Вы когда-нибудь задумывались о том, как механические конструкции превращают идеи в осязаемые проекты? Проектирование механических конструкций превращает абстрактные принципы в подробные схемы, гарантируя, что каждая деталь оптимизирована с точки зрения функциональности, прочности и технологичности. В этом руководстве рассматриваются основные принципы проектирования, выбор материалов и взаимосвязь между компонентами, а также предлагаются идеи для улучшения ваших инженерных проектов. Узнайте, как стратегическое проектирование может повысить точность, долговечность и эффективность, сделав ваши механические системы более надежными и эффективными.
Цель проектирования механических конструкций заключается в том, чтобы на основе общей концепции дизайна воплотить первоначальный принцип проектирования в детальную схему, выполняющую необходимые функции.
Процесс проектирования преобразует абстрактные принципы работы в конкретные компоненты или детали, что включает в себя определение материала, формы, размера, допусков, метода термической обработки и обработки поверхности элементов конструкции.
Кроме того, очень важно учитывать процесс их изготовления, прочность, жесткость, точность и взаимосвязь с другими компонентами. Хотя непосредственным результатом структурного проектирования являются технические чертежи, эта задача не так проста, как механическое черчение.
Чертежи лишь выражают проектную схему на инженерном языке; применение различных методов проектирования механизмов для материализации проектной концепции является фундаментальным содержанием структурного проектирования.
Функциональность механической конструкции достигается в первую очередь за счет геометрической формы ее компонентов и взаимного расположения между ними. Геометрическая форма компонента определяется его поверхностями.
Как правило, компонент состоит из нескольких поверхностей, некоторые из которых непосредственно соприкасаются с поверхностями других компонентов. Эти соприкасающиеся поверхности называются функциональными поверхностями. Области, соединяющие эти функциональные поверхности, называются соединительными поверхностями.
Функциональные поверхности детали имеют решающее значение для определения ее механической функции. Проектирование этих функциональных поверхностей лежит в основе структурного проектирования деталей.
Основные геометрические параметры, используемые для описания функциональных поверхностей, включают их геометрическую форму, размер, количество поверхностей, расположение, последовательность и т.д. Для реализации одной и той же технической функции с помощью различных конструкций функциональных поверхностей могут быть достигнуты различные конструктивные решения.
В любой машине или механической системе ни один компонент не существует изолированно.
Поэтому при проектировании конструкции необходимо не только изучать функции и соответствующие характеристики каждого компонента, но и исследовать взаимосвязи между ними.
Взаимосвязи между компонентами можно разделить на две категории: прямые и косвенные.
Две детали, имеющие прямую связь при сборке, считаются непосредственно связанными, в то время как детали, не имеющие такой связи, считаются косвенно связанными. Косвенные связи можно разделить на позиционные и связанные с движением.
Позиционные отношения означают требование к двум компонентам сохранять определенное пространственное расположение.
Например, в редукторе скорости центральное расстояние между двумя соседними трансмиссионными валами должно быть выполнено с особой точностью, а оси двух валов должны быть параллельны, чтобы обеспечить нормальное зацепление шестерен.
Взаимосвязи, связанные с движением, означают, что траектория движения одного компонента связана с другим. Например, траектория движения держателя инструмента токарного станка должна быть параллельна осевой линии шпинделя, что обеспечивается параллельностью между направляющей станины и осью шпинделя.
Таким образом, шпиндель и рельс связаны позиционно, а держатель инструмента и шпиндель - движением.
Большинство компонентов имеют два или более непосредственно связанных между собой компонентов. Таким образом, каждая деталь обычно имеет два или более мест, структурно связанных с другими компонентами.
При проектировании конструкций необходимо одновременно рассматривать структуры непосредственно связанных деталей, чтобы обоснованно выбрать методы термообработки, формы, размеры, точность и поверхности материалов.
Кроме того, необходимо учитывать требования к косвенным связям, таким как размерная цепь и точные расчеты.
Как правило, чем больше у компонента непосредственно связанных деталей, тем сложнее его структура. И наоборот, чем больше косвенно связанных деталей, тем выше требуемая точность.
При проектировании деталей могут быть выбраны различные материалы, каждый из которых обладает уникальными свойствами. Разные материалы соответствуют разным технологическим процессам.
Процесс проектирования требует не только выбора подходящих материалов в соответствии с функциональными требованиями, но и определения подходящего производственного процесса в зависимости от типа материала.
Кроме того, структура должна быть определена в соответствии с требованиями производственного процесса.
Только благодаря правильному проектированию конструкции можно использовать выбранный материал в полной мере.
Чтобы конструкторы могли правильно выбрать материалы для деталей, они должны полностью понимать механические свойства, обрабатываемость и экономическую эффективность соответствующих материалов.
При проектировании конструкций следует придерживаться различных принципов проектирования в зависимости от характеристик выбранных материалов и соответствующих производственных процессов.
Механические изделия используются в различных отраслях промышленности, при этом специфика и требования к проектированию конструкций существенно различаются.
Однако фундаментальные требования к проектированию конструкций универсальны. Ниже изложены требования к проектированию механических конструкций на трех различных уровнях.
Усилия направлены на материализацию технических аспектов для удовлетворения первичных механических требований.
Рассматриваются такие элементы, как реализация принципов работы, надежность эксплуатации, процессы, материалы и сборка.
Балансирование между различными требованиями и ограничениями для повышения качества и экономичности продукции является примером современного инженерного проектирования.
К конкретным областям относятся работоспособность, эстетика, безопасность, стоимость и сохранение окружающей среды. В современном дизайне качество дизайна имеет большое значение и часто определяет конкурентоспособность.
Подход к проектированию, ориентированный исключительно на удовлетворение первичных технических функций, устарел.
Суть современного механического дизайна заключается в гармонизации различных требований, достижении баланса и принятии соответствующих компромиссов при условии выполнения основных функций для повышения качества продукции.
Структурные переменные дизайна систематически используются для построения оптимизированного пространства дизайна. Для выбора и внедрения инноваций используются методы креативного дизайнерского мышления и другие научные методы.
Конечным результатом механического проектирования является выражение определенной формы конструкции в чертежах. Конечный продукт изготавливается в соответствии с этими чертежами с помощью процессов обработки и сборки.
Поэтому дизайн механических конструкций должен отвечать различным требованиям, предъявляемым к изделию, включая функциональность, надежность, технологичность, экономичность и эстетичность.
Кроме того, она должна улучшать несущую способность деталей, повышая их прочность, жесткость, точность и срок службы.
Проектирование механических конструкций, таким образом, является комплексной технической задачей. Необоснованные или ошибочные конструктивные решения могут привести к неожиданным отказам компонентов, не позволить машинам достичь требуемой точности, а также вызвать значительные неудобства при сборке и обслуживании.
В процессе проектирования механических конструкций следует учитывать следующие принципы структурного проектирования.
Основная цель проектирования продукции - удовлетворение заранее установленных функциональных требований.
Поэтому при проектировании конструкций в первую очередь учитывается принцип достижения ожидаемой функциональности. Для удовлетворения этих функциональных требований необходимо соблюдать следующие пункты:
(1) Явная функциональность:
Структурное проектирование должно определять параметры, размеры и форму конструкции, исходя из ее функции в машине и взаимосвязи с другими компонентами.
Основные функции компонентов включают в себя восприятие нагрузок, передачу движения и мощности, а также обеспечение или поддержание относительного положения или траектории движения между связанными частями или компонентами. Спроектированная конструкция должна отвечать функциональным требованиям, рассматриваемым с точки зрения всей машины.
(2) Функциональное распределение:
В процессе разработки продукта часто возникает необходимость разумного делегирования задач в зависимости от конкретных обстоятельств, то есть декомпозиции одной функции на несколько подфункций.
Каждая подфункция должна поддерживаться определенной структурой, а между различными структурными частями должна быть разумная и согласованная связь для достижения общей функции.
Несколько структурных компонентов, выполняющих одну функцию, могут снизить нагрузку на отдельные детали, тем самым продлевая срок их службы.
Например, структура поперечного сечения клинового ремня является примером распределения задач.
Волокнистый корд выдерживает натяжение; слой резинового наполнителя поглощает растяжение и сжатие при изгибе ремня; слой ткани взаимодействует с канавкой шкива, создавая трение, необходимое для передачи.
Другой пример - когда трение, создаваемое только предварительной затяжкой болтов, используется для противостояния боковым нагрузкам, что может привести к переразмеренным болтам. Эту проблему можно решить, добавив компоненты, устойчивые к сдвигу, такие как штифты, втулки и ключи, чтобы распределить боковую нагрузку.
(3) Концентрация функций: Для упрощения конструкции механических изделий, снижения затрат на производство и облегчения монтажа, одной детали или компоненту при определенных обстоятельствах может быть назначено несколько функций.
Хотя функциональная концентрация может сделать форму деталей более сложной, ее следует умеренно использовать, чтобы избежать увеличения сложности обработки и непроизвольного повышения стоимости производства. Конструкция должна определяться в зависимости от конкретной ситуации.
(1) Критерий равной прочности:
Изменения размеров поперечного сечения деталей должны быть адаптированы к изменениям в внутреннее напряжениечтобы прочность каждой секции была одинаковой.
Конструкция, спроектированная по принципу равной прочности, позволяет полностью использовать материалы, тем самым снижая вес и стоимость. Конструкция консольных кронштейнов, ступенчатых валов и т. д.
(2) Разумная структура потока сил:
Чтобы наглядно продемонстрировать, как сила передается в механических компонентах, сила рассматривается как текущая в компоненте, подобно воде, и эти силовые линии сходятся в силовой поток.
Поток этой силы играет важную роль при проектировании конструкции. Поток силы в компоненте не прерывается, и ни одна линия силы не исчезает внезапно. Она должна передаваться от одного места к другому.
Другая особенность силового потока заключается в том, что он стремится распространяться по кратчайшему пути, в результате чего вблизи кратчайшего пути образуется плотный силовой поток, формирующий зону высоких напряжений.
Поток силы в других частях скудный, и даже не проходит через них. С точки зрения напряжения, материал используется не полностью.
Поэтому, чтобы улучшить жесткость детали, ее форма разрабатывается в соответствии с кратчайшим путем прохождения силы, уменьшая площадь несущей поверхности, и, таким образом, уменьшая накопленную деформацию, увеличивая жесткость всей детали и полностью используя материал.
(3) Свести к минимуму концентрацию напряжений в конструкциях:
Когда направление потока силы резко меняется, сила становится чрезмерно сконцентрированной на повороте, что приводит к концентрации напряжений.
В конструкции должны быть предусмотрены меры, обеспечивающие постепенное изменение направления силы. Концентрация напряжений является существенным фактором, влияющим на усталостная прочность компонентов.
При проектировании конструкций необходимо стремиться к тому, чтобы избежать или минимизировать концентрацию напряжений, например, увеличить радиус перехода, использовать конструкции для снятия напряжений и т.д.
(4) Создайте сбалансированные по нагрузке структуры:
Во время работа машиныПри этом часто возникают ненужные силы, такие как инерционные силы и осевые силы косозубых шестерен.
Эти силы не только увеличивают нагрузку на такие детали, как валы и подшипники, снижая их точность и срок службы, но и снижают эффективность трансмиссии машины. Балансировка нагрузки относится к конструктивным мерам, которые частично или полностью уравновешивают эти ненужные силы, чтобы смягчить или устранить их негативное воздействие.
Эти структурные меры в основном предполагают использование балансирующих компонентов и симметричное расположение.
Чтобы обеспечить нормальное функционирование компонентов на протяжении всего срока службы, необходимо придать им достаточную жесткость.
Основная цель структурного проектирования механических компонентов - обеспечение функциональности, позволяющей изделию соответствовать требуемым характеристикам. Однако рациональность конструкции напрямую влияет на стоимость производства и качество компонентов.
Поэтому при проектировании конструкций очень важно стремиться к хорошей технологичности механизмов компонентов. Хорошая технологичность означает, что структура компонента проста в изготовлении.
Каждый метод производства имеет свои ограничения, которые могут привести к высокой стоимости продукции или ухудшению ее качества.
Поэтому дизайнерам важно знать особенности различных методов производства, чтобы при проектировании максимально использовать их преимущества и минимизировать недостатки.
В реальном производстве технологичность конструкций деталей ограничивается множеством факторов. Например, размер производственной партии может влиять на метод создания заготовок; условия работы производственного оборудования могут ограничивать размер заготовок.
Кроме того, такие факторы, как формовка, точность, термообработка, стоимость и т. д., могут потенциально ограничить технологичность конструкции компонента.
Поэтому эти факторы должны быть тщательно учтены при проектировании конструкции с учетом их влияния на технологичность.
Сборка - важнейший этап в процессе производства изделия, и структура компонентов напрямую влияет на качество и стоимость сборки. Ниже приведены краткие рекомендации по проектированию конструкций для сборки:
(1) Рациональное разделение сборочных единиц:
Вся машина должна быть расчленена на несколько независимо собираемых узлов (деталей или компонентов), чтобы обеспечить параллельную и специализированную сборку, сократить цикл сборки и облегчить поэтапный технический осмотр и ремонт.
(2) Обеспечьте правильную установку компонентов:
Это включает в себя точное позиционирование деталей, предотвращение двойного сопряжения и ошибок при сборке.
(3) Облегчает сборку и разборку компонентов:
Конструкция должна обеспечивать достаточное пространство для сборки, например, пространство для гаечного ключа; избегайте слишком длинных сопряжений, чтобы не усложнять сборку и не повреждать сопрягаемые поверхности, как это наблюдается в некоторых конструкциях ступенчатых валов; для облегчения демонтажа деталей необходимо предусмотреть места для размещения инструментов для демонтажа, как в случае со снятием подшипника.
(1) Конфигурация изделия должна определяться с учетом таких факторов, как частота отказов, сложность ремонта, размер, вес и особенности установки.
Любые детали, требующие обслуживания, должны быть легко доступны. Компоненты с высоким уровнем отказов и аварийные выключатели, требующие частого обслуживания, должны иметь оптимальный доступ.
(2) Изделия, особенно расходные части, часто разбираемые компоненты и дополнительное оборудование, должны легко собираться и разбираться.
Путь перемещения деталей при разборке и сборке в идеале должен представлять собой прямую линию или пологий изгиб.
(3) Пункты технического обслуживания изделия, такие как пункты осмотра и испытания, должны быть расположены в легкодоступных местах.
(4) Изделия, требующие обслуживания и демонтажа, должны иметь вокруг себя достаточное рабочее пространство.
(5) Во время технического обслуживания операторы должны иметь возможность наблюдать за внутренними операциями. Помимо того, что проход должен вмещать руку или кисть обслуживающего персонала, он также должен оставлять соответствующее пространство для наблюдения.
Дизайн продукта должен не только удовлетворять его функциональные потребности, но и учитывать его эстетическую ценность, делая его привлекательным для пользователей. Проще говоря, продукт должен быть одновременно полезным и привлекательным. С психологической точки зрения, 60% человеческих решений основаны на первом впечатлении.
Учитывая, что технические изделия являются товаром на рынке покупателей, разработка привлекательного внешнего вида является одним из важнейших требований к дизайну. Кроме того, эстетически привлекательные продукты могут помочь операторам снизить количество ошибок, вызванных усталостью.
Эстетика дизайна включает в себя три аспекта: форму, цвет и обработка поверхности.
При рассмотрении формы следует обратить внимание на гармоничные пропорции размеров, простые и унифицированные формы, а также на усиление и украшение, обеспечиваемое цветами и узорами.
Монохром подходит только для мелких деталей. Крупные, особенно подвижные детали, будут выглядеть однообразно и плоско, если использовать только один цвет. Небольшое добавление контрастного цвета может оживить общую цветовую гамму.
В многоцветных ситуациях должен быть доминирующий базовый цвет, а соответствующий ему цвет называется контрастным.
Однако количество различных цветов на одном изделии не должно быть чрезмерным, так как слишком большое количество цветов может создать впечатление поверхностности.
Комфортные цвета обычно находятся в диапазоне от светло-желтого и желто-зеленого до коричневого. Тенденция направлена на более теплые цвета, при этом ярко-желтый и зеленый часто кажутся некомфортными, а насыщенные серые тона могут казаться угнетающими.
Для холодной среды следует использовать теплые цвета, такие как желтый, оранжево-желтый и красный, а для жаркой - холодные цвета, например, светло-голубой.
Все цвета должны быть приглушенными. Кроме того, определенная цветовая конфигурация может создать впечатление надежности и прочности изделия.
Области с минимальными изменениями формы и большими поверхностями должны быть оформлены в светлых цветах, в то время как компоненты с подвижными, активными контурами должны быть оформлены в темных цветах. Темные цвета должны располагаться в нижней части механизма, а светлые - в верхней.
Дизайн должен упрощать как работу с продуктом, так и обслуживание:
(1) Во время проектирования необходимо провести анализ затрат и выгод в отношении функциональных возможностей продукта.
Объедините похожие или идентичные функции, удалите ненужные, чтобы упростить как продукт, так и задачи по его обслуживанию.
(2) Дизайн должен стремиться к простоте структуры при соблюдении заданных функциональных требований.
Количество иерархических слоев и компонентов должно быть сведено к минимуму, а форма деталей максимально упрощена.
(3) Изделия должны иметь простые в использовании, но надежные механизмы регулировки для устранения распространенных неисправностей, вызванных износом или смещением.
Для дорогостоящих и подверженных локальному износу деталей проектируйте их как регулируемые или съемные узлы для легкой частичной замены или ремонта. Избегайте или сводите к минимуму необходимость итеративных регулировок из-за взаимосвязанных деталей.
(4) Компоненты должны быть расположены логично, чтобы уменьшить количество разъемов и приспособлений, что делает осмотр, замену деталей и другие задачи по обслуживанию более простыми и удобными.
По возможности конструкция должна позволять ремонтировать любой компонент без необходимости демонтажа, перемещения или минимального демонтажа или перемещения других деталей. Такой подход снижает уровень квалификации и рабочую нагрузку, требуемую от обслуживающего персонала.
Как основатель MachineMFG, я посвятил более десяти лет своей карьеры металлообрабатывающей промышленности. Мой обширный опыт позволил мне стать экспертом в области производства листового металла, механической обработки, машиностроения и станков для обработки металлов. Я постоянно думаю, читаю и пишу об этих предметах, постоянно стремясь оставаться на переднем крае своей области. Позвольте моим знаниям и опыту стать преимуществом для вашего бизнеса.
RU 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
KO