Heb je je ooit afgevraagd hoe mechanische constructies ideeën omzetten in tastbare ontwerpen? Het ontwerpen van mechanische constructies zet abstracte principes om in gedetailleerde schema's en zorgt ervoor dat elk onderdeel geoptimaliseerd is voor functionaliteit, sterkte en produceerbaarheid. Deze gids gaat in op essentiële ontwerpprincipes, materiaalselectie en relaties tussen componenten en biedt inzichten om uw engineeringprojecten te verbeteren. Ontdek hoe strategisch ontwerpen de precisie, duurzaamheid en efficiëntie kan verbeteren, waardoor uw mechanische systemen betrouwbaarder en effectiever worden.
Het doel van het ontwerp van een mechanische structuur is om, op basis van het algemene ontwerpconcept, het oorspronkelijke ontwerpprincipe te vertalen naar een gedetailleerd schema dat voldoet aan de vereiste functies.
Het ontwerpproces zet abstracte werkingsprincipes om in specifieke componenten of onderdelen, waarbij het materiaal, de vorm, de grootte, de tolerantie, de warmtebehandelingsmethode en de oppervlaktebehandeling van de constructiedelen worden bepaald.
Bovendien is het cruciaal om rekening te houden met het fabricageproces, de sterkte, stijfheid, precisie en onderlinge relaties met andere componenten. Hoewel de directe output van constructief ontwerp technische tekeningen zijn, is de taak niet zo eenvoudig als mechanisch tekenen.
Blauwdrukken drukken slechts het ontwerpschema uit in technische taal; het toepassen van verschillende technieken in mechanisch ontwerp om het ontwerpconcept te materialiseren is de fundamentele inhoud van constructief ontwerp.
De functie van een mechanische structuur wordt voornamelijk bereikt door de geometrische vorm van de onderdelen en de relatieve positieverhouding tussen deze onderdelen. De geometrische vorm van een component wordt gevormd door zijn oppervlakken.
Een onderdeel bestaat meestal uit meerdere oppervlakken, waarvan sommige rechtstreeks in contact komen met de oppervlakken van andere onderdelen. Deze contactoppervlakken worden functionele oppervlakken genoemd. De oppervlakken die deze functionele oppervlakken verbinden worden verbindingsoppervlakken genoemd.
De functionele oppervlakken van een onderdeel zijn cruciaal voor het bepalen van de mechanische functie. Het ontwerp van deze functionele oppervlakken vormt de kern van het structurele ontwerp van een component.
De primaire geometrische parameters die worden gebruikt om functionele oppervlakken te beschrijven zijn onder andere hun geometrische vorm, grootte, aantal oppervlakken, positie, volgorde, enz. Er kunnen verschillende structurele oplossingen worden bereikt om dezelfde technische functie te realiseren door middel van verschillende ontwerpen van de functionele oppervlakken.
In elke machine of mechanisch systeem bestaat geen enkel onderdeel geïsoleerd.
Daarom is het, naast het bestuderen van de functie en gerelateerde kenmerken van elke component tijdens het constructief ontwerp, ook noodzakelijk om de onderlinge relaties tussen de componenten te onderzoeken.
De onderlinge relaties tussen componenten kunnen worden ingedeeld in twee categorieën: directe en indirecte relaties.
Twee onderdelen met een directe assemblagerelatie worden als direct aan elkaar gerelateerd beschouwd, terwijl onderdelen zonder directe assemblagerelatie als indirect aan elkaar gerelateerd worden beschouwd. Indirecte relaties kunnen verder worden onderverdeeld in positionele en bewegingsgerelateerde klassen.
Positionele relaties verwijzen naar de vereiste voor twee componenten om bepaalde ruimtelijke schikkingen te behouden.
In een snelheidsreductor bijvoorbeeld is de centrum afstand tussen twee aangrenzende transmissieassen moet een specifieke precisie behouden en de twee assen moeten evenwijdig zijn om ervoor te zorgen dat de tandwielen normaal in elkaar grijpen.
Bewegingsgerelateerde relaties verwijzen naar het bewegingstraject van een component dat geassocieerd is met een andere component. Zo moet het bewegingstraject van een gereedschapshouder van een draaibank evenwijdig zijn aan de middellijn van de spil, wat gegarandeerd wordt door de evenwijdigheid tussen de bedrand en de spilas.
Daarom zijn de spindel en de rail positioneel gerelateerd, terwijl de gereedschapshouder en de spindel bewegingsgerelateerd zijn.
De meeste onderdelen hebben twee of meer direct gerelateerde onderdelen. Zo heeft elk onderdeel meestal twee of meer locaties die structureel gerelateerd zijn aan andere onderdelen.
Tijdens het constructief ontwerp moet tegelijkertijd rekening worden gehouden met de structuren van direct gerelateerde onderdelen om op een redelijke manier warmtebehandelingsmethoden, vormen, afmetingen, nauwkeurigheid en materiaaloppervlakken te selecteren.
Daarnaast moet ook rekening worden gehouden met vereisten voor indirecte relaties, zoals maatketen en precisieberekeningen.
Over het algemeen geldt dat hoe meer direct gerelateerde onderdelen een onderdeel heeft, hoe complexer de structuur wordt. Omgekeerd geldt: hoe meer indirect gerelateerde onderdelen, hoe groter de vereiste nauwkeurigheid.
Bij het ontwerp van onderdelen kan gekozen worden voor verschillende materialen, elk met unieke eigenschappen. Verschillende materialen komen overeen met verschillende productieprocessen.
Het ontwerpproces vereist niet alleen het selecteren van geschikte materialen op basis van functionele vereisten, maar ook het bepalen van het geschikte fabricageproces op basis van het materiaaltype.
Bovendien moet de structuur worden bepaald aan de hand van de eisen van het fabricageproces.
Alleen door een goed constructief ontwerp kan het gekozen materiaal optimaal worden benut.
Als ontwerpers materialen voor onderdelen correct willen selecteren, moeten ze de mechanische eigenschappen, bewerkbaarheid en kosteneffectiviteit van de relevante materialen volledig begrijpen.
Bij het ontwerpen van constructies moeten verschillende ontwerpprincipes worden toegepast op basis van de eigenschappen van de gekozen materialen en de bijbehorende fabricageprocessen.
Mechanische producten worden gebruikt in verschillende industrieën, waarbij de specifieke kenmerken en vereisten van structureel ontwerp aanzienlijk variëren.
De fundamentele vereisten voor constructief ontwerp zijn echter universeel. Hieronder worden de vereisten voor het ontwerpen van mechanische constructies op drie verschillende niveaus beschreven.
Er wordt veel energie gestoken in de materialisatie van technische aspecten om te voldoen aan de primaire mechanische vereisten.
Elementen zoals de implementatie van werkingsprincipes, betrouwbaarheid van de werking, processen, materialen en assemblage komen aan bod.
Het in evenwicht brengen van verschillende eisen en beperkingen om de productkwaliteit en kosteneffectiviteit te verbeteren, is een voorbeeld van modern technisch ontwerp.
Specifieke gebieden zijn operabiliteit, esthetiek, veiligheid, kosten en milieubehoud. In hedendaagse ontwerpen is de kwaliteit van het ontwerp van groot belang en vaak bepalend voor het concurrentievermogen.
De ontwerpbenadering die alleen gericht is op het vervullen van primaire technische functies is achterhaald.
De kern van modern mechanisch ontwerp ligt in het harmoniseren van verschillende eisen, het vinden van een balans en het maken van de juiste afwegingen onder het uitgangspunt van het vervullen van primaire functies om de productkwaliteit te verbeteren.
Structurele ontwerpvariabelen worden systematisch gebruikt om een geoptimaliseerde ontwerpruimte te construeren. Creatieve ontwerpdenkmethoden en andere wetenschappelijke methoden worden gebruikt voor selectie en innovatie.
Het eindresultaat van een mechanisch ontwerp is het uitdrukken van een bepaalde structurele vorm in tekeningen. Het eindproduct wordt volgens deze ontwerpen vervaardigd door middel van machinale bewerking en assemblageprocessen.
Daarom moet het ontwerp van mechanische constructies als product aan verschillende eisen voldoen, waaronder functionaliteit, betrouwbaarheid, verwerkbaarheid, economische efficiëntie en esthetische vorm.
Daarnaast moet het de krachtdragende capaciteit van onderdelen verbeteren, waardoor hun sterkte, stijfheid, precisie en levensduur toenemen.
Het ontwerpen van mechanische constructies is dus een veelomvattende technische taak. Onredelijke of foutieve constructieontwerpen kunnen leiden tot onverwachte defecten aan onderdelen, verhinderen dat machines de vereiste precisie bereiken en veroorzaken aanzienlijke ongemakken tijdens assemblage en onderhoud.
De volgende structurele ontwerpprincipes moeten worden overwogen in het ontwerpproces van een mechanische constructie.
Het primaire doel van productontwerp is om te voldoen aan vooraf bepaalde functionele eisen.
Daarom is het ontwerpprincipe van het bereiken van de verwachte functionaliteit de eerste overweging bij het constructief ontwerp. Om aan deze functionele eisen te voldoen, moeten de volgende punten in acht worden genomen:
(1) Expliciete functionaliteit:
Structureel ontwerp moet de parameters, afmetingen en vorm van de constructie bepalen op basis van de functie binnen de machine en de onderlinge verbinding met andere componenten.
De belangrijkste functies van componenten zijn het dragen van lasten, het overbrengen van beweging en vermogen en het waarborgen of handhaven van de relatieve positie of het bewegingstraject tussen gerelateerde onderdelen of componenten. De ontworpen constructie moet voldoen aan de functionele eisen vanuit het perspectief van de gehele machine.
(2) Functionele toewijzing:
Tijdens het ontwerpen van een product is het vaak nodig om redelijkerwijs taken te delegeren op basis van specifieke omstandigheden, d.w.z. het opsplitsen van een functie in verschillende subfuncties.
Elke subfunctie moet worden ondersteund door een gedefinieerde structuur en er moet een redelijke en gecoördineerde verbinding zijn tussen verschillende structurele onderdelen om de algemene functie te bereiken.
Meerdere structurele onderdelen die één functie delen, kunnen de druk op individuele onderdelen verlichten en zo hun levensduur verlengen.
De structuur van een V-snaar doorsnede is bijvoorbeeld een voorbeeld van taakverdeling.
Een vezelkoord wordt gebruikt om de spanning te weerstaan; een rubberen vullaag absorbeert het uitrekken en samendrukken tijdens het buigen van de riem; een stoffen laag interageert met de poeliegroef om de wrijving te genereren die nodig is voor de transmissie.
Een ander voorbeeld is wanneer de wrijving die ontstaat door het vooraanspannen van de bouten alleen wordt gebruikt om zijdelingse belastingen op te vangen, wat kan resulteren in te grote bouten. Dit probleem kan worden opgelost door afschuifbestendige componenten toe te voegen, zoals pennen, moffen en spieën, om de laterale belasting te verdelen.
(3) Concentratie van functies: Om de structuur van mechanische producten te vereenvoudigen, de productiekosten te verlagen en de installatie te vergemakkelijken, kan een enkel onderdeel of component in sommige omstandigheden meerdere functies krijgen.
Hoewel functionele concentratie de vorm van onderdelen complexer kan maken, moet deze gematigd worden om te voorkomen dat de bewerkingsmoeilijkheden toenemen en de productiekosten onbedoeld stijgen. Het ontwerp moet worden bepaald op basis van de specifieke situatie.
(1) Gelijke sterkte criterium:
Veranderingen in de dwarsdoorsnede van onderdelen moeten worden aangepast aan veranderingen in inwendige spanningzodat de sterkte van elke sectie gelijk is.
De constructie die is ontworpen volgens het principe van gelijke sterkte kan volledig gebruik maken van materialen, waardoor het gewicht en de kosten worden verlaagd. Ontwerp van vrijdragende consoles, getrapte assen, enz.
(2) Redelijke krachtstroomstructuur:
Om visueel te laten zien hoe kracht wordt overgebracht in mechanische onderdelen, wordt de kracht beschouwd als stromend water in het onderdeel en deze krachtlijnen komen samen in een krachtstroom.
De stroom van deze kracht speelt een belangrijke rol in structurele ontwerpoverwegingen. De krachtstroom in het onderdeel zal niet worden onderbroken en geen enkele krachtlijn zal plotseling verdwijnen. De kracht moet van de ene plaats naar de andere worden overgebracht.
Een ander kenmerk van krachtstroming is dat het de neiging heeft om zich voort te planten langs de kortste route, wat resulteert in een dichte krachtstroming in de buurt van de kortste route en een hoge spanningszone vormt.
De krachtstroom in andere delen is schaars en er passeert zelfs geen krachtstroom. Vanuit het oogpunt van spanning wordt het materiaal niet volledig benut.
Om de stijfheid van het onderdeel te verbeteren, wordt de vorm van het onderdeel daarom zo veel mogelijk ontworpen volgens de kortste krachtstroombaan, waardoor het lastdragend oppervlak wordt verkleind en dus de geaccumuleerde vervorming wordt verminderd, de stijfheid van het hele onderdeel wordt vergroot en het materiaal ten volle wordt benut.
(3) De spanningsconcentratie in constructies minimaliseren:
Wanneer de richting van de krachtstroom abrupt verandert, wordt de kracht te sterk geconcentreerd bij de bocht, wat leidt tot spanningsconcentratie.
In het ontwerp moeten maatregelen worden genomen om een geleidelijke verandering in de krachtrichting te garanderen. Spanningsconcentratie is een belangrijke factor die de vermoeiingssterkte van componenten.
Bij het ontwerp van constructies moeten inspanningen worden geleverd om spanningsconcentratie te vermijden of te minimaliseren, zoals het vergroten van overgangsstralen, het toepassen van spanningsontlastende constructies, enzovoort.
(4) Breng evenwichtige structuren aan:
Tijdens machinebedieningworden vaak enkele onnodige krachten gegenereerd, zoals traagheidskrachten en axiale krachten op de rechte tandwielen.
Deze krachten verhogen niet alleen de belasting op onderdelen zoals assen en lagers, waardoor hun nauwkeurigheid en levensduur afnemen, maar verminderen ook de transmissie-efficiëntie van de machine. Belastingscompensatie verwijst naar structurele maatregelen die deze onnodige krachten geheel of gedeeltelijk compenseren om hun nadelige effecten te verminderen of te elimineren.
Deze structurele maatregelen hebben voornamelijk betrekking op het gebruik van evenwichtscomponenten en symmetrische plaatsing.
Om ervoor te zorgen dat onderdelen gedurende hun hele levenscyclus normaal functioneren, is het essentieel dat ze voldoende stijf zijn.
Het belangrijkste doel van het structureel ontwerp van mechanische componenten is de functionaliteit te garanderen, zodat het product aan de vereiste prestaties kan voldoen. De rationaliteit van het ontwerp heeft echter een directe invloed op de productiekost en de kwaliteit van de componenten.
Daarom is het bij het ontwerp van constructies van cruciaal belang om te streven naar een goede maakbaarheid van de mechanismen van de onderdelen. Goede maakbaarheid betekent dat de structuur van het onderdeel gemakkelijk te vervaardigen is.
Elke productiemethode heeft zijn beperkingen, wat kan leiden tot hoge productiekosten of verminderde kwaliteit.
Daarom is het belangrijk dat ontwerpers bekend zijn met de kenmerken van verschillende productiemethoden, zodat ze tijdens het ontwerp hun sterke punten kunnen maximaliseren en hun zwakke punten minimaliseren.
Bij daadwerkelijke productie wordt de maakbaarheid van componentenstructuren beperkt door tal van factoren. De grootte van de productiebatch kan bijvoorbeeld van invloed zijn op de methode om de werkstukdelen te maken; de omstandigheden van de productieapparatuur kunnen de grootte van de werkstukken beperken.
Bovendien kunnen factoren zoals vorm, precisie, warmtebehandeling, kosten, enz. de maakbaarheid van de onderdelenstructuur beperken.
Daarom moeten deze factoren grondig overwogen worden in het constructieontwerp voor hun invloed op de maakbaarheid.
Assemblage is een cruciale stap in het fabricageproces van een product en de structuur van de componenten heeft een directe invloed op de kwaliteit en de kosten van de assemblage. De structurele ontwerprichtlijnen voor assemblage worden hieronder kort beschreven:
(1) Rationele verdeling van assemblage-eenheden:
De volledige machine moet worden ontleed in verschillende onafhankelijk geassembleerde eenheden (onderdelen of componenten) om parallelle en gespecialiseerde assemblageoperaties mogelijk te maken, assemblagecycli te verkorten en stapsgewijze technische inspecties en reparaties te vergemakkelijken.
(2) Zorg voor een correcte installatie van onderdelen:
Dit omvat het nauwkeurig positioneren van onderdelen, het vermijden van dubbele paringen en het voorkomen van assemblagefouten.
(3) Montage en demontage van onderdelen vergemakkelijken:
Het structurele ontwerp moet zorgen voor voldoende montageruimte, zoals sleutelruimte; vermijd te lange koppelingen om de montagemoeilijkheden en mogelijke schade aan koppelingsoppervlakken te vergroten, zoals te zien is bij sommige ontwerpen met getrapte assen; om de demontage van onderdelen te vergemakkelijken, moeten er posities zijn voor het plaatsen van demontagegereedschap, zoals bij het verwijderen van lagers.
(1) De configuratie van een product moet worden gerangschikt op basis van factoren zoals faalpercentage, complexiteit van reparatie, grootte, gewicht en installatiekenmerken.
Alle onderdelen die onderhoud nodig hebben, moeten gemakkelijk toegankelijk zijn. Onderdelen met een hoge storingsgevoeligheid en noodschakelaars die vaak onderhoud nodig hebben, moeten optimaal toegankelijk zijn.
(2) Producten, met name verbruiksartikelen, vaak gedemonteerde onderdelen en aanvullende apparatuur, moeten gemakkelijk te monteren en demonteren zijn.
Het pad waarlangs onderdelen in en uit elkaar bewegen tijdens demontage en montage is idealiter een rechte lijn of een lichte curve.
(3) Onderhoudspunten van het product, zoals inspectiepunten en testpunten, moeten zich op gemakkelijk toegankelijke plaatsen bevinden.
(4) Producten die onderhoud en demontage vereisen, moeten voldoende werkruimte hebben.
(5) Tijdens het onderhoud moeten bedieners in het algemeen de interne werkzaamheden kunnen zien. De doorgang moet niet alleen plaats bieden aan de hand of arm van het onderhoudspersoneel, maar moet ook een geschikte opening laten voor observatie.
Het ontwerp van een product moet niet alleen voldoen aan de functionele behoeften, maar ook rekening houden met de esthetische waarde, zodat het aantrekkelijk is voor gebruikers. Eenvoudig gezegd moet een product zowel nuttig als aantrekkelijk zijn. Psychologisch gezien zijn 60% van de menselijke beslissingen gebaseerd op eerste indrukken.
Aangezien technische producten handelswaar zijn in een kopersmarkt, is het ontwerpen van een aantrekkelijke buitenkant een cruciale ontwerpeis. Bovendien kunnen esthetisch aantrekkelijke producten operators helpen fouten als gevolg van vermoeidheid te verminderen.
Ontwerpesthetiek omvat drie aspecten: vorm, kleur en oppervlaktebehandeling.
Bij het bekijken van de vorm moet aandacht worden besteed aan harmonieuze maatverhoudingen, eenvoudige en uniforme vormen en de versterking en verfraaiing door kleuren en patronen.
Monochroom is alleen geschikt voor kleine onderdelen. Grote, vooral bewegende onderdelen, zien er monotoon en vlak uit als er maar één kleur wordt gebruikt. Een kleine toevoeging van een contrasterende kleur kan het algemene kleurenschema verlevendigen.
In situaties met meerdere kleuren moet er een dominante basiskleur zijn, met de corresponderende kleur die bekend staat als de contrastkleur.
Het aantal verschillende kleuren op één product moet echter niet te groot zijn, omdat te veel kleuren een indruk van oppervlakkigheid kunnen geven.
Comfortabele kleuren bevinden zich over het algemeen in het bereik van lichtgeel en geelgroen tot bruin. Deze trend gaat in de richting van warmere kleuren, waarbij felgeel en groen vaak ongemakkelijk overkomen; sterke grijstinten kunnen benauwend overkomen.
Warme kleuren zoals geel, oranje-geel en rood moeten worden gebruikt voor koude omgevingen, terwijl koele kleuren zoals lichtblauw moeten worden gebruikt voor warme omgevingen.
Alle kleuren moeten gedempt zijn. Bovendien kan een specifieke kleurconfiguratie het product veilig en stevig doen lijken.
Gebieden met minimale vormveranderingen en grotere oppervlakken moeten in lichte kleuren worden geconfigureerd, terwijl onderdelen met bewegende, actieve contouren in donkere kleuren moeten worden geconfigureerd. Donkere kleuren moeten aan de onderkant van de machine worden geplaatst en lichte kleuren aan de bovenkant.
Het ontwerp moet zowel het product als de onderhoudstaken vereenvoudigen:
(1) Tijdens het ontwerp moet een kosten-batenanalyse worden uitgevoerd op productfunctionaliteiten.
Voeg vergelijkbare of identieke functionaliteiten samen en verwijder overbodige functionaliteiten om zowel het product als de onderhoudstaken te vereenvoudigen.
(2) Het ontwerp moet gericht zijn op eenvoud in structuur en tegelijkertijd voldoen aan de gespecificeerde functionele vereisten.
Het aantal hiërarchische lagen en componenten moet worden geminimaliseerd en de vorm van de onderdelen moet zoveel mogelijk worden vereenvoudigd.
(3) Producten moeten ontworpen zijn met gebruiksvriendelijke maar betrouwbare afstelmechanismen om veelvoorkomende problemen veroorzaakt door slijtage of verloop op te lossen.
Voor onderdelen die duur zijn en gevoelig voor plaatselijke slijtage, ontwerp ze als verstelbare of verwijderbare assemblages voor eenvoudige gedeeltelijke vervanging of reparatie. Vermijd of beperk de noodzaak voor iteratieve aanpassingen als gevolg van onderling verbonden onderdelen.
(4) Onderdelen moeten logisch gerangschikt zijn om het aantal connectoren en bevestigingen te beperken, waardoor inspectie, vervanging van onderdelen en andere onderhoudstaken eenvoudiger en handiger worden.
Het ontwerp moet het zoveel mogelijk mogelijk mogelijk maken om een onderdeel te repareren zonder dat andere onderdelen gedemonteerd, verplaatst of minimaal gedemonteerd of verplaatst hoeven te worden. Deze aanpak verlaagt het vaardigheidsniveau en de werklast van het onderhoudspersoneel.
Als oprichter van MachineMFG heb ik meer dan tien jaar van mijn carrière gewijd aan de metaalbewerkingsindustrie. Door mijn uitgebreide ervaring ben ik een expert geworden op het gebied van plaatbewerking, verspaning, werktuigbouwkunde en gereedschapsmachines voor metalen. Ik denk, lees en schrijf voortdurend over deze onderwerpen en streef er voortdurend naar om voorop te blijven lopen in mijn vakgebied. Laat mijn kennis en expertise een aanwinst zijn voor uw bedrijf.
NL 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
PT 
PT_BR 
RU 
KO