Главная    Инструменты    Коллер Рудольф    Комбинирование принципиальных решений элементов конструкций в комплексные системы

"Метод конструирования машин, приборов и аппаратов"

Р. Коллер

1976

11. Комбинирование принципиальных решений элементов конструкций в комплексные системы

Предыдущий рабочий шаг завершался разработкой принципиального или основного решения. Оно ограничивалось качественным изображением данной связи причина-следствие и в основном содержало только параметры, заданные существующим физическим законом. В последующем рабочем шаге "Комбинированные" принципиальные решения, соответствующие отдельным элементарным функциям, согласно структуре элементарной функции, необходимо объединять в комплексные системы. Этот рабочий шаг, по мере необходимости, должен проводиться перед конструированием, так как отдельные элементы, по причине сильного взаимного влияния, неотделимые от своих смежных элементов, могут конструироваться рационально.

Машины, приборы и аппараты обычно состоят из большого количества функциональных элементов или узлов. Узел в большинстве случаев состоит из нескольких функциональных элементов. Под функциональным элементом здесь, по договоренности, должна пониматься техническая реализация элементарной функции. В предшествующих рабочих шагах, в общем, для каждой подфункции или элементарной функции получали несколько альтернативно применимых решений. Для того, чтобы сократить многообразие решений, было бы желательно иметь объективные критерии для определения, в зависимости от обстоятельств, самого оптимального решения для подфункции или элементарной функции. К сожалению, решение, рассматриваемое сома по себе оптимальным, помимо исключений. в сочетании с существующей общей системой не всегда является самым оптимальным решением. Это означает, что во многих случаях сначала необходимо объединять в общую систему отдельные частичные решения, а затем, применительно к оптимальной пригодности, следует выбирать их для частного случая. Для систематического и непрерывного проведения комбинации отдельных частичных решений в соответствующую общую систему можно использовать комбинационную систематику, которая стала известной под названием "морфологический ящик".

Для того, чтобы излишне не завышать число возможных комбинаций, перед этим рабочим шагом следует выделять все альтернативы решений для отдельных подфункций или элементарных функций, о которых также при дискретном рассмотрении без сомнения можно сказать, что они не приведут ни к каким пригодным решениям. Остающиеся возможности решений при помощи ключевого слова записываются в комбинационную систематику, как это показано в табл. 11.1. В горизонтальном направлении в соответствующей строке записываются соответствующие возможности решений для подобной подфункции или элементарных функций. Число строк соответствует числу подфункций или элементарных функций, составляющих общую систему; число столбцов строки соответствует числу возможных решений для определенной функции.

Группа альтернатив принципиальных решений, состоящая, соответственно, из одной альтернативы в каждой строке, дает черновой набросок для соответствующей общей системы. Если n1, n2, n3... и т.д. число вариантов решений, расположенных в соответствующих строках (1, 2, 3 и т.д.), то теоретически получаются комбинации, отличные одна от другой

N n1·n2·n3·...·nn

Каждая из этих комбинаций представляет возможный черновой набросок для соответствующей общей системы. Необходимо от случая к случаю проверять, какие комбинации практически целесообразны и какие нет.

Комбинационная систематика (морфологический ящик)

Возможная комбинация
(черновой набросок)

Таблица 11.1: Комбинационная систематика (морфологический ящик)

При помощи такой систематики какие-либо альтернативы решений, в принципе, можно систематически комбинировать в комплексные системы. Так, например, по подобной схеме альтернативы эффекта и носителей эффекта (раздел 10) можно объединять в принципиальные решения или уже существующие элементы конструкций в узлы, узлы в машины, или машины и приборы в еще более комплексные системы. Для проведения рабочего шага получается. таким образом, следующее:

Правило 6: Различные черновые наброски технических систем получают в результате комбинирования подходящих элементов посредством комбинационной систематики согласно таблице 11.1. В частности, по правилам этой матрицы альтернативы эффекта и альтернативы носителей эффектов можно комбинировать в различные принципиальные решения, альтернативы функциональных элементов в узлы, альтернативы узлов - в машины, или альтернативы машин, приборов или аппаратов в более комплексные системы.

Из множества возможных комбинаций, которые дает этот метод, по мере возможности, следует выбирать самое оптимальное решение или самые оптимальные решения для данного случая. Следовательно, результатом этого рабочего шага является, лучше всего, выходящий черновой набросок для технической системы, подлежащей разработке. Степень реализации, которая достигнута в этой стадии, соответствует степени реализации принципиального решения. В последующих рабочих шагах отдельные элементы конструируются с учетом их взаимных связей и объединяются в масштабе проекта. В последующих разделах еще подробнее остановимся на необходимых для этого видах деятельности.

12. Конструирование и проектирование

Предшествующие рабочие шаги завершались созданием чернового наброска для системы, подлежащей разработке. Конструктивная степень реализации, достигнутая до этого, соответствует степени реализации принципиального решения, то есть сначала имеется решение в виде блок-схем, причем отдельные элементы еще могут быть изображены в виде одно или двухмерной схемы. В противоположность этому, реальная техническая схема состоит их множества трехмерных деталей или тел, которые каким-либо образом связаны друг с другом. Виды деятельности, которые необходимы для того, чтобы перевести принципиальное решение в создаваемое техническое устройство, можно принципиально расчленить на разделы "Конструирование" и "Проектирование". Под конструированием, в основном, необходимо понимать перевод одно или двухмерного принципиального изображения в трехмерное устройство с соответствующими рабочими поверхностями, которое может быть изготовлено с технической точки зрения.

Установление взаимных соответствий положения и числа элементов или узлов, участвующих в системе, должно называться проектированием. Оба вида деятельности в практике тесно связаны друг с другом и в своей последовательности устанавливаются не однозначно. Бывают случаи, в которых сначала определяется положение отдельных элементов и затем они должны конструироваться согласно заданным параметрам, или такие случаи, в которых форма отдельных элементов или узлов устанавливается заранее и они еще группируются в общую систему (Проектирование с имеющимися в наличии элементами конструкций и узлами). Результатом этих рабочих шагов, во всяком случае, является первый, более или менее, масштабный проект, который в ходе дальнейшего процесса разработки, смотря по обстоятельствам, много раз перерабатывается, проверяется и совершенствуется и ведет к созданию второго, третьего, четвертого и т.д.; для того, чтобы, наконец, таким образом, в виде так называемого окончательного проекта достичь такой степени совершенства, которая бы допускала возможность создания этой расчетной системы в виде чертежей.

При конструировании технических устройств при каждом рабочем шаге всегда можно проводить различие между двумя принципиально отдельными процессами, между процессом синтеза альтернатив решений и процессом подбора решения, являющегося для данного случая самым оптимальным. При обычном методе, применяемом до сих пор, конструктор мысленно разрабатывает решение, проверяет его на определенных критериях, чертит или отбрасывает его, в зависимости от того, отвечает ли оно названным критериям, или нет. Оба вида деятельности в такой степени совершаются мысленно параллельно, что она зачатую воспринимаются лишь как одни вид деятельности. Но применительно к разработке правил по систематическому конструированию технических устройств важно проводить различия между такими правилами для синтеза вариантов решений и вариантов для ограничения многообразия решений для выбора. В отношении дальнейшего изложения первой отдельной задачи ставится вопрос относительно параметров, которые определяют форму тела или технической системы. На критериях по выбору решений еще раз остановимся в разделе 14.

Конструирование и проектирование таких видов деятельности, которые, по всей вероятности, занимают самую большую часть времени в общем процессе конструирования, это, в общем, основные виды деятельности конструктора. Результат во многих случаях является решающим для успеха или неудачи конструкции. Поэтому необходимо подробно остановиться на этих видах деятельности.

12.1. Конструирование

Если пытаются дать ответ на вопрос: "Что такое конструирование?", то проще сначала спросить: "Чем определяется форма тела?" Тело, как известно, ограничивается поверхностями. Они могут быть разными, однократно или многократно изогнутыми, т.е. они имеют определенную форму. Далее, тело имеет определенное количество поверхностей; они сами имеют определенное относительное положение по отношению друг к другу и, наконец, каждая поверхность имеет еще определенные размеры. Это означает, что конфигурация тела определяется формой, числом, соответствием положения и размерами ограничивающих его поверхностей. Если одна из этих величин изменяется, то тогда изменяется также и форма тела. Различные поверхности тела отграничены и определены гранями (линиями), ограничивающими их. Таким образом, под конструированием следует понимать поиск и выбор:

    · формы поверхностей (изменение формы),
    · относительного положения поверхностей по отношению друг к другу (изменение положения),
    · числа поверхностей (изменение числа) и
    · размеров поверхностей (изменение размера) тела.

Естественно, конструктор при конструировании изменяет эти параметры не произвольно, а учитывает при этом множество условий, ограничивающих богатство вариантов при конструировании (смотри для этого раздел 14). Поскольку, как можно сказать, изменение фрмы поверхности, а также числа и относительного положения поверхностей тела можно создать также путем изменения одного или нескольких геометрических параметров, то теоретически любое изменение формы можно свести к изменению размерности. Этот способ рассмотрения интересен именно для теоретических суждений, но применительно к практике конструирования он является не очень подходящим, так как он противоречит обычным представлениям.

Примеры на рисунке 12.1.1 должны еще раз пояснить сказанное. Профили или тела, показанные на этом рисунке справа, теоретически

Поиск формы

Рисунок 12.1.1 a-c: Поиск формы (Пояснения в тексте)

можно представить себе возникшими в результате изменений размеров из профилей или тел, расположенных слева. Если в первом случае размер a квадрата будет равен нулю, то первоначальная квадратная форма переходит в окружность радиусом r (рис. 12.1.1а). Или, если радиус кривизны r дуговой направляющей согласно рисунку 12.1.1б проводить до бесконечности, то из нее возникнет прямолинейная направляющая. Если диаметр d1 становится равным диаметру d2 (рис. 12.1.1с), то первоначальный конус в результате "изменения размера" превращается в цилиндр.

Во всех трех случаях, поскольку форма (кривизна) рабочей поверхности изменилась, по причинам наглядности следовало бы скорее говорить об изменении формы.

Для того, чтобы отграничить подобные "изменения размера" по отношению к изменению формы, положения и изменения числа, должны соблюдаться следующие условия:

    Если длина (измерение), отнесенная к плоскости или телу, стремится к нулю или бесконечности, или, если два релевантных размера становятся одинаковыми, то тогда эти случаи должны рассматриваться как изменение формы, а не изменение размера.
    Переход от определенного относительного положения к другому относительному положению плоскости будет тогда называться "изменением положения", когда оба относительных положения в результате непрерывного изменения геометрических размеров не позволяют осуществлять трансформацию друг в друга, а существуют лишь дискретные положения.
    Пусть всякое изменение, при котором изменяется число плоскостей, определяющих тело, называется "изменением числа".

Из прежних высказываний следуют, что изменение формы тела, собственно, можно свести к изменению формы ограничивающих его поверхностей. Выражаясь другими словами: поверхности - это "элементы конструкций" тела. Продолжение этой мысли ведет к высказыванию, что вид поверхности может варьироваться изменением формы, положения, числа и изменением размера определяющих ее линий, наконец, также то, что форма линии может изменяться от положения и числа точке, определяющих ее. Разумеется, к точкам нельзя приписать никаких форм или размеров.

Под понятием форма поверхности здесь следует понимать только вид поверхности любой протяженности. Пусть ограничение данной поверхности при этом остается без внимания. Соответственно этому шар и полусфера имеют одинаковую форму, но не одинаковую фигуру. общие поверхности имеют различную кривизну с нуля. Главные кривизны поверхности в пространстве, относящиеся к дум главным направлениям, определяют размер кривизны Гаусса; он может быть положительным или отрицательным (седлообразная поверхность). О многих кривых или поверхностях в этой связи следует говорить лишь тогда, когда связанный участок кривой или часть поверхности содержит в себе изломы или грани; изломы и грани здесь следует понимать как геометрические объекты, которые взаимно отграничивают отдельные кривые или поверхности. Если форма поверхности изменяется, то общем изменяется также форма смежных поверхностей.

В примере "Конструирование торцового ключа для стопорного устройства двери", согласно рисунку 12.1.2, четыре поверхности, обозначенные цифрой I, следуют рассматривать как собственные рабочие поверхности, которые должны варьироваться; при этом неизбежное изменение поверхностей, обозначенных цифрами II и III, в этой связи является незначительным. Все тела, изображенные на этом рисунке, выводились из основной части согласно рисунку 12.2.а, а именно, в результате изменения относительного положения, числа, формы и размеров поверхностей.

Согласно этим суждениям, вид деятельности "Конструирование" можно определить точнее следующим образом:

Рисунок 12.1.2 a-e: Поиск и выбор формы у рабочих поверхностей Пример: Торцовый ключ

Под конструированием или поиском формы следую понимать такие виды деятельности, которые необходимы для того, чтобы перевести принципиальное или основное решение в технически экономичное устройство, состоящее из подходящих рабочих поверхностей или рабочих тел, которое может быть реализовано. Этот процесс, в частности, касается определения формы, положения, числа и размеров рабочих поверхностей и рабочих тел. а также выбора самых оптимальных вариантов по определенным критериям. При этом следует оговориться, что постоянно должен сохраняться принцип, не допускающий в конечном счете переход от определенного эффекта или носителя эффекта к другому.

Согласно предшествующим рассуждениям, конструкцию детали можно варьировать изменяя форму, относительное положение, число и размеры ограничивающих ее поверхностей. Ниже, прежде всего следует подробнее остановиться на правилах, которые необходимо использовать для создания вариантов форм отдельных элементов. Конструирование комплексных систем излагается в разделе 12.2.

12.1.1. Поиск формы при конструировании

Под поиском формы здесь понимается выбор конфигурации тела (деталь) в результате систематического изменения формы ограничивающих его поверхностей, в частности. рабочих поверхностей. В качестве поверхностей различной формы следует, например, понимать плоскость (плоскую поверхность) и поверхности второго порядка (шар, конус, цилиндр, параболоид, эллипсоид, гиперболоид).

Соответственно этому изменение формы наступает лишь в том случае, если при переходе от одной поверхности к другой поверхности качественно изменяются главные кривизны, отнесенные к двум главным направлениям (и, таким образом, также средняя кривизна, а также размер кривизны Гаусса). Одно из таких изменений примерно соответствует перемене знака гауссова размера кривизны. Конечно, в принципе, для изменения формы можно использовать любую как угодно искривленную поверхность. но для технических устройств важное значение имеют лишь вышеназванные поверхности.

Отличающиеся друг от друга своей конфигурацией различные головки с литерами у пишущих машин или телетайпов являются примером изменения формы этого элемента конструкции, рисунок 12.1.1.1. Также переход от одного клапана к клапану другой конфигурации (рисунок 12.1.1.2) можно понимать как изменение формы рабочего тела или рабочей поверхности.

12.1.2. Поиск положения при конструировании

Под поиском положения следует понимать выбор формы тела в результате систематического изменения дискретных относительных положений поверхностей (рабочих поверхностей), ограничивающих тело. В отношении относительного положения рабочих поверхностей зачатую бывает несколько дискретных соответствий. Им соответствуют такие относительные положения рабочих поверхностей, которые позволяют осуществлять трансформацию друг в друга не непрерывно, то есть путем изменения размера. Простым примером для этого является резьба у основной части детали цилиндрической формы, которая может быть наружной или внутренней резьбой; эти оба варианта нельзя непрерывно преобразовывать друг в друга. На примере крепления шлифовального круга на вращающемся валу рисунок 12.1.2.1 наглядно поясняет "изменение положения" в отношении рабочей поверхности "резьба". На литеродержателе цилиндрической формы литера можно располагать на боковой поверхности, или на лобовой поверхности цилиндра (рисунок 12.1.2.2). Оба варианта фигур снова не позволяют осуществлять непрерывное преобразование друг в друга.

Рисунок 12.1.1.1: Поиск фигуры в результате изменения формы рабочих поверхностей у летеродержателей пишущих машин

Рисунок 12.1.1.2 a, b: Поиск фигуры в результате изменения формы рабочих поверхностей у клапанов

Рисунок 12.1.2.1: Поиск формы в результате изменения рабочей поверхности в креплении шлифовального круга

Рисунок 12.1.2.2: Поиск формы в результате изменения положения рабочих поверхностей у литеродержателя пишущей машины

12.1.3. Поиск числа при конструировании

Под поиском числа следует понимать выбор конфигурации тела в результате систематического изменения числа ограничивающих его поверхностей.

Переход от одной головки болта с внутренними гранями к другой, согласно рисунку 12.1.3.1, а также переход от единичного контакта к контактной щетке (рисунок 12.1.3.2) можуг служить примерами для изменения числа рабочей поверхности.

12.1.4. Поиск размеров при конструировании

Под поиском размера здесь следует понимать выбор форм тела или поверхности в результате непрерывного увеличения или уменьшения габаритов; они могут относиться к поверхностям, ограничивающим тело, или к их линейным элементам. Переход, при котором длина (размер) стремится к нулю или бесконечности, или случаи, где различные формы возникают в результате того, что размеры приравниваются друг к другу, здесь следует понимать не как поиск размера, а как поиск формы (рисунок 12.1). Болты, шестерни, штифты и т.д. различных размеров являются известными примерами поиска формы в результате изменения размера.

Правила конструирования "поиска формы, размера, числа и положения" имеют общее применение: они обеспечивают возможность вывода всех допустимых вариантов формы для соответствующего заданного основного решения функции. Правда, при конкретном применении оказывается то, что эти правила дают огромное множество отличных друг от друга форм. Для принципиального рассмотрения, без сомнения, желательным является знание всех возможных вариантов. Правда, в практике, прежде всего в расчете на экономичность не всегда будут выводить все возможные варианты форм. Это в большинстве случаев также не обязательно, так как теоретически возможное многообразие форм в результате постоянно существующего условия "моет быть изготовлено с минимальными расходами" сильно ограничивается. Это означает, что в практике ограничиваются вариантами конструкций, которые могут быть изготовлены при помощи технических средств по возможности проще. На последующих ограничивающих условиях подробно остановимся в разделе 14.

Рисунок 12.1.3.1: Поиск формы в результате изменения числа рабочих поверхностей болтов

Рисунок 12.1.3.2: Поиск формы в результате изменения рабочих поверхностей у электрического контакта

12.2. Проектирование

В то время, как под понятием "конструирование" понимались виды деятельности по определению формы отдельных элементов (рабочие тела, детали). под понятием "проектирование" должны объединяться такие виды деятельности, которые необходимы для расчета больших систем, как например, узлов, машин или установок. Комплексные технические системы, в общем, состоят из большого количества отдельных элементов, узлов или/и машин, которые имеют по отношению друг к другу определенное соответствие положения и определенное расстояние. "Форма" комплексной технической системы (машина. приборы и т.д.) определяется числом образующих ее элементов конструкций или/и узлов, относительным положением (расположением). отдельных узлов по отношению друг к другу и их расстояниями (размерами) между собой. Эти подсистемы могу быть связаны друг с другом жестко или подвижно. Далее, в одной системе одинаковые элементы или узлы могут встречаться один раз или несколько раз. Наконец, форма системы также может изменяться, как еще будет пояснено ниже. Отсюда вытекает общеобязательные правила изменения формы, положения, числа, размера и соединения для проектирования комплексных технических систем.

12.2.1. Поиск формы при проектировании

Наряду с поиском формы у рабочей поверхности или рабочего тела имеется последующая группа изменений форм, которая может целесообразно использоваться в устройствах (системах) большого размера. У элементов существуют такие размеры, которые приобретают значение меры, которые вообще реализуются лишь в связи с системой. По этой причине кажется целесообразным проводить различия между двоякими поисками форм, а именно, между поисками формы у отдельных элементов и поиском формы у систем. Такие, так называемые системные размеры. например, могут иметь конечное значение, могут быть нулевыми или бесконечно большими.

Как условились ранее, переходы конечных значений к нулю или бесконечности должны называться изменением формы. Оба примера на рисунке 12.2.1.1 должны еще раз пояснить сказанное. Если системный параметр S кулачковой передачи с качающимся ведомым звеном (a1) проводить до бесконечности, то возникнет передача с поступательным движение ведомого звена (a2). Показанную далее на рисунке 12.2.1.1 линейную ступенчатую передачу (b1) можно представить

Рисунок 12.2.1.1 a, b: Поиск конфигурации в результате "изменения формы при проектировании" у передаточных механизмов

себе преобразованной во вращательную ступенчатую передачу (b2) в результате того, что к бесконечно большим радиусам p1 и p2 приписывают радиусы с конечными значениями. Как можно увидеть в последнем примере, при подобных изменениях участвуют рабочие поверхности нескольких деталей, так, что собственно, можно говорить об изменении формы у отдельных рабочих поверхностей (раздел 12.1).

Но, поскольку подобные поиски формы можно целесообразно осуществлять лишь в связи с системой, то по этой причине следует проводить различие между "Поиском формы" (у отдельных рабочих поверхностей или у рабочего тела) и "Поиском формы при проектировании". Из этого для поиска формы при проектировании вытекает

Правило 7: Поиск формы при проектировании представляет собой операцию, отнесенную к системе, для разработки различных вариантов проектов вследствие того, что определенные размеры систем делают нулевыми, подобными или бесконечно большими, или вследствие того, что у рабочих поверхностей отдельных элементов, связанных друг с другом, производят целесообразные изменения формы.

12.2.2. Поиск положения при проектировании

При компоновке различных узлов или элементов в комплексную систему зачастую оказывается возможным располагать отдельные узлы в различных дискретных относительных положениях по отношению друг к другу. Изменения относительного положения определенных узлов системы могут сказываться как благоприятно, так и отрицательно. Обычно стремятся выбирать относительное положение элементов или узлов системы таким образом, чтобы возник вариант проекта, который в отношении определенных критериев является более благоприятным, чем остальные варианты, и который в отношении своего внешнего оформления (конструкции) иногда воспринимается "красивым". Соответственно действительно Правило 8: Поиск положения при проектировании представляет собой операцию, отнесенную к системе, которая служит для того, чтобы отыскать варианты проектов систем. По условию изменению положения соответствует прерывистый переход элементов конструкций от одного дискретного относительного положения к другому (с конечным множеством возможных относительных положений). Дискретные относительные положения, по договоренности. такие, которые невозможно получить путем постоянного изменения какого-нибудь размера или расстояния между двумя элементами конструкций.

Переход от двигателя передней установки к двигателю задней установки у легковых автомобилей, соответственно, следует понимать как изменение положения узла "Двигатель". Согласно рисунку 12.2.2.1 различные конструктивные разновидности двигателей внутреннего сгорания (двухцилиндровый, рядный, U-образный и V-образный двигатели) являются примерами изменения положения узла "Цилиндр". В качестве примера поиска положения узлов. согласно рисунку 12.2.2.2, могут служить точно так же различные печатающие устройства для пишущих машин и телетайпов. У так называемого фронтального печатающего устройства (a) литеродержатель (1) и ударный молоточек (2) расположены перед запечатывающим бумажным полотном (3) и красящей лентой (4); у печатающего устройства с задним расположением (b, c), напротив, позади бумажного полотна размещаются или ударный молоточек (2), или литеродержатель (1).

Теоретически существует еще четвертый вариант, который возник бы в результате изменений положения. У него как литеродержатель, так и ударный молоточек располагались бы за бумажным полотном, "наковальня", напротив. размещалась бы перед бумажным полотном; при этом красящая лента и бумага ударялись бы о наковальню. Если, кроме того, подвергается изменению положения также еще и красящая лента, то тогда теоретически получается еще другие варианты положения печатающих устройств, но для практики они непригодны, так как, соответственно, последний отпечатанный знак наблюдатель не сможет прочесть сразу после печатания, потому что в этих случаях красящая лента и отпечатанный знак находились бы на обратной стороне бумаги.

12.2.3. Поиск числа при проектировании

Функцию технической системы обычно можно реализовать благодаря элементу конструкции или узлу определенного "действия", или благодаря нескольким параллельно действующим элементам конструкции или узлам равного действия. Элементы или узлы, действующие параллельно в системе, могут быть одинаковыми или различными; но, естественно, по причинам экономичности будут стремиться применять одинаковые элементы или узлы параллельно. Наряду с этим, различные узлы или элементы могут быть установлены друг в друга. Пружину в системе теоретически всегда можно заменить несколькими пружинами. Они все могут быть одинаковыми или отличными друг от друга. Какому виду от случая к случаю будут отдавать предпочтение - это вопрос пространственных данных, требований надежности и других критериев.

Рисунок 12.2.2.1: Поиск формы в результате изменения положения узла "Цилиндр" у двигателя внутреннего сгорания

Рисунок 12.2.2.2 a-e: Поиск формы в результате изменения положения отдельных элементов в печатающих устройствах

Правило 9: Поиск числа при проектировании представляет собой операцию, отнесенную к системе, для разработки вариантов проектов в результате изменения числа элементов конструкции, узлов или/и машин, образующих систему. Соответствующие элементы конструкций или узлы могут быть одинаковыми или различными.

Согласно рисунку 12.2.3.1, простой пример поясняет числа в отношении функционального элемента "Болт". Колесо можно закрепить на оси только одним болтом (b), или несколькими болтами (a). У гоночных автомобилей в виду быстрой замены колес отдадут предпочтение варианту (b), у легковых и грузовых автомобилей по причинам надежности, напротив, отдадут предпочтение варианту (a). Примерами поиска числа могут служить заклепочные соединения, которые состоят только из одной заклепки со сравнительно большим диаметром, или из нескольких заклепок с более малым диаметром. Переходу от одноцилиндровых к многоцилиндровым двигателям внутреннего сгорания точно так же соответствует изменение числа. а именно, в отношении узла "Цилиндр" (рисунок 12.2.3.2). Переход от одного к двум или нескольким приводным двигателям для рельсового транспорта или воздушных средств сообщения представляет собой изменение числа в отношении целых машин. Параллельное применение стальных и пневматических рессор в комфортабельных легковых автомобилях имеет целью объединение положительных свойств обеих отдельных систем и может считаться примером изменения числа для принципиально различных систем с физической точки зрения.

12.2.4. Поиск параметров при проектировании

При проектировании технических систем можно варьировать положение и расстояние элементов и узлов путем постоянного изменения, по меньшей мере, одного размерного параметра и, таким образом, разрабатывать варианты проектов. На основе этой возможности получается Правило 10: Поиск размерного параметра при проектировании представляет собой операцию, отнесенную к системе, которая служит для того, чтобы отыскивать варианты проектов в результате постоянного изменения размера, возникает из другого варианта проекта, если оба позволяют осуществлять перевод друг в друга в результате постоянного изменения размеров.

Согласно рисунку 12.2.4.1, примером поиска размерного параметра

Рисунок 12.2.3.1 a, b: Поиск формы в результате изменения числа элементов конструкции "Болт" при закреплении колеса

Рисунок 12.2.3.2 a-d: Поиск формы в результате изменения числа узлов "Цилиндр" у двигателей внутреннего сгорания

Рисунок 12.2.4.1 a, b: Поиск формы в результате изменения размера при проектировании двигателей внутреннего сгорания

могут служить двигатели внутреннего сгорания; в результате изменения угла между цилиндрами V-образный двигатель (a) можно преобразовать в двигатель с оппозитными цилиндрами (b).

12.3.Правила для целенаправленной разработки решений

По правилам для целенаправленной разработки решений, которые кратко называются "целевыми правилами", должны пониматься такие правила, которые уже учитывают определенные ограничивающие условия (ограничения) и которые дают решения, отвечающие только этим ограничениям.

Число решений, которые можно отыскать, использую эти правила, разумеется, меньше, чем число решений при использовании общих правил конструирования, которые не учитывают никаких ограничений. Общей целью конструирования постоянно являются решения, которые можно создать по возможности, с малыми затратами, при достаточной надежности в работе. Это, в большинстве случаев, решения, по возможности, с малым числом деталей, с элементами конструкций, которые можно просто изготовить и смонтировать и т.д.

Опытный конструктор при разработки решений всегда учитывает сознательно или неосознанно множество ограничений, которые заставляют его находить более лучшее решение, чем это, например, оказывается возможным для студента, которые не знает эти ограничивающие условия, как "технологичный", "отвечающий правилам литейной технологии", "отвечающий требованиям сборки" и т.д., имеют такое ощутимое влияние на форму элемента конструкции, что они сами рассматриваются как собственные правила конструирования. Теоретически каждое ограничение, важное для конструкции (раздел 14), можно определить как "Целевое правило"; но в дальнейшем только ограничивающее условие "по возможности. с малым числом деталей", должно быть изложено подробнее, так как оно, как кажется, имеет особое значение для создания так называемых удачных решений.

12.3.1. Цельномонококовая конструкция

Элемент конструкции, в общем, выборочно может состоять из одной детали, или может быть смонтирован из нескольких деталей. Чем больше членение сложного изделия на детали. тем проще становятся отдельные детали, но тем дороже становится их сборка в единое целое. Поэтому возникает совокупность наиболее благоприятствующих условий в отношении стоимости изготовления и числа деталей.

Но оптимальное число деталей для системы является на только вопросом стоимости, а также вопросом существующего принципа действия, возможностей метода изготовления, надежности и многих других критериев. Как учит практика, в общем оказывается проще сконструировать определенную систему из множества деталей или элементов, вместо того, чтобы получить подобный результат с меньшим числом деталей. Снижение числа деталей, в большинстве случаев, приводит, с точки зрения экономичности. к более лучшему решению. С повышением экономичности (стоимости изготовления), путем снижения числа деталей зачастую также связано техническое усовершенствование решения. Поэтому возможности снижения числа деталей в дальнейшем должны рассматриваться более подробно.

Стремление снизить число деталей конструкции в виду стоимости и других причин приводит к так называемой цельномонококовой конструкции. Под этим понятием. в частности, могут пониматься три различных возможности для снижения числа деталей:

a)   Цельная конструкция (Полная конструкция). Под этим понятием следует понимать возможность изготовления геометрически сложного элемента конструкции не путем свинчивания, склепывания, склеивания, спрессовывания и т.д. не из многих самих по себе, упрощенных деталей, а изготовление одной детали.
Другими словами: под элементами конструкции в цельной конструкции следует понимать такие элементы, которые состоят только из одной детали.
Конструкция, противоположная цельной конструкции, по условию должна называться парциальной конструкцией.
Например, боковые детали и пальцы (рисунок 12.3.1.1а) у рукоятки в парциальной конструкции могут изготовляться в отдельности, а затем свариваться, склепываться или спаиваться. В цельной конструкции рукоятка путем ковки, литья и т.д. изготавливается в одной детали, как это показывается на рисунке 12.3.1.1б. Другой пример цельной или парциальной конструкции из области самолетостроения показан на рисунке 12.3.1.2. Применительно к этому вопросу на рисунке 12.3.1.3 показан еще кожух передачи в парциальной конструкции (a) и цельной конструкции (b).
Согласно [89], в результате применения цельной конструкции оказалось возможным снизить общую стоимость изготовления на 29%.

Рисунок 12.3.1.1 a, b: Рукоятка в парциальной конструкции (a) и цельной конструкции (b)

Рисунок 12.3.1.2: Деталь самолета в парциальной и цельной конструкции (из журнала "Еженедельник по авиации, 11.04.1955 и [36])

Рисунок 12.3.1.3 a, b: Кожух зубчатой передачи и муфты сцепления цилиндрического дозатора в парциальной конструкции (a) или цельной конструкции (b) (Из журнала "Известия главного информационного отдела по применению литья", г. Дюссельдорф, №2/1971)

b)   Унифицированная конструкция. Под унифицированной конструкцией должно пониматься объединение одинаковых или различных функциональных элементов в общий "унифицированный узел" или в общий "элемент конструкции". Или. выражаясь иначе: унифицированными элементами конструкций называют группу одинаковых или различных дискретных элементов конструкций, объединенную в унифицированный узел.

Конструкция, противоположная унифицированной, должна называться дифференциальной конструкцией. Примером унифицированной конструкции здесь могут служить известные интегрированные электронные элементы схем, которые характеризуются тем, что многие первоначально дискретные элементы, как, например, усилители, элементы логических схем и т.д. объединены в один "элемент конструкции" (унифицированный узел, чип).

В машиностроении это понятие не очень употребительно, хотя в этой области уже всегда занимались конструированием унифицированных элементов конструкций и применяли их в технических системах. На рисунке 12.3.1.4 показано объединение нескольких первоначально отдельных листовых рессор в унифицированную деталь. Такие гребенки листовых рессор часто встречаются в точных приборах. На рисунки 12.3.1.5 показан замок для запирания дверец шкафа.

Нарисованная стопорная пружина служит для установки фиксатора в двух положениях: "Открыто" и "Закрыто". На рисунке a система "фиксатор-стопорная пружина" состоит из двух деталей (дифференциальная конструкция), на рисунке b показано подобное решение в унифицированной конструкции (деталь из пластмассы). Следует еще заметить, что применение унифицированной конструкции, в частности, при конструировании деталей из пластмассы, имеет большое значение и при этом зачастую приводит к весьма простым решениям.

Далее, объединение всех кулачков впускных клапанов или всех кулачков выпускных клапанов у двигателей внутреннего сгорания соответственно, в общий кулачковый вал (рисунок 12.3.1.6а) может служить примером унифицированной конструкции. Чтобы еще раз пояснить различие между унифицированной и дифференциальной конструкцией, следует заметить, что для каждого кулачка также можно было бы предусмотреть собственный вал. Как показано на рисунке 12.3.1.6б, степень унификации элемента конструкции "кулачковый вал" может повыситься еще больше, если впускные и выпускные клапаны соответствующего двигателя располагают в общем ряду; оба кулачковых вала на рисунке a в этом случае объединяются в один кулачковый вал.

Рисунок 12.3.1.4: Унифицированная деталь листовой рессоры

Рисунок 12.3.1.5 a, b: Фиксатор врезного замка в дифференциальной конструкции (a) и унифицированной конструкции (b)

Рисунок 12.3.1.6 a, b: Кулачковые валы поршневого двигателя в унифицированной конструкции (a) и с повышенной степенью унификации (b)

Однако степень унификации нельзя увеличивать по желанию, не учитывая в определенной степени какие-нибудь недостатки. Поэтому в некоторых случаях оказывается необходимым, при известных условиях, снова снижать слишком высокую степень унификации. Так, например, двигатель, согласно рисунку 12.3.1.6а, по отношению к рисунку 12.3.1.6б, при известных условиях мог бы иметь очень много более лучших свойств типа двигателей внутреннего сгорания, так что соответственно, оправданы более высокие стоимости изготовления решения a.

На рисунке 12.3.1.7 еще показаны два многоцилиндровых двигателя внутреннего сгорания с унифицированным коленчатым валом (a) или с унифицированными объемами цилиндров (b).

Читатель может сам подумать, как бы выглядел проект двигателя, у которого коленчатый вал и объемы цилиндров сконструированы как унифицированный узел.

c)   Многофункциональная конструкция. Под понятием многофункциональная конструкция понимают возможность реализации нескольких входных или различных функций посредством одного элемента конструкции:

    многократно использую свойство элемента конструкции для одинаковых функций и/или
    используя различные свойства одного и того же элемента конструкции для реализации различных функций, так, что у элемента конструкции не появляется необходимость сколько-нибудь заметных дополнительных затрат.

Монофункциональной конструкцией, по договоренности, должна называться конструкция, противоположная многофункциональной конструкции.

Несколько простых примеров еще раз пояснят сказанное: электрический кабель служит, в первую очередь, для проводимости электроэнергии, но он также од определенной степени, может передавать силы тяги. Как известно, оба свойства используют у простых светильников, закрепляя их с помощью кабеля у потолка комнаты. В этом случае используются два различных свойства передачи тяговых сил. Для подвески дорогостоящих светильников обычно предусмотрена собственная цепочка или собственный тяговый стержень.

Линии передач электроэнергии (линии электропередач) первоначально служили исключительно для передачи энергии. В настоящее время эти линии дополнительно применяются для передачи сообщений.

Рисунок 12.3.1.7 a, b: Поршневой двигатель с коленчатым валом (a) и цилиндрами (b) в унифицированной конструкции

Как показывает этот пример, в этом случае используются одинаковое свойство (проводимость), для того, чтобы, с одной стороны, передавать электроэнергию, а с другой стороны - сообщения. Согласно рисунку 12.3.1.8, другими примерами многофункционального использования элемента конструкции могут служить многоцилиндровые двигатели. У них два, три или семь поршней различных цилиндров воздействуют только на один кривошип, в противоположность рядным двигателям, где каждым поршень соединен с собственным кривошипом (многофункциональная конструкция).

Конструкцию, в которой каждый поршень имеет собственный коленчатый вал, напротив, следовало бы назвать дифференциальной конструкцией.

В приложении к примеру "кулачковый вал" (рисунок 12.3.1.6) это бы означало, что впускной и выпускной клапаны имеют общий кулачок. Помимо того, что при подобном решении в результате использования соответствующей конструкции коромысла клапана, оказалось бы возможным получить необходимое смещение фазы момента открывания между впускным и выпускным клапаном, такой двигатель, закон движения кулачка которого должен был бы представлять компромисс между законом движения кулачка впускного и выпускного клапана, если бы он вообще оказался ходовым, имел бы очень плохие ходовые качества.

В этой связи следует отметить еще тот факт, что большинство из известных передач точно так же имеют многофункциональные свойства. Это означает, что даже весьма простые передачи выполняют несколько элементарных функций, не требуя для этого дополнительных операций. Так, например, передачи, изображенные на рисунке 12.3.1.9 слева, могут как уменьшать (или увеличивать) движение привода, так и реверсировать направление движения, в то время как передачи, изображенные на рисунке справа, могут только уменьшать (или увеличивать) движение.

Согласно рисунку 12.3.1.10, примером многофункционального использования элементов конструкций может также служить печатающее устройство информационных телетайпов. Система, в основном, состоит из литеродержателя (a) с литерами (b), каретки литеродержателя (c), из декодирующего устройства (e), механизма каретки (f), валика буквопечатающего аппарата (d) и устройства включения красящей ленты (не изображено). Литеродержатель настраивается через декодирующее устройство посредством ветви ремня (g1) согласно определенному знаку, который необходимо отпечатать.

Рисунок 12.3.1.8 a-d: Многофункциональное использование (двукратное, трехкратное, семикратное) коленчатого вала

МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПЕРЕДАЧИМОНОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПЕРЕДАЧИ

Рисунок 12.3.1.9: Моно- и многофункциональные передачи (Пояснения в тексте)

Рисунок 12.3.1.10: Многофункциональное (двухкратное) применение ремня (ветвь ремня - средство передачи движения подачи; ветвь ремня - средство передачи установочного движения) и кулачка (приводные кулачки декодирующего устройства и механизма подачи) в печатающем устройстве (Сименс)

С этой целью четыре валика, установленные на рычаге (k), дисковым кулачком (l) вместе приводятся в колебательное движение. Путем настройки крючков (m) при помощи проволок (n) можно на выбор допустить или задержать движение каждого отдельного валика. В соответствии с возможностями сочетаний 24=16, - высоты подъемов отдельных валиков находятся в отношении как 1:2:4:8, - литеродержатель может устанавливаться в 16 поворотных позициях. одинаковый дисковый кулачок (l) через рычаг (p) приводит в действие храповый механизм (f) (механизм подачи), который посредством ветви ремня (g2) постепенно перемещает вправо каретку буквопечатающего аппарата (с), соответственно на интервал знака.

Благодаря удачному расположению валика или рычага (k) и механизма подачи (f) при этом решении оказывается возможным при помощи единственного дискового кулачка (l) привести в действие все четыре валика. а также храповый механизм (f). Без такого расположения потребовалось бы пять индивидуальных приводов. В данном случае самое оптимальное расположение названных деталей является условием для многофункционального использования дискового кулачка (l). Далее, еще многофункционально используется элемент конструкции "тяговый орган", а именно, для передачи установочного движения на литеродержатель (ветвь ремня g1), а также для передачи движения подачи на каретку литеродержателя (ветвь ремня g2). На рисунке 12.3.1.11 тяговый орган выполняет еще другую функцию а именно, функцию литеродержателя. Отдельные литеры располагаются несколькими рядами на тяговом органе друг над другом. Для вертикального перемещения различных рядов литеров блок (q) каретки литеродержателя может опрокидываться вокруг оси (r). Литера, которую необходимо отпечатать, ударятся молоточком (s) по валику буквопечатающего аппарата. В остальном, это решение идентично с решением на рисунке 12.3.1.10. Применение тягового органа в качестве средства передачи и литеродержателя является примером "многофункциональной конструкции".

С этой целью четыре валика, установленные на рычаге (К), дисковым кулачком (l) вместе приводятся в колебательное движение. Путем настройки крючков (m) при помощи проволок (n) можно на выбор допустить или задержать движение каждого отдельного валика. В соответствии с возможностями сочетаний 2 в 4 =16, - высоты подъемов отдельных валиков находятся в отношении как 1:2:4:8, - литеродержатель может устанавливаться в 16 поворотных позициях. Одинаковый дисковый кулачок (l) через рычаг (Р) приводит в действие храповый механизм (f) (механизм подачи), который посредством ветви ремня (g2) постепенно перемещает вправо каретку буквопечатающего аппарата (С), соответственно на интервал знака.

Благодаря удачному расположению валика или рычага (К) и механизма подачи (f) при этом решении оказывается возможным при помощи единственного дискового кулачка (l) привести в действие все четыре валика, а также храповой механизм (f). Без такого расположения потребовалось бы пять индивидуальных приводов. В данном случае самое оптимальное расположение названных деталей является условием для многофункционального использования дискового кулачка (l). Далее, еще многофункционально используется элемент конструкции "тяговый орган", а именно, для передачи установленного движения на литетеродержатель (ветвь ремня g1), а также для передачи движения подачи на каретку литеродержателя (ветвь ремня g2). На рисунке 12.3.1.11 тяговый орган выполняет еще другую функцию, а именно, функцию литеродержателя. Отдельные литеры располагаются несколькими рядами на тяговом органе друг над другом. Для вертикального перемещения различных рядов литеров блок (q) каретки литеродержателя может опрокидываться вокруг оси (r). Литера, которую необходимо отпечатать, ударяется молоточком (S) по валику буквопечатающего аппарата. В остальном, это решение идентично с решением на рисунке 13.3.1.10. Применение тягового органа в качестве средства передачи и литеродержателя является примером многофункциональной конструкции.

Продолжение

Главная    Инструменты    Коллер Рудольф    Комбинирование принципиальных решений элементов конструкций в комплексные системы