2.5. Разработка окончательного варианта компоновки (пятый этап)

К оглавлению
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 
17 18 19 20 

Эскизная компоновка выражает лишь основную кон­структивную идею устройства, окончательная компонов­ка раскрывает эту идею более полно.

В эскизной компоновке реализована лишь предвари­тельно отобранная часть технических требований без подробного рассмотрения возможностей будущей реали­зации остальных требований. Окончательная компонов­ка учитывает гораздо большее количество требований, и именно поэтому основная идея в ней если и не изме­нена по сравнению с идеей эскизной компоновки, то во всяком случае увязана со всеми этими требованиями. Эскизная компоновка может сочетать в себе первую масштабную основу с безмасштабными набросками. Окончательная компоновка, как правило, выполнена це­ликом в масштабе. Но, несмотря на большую полноту и масштабность, это еще далеко не чертеж общего сбо­рочного вида.

Многие узлы на чертеже компоновки только-только намечены, иные вообще отсутствуют. Пунктирная стрел­ка б на рис. 2.12 говорит о все еще продолжающейся переработке созданных конструктивных подвариантов, т. е. о процессе более сложном, нежели выбор одного варианта эскизной компоновки среди нескольких.

Новое важное обстоятельство, отличающее разра­ботку окончательного чертежа компоновки от создания первоначального я эскиза, — необходимость определенной последовательности в прочерчивании отдельных узлов. В дальнейшем постепенный переход от чертежа компо­новки к сборочному виду будет происходить под знаком введения все более и более строгой последовательности в вычерчивании элементов конструкции.

В рассматриваемом нами примере схема на рис. 2.15 и табл. 2.1 позволяет начинающему конструктору про
следить приблизительный порядок нанесения отдель­ных узлов на чертеже компоновки гиростабилизатора и уяснить те принципы, которыми этот порядок опреде­ляется. На рисунке изображен гипотетический вариант компоновки гиростабилизатора, у которого внутреннее кольцо карданова подвеса представляет собой сфери-

ческую оболочку. Подвес гироплатформы выполнен кон­сольным мощным подшипниковым узлом. Это дает воз­можность освободить пространство, необходимое для установки подшипникового узла подвеса головки и для ее развязки с внутренним кольцом карданова подвеса. Коллектор токоподвода к гироплатформе установлен внутри подшипникового узла. В таблице показан при­мерный порядок нанесения на лист основных узлов или их контуров для такого варианта компоновки.

Из рассмотрения этих материалов можно сделать ряд выводов. Очевидно, что в первую очередь наносятся на чертеж компоновки контуры узлов с наибольшими габаритами, расположенных в наиболее стесненных зонах и не дающих конструктору возможностей для

варьирования их конфигурацией, ориентацией и место­положением. Удачное размещение этих узлов на черте­же компоновки дает конструктору уверенность в том, что остальные узлы, которые будут выявлены в даль­нейшем на сборочном чертеже, существенно не ухудшат созданную компоновку.

Примерное расположение на чертеже сборочного ви­да не охваченных компоновкой узлов конструктор дол­жен представлять себе мысленно. Для более полного выявления особенностей расположения основных узлов компоновочный чертеж сложного устройства должен включать в себя две или три проекции. В нашем при­мере отдельные, сравнительно небольшие по габаритам узлы, расположенные главным образом на периферии (см. рис. 2.4), на основной проекции компоновки (см. рис. 2.15) не показаны. К таким узлам относятся арре­тиры гироплатформы и наружного кольца, амортиза­торы, разгрузочный двигатель наружной оси карданова подвеса. Для выявления расположения этих узлов удоб­на дополнительная плановая проекция. Трудности ком­поновки этих узлов сравнительно невелики из-за таких факторов, как удаленность от критической зоны и воз­можность осуществить различные варианты расположе­ния узлов.

Нанесение на чертеж компоновки контуров всех узлов, а также подробная разработка каждого узла, не­рационально по той причине, что чертеж этот в даль­нейшем претерпевает ряд изменений (не говоря уже о трудоемкости работы).

Наряду с рекомендациями по поводу очередности компоновки приведенная таблица дает наглядное пред­ставление о том, как нелегко этими рекомендациями воспользоваться. С их помощью можно определить оче­редность лишь очень приблизительно, а это далеко не всегда устраивает конструктора. Ведь каждый нано­симый на чертеж узел накладывает на последующие узлы конкретные ограничения, и потому от очередности вычерчивания зависит не только рациональность про­цесса создания компоновки, но и форма, в которую она выливается.

При реальной компоновке гиростабилизатора при­чин, влияющих на очередность нанесения узлов, несрав­ненно больше, чем отражено таблицей. Влияние оказы­вают геометрия астрокупола, требования центровки под­вижной части устройства, заданные величины углов прокачки и моментов инерции и т. д. Все это усложняет как задачу отбора узлов, подлежащих «закладке» в компоновку, так и установление очередности их вычер­чивания.

Обращаясь к схеме, изображенной на рис. 2.12, мы видим, что конструктору на данном этапе следует вспом­нить о тех требованиях, которые были им отнесены к группе, подлежащей реализации на этапах, следующих за компоновкой. Если нет возможности произвести точ­ную оценку созданной компоновки с точки зрения реализации этой группы требований, то всегда есть воз­можность приблизительной оценки. Впрочем каждый конструктор как опытный, так и начинающий не нуж­дается в напоминании о необходимости всесторонне про­верить законченную основу конструкции будущего устройства по следующим показателям:

по всем техническим требованиям задания;

на соответствие принципиальной схеме;

по некоторым особенно сложным взаимосвязям с окружением;

по ряду заранее заложенных критериев (мини­мизации веса и габаритов, надежности, технологичнос­ти, экономичности).

Проделав эту работу, конструктор обретает неко­торую уверенность в том, что ничего существенного,, по-видимому, не упущено. Конструктору было бы чрез­вычайно важно убедиться в большем, а именно в томг что выбранный им вариант компоновки близок к опти­мальному.

Для того чтобы сделать несколько шагов по пути к решению этой задачи, введем некоторые новые по­нятия.

«Запасы», заложенные в конструкцию. В процессе реализации задания конструктор добивается соответ­ствия конструкции техническим требованиям. Однако убедиться в том, что технические требования полностью реализованы, еще не значит добиться нужного соответ­ствия. Конструкция может заключать в себе достаточно элементов для удовлетворения требованиям, но не все элементы могут быть для этой цели необходимыми. Для выполнения условия «необходимого и достаточ­ного» следует проверить конструкцию на «избыточ­ность», т. е. попытаться найти и устранить все то, что

является лишним. Все лишнее, не необходимое в кон­струкции, можно представить себе в виде «запасов» в подразделить последние на две группы: запасы по па­раметрам технических требований на устройство (пер­вая группа); запасы по параметрам самой конструкции, не связанные с техническими требованиями непосред­ственно, в первую очередь излишние запасы прочности и жесткости (вторая группа).

Запасы первой группы. Если какое-либо из технических требований реализовано в конструкции с избытком, то это, как правило, сигнализирует о возмож­ности улучшить компоновку за счет уничтожения обна­руженного запаса. Так, например, очевидно, что если угол поворота выходного вала рулевой машинки на чер­теже компоновки или общего вида «получился» больше заданного верхнего предела, то за счет уменьшения этого угла могут быть либо снижены вес и габариты устройства, либо улучшены какие-либо другие его ха­рактеристики (либо и то и другое). То же можно ска­зать об угловых и линейных перемещениях движущих­ся звеньев в любом механизме.

Запасы по любому параметру технических требова­ний, реализованные в конструкции, свидетельствуют об' отклонении создаваемого конструктивного варианта от иного, более рационального. По мере введения масшта­ба, по мере детализации чертежа компоновки и перехо­да к чертежу общей сборки уничтожение запасов пер­вой группы становится все более действенным сред­ством улучшения компоновки и конструкции.

Обратившись к варианту а (см. рис. 2.5), можем от­метить, что применение карданова подвеса с кольцами для гиростабилизатора с заданными малыми углами-прокачек нерационально: чрезмерные запасы по углам а и р в приведенном случае являются следствием неоп­равданно больших пустот в конструкции устройства,, иными словами следствием «раздутых» габаритов.

Пустоты в конструкции, как правило, свидетельству­ют о нерациональности компоновки. Их можно рассмат­ривать в качестве запасов по располагаемому простран­ству. Наличие таких запасов говорит о недоиспользо­вании критерия минимизации габаритов.

Для устройств, устанавливаемых на борту летатель­ных аппаратов, к признакам нерациональной компо­новки следует отнести не только наличие отдельных

пустот, но и общую «рыхлость» компоновки или недос­таточно плотное заполнение деталями всего распола­гаемого пространства.

Пустоты внутри устройства нередко удается исклю­чить перекомпоновкой частей. Этим достигается умень­шение габаритов. Иногда выгодно, сохранив габариты устройства, использовать пустоты для конструктивных комбинаций, более полно удовлетворяющих каким-либо другим требованиям, например точности, виброустойчи­вости, удобству работы оператора и т. п.

Наличие пустот, периодически заполняющихся дви­жущимися яастями и вновь освобождаемых, также сле­дует считать своего рода запасами по располагаемому пространству. Запасы по параметрам геометрического характера (например, по угловым или линейным пере­мещениям движущихся частей) легко обнаружить по чертежу, чего нельзя сказать о запасах по таким параметрам, как, например, механическая мощность на выходе или точность отработки угла поворота. При поиске скрытых запасов конструктор не должен за­бывать и о принципиальной схеме, так как при переходе от нее к конструкции особенно легко допустить избы­точность (в том или ином виде). Если в каком-либо кон­струируемом устройстве вместо электромеханизма пов­торно-кратковременного действия используется меха­низм длительного действия той же мощности, то подобное обстоятельство можно рассматривать с пози­ций избыточности: габариты электромеханизма длитель­ного действия можно считать неоправданно большими. С несколько меньшей определенностью можно говорить о «запасе» по температуре перегрева, если последняя не достигает оговоренного в технических требованиях допустимого предела.

Нередко понятие запасов по параметрам техничес­ких требований теряет строгость. (Впрочем, таково •свойство большинства используемых здесь понятий). Поэтому употреблять понятие «запасов» и пользовать­ся ими следует с известной осторожностью. Несмотря на этот существенный недостаток, проверка устройства по «запасам» с последующим их уничтожением является действенным методом улучшения компоновки.

Запасы второй группы. Если в технических требованиях заданы крайние пределы величин техни­ческих характеристик устройства, то уменьшение реали­зованных в конструкции запасов первой группы во мно­гих случаях может быть произведено без существенного снижения надежности устройства или его узлов. С за­пасами второй группы в этом отношении дело обстоит сложнее, поскольку надежность всегда как-то зависит от запасов по прочности и жесткости.

Непосредственным следствием уменьшения запасов по жесткости или прочности отдельных частей устрой­ства является снижение веса. Налицо, казалось бы, обычное противоречие между жесткостью частей устрой­ства и их весом, разрешаемое обычным компромиссом. Но в реальной конструкции, где все взаимосвязано, умень­шение габаритов и снижение веса отдельных частей вы­зывает далеко идущие последствия. В частности, сни­жение веса, сопровождаемое ухудшением жесткостных характеристик каких-либо деталей, может в то же вре­мя сопровождаться улучшением других жесткостных характеристик, существенных для нормального функцио­нирования устройства в целом. При этом может быть, получен немалый выигрыш в надежности. Так, напри­мер, уменьшая толщину стенок несущей коробки гиро­платформы (см. рис. 2.4), мы уменьшаем жесткость ко­робки, однако собственная резонансная частота подвес­ной части гиростабилизатора при этом увеличивается. Но улучшение частотных характеристик гиростабили­затора может дать несравненно больший положительный эффект с точки зрения работы устройства в условиях вибрации, чем несущественные выгоды от больших за­пасов по жесткости коробки гироплатформы.

С величиной различного рода «запасов» связан вы­бор типоразмеров готовых изделий, входящих в кон­струкцию устройства. Так, например, вес и размеры электродвигателя определяются развиваемой им мощ­ностью. Уменьшение потребной мощности за счет сни­жения каких-либо «запасов» в механизме привода дает возможность перейти к соседнему по шкале типо-раз-меров меньшему двигателю. Но такой скачкообразный с точки зрения веса и габаритов переход почти всегда открывает новые возможности для лучших вариантов компоновки.

Нередко случается, что при реализации этих воз­можностей компоновка приобретает совершенно иной вид, становится значительно более рациональной. Даль­нейшее конструирование   ведется как  бы  на новом

«уровне рациональности» компоновки. Можно предста­вить себе (с весьма большой степенью условности) су­ществование двух крайних случаев, крайних уровней ра­циональности, среди всех возможных вариантов компо­новки одного и того же сложного устройства:

а)         тривиального варианта компоновки, в котором
отдельные части устройства сочленяются посредством
специальных соединительных деталей (не имеющих ино-
го назначения) без какой-либо реализации выгод сов-
мещения функций или снижения неявно выраженных
«запасов»;

б)         оригинального варианта, в котором возможности
уплотнения функциональной нагрузки частей, возможности их подгонки и частичной «интеграции», а также
выгоды от снижения запасов обоих групп реализованы
в максимальной степени.

Эти крайние варианты можно рассматривать в ка­честве некоторых гипотетических результатов двух на­правлений конструирования.

По мере того как в результате уменьшения «запа­сов» компоновка приближается к выполнению условия «необходимого и достаточного» (при сопоставлении ее с техническими требованиями), конструктор обретает уверенность в рациональности выбранного варианта. Уменьшение запасов второй группы является нелегкой задачей, требующей тщательных расчетов и знания тех­нологических возможностей сегодняшнего дня.

На практике конструктор, уложившись в заданные техническими требованиями значения веса и габа­ритов, не всегда стремится к уменьшению имеющихся в конструкции запасов, но такой случай выпадает из поставленных нами условий оптимизации конструкции по соответствующим критериям (критериям минимизации габаритов и веса).

2.6. Сближение частей устройства (шестой этап)

Этот этап выделен в качестве самостоятельного до некоторой степени условно. Поставленная цель (сбли­жение частей) характерна для заключительной стадии компоновки, когда расположение частей уже опреде­лилось и речь идет о нахождении дополнительных воз­можностей к их уплотнению. Для более сложных уст­ройств ту же работу можно отнести к стадии промежу­точных масштабных построений, осуществляемых после окончания компоновки, но перед вычерчиванием сбороч­ного вида.

Наиболее очевидная возможность уплотнения кон­струкции устройства сближением частей состоит в умень­шении расстояний между частями. Этот путь связан с р&дом трудностей, возрастающих по мере уменьшения зкзоров. Даже определение величин зазоров между сближаемыми частями при сложной их конфигурации является трудоемкой работой, выполняемой методами начертательной геометрии. Неизмеримо большие труд­ности возникают в производстве при изготовлении де­талей с жесткими допусками и их сборке. Не следует забывать, что чрезмерное уменьшение зазоров может по ряду причин понизить надежность конструкции (на­пример, из-за температурных деформаций).

Рассмотрим некоторые стороны методики конструи­рования, тесно связанные с задачей сближения частей и уменьшения габаритов устройства. Представим себе модель, состоящую из полых шаров, вложенных друг в друга с определенным зазором. Очевидно, что умень­шение объема внутренного шара на очень небольшую величину вызовет (при сохранении зазора между ша­рами) значительное абсолютное уменьшение объема наружного шара (при сохранении его прежних жест­костных или прочностных характеристик)» То же са­мое, хотя и в меньшей степени, относится к тем реаль­ным устройствам, в которых периферийные части пред­ставляют собой цилиндрические или сферические обо­лочки (полностью или частично). Такие конструкции наиболее рационально компоновать, соблюдая направ­ленность от центра к периферии (при условии, что нет обстоятельств, этому препятствующих).

Если при компоновке гиростабилизатора (см. рис. 2.4), конструктору удастся каким-либо способом хотя бы на несколько миллиметров сдвинуть к центру гироблоки, то внешний диаметр наружного кольца 4 уменьшится по крайней мере на ту же величину. Очевидно, что та­кое уменьшение наружного диаметра даст немалую экономию в весе (при той же жесткости кольца).

Пример показывает, что при конструировании по­добных устройств следует стремиться к возможно боль­шему сжатию срединных частей, даже если такое сжа­тие вынуждает к некоторым компромиссам. Сжатие се­редины сопровождается обычно появлением местных вырезов в деталях, усложнением их формы и техноло­гии изготовления, удорожанием. Некоторые детали ц£-ной известных неудобств приходится удалять из центрі. Зато вес и габариты периферийных частей растут менее стремительно, а жесткостные характеристики устрой­ства улучшаются. В целом конструкция становится ра­циональнее, несмотря на то что некоторые требований реализуются с меньшей полнотой из-за предельно сжа­тых срединных частей.

Как уже отмечалось выше, довольно распростра­ненная ошибка начинающего конструктора подчас состоит именно в стремлении с самого начала удовлет­ворить всем техническим требованиям в наиболее пол­ном виде. То же самое наблюдается, в частности, при вычерчивании срединных частей устройства. В конце работы, при вычерчивании периферийных частей, на­чинающий конструктор убеждается, что компоновка не удалась, однако и в этом случае он далеко не всегда отдает себе отчет в первопричине неудачи. Что же ка­сается опытного конструктора, то он прежде всего вос­принимает «рыхлость» срединной части, как существен­ный и очевидный недостаток.

Представим себе, что в срединной части гиростаби­лизатора или подобного ему гироскопического устрой­ства находится карданный узел, схематически изобра­женный на рис. 2.16. Крестовина 2, расположенная в центре устройства, обеспечивает вращение несущей ко­робки / гироплатформы относительно траверсы 3 кар­дана по двум осям X — X и У — У.

Габариты всего устройства в сильной степени зави­сят от габаритов этого кинематического узла, а потому вся конструкция последнего должна быть подчинена требованию компактности исполнения. Само располо­жение узла кардана вокруг центра тяжести всего гиро­стабилизатора (точка О) делает этот узел до некоторой степени обособленным от остальных частей устройства. Обособленность заключается в том, что стремление кон­структора к сжатию карданного узла не вызывает по­мех со стороны прочих основных частей, остающихся на периферии. Это облегчает поставленную задачу, способ­ствуя глубокой конструкторской проработке конфигу­рации каждой из трех составляющих узел частей — тра­


версы, крестовины и несущей коробки гироплатформы. Каждая из частей может получиться наиболее компакт­ной, если будет сделана из одного куска металла, так как соединение винтами требует наличия добавочных утолщений, по крайней мере на одной из свинчиваемых деталей. Утолщения могут ограничить углы поворота траверсы относительно крестовины или коробки гиро­платформы.

I—несущая коробка; 2—крестовина; 3— тра­верса

В данном случае конструктор не должен жалеть тру­да и времени на формообразование цельных, несвинчи-еаемых частей. Его не должны останавливать ни труд­ности расчета сложных форм, ни трудности изготовления, ни головоломная задача сборки крестовины, траверсы и коробки без свинчивания.

На каждой из трех деталей неизбежны местные вы­резы как для обеспечения углов прокачки, так и для возможности сборки. Вырезы, в свою очередь, требуют местных утолщений. Конструктор может себе позволить создание нужных утолщений, компенсирующих ослаб­ления от вырезов: некоторое перетяжеление узла кар­дана (при малых его габаритах) с избытком скомпен-сируется облегчением периферийных частей устройства, достигаемым за счет уменьшения их габаритов. Нако­нец, конструктор может пойти на освобождение узла кардана от некоторых не первостепенных по важности функций, например отказаться от протягивания прово­дов к гироплатформе через крестовину.

Выше уже отмечалось значение удачно подобранной формы кожухов готовых узлов (например, гироблоков или акселерометров) для возможности варьировать их расположением при компоновке. Очевидно, что возмож­ности сближения этих узлов также сильно зависят от их конфигурации. Чем труднее протекает процесс сбли­жения частей, тем чаще конструктор возвращается к рассмотрению технического задания, пытаясь переосмыс­лить требования, послужившие причиной подобных за­труднений. Это особенно относится к тем случаям, когда какое-либо «узкое» место препятствует значительному сжатию всей конструкции. Стремление «расшить» та­кое «узкое» место способствует усилению и углублению обратных воздействий на исходные требования.

Конструктор уже не ограничивается перераспределе­нием величин исходных параметров в пределах, допус­каемых заданием, но стремится к согласованию вопро­са о корректировке его в выгодном направлении. Кор­ректировка исходных технических требований может иметь место, конечно, не только на рассматриваемом этапе, что и отражено на поэтапной схеме. В результате коррекции с устройства могут быть сняты некоторые побочные функции. Хорошие результаты могут быть достигнуты перераспределением функций между несколь­кими устройствами одной технической системы, посколь­ку цена реализации одних и тех же функций в разных устройствах может существенно разниться. В этом слу­чае корректируются исходные требования не только на-данное устройство, но и на систему в целом.

Иногда становится возможным осуществлять такие изменения в технических требованиях, которые ведут к существенному улучшению компоновки, не сказываясь сколько-нибудь отрицательно на целевых функциях в эксплуатационных характеристиках устройства. Причи­ной может явиться неоправданно жесткая регламента­ция каких-либо характеристик устройства в исходных требованиях. То же относится и к принципиальной схе­ме устройства. Различные принципиальные варианты схемы могут быть равноценны с точки зрения целевых функций, но совершенно различны по возможностям реализации, которые выясняются полностью только при конструировании. Примером корректировки такого ро­да может служить замена обычного электродвигателя электромагнитным шаговым механизмом. Подобная за­

мена может оказаться выгодной, если допустима не­которая скачкообразность вращения одного из выход­ных валов сложного устройства. Согласовав с заказчи­ком величину допустимой дискретности, конструктор получает дополнительные резервы для реализации вы­годного варианта компоновки, т. е. такого, в котором достигается снижение веса электродвигателя без ухуд­шения других параметров. Разработчик принципиаль­ной схемы мог, конечно, легко упустить из вида вариант с шаговым механизмом.

В ряде случаев корректировка технических требова­ний задания ведет к изменению целевых функций или-эксплуатационных характеристик устройства не в луч­шую сторону. Но если цена конструктивной реализации какого-либо из требований чрезмерно велика (напри­мер, по весу), приходится и в этих случаях итти на недовыполнение технических требований задания. Как пример скорректированного таким образом требования первоначального задания можно привести требование к экранировке для защиты обслуживающего персонала от -у-излучений активного источника, заключенного в из­мерительном приборе.

Случается, что чрезмерный расчетный вес защитных экранов в промышленных измерительных установках, использующих радиоактивные изотопы, приходит в про­тиворечие с возможностями конструктивной реализации устройства. В этих случаях, для того чтобы обеспечить безопасность обслуживающего персонала и в то же время сделать конструкцию технически выполнимой, идут по пути сокращения допустимого времени работьг персонала с таким устройством. Эксплуатационные ка­чества устройства при этом, конечно, снижаются.