"Конструирование с помощью каталогов"

Карлхайнц Рот

1994

Введение.

1.1. Цели книги

В последние годы потребности промышленности стимулируют интенсивное развитие теории конструирования, т. е. учения о правилах и приемах конструирования с использованием систематизированных сведений о технических объектах (базы данных технических решений) и различных вспомогательных средств. Использование термина методическое конструирование подчеркивает наличие определенной методики. Области приложения этой научной дисциплины постоянно расширяются, и становится очевидной ее принципиальная полезность для решения практических задач [18,-19, 15]. К сожалению, возможности применения этой' теории в повседневной конструкторской работе до сих пор ограничены довольно тесными рамками, поскольку в настоящее время у нас нет ни достаточного многообразия отработанных методов, алгоритмически применимых ко всему разветвленному множеству технических конструкций, ни надежных знаний, систематизированных и представленных в удобной форме.

Всевозможные же ограничения вообще, согласно Палю и Байтцу [20], меняются от случая к случаю в зависимости от особенностей изготовления, и (функциональной) окрестности изделия. Это затрудняет обобщение и приводит к тому, что ограничения приходится вводить в диалоге с ЭВМ каждый раз заново.

По всей вероятности, только вопросом времени являются как поиск новых методов конструирования, оптимальных в конкретных областях, так и анализ и систематизация знаний в области теории аппаратов, машин и приборов с новой точки зрения. Точно так же в недалеком будущем должны появиться возможности обработки на ЭВМ соответствующим образом подготовленной конструкторской документации [12].

Нельзя, однако, не отметить, что даже для тривиальных конструкций часто требуются обширные сведения об ограничениях, а также сведения общего характера, которые накапливаются специалистом лишь за долгие годы.

Главная задача этой книги - свести постоянно применяемые конструктивные решения (детали и узлы) и их варианты в обозримые таблицы специального вида - так называемые конструкторские каталоги, упорядочить их с единой точки зрения и снабдить конструктора удобными средствами поиска решений в каталоге. Из-за обилия материала создание таких каталогов имеет смысл только в том случае, если дополнительно будет выяснено, какая документация и для каких методов действительно необходима, а сложные конструктивные закономерности будут, по возможности, разлагаться на простые и обозримые. В этой связи в книге предлагается единый подход, который наряду с использованием различных частных приемов на отдельных этапах конструирования предполагает систематическое применение конструкторских каталогов.

Каталоги и табличные подборки, естественно, вписываются в методику конструирования, изложенную в гл. 2, однако применение каталогов само по себе отнюдь не предполагает использования именно этой методики. Каталоги, составление которых описано в гл. 3, можно применять независимо, а в гл. 4 каждый из каталогов рассматривается отдельно. В описание каждого каталога включено введение, поясняющее основные идеи, примеры и соответствующий список принципов. В гл. 5 предлагаются вспомогательные средства методического конструирования по рабочему плану.

В гл. 6, среди прочего, предложены совершенно новые геометрические структурные" элементы, разработанные для компоновки из них схем на экране дисплея с помощью светового пера. Однако и не работающий с ЭВМ конструктор сможет увидеть с их помощью сочетание многих физических функций в столь, казалось бы, простых элементах механизмов, - а системотехник усмотрит в них конструктивно реализуемую модель отношений между механическими интенсивностными характеристиками, во многом аналогичную многополюсникам в электротехнике.

Для лучшего понимания многочисленных новых терминов в одном из разделов справочной гл. 7 собраны точные формулировки примерно 475 определений.

1.2. Метод вариации эффектов при выявленных частных функциях

Существует множество методов конструирования, перечислять которые здесь мы не намерены. Общим для многих из них, однако, является то, что отправной точкой поиска служит выполняющая нужную функцию известная конструкция, обычно уже проверенная на практике. Так, часто предполагается, что для движения вала или ползуна необходимы подшипники качения или скольжения с соответствующей смазкой. Если первое предположение не изменяется (например, по правилам теории конструирования) и целесообразность его не вызывает сомнений, то часть конструкции уже готова и, в сочетании с другими решениями, заимствуемыми без изменений, образует завершенную конструкцию.

Приведенные ниже примеры показывают, как развитие этой идеи приводит к методу вариации эффектов при выявленных частных функциях. Роль абстрагирования в этом методе подчеркнута в работах Паля [17], Рота, Франке, Симонека [24] и Штойера [26]. Пример двух вариантов конструкции саморазгружающегося контейнеровоза иллюстрирует основные понятия, а пример конструкции замка освещает некоторые тонкости и показывает, что число практических конструктивных решений может быть очень велико.

Рис. 1.1. Разложение обшей задачи на частные на примере задачи подъема контейнера на грузовой автомобиль

Важную роль в дальнейшем изложении играет понятие "физический эффект" или просто "эффект", и поэтому здесь следует обсудить его связь с такими понятиями, как "закон", "положение" и "правило".

Прежде всего заметим, что хотя применение рассматриваемых терминов к новым знаниям в физике можно считать вполне устоявшимся, многие давно известные явления сохраняют свои традиционные названия, порождая некоторый разнобой в терминологии.

За исключением подобных случаев под "эффектом" в физике понимают физическое событие или течение физического процесса (например, "эффект рычага" или "эффект клина").

Под "законом" или "закономерностью" в физике понимают количественно выраженное соотношение между физическими величинами, при необходимости включающее в себя константы, характеризующие свойства материала. В "законе" может найти свое количественное выражение "эффект" (например, в "законе рычага" - "эффект рычага"). Различие между "законом" и "закономерностью" довольно-таки субъективно и последнее обычно отражает некоторое сомнение в общезначимости "закона".

"Положение" можно довольно четко отграничить от "закона": "положение" - это некоторое физическое высказывание, которое, по сути, должно быть законом, в справедливости которого исследователь убежден, но которое при этом не может быть экспериментально доказано в полном объеме или даже вообще в принципе (например, второе и третье начала термодинамики).

У понятия "правило" в физике нет однозначного употребления. Наряду с правилами, которые по существу являются законами или эффектами, можно найти немало примеров правил, которые обобщают данные опыта и вполне допускают исключения.

При использовании теории конструирования в первую очередь ставится вопрос, существует ли вообще физический процесс, который позволяет реализовать в техническом изделии чисто формальное условие, содержащееся в постановке задачи. При этом абсолютно безразлично, можно ли назвать этот процесс "законом", "положением" или "эффектом". В последующем изложении мы будем поэтому всегда говорить об эффекте, не обращая внимания на то, окажется ли он общезначимым законом или только положением.

Итак, пусть перед нами стоит задача; спроектировать устройство, устанавливаемое на грузовом автомобиле, которое поднимало бы контейнер и ставило бы его на грузовую платформу автомобиля. Эта задача, связанная с целым рядом процессов, называется общей задачей и разлагается на более мелкие процессы - частные задачи (рис. 1.1). Возможность более или менее подробного разложения обшей задачи на частные связана с правдоподобным предположением, что сложную общую задачу можно свести к обозримому числу более простых задач (ср. с методом структурных схем [11] и системотехникой [2, 1, 4, 30]), для которых уже имеются проверенные варианты решений. Эти частные задачи в несколько измененном виде могут быть "соединены" для выполнения общей задачи. Таким образом, общая задача "создать устройство для подъема контейнера" (см. рис. 1.1) сводится к частным задачам: сконструировать устройство,; чтобы "прикрепить контейнер к грузоподъемнику", "подвести энергию", "умножить силу", "переместить контейнер", "отделить контейнер от' подъемного механизма". Подобные задачи можно! выделить в случае многих других технических изделий, и способы их решения нам известны.

Гораздо проще выделить частные задачи, если решение общей задачи мы уже знаем (рис. 1.2), что и используется в предлагаемом методе. Мы выделяем, например, частную задачу "создать устройство для умножения силы " и ищем технические устройства, которые служат для этой цели. В решении на рис. 1.2 - это гидравлический цилиндр, реализующий эффект распространения давления в жидкости (от входного поршня меньшей площади к выходному поршню большей площади). Говоря! более абстрактно, назначение гидравлическогс цилиндра состоит в умножении силы при передаче энергии от входного поршня к выходному.

Рис. 1-2. Перенос контейнера на автомобиль (умножение силы с помощью гидравлических цилиндров 1; эффект распространения давления в жидкости)

Рис. 1.3. Установление соответствия между известной частной задачей и выявленной в результате абстрагирования частной функцией. Альтернативные решения, возникающие при переходе к новым эффектам (см. кат. 4.4.2), и соответствующие детали или узлы. Метод вариации эффектов при выявленных частных функциях

Функция, соответствующая частной задаче "создать устройство для умножения силы" - это, очевидно, "умножить силу" (рис. 1.3). Она является частью общей функции, решает частную задачу и называется поэтому частной функцией. Нетрудно понять, какие другие эффекты, кроме распространения давления в жидкости, позволяют реализовать эту частную функцию. Ответ дает рис. 1.3, который создан на основе систематизированной подборки решений - кат. (каталога) 4.4.2. Другие возможные эффекты: - разложение силы, сложение сил, преобразование "сила - момент силы". Пока речь идет о механических системах, передающих энергию, этот перечень заведомо полон.

На следующем шаге от найденных эффектов следует перейти к конструкциям, позволяющим реализовать эти эффекты. Разложить силу на малую входную и большую выходную составляющие можно с помощью наклонной плоскости, клина, рычага и т. п. В результате возникают альтернативные решения, одно из которых, построенное на использовании наклонной плоскости, схематически изображено на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Втягивание контейнера на автомобиль (умножение силы с помощью наклонной плоскости; эффект клина): 1 - механическая лебедка; 2 - наклонная плоскость

Примечательно, что описанный метод включал в себя три перехода: от частной задачи к частной функции, от частной функции к эффекту и от эффекта - к детали или узлу. Если для реализации эффекта было рассмотрено несколько возможностей, то для частной функции абстрагирование на основе исходного примера дало лишь одну возможность - "умножить силу". Другая возможность, основанная на частной функции "создать силу" (кат. 4.4.1), в данном случае осталась вне нашего поля зрения. На основе этой частной функции можно было бы вывести целый ряд нетривиальных решений, например катапультирование контейнера с помощью механического или химического накопителя энергии и т. п. Таким образом, метод вариации эффектов при выявленных частных функциях порождает целый ряд различных, но, в каком-то смысле, однотипных решений (в рассмотренном примере - на основе систем передачи энергии). Обшей задачей второго примера является конструирование замка (запора, затвора, крепления, пробки, зажима и т. п.), т. е. приспособления, с помощью которого посредством запирающего движения можно соединять два узла или два конца одной деформируемой детали, а посредством отпирающего движения - разъединять.

1.2.1. Абстрагирование

Рассмотрим в качестве примера исходной конструкции замок, изображенный на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Замок с защелкой в качестве прототипа и исходного решения для различных замков:

а, Ь - прямолинейные направляющие; с - штифт; d - нажимная кнопка; е - пружина; v - запирающий элемент; v1 - клин; v2 - зацепной выступ

Рис. 1.6. Выявление и абстрагирование наиболее важных частных функций для замка, исходя из известного решения (см. рис. 1.5) и известной частной задачи

Важнейшие частные задачи в этом случае можно сформулировать, наблюдая за медленным выполнением процесса запирания и отпирания (рис. 1.6, строка 2).

Затем следует определить конструкции, реализующие соответствующие частные функции, и занести их в клетки строки 5. Теперь попытаемся выяснить, с какими физическими или логическими соотношениями между входными и выходными величинами была связана каждая из частных задач, а также какие общезначимые эффекты (математические, логические, геометрические, физические закономерности) сделали возможным процесс отпирания и запирания, чтобы поместить их в клетки строки 4. Входные и выходные величины определяют частные функции в строке 3. На этом процесс поиска частных функций путем абстрагирования закончен, и осуществляется конкретизация от выявленной частной функции к новым эффектам, т. е. вариация эффектов.

1.2.2. Конкретизация

Методика здесь точно такая же, как и в первом примере (см. рис. 1.3). Детали, эффекты и частные функции для исходного примера "замок" уже описаны на рис. 1.6, откуда их следует теперь перенести в соответствующие клеточки рис. 1.7. Детали, пригодные для реализации эффектов, обозначаются буквами в клеточках нижнего ряда. При практическом конструировании следует описать на рисунке частные функции и эффекты, а от них перейти к деталям.

1.2.3. Морфологический ящик

Отыскивая альтернативное решение, как мы видим, нет необходимости изменять все эффекты, - часто достаточно варьировать только один из них. Кроме того, не все эффекты или конструкции,

Рис. 1.7. Получение альтернативных решений общей задачи выполняемой цепью частных функций, путем перехода от одних и тех же пяти частных функций к различным эффектам и деталям: 4 - частная функция 4; |4.1| - частная функция 4, реализованная эффектом 1; (e) - и другие буквы) - деталь е, необходимая для реализации эффекта (номера эффектов взяты из рис. 1.13)

Рис. 1.8. Виды запирающих движений для различных замков (штриховой стрелкой обозначена необходимая поступательная компонента):

v - препятствующий самопроизвольному отпиранию, т. е. запирающий элемент

Рис. 1.9. Зарядка и разрядка потенциального накопителя энергии, обеспечивающего создание силы для различных частных функций

Рис. 1.10. Создание силы, препятствующей самооткрыванию, с помощью связей различных типов

Рис. 1.11. Реализация двух устойчивых конечных положений с помощью симметричных промежутков и упоров. Варианты комбинаций упор - промежуток: р - угол трения

Рис. 1.12. Уплотнительные поверхности затворов для жидкостей

Рис. 1.13. Морфологический ящик для синтеза запоров для твердых тел и жидкостей

Рис. 1.14. Детальные исполнения замков и способы реализации их частных функций

Реализующие их (носители эффектов [13]), совместимы друг с другом. Поэтому целесообразно представить их в форме морфологического ящика [31], как на рис. 1.13, и осмысленные комбинации обозначить числовыми индексами. Тем самым частные функции 1-5 на рис. 1.6 реализуются эффектами, указанными на рис. 1.13 в следующих полях: 1.1-2.1-3.2-4.1-(5.1.1) 5.1.2 -(5-2.5) 5.2.1. Фиксация устроена здесь несимметрично и поэтому требует более двух ссылок на поля рисунка. Индексы обеих последних групп, не заключенные в скобки, относятся к запирающему движению, а заключенные в скобки - к отпирающему. Теперь с помощью введенных в рассмотрение эффектов и частных решений в морфологическом ящике (см. рис. 1.13) могут быть порождены многочисленные альтернативные решения. Все совместимые последовательности должны приводить к решению. Если, например, от частных функций 1-5 перейти к эффектам 1.2-2.1-3.5-4.1-5.1.2-(5.2.5) 5.2.1, то получится замок типа "задвижка-штекер", подобный изображенному на рис. 1.14, пример 6; если же осуществлять переход от эффектов 1.1-2.1-3.2-4.2-5.1.2-(5.2.5) 5.2.1. то получается защелка-штекер", подобная изображенной на рис. 1.14, пример 2. Систематическую разработку для решений, относящихся к отдельным частным функциям, содержат рис. 1.8-1.11.

Некоторые функционально различные решения которые могут быть найдены, например, с помощью морфологического ящика, представлены на рис. 1-14, слева. Если пополнить список общих и частных задач рис. 1.6 частными задачами 6 (создать уплотнение запираемого объема) и 7 (предусмотреть приспособление для создания уплотняющей силы), то этот метод может быть распространен на пробки для сосудов с жидкостями (затворы для жидкости). Реализацию частной функции 6 находим на рис. 1.12, а эффекты для частной функции 7 - в конструкторском каталоге 4.4.1 (создать силу с помощью других величин). Пробки для бутылок воспроизведены на рис. 1.14, примеры 7-14.

При работе с морфологическим ящиком следует обратить внимание на следующее: на рис. 1.13, слева от ящика, находятся блоки, соединенные стрелками (направление потока) в цепочку, с номерами отдельных частных функций. Перед нами возникает функциональная структура в ее простейшей форме, а именно: "цепь".

Итак, использование морфологического ящика расширяет возможности метода вариации эффектов при выявленных частных функциях на этапе конкретизации. Он позволяет составлять новые решения путем сочетания совместимых эффектов, в данном случае - соединяя соответствующие клетки ящика (см. рис. 1.13). Однако, поскольку метод морфологического ящика соответствует формализации довольно высокого уровня, следует постоянно держать в памяти условия корректной применимости этого метода, а именно:

- частные функции должны быть в основном независимы друг от друга:

- эффекты соединенных частных функций должны быть совместимы (см. также [14] и [3]);

- ветвь частных функций, рассматриваемая при анализе функциональной структуры, должна быть цепью (т. е. не должна иметь разветвлений).

Рис. 1.15. Вариация исходного замка путем изменения деталей: деталь е из рис. 1.5 изменена

Рис. 1.16. Вариация исходного замка путем разделения деталей: деталь d из рис. 1.5 заменена на детали d1 и d2, что означает разделение функций исходной детали

Рис 1.17. Вариация исходного замка уменьшением числа деталей: детали d и v на рис 1.5. заменены на одну деталь, то же - для деталей c, e, v, что означает интеграцию в одной детали нескольких прежних деталей

Рис. 1.18. Вариация исходного замка (рис. 1.5) со значительной интеграцией функций за счет уменьшения числа деталей и перехода к полимерным материалам:

а - замок из двух деталей; 6 - замок из гибкой упругой детали (хомутик); в - замок из одной детали с пластмассовой пружиной (зажим для кабеля)

Переход к деталям и узлам. Если применять к нашей задаче о замке (рис. 1.5) метод вариации эффектов при выявленных частных функциях на более высоком уровне конкретизации, то останется только возможность варьировать детали a-v: модифицировать их, разделять некоторые из них на несколько деталей или, наоборот, несколько деталей заменять одной, а также сопоставлять их с другими функциями (см. гл. 5), что, впрочем, сводится к тем же действиям. В самом деле, при реализации частных функций посредством определенного эффекта не разрешается ничего изменять, кроме формы деталей или их комбинации. Хотя множество возможных вариантов все еще остается очень большим, в нем, тем не менее, отчетливо выделяется один ограничительный функциональный принцип - принцип исходного решения. На рис. 1.15 представлен пример варьирования элементарной конструкции е, на рис. 1.16 - увеличение числа деталей до семи, а на рис. 1.17 и 1.18 - превращение группы из четырех деталей в группу из двух деталей и даже в одну деталь. Если устройство состоит из одной детали, то оно должно быть упругим или содержать встроенную пружину. Хорошие замки этого типа получаются из пластмасс: на рис. 1.18 изображены штекерный замок (а), хомутик (6) и зажим с защелкой (в).

Итак, если ранее мы ставили своей целью переход от частных функций к определенным эффектам, то на данном этапе конструирования центр тяжести переносится на переход от выбранных эффектов к деталям и их комбинациям. Этот переход является важнейшей частью конструкторской работы. Ясно также, что альтернативные решения при вариации элементарных конструкций оказываются гораздо более похожими одно на другое, чем при вариации эффектов (ср. рис. 1.14 и рис. 1.15-1.18).

1.3. Подборки решений и конструкторские каталоги для методического конструирования

На двух приведенных выше примерах было показано, как, следуя методу вариации эффектов при известных частных функциях, можно быстро получить целый ряд различных вариантов решения. При этом конструктор, не привыкший мыслить в категориях методического конструирования, сразу же столкнется с двумя трудностями:

выявление частных функций, т. е. абстрагирование и декомпозиция исходного устройства на детали и соответствующие им эффекты;

переход от полученных абстрагированием частных функций к достаточно большому числу новых эффектов.

Чтобы научиться решать первую из указанных проблем, следует постоянно анализировать существующие конструкции в терминах теории конструирования, например: "подвести (или передать, умножить, направить) силу" и т. п. Переход от выявленных (с помощью абстрагирования) частных функций к эффектам и к их реализации деталями изделия облегчают подборки решений. При этом очень хотелось бы получить конечный список возможных частных функций, отвечающих различным частным задачам, а также организовать в виде подборок решений необходимые эффекты и их возможные реализации на уровне деталей. К сожалению, это невыполнимо из-за, поистине, необъятного числа имеющихся задач и их решений. В этой связи в гл. 3 представлена классификация, а в гл. 4 - собрание так называемых конструкторских каталогов, содержащее как чистые подборки решений, так и подборки конструктивных элементов, дающие требуемые решения в результате варьирования и комбинирования по определенным правилам. Значение таких каталогов постоянно возрастает, однако составление их требует значительных затрат, поэтому следует стремиться наполнять конструкторские каталоги фундаментальными техническими сведениями, полезными для решения самых разнообразных задач, и с помощью соответствующих правил варьирования получать целесообразные модификации существующих решений.

В описанных выше примерах мы уже столкнулись с принципиальными трудностями поиска новых решений. Несмотря на это, до сих пор мы стремились обойтись минимальным числом понятий теории методического конструирования. Предложенный для этого метод прост и надежен, однако он редко позволяет найти качественно новые решения. В этой связи целесообразно действовать по всеобъемлющей методике конструирования [1,8-10, 13, 16, 20-23, 28], которая, в частности, предоставляет принципы создания рационально и целенаправленно организованной системы конструкторских каталогов.

Продолжение