Vous êtes-vous déjà demandé comment les structures mécaniques transforment les idées en conceptions tangibles ? La conception de structures mécaniques transforme des principes abstraits en schémas détaillés, garantissant que chaque pièce est optimisée en termes de fonctionnalité, de résistance et de fabricabilité. Ce guide aborde les principes de conception essentiels, la sélection des matériaux et les relations entre les composants, et propose des pistes pour améliorer vos projets d'ingénierie. Découvrez comment la conception stratégique peut améliorer la précision, la durabilité et l'efficacité, rendant ainsi vos systèmes mécaniques plus fiables et plus performants.
L'objectif de la conception d'une structure mécanique est, sur la base du concept global, de concrétiser le principe de conception initial en un schéma détaillé qui remplit les fonctions requises.
Le processus de conception transforme des principes de travail abstraits en composants ou pièces spécifiques, ce qui implique de déterminer le matériau, la forme, la taille, la tolérance, la méthode de traitement thermique et le traitement de surface des éléments structurels.
En outre, il est essentiel de tenir compte de leur processus de fabrication, de leur résistance, de leur rigidité, de leur précision et de leurs relations avec d'autres composants. Bien que le résultat direct de la conception structurelle soit le dessin technique, la tâche n'est pas aussi simple que le dessin mécanique.
Les plans ne font qu'exprimer le schéma de conception en langage technique ; l'application de diverses techniques de conception de mécanismes pour matérialiser le concept de conception est le contenu fondamental de la conception structurelle.
La fonction d'une structure mécanique est principalement assurée par la forme géométrique de ses composants et la relation de position relative entre eux. La forme géométrique d'un composant est constituée par ses surfaces.
En règle générale, un composant comprend plusieurs surfaces, dont certaines sont en contact direct avec les surfaces d'autres composants. Ces surfaces de contact sont appelées surfaces fonctionnelles. Les zones reliant ces surfaces fonctionnelles sont appelées surfaces de connexion.
Les surfaces fonctionnelles d'un composant sont essentielles pour déterminer sa fonction mécanique. La conception de ces surfaces fonctionnelles est au cœur de la conception structurelle du composant.
Les principaux paramètres géométriques utilisés pour décrire les surfaces fonctionnelles comprennent leur forme géométrique, leur taille, le nombre de surfaces, leur position, leur séquence, etc. Diverses solutions structurelles peuvent être mises en œuvre pour réaliser la même fonction technique grâce à différentes conceptions des surfaces fonctionnelles.
Dans toute machine ou système mécanique, aucun composant n'existe de manière isolée.
Par conséquent, outre l'étude de la fonction et des caractéristiques connexes de chaque composant lors de la conception structurelle, il est également nécessaire d'explorer les interrelations entre les composants.
Les relations entre les composants peuvent être classées en deux catégories : les relations directes et les relations indirectes.
Deux pièces ayant une relation d'assemblage directe sont considérées comme directement liées, tandis que celles qui n'en ont pas sont considérées comme indirectement liées. Les relations indirectes peuvent être divisées en classes de position et de mouvement.
Les relations de position font référence à la nécessité pour deux composants de maintenir certaines dispositions spatiales.
Par exemple, dans un réducteur de vitesse, le distance centrale entre deux arbres de transmission adjacents doit maintenir une précision spécifique, et les deux axes de l'arbre doivent être parallèles pour assurer l'engrènement normal des engrenages.
Les relations liées au mouvement font référence à la trajectoire de mouvement d'un composant associé à un autre. Par exemple, la trajectoire de mouvement d'un porte-outil de tour doit être parallèle à l'axe de la broche, ce qui est garanti par le parallélisme entre le rail du banc et l'axe de la broche.
Par conséquent, la broche et le rail sont liés à la position, tandis que le porte-outil et la broche sont liés au mouvement.
La plupart des composants ont au moins deux composants directement liés. Ainsi, chaque pièce possède généralement deux ou plusieurs emplacements structurellement liés à d'autres composants.
Lors de la conception structurelle, les structures des pièces directement liées doivent être prises en compte simultanément afin de sélectionner raisonnablement les méthodes de traitement thermique, les formes, les tailles, la précision et les surfaces des matériaux.
En outre, les exigences relatives aux relations indirectes, telles que la chaîne de dimensions et les calculs de précision, doivent également être prises en compte.
En règle générale, plus un composant comporte de pièces directement liées, plus sa structure est complexe. Inversement, plus le nombre de pièces indirectement liées est élevé, plus la précision requise est grande.
Différents matériaux peuvent être choisis pour la conception des pièces, chacun ayant des propriétés uniques. Des matériaux différents correspondent à des processus de fabrication différents.
Le processus de conception exige non seulement de sélectionner les matériaux appropriés en fonction des exigences fonctionnelles, mais aussi de déterminer le processus de fabrication approprié en fonction du type de matériau.
En outre, la structure doit être déterminée en fonction des exigences du processus de fabrication.
Seule une conception structurelle adéquate permet d'utiliser au mieux le matériau choisi.
Pour que les concepteurs puissent sélectionner correctement les matériaux des pièces, ils doivent comprendre parfaitement les propriétés mécaniques, l'usinabilité et la rentabilité des matériaux concernés.
Dans le domaine de la conception structurelle, différents principes de conception doivent être respectés en fonction des caractéristiques des matériaux choisis et des processus de fabrication correspondants.
Les produits mécaniques sont utilisés dans diverses industries, les spécificités et les exigences de la conception structurelle variant considérablement.
Toutefois, les exigences fondamentales en matière de conception structurelle sont universelles. Les paragraphes suivants décrivent les exigences relatives à la conception des structures mécaniques à trois niveaux distincts.
Des efforts sont déployés pour matérialiser les aspects techniques afin de répondre aux exigences mécaniques primaires.
Des éléments tels que la mise en œuvre des principes de travail, la fiabilité du fonctionnement, les processus, les matériaux et l'assemblage sont abordés.
L'équilibre entre les différentes exigences et contraintes pour améliorer la qualité et la rentabilité des produits est un exemple de conception technique moderne.
Les domaines spécifiques comprennent l'exploitabilité, l'esthétique, la sécurité, le coût et la préservation de l'environnement. Dans les conceptions contemporaines, la qualité de la conception revêt une importance significative et détermine souvent la force concurrentielle.
L'approche de la conception axée uniquement sur la satisfaction des fonctions techniques primaires est devenue obsolète.
L'essentiel de la conception mécanique moderne consiste à harmoniser différentes demandes, à trouver un équilibre et à faire des compromis appropriés, en partant du principe que les fonctions principales doivent être remplies pour améliorer la qualité du produit.
Les variables de conception structurelle sont systématiquement utilisées pour construire un espace de conception optimisé. Des méthodes de réflexion créative et d'autres méthodes scientifiques sont utilisées pour la sélection et l'innovation.
Le résultat final de la conception mécanique est d'exprimer une forme structurelle déterminée sous forme de dessins. Le produit final est fabriqué conformément à ces dessins par des processus d'usinage et d'assemblage.
Par conséquent, la conception des structures mécaniques doit répondre à diverses exigences en tant que produit, notamment la fonctionnalité, la fiabilité, la facilité de traitement, la rentabilité et la forme esthétique.
En outre, il devrait améliorer la capacité des pièces à supporter les forces, en renforçant leur résistance, leur rigidité, leur précision et leur durée de vie.
La conception des structures mécaniques est donc une tâche technique complète. Des conceptions structurelles déraisonnables ou erronées peuvent entraîner des défaillances inattendues des composants, empêcher les machines d'atteindre la précision requise et causer des désagréments considérables lors de l'assemblage et de l'entretien.
Les principes de conception structurelle suivants doivent être pris en compte dans le processus de conception des structures mécaniques.
L'objectif premier de la conception d'un produit est de répondre à des exigences fonctionnelles prédéterminées.
Par conséquent, le principe de conception qui consiste à atteindre la fonctionnalité attendue est la première considération dans la conception structurelle. Pour répondre à ces exigences fonctionnelles, les points suivants doivent être respectés :
(1) Fonctionnalité explicite :
La conception structurelle doit déterminer les paramètres, les dimensions et la forme de la structure en fonction de sa fonction au sein de la machine et de son interconnexion avec d'autres composants.
Les principales fonctions des composants sont de supporter les charges, de transmettre le mouvement et la puissance, et d'assurer ou de maintenir la position relative ou la trajectoire du mouvement entre les pièces ou les composants connexes. La structure conçue doit répondre à ses exigences fonctionnelles du point de vue de l'ensemble de la machine.
(2) Allocation fonctionnelle :
Lors de la conception d'un produit, il est souvent nécessaire de déléguer raisonnablement des tâches en fonction de circonstances spécifiques, c'est-à-dire de décomposer une fonction en plusieurs sous-fonctions.
Chaque sous-fonction doit être soutenue par une structure définie, et il doit y avoir une connexion raisonnable et coordonnée entre les différentes parties de la structure pour réaliser la fonction globale.
Des composants structurels multiples partageant une même fonction peuvent alléger la charge pesant sur les pièces individuelles, prolongeant ainsi leur durée de vie.
Par exemple, la structure de la section transversale d'une courroie trapézoïdale est un exemple de répartition des tâches.
Une corde en fibre est utilisée pour résister à la tension ; une couche de remplissage en caoutchouc absorbe l'étirement et la compression lors de la flexion de la courroie ; une couche de tissu interagit avec la gorge de la poulie pour générer la friction nécessaire à la transmission.
Un autre exemple est celui du frottement généré par le pré-serrage des boulons pour résister aux charges latérales, ce qui peut entraîner un surdimensionnement des boulons. Ce problème peut être résolu en ajoutant des composants résistants au cisaillement, tels que des goupilles, des manchons et des clavettes, pour répartir la charge latérale.
(3) Concentration fonctionnelle : Pour simplifier la structure des produits mécaniques, réduire les coûts de fabrication et faciliter l'installation, une seule pièce ou un seul composant peut, dans certaines circonstances, se voir attribuer plusieurs fonctions.
Bien que la concentration fonctionnelle puisse rendre la forme des pièces plus complexe, elle doit être modérée pour éviter d'accroître les difficultés d'usinage et d'augmenter involontairement les coûts de fabrication. La conception doit être déterminée en fonction de la situation spécifique.
(1) Critère d'égalité de résistance :
Les modifications des dimensions de la section transversale des pièces doivent être adaptées aux changements de stress internede manière à ce que la force de chaque section soit égale.
La structure conçue selon le principe de l'égalité des résistances permet d'utiliser pleinement les matériaux, réduisant ainsi le poids et le coût. Conception de supports en porte-à-faux, d'arbres étagés, etc.
(2) Une structure de flux de forces raisonnable :
Afin de démontrer visuellement comment la force est transmise dans les composants mécaniques, la force est considérée comme s'écoulant comme de l'eau dans le composant, et ces lignes de force convergent pour former un flux de force.
Le flux de cette force joue un rôle important dans les considérations de conception structurelle. Le flux de force dans le composant ne sera pas interrompu et aucune ligne de force ne disparaîtra soudainement. Il doit être transmis d'un endroit à l'autre.
Une autre caractéristique du flux de force est qu'il a tendance à se propager le long du chemin le plus court, ce qui entraîne un flux de force dense près du chemin le plus court et forme une zone de forte contrainte.
Le flux de force dans d'autres parties est faible, et il n'y a même pas de flux de force qui passe à travers. Du point de vue des contraintes, le matériau n'est pas pleinement utilisé.
Par conséquent, afin d'améliorer la rigidité du composant, la forme du composant est conçue en fonction du chemin d'écoulement des forces le plus court possible, en réduisant la zone portante et donc la déformation accumulée, en augmentant la rigidité de l'ensemble du composant et en utilisant pleinement le matériau.
(3) Minimiser la concentration de contraintes dans les structures :
Lorsque la direction du flux de force change brusquement, la force se concentre excessivement au niveau du virage, ce qui entraîne une concentration de contraintes.
Des mesures doivent être mises en œuvre lors de la conception pour garantir un changement progressif de la direction de la force. La concentration des contraintes est un facteur important qui affecte la résistance à la fatigue de composants.
Lors de la conception des structures, il faut s'efforcer d'éviter ou de minimiser la concentration des contraintes, par exemple en augmentant les rayons de transition, en adoptant des structures d'allègement des contraintes, etc.
(4) Établir des structures à charge équilibrée :
Pendant fonctionnement de la machineEn outre, des forces inutiles, telles que les forces d'inertie et les forces axiales de l'engrenage hélicoïdal, sont souvent générées.
Ces forces augmentent non seulement la charge sur les pièces telles que les arbres et les roulements, réduisant leur précision et leur durée de vie, mais diminuent également l'efficacité de la transmission de la machine. L'équilibrage des charges fait référence aux mesures structurelles qui équilibrent partiellement ou totalement ces forces inutiles afin d'atténuer ou d'éliminer leurs effets néfastes.
Ces mesures structurelles impliquent principalement l'utilisation de composants d'équilibrage et d'une disposition symétrique.
Pour que les composants fonctionnent normalement tout au long de leur cycle de vie, il est essentiel de leur assurer une rigidité suffisante.
L'objectif premier de la conception structurelle des composants mécaniques est d'assurer la fonctionnalité du produit et de lui permettre d'atteindre les performances requises. Cependant, la rationalité de la conception affecte directement le coût de production et la qualité des composants.
C'est pourquoi il est essentiel, lors de la conception des structures, de s'efforcer d'obtenir une bonne aptitude à la fabrication des mécanismes des composants. Une bonne fabricabilité signifie que la structure du composant est facile à fabriquer.
Chaque méthode de fabrication a ses limites, qui peuvent se traduire par des coûts de production élevés ou une qualité compromise.
Il est donc important que les concepteurs connaissent les caractéristiques des différentes méthodes de fabrication, afin de maximiser leurs forces et de minimiser leurs faiblesses lors de la conception.
Dans la production réelle, la possibilité de fabriquer des structures de composants est limitée par de nombreux facteurs. Par exemple, la taille du lot de production peut affecter la méthode de création des pièces brutes ; les conditions de l'équipement de production peuvent limiter la taille des pièces.
En outre, des facteurs tels que le moulage, la précision, le traitement thermique, le coût, etc. pourraient potentiellement limiter la possibilité de fabriquer la structure du composant.
Par conséquent, ces facteurs doivent être soigneusement pris en compte dans la conception structurelle en raison de leur impact sur la fabricabilité.
L'assemblage est une étape cruciale du processus de fabrication des produits, et la structure des composants influence directement la qualité et le coût de l'assemblage. Les lignes directrices en matière de conception structurelle pour l'assemblage sont brièvement décrites ci-dessous :
(1) Division rationnelle des unités d'assemblage :
La machine entière doit être décomposée en plusieurs unités (pièces ou composants) assemblées de manière indépendante afin de réaliser des opérations d'assemblage parallèles et spécialisées, de raccourcir les cycles d'assemblage et de faciliter les inspections techniques et les réparations étape par étape.
(2) Veiller à l'installation correcte des composants :
Il s'agit notamment de positionner les pièces avec précision, d'éviter les doubles assemblages et de prévenir les erreurs d'assemblage.
(3) Faciliter le montage et le démontage des composants :
La conception structurelle doit garantir un espace d'assemblage suffisant, tel que l'espace pour les clés ; éviter les accouplements trop longs pour ne pas accroître la difficulté d'assemblage et les dommages potentiels aux surfaces d'accouplement, comme c'est le cas dans certaines conceptions d'arbres épaulés ; pour faciliter le démontage des pièces, il convient de prévoir des emplacements pour placer les outils de démontage, comme dans le cas du démontage des roulements.
(1) La configuration d'un produit doit être établie en fonction de facteurs tels que le taux de défaillance, la complexité de la réparation, la taille, le poids et les caractéristiques d'installation.
Toutes les pièces nécessitant un entretien doivent être facilement accessibles. Les composants à taux de défaillance élevé et les interrupteurs d'urgence qui nécessitent une maintenance fréquente doivent bénéficier d'une accessibilité optimale.
(2) Les produits, en particulier les pièces consommables, les composants fréquemment désassemblés et les équipements supplémentaires, doivent être faciles à assembler et à désassembler.
La trajectoire des pièces lors du démontage et de l'assemblage doit idéalement être une ligne droite ou une courbe douce.
(3) Les points d'entretien du produit, tels que les points d'inspection et les points d'essai, doivent être situés dans des endroits facilement accessibles.
(4) Les produits nécessitant un entretien et un démontage doivent être entourés d'un espace opérationnel adéquat.
(5) Pendant l'entretien, les opérateurs doivent généralement être en mesure de voir les opérations internes. Outre la possibilité de passer la main ou le bras du personnel d'entretien, le passage doit également laisser un espace approprié pour l'observation.
La conception d'un produit doit non seulement répondre à ses besoins fonctionnels, mais aussi prendre en compte sa valeur esthétique, afin de le rendre attrayant pour les utilisateurs. En d'autres termes, un produit doit être à la fois utile et attrayant. D'un point de vue psychologique, 60% des décisions humaines sont basées sur la première impression.
Étant donné que les produits techniques sont des produits de base sur un marché d'acheteurs, la conception d'un extérieur attrayant est une exigence cruciale en matière de conception. En outre, les produits esthétiques peuvent aider les opérateurs à réduire les erreurs dues à la fatigue.
L'esthétique de la conception englobe trois aspects : la forme, la couleur et l'aspect visuel. traitement de surface.
En ce qui concerne la forme, il convient de veiller à l'harmonie des proportions, à la simplicité et à l'unité des formes, ainsi qu'à la mise en valeur et à l'embellissement par les couleurs et les motifs.
La monochromie ne convient qu'aux petites pièces. Les grandes pièces, en particulier les pièces mobiles, paraîtront monotones et plates si une seule couleur est utilisée. L'ajout d'une petite couleur contrastante peut égayer l'ensemble de la palette de couleurs.
Dans les situations multicolores, il doit y avoir une couleur de base dominante, la couleur correspondante étant appelée couleur de contraste.
Toutefois, le nombre de couleurs différentes sur un même produit ne doit pas être excessif, car trop de couleurs peuvent donner une impression de superficialité.
Les couleurs confortables se situent généralement entre le jaune clair, le jaune-vert et le brun. La tendance est aux couleurs chaudes, le jaune et le vert vifs paraissant souvent inconfortables ; les tons gris forts peuvent sembler oppressants.
Les couleurs chaudes telles que le jaune, le jaune orangé et le rouge doivent être utilisées pour les environnements froids, tandis que les couleurs froides telles que le bleu clair doivent être utilisées pour les environnements chauds.
Toutes les couleurs doivent être atténuées. En outre, une configuration de couleurs spécifique peut faire apparaître le produit comme sûr et solide.
Les zones où les changements de forme sont minimes et les surfaces plus grandes doivent être configurées en couleurs claires, tandis que les composants dont les contours sont mobiles et actifs doivent être configurés en couleurs foncées. Les couleurs foncées doivent être placées dans la partie inférieure de la machine et les couleurs claires dans la partie supérieure.
La conception doit simplifier à la fois le produit et les tâches d'entretien :
(1) Lors de la conception, une analyse coût-bénéfice doit être réalisée sur les fonctionnalités du produit.
Fusionner des fonctionnalités similaires ou identiques, supprimer les fonctionnalités inutiles pour simplifier à la fois le produit et les tâches de maintenance.
(2) La conception doit viser la simplicité de la structure tout en répondant aux exigences fonctionnelles spécifiées.
Le nombre de couches hiérarchiques et de composants doit être réduit au minimum et la forme des pièces doit être simplifiée autant que possible.
(3) Les produits doivent être conçus avec des mécanismes de réglage faciles à utiliser mais fiables pour résoudre les problèmes courants dus à l'usure ou à la dérive.
Pour les pièces coûteuses et sujettes à une usure localisée, les concevoir comme des ensembles réglables ou amovibles pour faciliter le remplacement partiel ou la réparation. Éviter ou minimiser la nécessité de procéder à des ajustements itératifs en raison de l'interconnexion des pièces.
(4) Les composants doivent être disposés de manière logique afin de réduire le nombre de connecteurs et de fixations, ce qui rend l'inspection, le remplacement des pièces et les autres tâches d'entretien plus simples et plus pratiques.
Dans la mesure du possible, la conception doit permettre la réparation de n'importe quel composant sans qu'il soit nécessaire de démonter, de déplacer ou de démonter ou déplacer de façon minimale d'autres pièces. Cette approche réduit le niveau de compétence et la charge de travail du personnel d'entretien.
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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