валом ширина колеса и диаметр отверстия под вал.

Пример пошаговой детализации сложного объекта

На следующем шаге, например, из условия технологичности зубчатый венец решено выполнить на всю ширину колеса. Естественно, что возможны и другие варианты — например, ИЛИ узкий венец и широкая ступица (рис. 20 б 1). Стрелками показаны возможные пути конкретизации и развития конструктивного решения. Допустим, что выбранная конструкция (рис. 20 б) не полностью удовлетворяет всем требованиям ТЗ, например, тяжела. На следующем шаге с целью облегчения колеса вводим в его конструкцию, например, диск (рис. 20 в).

• Однако и это — не окончательное решение. Далее, для обеспечения технологичности вводим, как возможные варианты, фаски, уклоны, галтели и т. п. Одновременно уточняются величины и отклонения геометрических размеров, параметры шероховатости. Действия по завершении цикла итерации Проработка проектных вариантов на каждом цикле работы завершается принятием одного из следующих решений:

о завершении проектирования объекта и оформлении проектной документации со сдачей ее заказчику. При завершении проектирования подсистемы переходят к проектированию других подсистем, предварительно дополняя ТЗ условиями сопряжения частей; о прекращении разработки данного объекта, поскольку его возможные варианты оказываются неспособными удовлетворить требованиям заказчика. Такое решение может быть принято на любом из этапов проектирования и обуславливается, прежде всего, экономическими и социальнополитическими обстоятельствами. Заказчику представляется отчет о проделанной работе и объяснение причин ее прекращения.

Согласуются вопросы о разделении ответственности и понесенных расходов; о неудовлетворительности полученных результатов (несоответствие конструкции реальным технологическим возможностям, недостаточная эффективность объекта) и возвращении на один из предыдущих этапов проектирования. В исходные данные вносятся коррективы (уточнения и дополнения), намечают план последующих действий и повторяют проектных работ.

Из курса ДМ Основные критерии работоспособности и расчета деталей машин. Прочность. Жесткость. Износостойкость. Теплостойкость. Виброустойчивость. Надежность. Технологичность. Свойства материалов конструкций Общие сведения о материалах Обеспечение функциональных требований к конструкции.

Обеспечение технологических требований к конструкции. Конструкционные материалы Группа черных металлов. Чугуны. Стали. Сплавы тяжелых цветных металлов. Медные сплавы. Цинковые сплавы. Баббиты. Серебро. Легкие сплавы цветных металлов. Аллюминиевые сплавы. Сплавы магния. Сплавы титана. Берилиллиевые сплавы. Неметаллические материалы.

Пластмассы. Резины. Составные материалы. Биметаллы. Композитные материалы. Покрытия. Сравнительная характеристика материалов. Понятие стандартизации и унификации. Стандартизация. Унификация. Основы метрологии. Геометрические параметры технических систем.

Типовая элементная база механических устройств Передаточные устройства. Виды механических передач. Простейшие передачи. Цилиндрическая передача. Коническая передача. Планетарная передача. Винтовая передача. Волновая передача. Червячная передача. Передача винт-гайка. Ременная передача. Цепная передача. Схемы сложных передач и конструкции колес.

Валы и штоки. Опоры подвижных деталей. Общая характеристика опор. Опоры скольжения. Опоры качения. Несущие элементы конструкции (корпусные детали). Соединения. Шпоночные соединения. Шлицевые соединения. Профильные соединения. Штифтовые соединения. Фрикционные соединения. Сварные соединения. Заклепочные соединения. Резьбовые соединения.

Соединения вращающихся деталей (муфты). Прочно-плотные соединения (соединения трубопроводов). Пружины. Смазывание машин. Уплотнения неподвижных стыков.

Двигатели. Механические двигатели. Электрические Биологические двигатели Тепловые двигатели.

Из курса ДМ Критерии работоспособности машин Машины должны удовлетворять условию надежности сохранять свои эксплуатационные показатели, выполнять заданные функции в течении заданного срока службы, иметь минимальную необходимую стоимость изготовления и эксплуатации. Работоспособность и надежность деталей машин характеризуется критериями работоспособности: прочность, жесткость, износостойкость, теплостойкость, виброустойчивость

Прочность Нагрузки на детали машин, могут быть постоянными и переменными по времени. Детали, подверженные постоянным напряжениям в чистом виде, в машинах почти не встречаются. Постоянная, неподвижная в пространстве нагрузка вызывает во вращающихся деталях (валах, осях, зубьях зубчатых колес) переменные напряжения.

Однако некоторые детали работают с мало изменяющимися напряжениями, которые при расчете можно принимать за постоянные. К таким деталям могут быть отнесены детали с большими нагрузками от силы тяжести (в транспортных и подъемнотранспортных машинах), детали с большой начальной затяжкой (заклепки, часть крепежных винтов и пружин) и детали с малым общим числом плавных нагружений. Переменные напряжения, прежде всего, характеризуются циклом изменения напряжений. В деталях машин возникают

Переменные напряжения характеризуются циклом изменения напряжений. В деталях машин возникают следующие циклы : а) отнулевой цикл, в котором напряжения меняются от нуля до максимума (зубья зубчатых колес, работающих в однусторону, штоки, толкатели и шатуны, малонагруженные при обратном ходе); б) знакопеременный симметричный цикл, в котором напряжения меняются от отрицательного до такого же положительного значения (напряжения изгиба во вращающихся валах и осях);

в) асимметричный, знакопостоянный (винты, пружины), или знакопеременный цикл. Переменные режимы могут быть с постоянными амплитудами и средними напряжениями с непостоянными амплитудами и средними напряжениями. Постоянные режимы характерны для машин центральных силовых и насосных станций и транспортных машин дальнего следования, переменные - для большинства машин - универ-