Текст
                    ТРИ СОСТАВНЫЕ
СИСТЕМЫ ОБЪЕКТА
КОНСТРУИРОВАНИЯ
МЕХАНИКА
Воспроизведение процесса
(движения и/или состояния)
Восприятие
Управление	(ощущение)
процессом	характеристики
процесса
ЭЛЕКТРОНИКА
может потеснить механику
только в секторах
восприятия и управления.
Александр Крайнев
МЕХАНИЗМЫ ОТНОСИТЕЛЬНОГО МАНИПУЛИРОВАНИЯ
В ОБРАБАТЫВАЮЩЕМ СТАНКЕ
Двигатель '
в основном
для вертикальных
перемещений заготовки
Инструмент
Заготовка
Подвод воздуха
от компрессора
Двигатель
для вращения
инструмента
Двигатели
для поворота
заготовки
Двигатели
для перемещения
инструмента.
Пневмоцилиндр
для восприятия
сил тяжести звеньев
Двигатель
в основном
для продольных
перемещений
заготовки
В конструкции станка реализованы принципы
разделения функций воспроизведения движений;
многопоточности передачи энергии;
построения механизмов, воспроизводящих
сложные движения, на основе вращательных
кинематических пар;
постоянной разгрузки системы от сип тяжести;
размещения основных приводов на основании.
КОНСТРУИРОВАНИЯ
МУФТА СВОБОДНОГО ХОДА	Внешнее кольцо - Лепесток
В ПЛАНЕТАРНОЙ ПЕРЕДАЧЕ
пружины
Внутреннее кольцо
Кулачок
КОНСТРУКЦИЯ
МАТЕРИАЛЫ
СТРУКТУРА ПРОЦЕССА КОНСТРУИРОВАНИЯ
ИЗГОТОВЛЕНИЕ
Сателлит
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
ПРОДУКЦИЯ
ИСПЫТАНИЯ
МОСКВА * 2003
ТЕХНОЛОГИЯ
ИЗГОТОВЛЕНИЯ
Направление
свободного >
вращения /
БАНК МОДЕЛЕЙ
И МЕТОДОВ
ИССЛЕДОВАНИЙ
КРИТЕРИИ СОВЕРШЕНСТВА
КОНСТРУКЦИИ
МЕСТО КОНСТРУИРОВАНИЯ
В СОЗДАНИИ ОБЪЕКТОВ
ТЕХНИКИ (МАШИН, АППАРАТОВ
ПРИБОРОВ И СООРУЖЕНИЙ)
Упорный
роликовый
подшипник
БАНК АНАЛОГОВ
И ТИПОВЫХ РЕШЕНИЙ
Штампованно-сварное
водило планетарной
передачи
Пластический
замок
Внутреннее
кольцо
Кулачок
благодаря \
силам	X,
трения может
поворачиваться
и заклиниваться
между внутренним
и внешним кольцами
БАНК
МАТЕРИАЛОВ
Сварочный
шов
БАНК
ТЕХНОЛОГИЙ
Сепаратор
удерживает
соседние кулачки
на определенном
расстоянии
друг от друга.
Внешнее кольцо
(корпус муфты К
свободного хода) х.
неподвижно
соединено с водилом
планетарной передачи
Внешнее кольцо
корпус муфты
ФУНКЦИЯ
И ПОТРЕБИТЕЛЬСКИЕ
КАЧЕСТВА
Направление
вращающего момента
при заклинивании
кулачков
Лепесток пружины
стремится повернул»
кулачок и слегка
прижимает его
к поверхностям внешнего
и внутреннего колец.
Прижатие обеспечивает
начальное условие
заклинивания кулачка.
1. Функциональная целесообразность
2. Красота и удобство
3. Безопасность для чеповека
и окружающей среды
4. Технологичность
(промышленная воспроизводимость
современными средствами)
5. Патентная чистота
Шлицы I
Крышка-подшипник
из цветного сплава
обеспечивает относительное
центрирование внутреннего
и внешнего колец муфты
и сепаратора.
Пластический Ось
замок	сателлита
КОНСТРУИРОВАНИЕ
(СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ
ПРОТОТИПА)
ill ни

Александр Крайнев ИДЕОЛОГИЯ КОНСТРУИРОВАНИЯ Эй, читатель! scaned by Миишка http://www.djvu-soft.narod.ru -инструкция по сканированию и обработке; Тут ждут ваши книги (тех.): http://publ.Iib.ru http://sci-lib.comhttp://chipmaker.ru ...может ещё где Понравилась книжка - купите её в магазине. МОСКВА “МАШИНОСТРОЕНИЕ” 2003 “ИЗДАТЕЛЬСТВО МАШИНОСТРОЕНИЕ-1”
УДК 621.01(035) ББК 34.4 К78 МНОГОСКОРОСТНАЯ ПЕРЕДАЧА В ВИДЕ ТРЕХ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ В этой многое корост ной передаче ыломобиля КИНЕМАТИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ ИЗМЕНЯЕМОЙ (ПРИ ПЕРЕКЛЮЧЕНИИ) СТРУКТУРЫ Движение перелается по одной из трех параллельных 4 7 кинема! ическнх цепей. При переключении с режима на режим сначала разъединяют общее сцепление, поэтому происходит разрыв энергетического потока. По сравнению с традиционными решениями здесь валы выполнены короткими н более жесткими, а в зацеплении участвует минимальное число пар. Входной вал Промежуточный вал передачи заднего хода ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ КИНЕМАТИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ Промежуточный вал 2 Выходной вал П ромежуточный вал 1 Режим Включена сцепная муфта Зубчатые пары ! 1 а - р. m - s II 2 Ь - g, m - s III 3 с -k. n - s IV 4 d-j. n-s V 5 с - f, m - s ЗаяниЙход 6 а-р-г, O-S На схеме: зубчатые колеса р. g. с. kJ, г установлены свободно: зубчатые колеса a, b, с, d, m, п, о, s закреплены на валах; - сцепные зубчатые муфты с синхронизаторами МНОГОСКОРОСТНАЯ ПЕРЕДАЧА С ДВУМЯ ПООЧЕРЕДНО ВКЛЮЧАЕМЫМИ СЦЕПЛЕНИЯМИ (НА ВХОДЕ) И НЕРАЗРЫВНО ЧЕРЕДУЮЩИМИСЯ ПАРАЛЛЕЛЬНЫМИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ПОТОКАМИ Муфта включения Vпередачи Пр&ктавжнн&я здесь коробка передач автомобпля содержит две многоскоростные передачи с конструктивно совмешсннымн элементами. Каждая из них поочередно включается в работу своим сцеплением. В то время, когда одна передача работает, в другой (на холостом ходу) автоматически включается муфта следующего режима. У передача Сцепление В (с 1 рубчатым валом) Задний ход Муфта включения-------- заднего хода или VI передачи jq л Муфта включения II или IV передачи Муфта включения III или I передачи II передача Ведущее звено Переключение с одного режима на другой происходит без разрыва энергетического потока. Г идроцил индры вкл юче ния/вы кл юче ння сцеплении I передача III передача Ведущее звеио Трубчатый Сцепление А (с внутренним валом) Режим Включены сцепные муфт ы Зубчатые пары* Передаточное отношение I А- 1 п г 3.45 II В-2 а - и 2,05 III А-3 m -q 1,45 IV В-4 k-p 1,08 V А-5 h-e 1.11 VI В-6 k-d 0,92 Задний ход B-R a - b - c -3,14 * В режимах 1.11 III и IVпередачи в кинематическую цепь входит также зубчатая пара f -w. В режимах VI. V передачи п заднего хода о кинематическую цепь входит также зубчатая пара g - w. VI передача Внутренний 3.14 Ведомый вал Под действием пружин одно из сцеплений (А) разомкнуто, а другое (В) замкнуто. Гидроцилиндры способны изменить режим работы сцеплений. + i = 4,06 Крайнев А.Ф. К78 Идеология конструирования. - М.: Машиностроение-1, 2003. - 384 с., ил. Представляемая монография содержит систему принципов, тенденций и идей совершенствования конструкций (структуры, геометрии) объектов искусственного мира. От известных аналогов она отличается новой концепцией теории механизмов и машин. Суть новой концепции заключается в выборе или синтезе структурной схемы, в которой закодированы (по аналогии с хромосомой) самые совершенные конструктивные решения. Такой выбор или синтез обусловливает более точную и правильную взаимосвязь схемных представлений, конструктивных решений (с учетом зазоров, погрешностей изготовления, деформаций, трения), материалов и технологии изготовления. Используя данную систему, можно не только выбирать лучшие схемы и конструкции из числа известных, но и создавать новые, более совершенные устройства. Содержание основных разделов построено на примерах из компьютерного банка (схем и конструктивных решений), составленного автором данной монографии. Приведена методология построения банка, и даны его отдельные фрагменты. Предназначена для студентов, инженеров, научных работников и преподавателей. ISBN 5-217-03172-7 ISBN 5-94275-079-3 © А.Ф. Крайнев, 2003 г. © Издательство “МАШИНОСТРОЕНИЕ”, 2003 г. © “Издательство МАШИНОСТРОЕНИЕ-!”, 2003 г.
ОГЛАВЛЕНИЕ Часть I. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ЗА- КОНОМЕРНОСТИ (В КОНСТРУИРОВА- НИИ) ................................... 5 Глава 1. КРИТЕРИИ СОВЕРШЕНСТВА КОНСТРУКЦИИ............................. 5 1.1. Функциональная целесообразность и конструктивная преемственность.. 5 1.2. Красота и удобство............. 8 1.3. Безопасность для здоровья и жизни людей............................ 23 1.4. Технологичность конструктивных решений.......................... 27 1.5. Патентная чистота............. 40 Глава 2. ПОСТРОЕНИЕ СТРУКТУРНЫХ, КИНЕМАТИЧЕСКИХ И КОНСТРУКТИВ- НЫХ СХЕМ............................... 42 2.1. Систематизированный банк как осно- ва для структурного синтеза..... 42 2.2. Структурные единицы и составляю- щие их элементы.................. 46 2.3. Функциональный подход к выбору и составлению схем (на примерах ре- шения простейших задач воспроизве- дения движения и ориентации тела в пространстве).................... 52 2.4. Совмещение и разделение функций ... 57 2.5. Получение вариантов конструктивных решений.......................... 66 Глава 3. МНОГОПОТОЧНОСТЬ ПЕРЕДА- ЧИ ЭНЕРГИИ............................. 75 3.1. Общие положения и тенденции... 75 3.2. Приводные двухподвижные многопо- точные [параллельной структуры] со- единения ........................ 79 3.3. Приводные трех- и четырехподвиж- ные многопоточные [параллельной структуры] соединения............ 82 3.4. Приводные шестиподвижные много- поточные (параллельной структуры) соединения....................... 87 Глава 4. САМОПРИСПОСОБЛЯЕМОСТЬ ИСКУССТВЕННОЙ СИСТЕМЫ.................. 94 4.1. Общие положения и тенденции... 94 4.2. Внутренняя самоустанавливаемость (относительная самоустанавливае- мость недеформируемых звеньев внутри механизмов и сооружений).... 95 4.3. Внешняя самоустанавливаемость. 106 4.4. Деформативная приспособляемость ... 111 Глава 5. СОГЛАСОВАННОСТЬ НАПРАВ- ЛЕНИЙ СИЛ И ПЕРЕМЕЩЕНИЙ............... 120 5.1. Общие положения и тенденции. Угол давления и его значимость....... 120 5.2. Приемы уменьшения угла давления. Устранение или использование осо- бых положений....................... 122 5.3. Решения функциональных задач, од- нозначно связанных с увеличением углов давления...................... 125 5.4. Рациональное замыкание сил.. 130 Глава 6. УРАНОВЕШЕННОСТЬ И ВИБРО- ЗАЩИЩЕННОСТЬ ........................ 133 6.1. Общие положения............. 133 6.2. Разгрузка привода и кинематических пар................................. 133 6.3. Уравновешивание и восприятие неуравновешенных сил и моментов .... 137 6.4. Конструктивные приемы смягчения ударов, уменьшения динамических нагрузок, уменьшения потерь энергии при торможении и реверсировании .... 140 6.5. Основные виды виброзащиты. Динами- ческое гашение вибраций. Активная виброзащита......................... 144 6.6. Демпфирование вибраций...... 147 6.7. Нелинейные упругие элементы в средствах виброзащиты............... 150 Глава 7. СОВОКУПНЫЕ РЕШЕНИЯ МНО- ГОПОТОЧНЫХ САМОПРИСПОСОБЛЯЕ- МЫХ, ВИБРОЗАЩИТНЫХ СИСТЕМ (НА ПРИМЕРАХ ПОДВЕСОК МАШИН)............. 157 7.1. Общие положения. Элементы подве- сок автомобилей..................... 157 7.2. Зависимые и полунезависимые под- вески автомобилей................... 161 7.3. Независимые подвески автомобилей .. 164 7.4. Управляемые подвески транспортных машин............................... 167 7.5. Нагружение, деформирование, само- присобляемость подвесок. Обобщен- ные схемы........................... 170 7.6. Подвески локомотивов........ 173 7.7. Подвески гусеничных машин... 175 7.8. Подвески вибростендов и виброкон- вейеров ............................ 177 7.9. Виброзащитные подвески рабочих сидений............................. 179 Часть II. МЕХАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕ- НИЯ, ПЕРЕДАЧИ И СИСТЕМЫ.............. 181 Глава 8. СОЕДИНЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ И ДЕТАЛЕЙ.............................. 181 8.1. Место соединений в структуре машин. Основные разновидности........ 181 8.2. Неподвижные разъемные болтовые и кулачковые соединения............... 181
4 ОГЛАВЛЕНИЕ 8.3. Неподвижные неразъемные соедине- ния (литьем, сваркой, клепаные, клее- ные и скобочные), пластические со- единения и замки.................... 186 8.4. Упругие замки и фиксаторы........... 191 8.5. Шпоночные, шлицевые, профильные и неподвижные фрикционные соеди- нения .............................. 194 8.6. Соединения стержней ферм............ 199 8.7. Соединения трубопроводов............ 200 8.8. Быстроразъемные, захватные и зажим- ные соединения...................... 203 Глава 9. УПЛОТНЕНИЯ СОЕДИНЕНИЙ ... 210 9.1. Общие положения герметизации и уп- лотнения соединений................. 210 9.2. Уплотнения неподвижных соединений 212 9.3. Разделительные уплотнения соединений 213 9.4. Уплотнения подвижных (вращатель- ных и поступательных) соединений ... 216 Глава 10. ПОДШИПНИКОВЫЕ ОПОРЫ И НАПРАВЛЯЮЩИЕ................................. 225 10.1. Функциональные задачи и качест- венные показатели......................... 225 10.2. Подшипники скольжения и упругие шарниры................................... 225 10.3. Подшипники качения................. 235 10.4. Совокупные исполнения опор и со- единений ........................ 244 10.5. Круговые и линейные направляющие 253 Глава 11. СОЕДИНИТЕЛЬНЫЕ (КОМПЕН- СИРУЮЩИЕ) МУФТЫ ВАЛОВ........................ 259 11.1. Функциональные задачи и принципы конструирования........................... 259 11.2. Жесткие компенсирующие муфты ... 260 11.3. Упругие компенсирующие муфты ... 267 Глава 12. СЦЕПНЫЕ МУФТЫ, ТОРМОЗА И СИСТЕМЫ.................................... 272 12.1. Функциональные задачи, принципы конструирования.................. 272 12.2. Кулачковые и зубчатые сцепные муфты............................ 273 12.3. Фрикционные муфты и тормоза. 275 12.4. Самоуправляемые сцепные муфты и тормоза........................ 285 12.5. Сцепные и тормозные системы. 293 Глава 13. ЗУБЧАТЫЕ РЕДУКТОРЫ............. 301 13.1. Ременные, цепные и зубчатые пере- дачи. Основные положения......... 301 13.2. Зубчатые (в том числе червячные) редукторы. Выбор схемы и конструк- тивных решений................... 305 13.3. Особенности планетарных и волно- вых зубчатых передач................. 308 Глава 14. ВИНТОВЫЕ ПЕРЕДАЧИ (ВРА- ЩАТЕЛЬНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИ- ЖЕНИЯ) .................................. 314 14.1. Функциональные возможности и принципы конструирования........ 314 14.2. Винтовые (соосные) передачи (скольжения и качения)........... 316 14.3. Несоосные (в том числе планетарные и волновые) винтовые передачи 319 14.4. Фрикционные винтовые (соосные) передачи............................. 322 Глава 15. МНОГОСКОРОСТНЫЕ ПЕРЕ- ДАЧИ И ВАРИАТОРЫ (СКОРОСТИ).............. 323 15.1. Общие сведения................. 323 15.2. Многоскоростные зубчатые передачи с неподвижными осями колес........... 323 15.3. Многоскоростные планетарные зуб- чатые передачи................... 326 15.4. Замкнутые гидродинамические и электромеханические передачи......... 335 15.5. Гидрообъемные регулируемые пере- дачи ............................ 338 15.6. Механизмы свободного хода в мно госкоростных передачах........... 340 15.7. Фрикционные вариаторы (скорости) и вариаторы с элементами зацепления... 342 Глава 16. РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЕ/СУМ- МИРУЮЩИЕ МЕХАНИЗМЫ....................... 350 16.1. Дифференциальные механизмы ав- томобилей ....................... 350 16.2. Зубчатые, рычажные и винтовые распределительные/суммирующие механизмы........................ 359 16.3. Гидравлические/пневматические рас- пределительные и суммирующие устройства....................... 362 Глава 17. МЕХАНИЗМЫ РУЛЕВОГО УП- РАВЛЕНИЯ ................................ 366 17.1. Структурные элементы........... 366 17.2. Рулевое управление автомобилей. 366 17.3. Соединительные и поворотные уст- ройства шарнирно-сочлененных ко- лесных и гусеничных машин........ 371 17.4. Приводы рулевых устройств судов, самолетов и вертолетов............... 374
Часть I. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ЗАКОНОМЕРНОСТИ (В КОНСТРУИРОВАНИИ) Глава 1. КРИТЕРИИ СОВЕРШЕНСТВА КОНСТРУКЦИИ 1.1. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ И КОНСТРУКТИВНАЯ ПРЕЕМСТВЕННОСТЬ Было бы наивно думать, что можно сформулировать однозначные правила конструирования — решения на все случаи жизни, не оставив места для творчества конструк- тора. Последнее, пожалуй, самое важное: конструктор — это художник, это композитор, это поэт в своей области. Если он не обладает талантом, обширными и глубокими знаниями, пространственным (многомерным) мышлени- ем, то создать новую, совершенную конструкцию ему не помогут никакие правила или принципы. Создание ис- кусственного мира — это прежде всего искусство, а наука, как совокупность знаний, только помогает интуиции и таланту. Но это не означает, что при конструировании можно пренебрегать теорией. Теория и конструкторский опыт должны быть сбалансированы. Кстати, это важно не только для конструктора, но и для научного работника. В этой связи конструктор должен одинаково хорошо знать физические процессы и современные технологии независимо от того, какая перед ним стоит задача - раз- работать конструкцию сложнейшей машины или бытово- го прибора. "Мелочей", безразличных решений не долж- но быть ни в том, ни в другом случае. Материалы и тех- нологии следует применять одинаково совершенные, если Вы конструируете водопроводный кран для дома или управляющее устройство в системе гидрокоммуни- каций самолета. Смазочный материал не должен подте- кать ни в случае, когда это опасно для жизни, ни в слу- чае, когда это просто неприятно для обслуживающего персонала. "Общение" с созданным объектом должно быть удобным и приятным независимо от того, что это за объект - пульт управления атомной электростанцией или обыкновенный пылесос. Процесс конструирования многогранен. В самом его начале нужно представлять, как разрабатываемый объект можно изготовить и как он будет выглядеть в конце про- цесса. Ведь недаром гениальный Леонардо да Винчи еще только задумывал сюжет картины, а уже разрабатывал лак, которым он намеревался покрыть полотно, когда напишет картину, чтобы сохранить свое творение для потомков. Не углубляясь далее в философию конструирования, остановлюсь на некоторых основополагающих, на мой взгляд, положениях. Функция - основа задачи конструирования. Цель конструирования - наиболее полное решение поставлен- ной функциональной задачи. Учебники и справочники должны начинаться с классификации функций и соответ- ствующих им структур и конструктивных решений, а не наоборот. Приступать к разработке проекта нужно, толь- ко поняв функцию будущего изделия и представив в про- странстве возможное решение или путь решения. Здесь идет речь о пространстве не только трехмерном (геомет- рическом), но и многомерном (время, исторические тен- денции, материалы и технологии). В этой связи, если Вы обладаете линейным или плоским представлением ве- щей, то конструирование не Ваша сфера деятельности, а если вы мысленно можете представлять геометрию изде- лия, то постарайтесь развить Ваше качество до много- мерного понимания искусственного мира. Для решения функциональной задачи одинаково важны геометрическая форма (собственно конструк- ция), материалы и технология (рис. 1, схема 1.1) - структура многомерного представления изделия). Перед преподавателями, авторами книг, пособий для конструк- торов должна быть поставлена задача — увязать эти со- ставляющие. Пока мне известна только одна книга, в ко- торой наиболее полно даны возможные функции, вари- анты структурных схем, конструктивных решений, физи- ческих процессов взаимодействия звеньев, материалов и технологий в их взаимообусловленности — это книга К. Рота "Конструирование с помощью каталогов" (Перевод с нем. В. И. Борзенко и др. М.: Машинострое- ние, 1995. 420 с.). Но в ней материалы и технология вы- ступают не на равных с конструкцией, к тому же чувст- вуется привязанность автора к определенной области конструкций управляющих устройств и ручного инстру- мента, а также предпочтительность пластмасс другим видам материалов. История предопределяла распространение тех или иных технических решений именно в соответствии с взаимообусловленностью конструкции, материалов и технологии. Например, циклоидальное зацепление, пред- ложенное на 150 лет раньше, чем эвольвентное, обладает многими наилучшими функциональными качествами (КПД, сопротивление изнашиванию, контактная проч- ность и др.) по сравнению с эвольвентным зацеплением. Но потребовалось еще почти 150 лет, чтобы ситуация изменилась в пользу эвольвентного зацепления после того, как был предложен эффективный способ нарезания эвольвентных зубьев инструментом реечного типа. Спра- ведливости ради отметим также меньшую чувствитель- ность эвольвентного зацепления к погрешностям изго- товления и деформациям валов и опор, что было в прин- ципе установлено еще Л. Эйлером. Эти качества и техно- логичность шлифования эвольвентных зубьев плоскими кругами также оказались определяющими в соперниче- стве эвольвентного зацепления с передачами Новикова при использовании закаленных материалов. Передачи Новикова еще можно было применять, когда использова-
6 КРИТЕРИИ СОВЕРШЕНСТВА КОНСТРУКЦИИ лись материалы с невысокой твердостью поверхности, и, может быть, в будущем они займут свое место в технике, если будет предложен соответствующий способ их изго- товления. Что касается циклоидального профиля зубьев, то он успешно применяется в компактных японских ре- дукторах благодаря совершенным технологическим про- цессам. Технически воспроизведение функций современной машины может быть представлено в виде совокупности трех взаимосвязанных составляющих (схема 1.2). Вопрос, какая из трех соответствующих систем важнее: традиционная механическая система с непо- средственным воспроизведением заданного движения или обеспечением заданного состояния, система изме- рения воспроизводимой характеристики или система управления? Ответ — все три составляющих равноценны, они присутствовали в самых примитивных устройствах, но решения были практически полностью механическими, если не учитывать ощущения и ум человека как состав- ной части системы в целом. Другое дело, изменяются средства второй и третьей составляющих в пользу элек- троники. Порожденная этим привилегированность спе- циалистов в области электроники привела к недостаточ- но сбалансированной подготовке специалистов-механи- ков традиционного плана. Функциональная целесообразность - принцип, означающий соответствие выбранного решения постав- ленной задаче. Иными словами - задача должна быть выполнена без превышения необходимых затрат. Но функция в данном случае понимается в широком смысле, например, упомянутый водопроводный кран должен не только перекрывать воду без подтечек, но быть удобным в обращении, "вписываться" в интерьер помещения и быть просто красивым или красиво простым. Это означа- ет, что надо изготовлять его из высококачественных ма- териалов, обеспечить низкую шероховатость поверхно- стей и высокую точность сопряжения деталей. В отношении понимания функциональной целесо- образности приведу пример из истории о Левше, "кото- рый подковал блоху". Если оговорить, что "аглицкая" блоха была игрушечная, то становится ясным, что прин- цип функциональной целесообразности не соблюден - зачем стальные лапки блохи снабжать подковами! Если тем самым показать превосходство Левши по сравнению с английскими мастерами, то эта цель не достигается, так как детали и элементы механизмов блохи были, навер- ное, миниатюрнее и сложнее в изготовлении, хотя и ме- нее понятны (для тех, кому предназначалась эта сказка), чем подкова с гвоздиками. В то же время, оценивая иг- рушку в целом, можно утверждать, что на тот период конструкция такого типа соответствовала принципу функциональной целесообразности - механизмы и пру- жинные приводы обеспечивали необходимую подвиж- ность и "прыгучесть" при размерах, сопоставимых с на- стоящей блохой. Функциональная целесообразность предусматрива- ет, в частности: обеспечение минимальной допустимой для заданной функции прочности, минимальной жестко- сти и других характеристик, если их повышение сопря- жено с увеличением массы, удорожанием изготовления и эксплуатации устройства; выполнение защитных конструкций тонкостенными (в виде кожухов) в отличие от несущих конструкций; обеспечение высокой точности и центрирования деталей только в случаях, когда это влияет на работоспособность устройства; исключение лишних опор для деталей, которые могут самоустанавливаться; обеспечение высокого качества только трущихся, посадочных, а также открытых для обозрения и контакта поверхностей. Этим, однако, не ограничивается сущность функ- циональной целесообразности. Она воплощает в себе все последующие производные принципы в той или иной мере, поскольку все они направлены на то, чтобы наи- лучшим образом решить функциональную задачу. По- этому нельзя ограничиваться одним решением — выбор схем и конструкций должен быть на альтернативной ос-
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ И КОНСТРУКТИВНАЯ ПРЕЕМСТВЕННОСТЬ 7 нове. Составление возможных структурных, кинематиче- ских и конструктивных схем многих машин и механиз- мов приведено, например, в справочно-методологи- ческом пособии во 2-м томе под общей ред. К. В. Фроло- ва "Конструирование машин" (М.: Машиностроение, 1994), а также в других книгах. Далее поговорим о тенденциях современного кон- струирования, т.е. о том, какие решения предпочитают использовать конструкторы, особенно зарубежные, при возможности выбора, что, однако, не означает беспер- спективности иных решений. • Механизмы и приводы вращательного движения предпочитают устройствам, в которых присутствует воз- вратно-вращательное или возвратно-поступательное движение. • Собственный привод каждого исполнительного звена (индивидуальный привод) или даже несколько приводов одного звена предпочитают общему приводу с разветвленной трансмиссией. • Низшие кинематические пары (соприкосновение по поверхности) предпочитают высшим парам (сопри- косновение по линии или в точке) особенно при ударных нагрузках. Имеются, однако, примеры ошибочных, на взгляд автора, решений двигателя внутреннего сгорания с высшими парами в основном механизме, в частности, демонстрируемого на одной из выставок научных и тех- нических достижений. • Упругие кинематические пары, в том числе "пле- ночные" шарниры (см. упомянутую выше книгу К. Рота), в условиях ограниченных перемещений предпочитают парам внешнего трения. • В качестве материалов деталей, особенно "несило- вых", там, где это возможно, предпочитают пластмассы и композиты. Кроме кожухов, облицовочных панелей, это, в частности, относится к деталям приборов, малонагру- женным, но достаточно точным зубчатым колесам (на- пример, любой современный принтер) и др. • Блочную конструкцию, составленную из отдель- ных автоматически собираемых, как правило, неразбор- ных и практически перемонтируемых узлов, предпочи- тают конструкции из отдельных последовательно при- соединяемых деталей. При этом соединение между от- дельными блоками предусматривают простейшее: сколь- зящее или упругое. • Штампованные и штампованно-сварные детали предпочитают литым. • Детали с местной поверхностной термической или химико-термической обработкой, а также с местными покрытиями предпочитают деталям со сплошной обра- боткой. • Неразъемные, автоматически осуществляемые со- единения предпочитают разъемным соединениям. Речь идет прежде всего о пластических соединениях в сравне- нии, например, с болтовыми соединениями. Однако в последнее время под давлением "зеленых" в некоторых странах принимают законы, запрещающие применение неразборных конструкций, особенно если в них имеются неизвлекаемые пластмассовые детали. • Уплотнение неподвижного стыка предпочитают осуществлять с помощью специальных герметиков, а не с помощью упругих прокладок. • В качестве уплотнения подвижного соединения предпочитают разделительное уплотнение при ограни- ченных перемещениях или торцовое (осевое) при неогра- ниченных перемещениях, чем соответственно скользя- щее или окружное скользящее уплотнение. • Быстроходные малогабаритные приводы и меха- низмы из высококачественных материалов предпочитают более громоздким и простым тихоходным приводам. • Многопоточные системы с параллельным соеди- нением приводов и механизмов предпочитают однопо- точным последовательным системам. • Цилиндрические зубчатые и, в частности, плане- тарные передачи с высоким КПД предпочитают более простым червячным передачам. • Дисковые и многодисковые фрикционные тормоза и муфты предпочитают колодочным и ленточным тормо- зам и муфтам. • Самоустанавливаемость предпочитают решать прежде всего за счет конструкции механизма или фермы, а не за счет системы управления. • Статически определимые и достаточно деформа- тивные системы звеньев, опор и подвески агрегатов, обеспечивающие их самоустановку, предпочитают сис- темам, требующим регулировки или подгонки взаимного расположения звеньев. • Компоновку и размещение деталей и узлов в про- странстве с совмещением их функций предпочитают компоновке с раздельной реализацией функций. Речь идет о встраивании отдельных узлов в общий корпус или об использовании свободного пространства внутри дру- гих деталей или узлов, об использовании несущей детали в качестве защитной, о восприятии нагрузок разных на- правлений в одном соединении и т.п. • Геометрические системы с короткой размерной цепью предпочитают системам с длинной размерной цепью. • Кинематические и динамические системы с разде- лением функций предпочитают системам совместной реализации различного вида движения и/или нагружения. Речь идет о предпочтении схем с независимой передачей движения или с определенным невзаимозависимым со- отношением распределения нагрузки. • Динамические и статические системы с кратчай- шим путем замыкания силовых линий (по количеству последовательно нагружаемых стыков, подвижных со- единений и деформируемых звеньев) предпочитают сис- темам с более длинным путем замыкания силовых линий. • Системы с плавным изменением плотности сило- вых линий или с плавным их искривлением предпочита- ют системам с резким изменением плотности или с рез- ким перегибом. • Симметричные геометрические формы и симмет- ричные системы замыкания сил предпочитают несим- метричным формам и системам. Разумеется, данный перечень нельзя считать исчер- пывающим и уж, конечно, нельзя считать догмой. Общее правило таково - любую рекомендацию надо проверить на соответствие принципу функциональной целесообраз- ности для заданных условий.
8 КРИТЕРИИ СОВЕРШЕНСТВА КОНСТРУКЦИИ Одним из основополагающих аспектов современно- го конструирования, особенно в зарубежной практике, является преемственность решений. Это становится все более рациональным благодаря тому, что компьютер по- зволяет запомнить и записать каждый шаг конструктора, его коллег и предшественников. Ничто не уходит бес- следно в небытие. Конструктор уже может не вычерчи- вать деталь или соединение от начала до конца и тем бо- лее не делать это вручную. Обязательно используется готовый прототип, который "извлекают" из компьютер- ного банка. Укрупненно процесс конструирования пред- ставлен на схеме 1.3 (рис. 1). Кроме банка конструкций и комплексных решений, используются банки материалов и технологий, а также банк информации об испытаниях и эксплуатации предшествующих исполнений, а также об исследовании новых моделей. Чем богаче, полнее банк аналогов, чем лучше отработана система поиска, тем больше возможностей создать качественную конструк- цию. Процесс конструирования заключается в правиль- ном выборе известной схемы (модели), подстановке в нее известных решений (этот процесс сам по себе не так уж прост, как кажется на первый взгляд) и, наконец, в со- вершенствовании конструкции отдельных элементов и системы в целом с учетом накопленного опыта эксплуа- тации и испытаний прототипа и с учетом анализа других, вновь появившихся решений (в данном случае использу- ется банк изобретений). Каждый этап совершенствования не должен быть кардинальным, чтобы не растерять все полезное, что имелось в прежнем решении, и дополнить новые положительные качества. Самое ценное, чем обладают крупнейшие зарубежные компании, — это интеллектуальная собственность, ко- торая сосредоточена в закрытых частных компьютерных банках. Поэтому эти компании способны быстро модер- низировать продукцию и осваивать новые поколения машин. Данное обстоятельство недооценивается в нашей стране. Достаточно отметить утрату в последнее время технических архивов многих отечественных предприятий и КБ. Тем не менее начинать реанимировать отечествен- ное машиностроение нужно с восстановления и создания систематизированных банков конструкций, в основу ко- торых может быть положена справочная и патентная ли- тература. Только постепенное пополнение и сохранение накопленного и овладение новой компьютерной техни- кой позволит иметь равные возможности с зарубежными конструкторами. 1.2. КРАСОТА И УДОБСТВО В наше время такие качества, как красота и удобст- во окружающей техники никого из нас не оставляют рав- нодушным. Причем, чтобы судить об этих качествах из- делий, с которыми имеешь дело, вовсе не надо быть спе- циалистом. Если вам приятно смотреть на вещь, то она красива, а если она вызывает хотя бы некоторое неудо- вольствие - значит, с ее внешним видом не все в порядке. Действительно, удовлетворить вкусам каждого очень трудно, но существуют общие критерии красоты, кото- рые одинаково понимает и подсознательно воспринимает любой человек. Сравните два автомобиля с одинаковыми внешними очертаниями, но один из них имеет неровные стыки элементов и большие зазоры между ними. Никто в этом случае не станет утверждать, что он так же красив, как и другой. Что касается удобства, то понимание этого качества доступно каждому, кто использует конкретное изделие. Оглянитесь вокруг себя: вы можете стать экс- пертом по любой вещи. Разумеется, лучше всего эти ка- чества можно оценивать в сравнении. Пока я не пересел на автомобиль ВАЗ-21083 с пре- стижной "высокой панелью", я не обращал внимания, удобно или неудобно мне следить за показаниями спи- дометра. А в данном случае этот вопрос решился очень просто: часть спидометра загораживается рулевым коле- сом именно в зоне 50- 80 км/ч, и приходится изворачи- ваться, заглядывать под обод рулевого колеса, чтобы не нарушать правила дорожного движения (нарушение от этого может быть более серьезным, чем превышение скорости). Если продолжить описание претензий к моему автомобилю, то при моем чуть выше среднего росте ост- рый край открытой задней дверцы оказывался как раз на уровне лба, что неоднократно приводило к легким травмам. Другой пример: широко разрекламированный новый моющий пылесос имеет два совершенно одинаковых вы- ключателя, расположенных рядом. Может, это и красиво, но неудобно. Почти каждый раз при сухой уборке я оши- бочно нажимаю не на ту кнопку и начинает работать гидравлический насос, хотя жидкость предварительно не залита. Убежден, что почти каждый потребитель мысленно неоднократно произносит фразу: "Вот если бы я был конструктором, то...". Справедливости ради отмечу, что все не так просто, как кажется на первый взгляд, и далеко не всегда так очевидно, как показано на приведенных примерах. Конструирование техники — это то же искусство, что и живопись или создание модной одежды. А связь между конструкцией и внешним видом, между техноло- гией изготовления и удобством эксплуатации и тем более между красотой и удобством еще более сложная, чем это может представиться при самом сильном воображении (примите во внимание разнообразие вкусов и традиций, а также массовость производства). Процесс совершенство- вания внешнего вида иногда кажется оторванным от со- держания устройства. Как правило, форма отстает от со- держания и имеется стремление достичь соответствия формы содержанию. Принципиальная схема автомобиля меняется намного реже, чем его внешний вид. А кроме того, трудно определить, где кончается совершенствова- ние содержания, а где начинается совершенствование формы. Если благодаря новым технологиям и материалам вы улучшаете покрытия, уменьшаете зазоры между эле- ментами, повышаете аэродинамические качества благо- даря новым формам, то автомобиль сам по себе стано- вится красивее и удобнее. Если вы исключаете лишние элементы (молдинги и т.п.), делаете края закругленными, убираете выступы и полости, то, соответственно, повы- шаются его эксплуатационные качества.
КРАСОТА И УДОБСТВО 9 Тем не менее так же, как при конструировании от- дельных деталей мы беспокоимся о технологичности, прочности, износостойкости и т.п., так и при создании изделия в целом мы должны специально работать над красотой и удобством. Существуют даже отдельные нау- ки (или учения), которые объединяют в себе критерии, правила и рекомендации по созданию красивых изделий, - это (техническая) эстетика, а удобных в эксплуатации изделий - это эргономика. Конструктор любого уровня должен быть хорошо знаком хотя бы с общими положе- ниями эстетики и эргономики. Но. к сожалению, у нас в стране этой стороне конструирования внимания уделя- лось ничтожно мало. Результат: если наши тракторы экс- портировались за рубеж, то цена их в два раза отличалась от американских только по той причине, что в них даже не было намека на элементарные условия для трактори- ста. Вспомните металлические сиденья на ряде прицеп- ных сельскохозяйственных машин. Мне пришлось слы- шать такие рассуждения: "Будет жестко, подстелет тело- грейку и о'кэй". Кстати, красота и удобство - взаимосвязанные ве- щи, поскольку если человек испытывает дискомфорт от зрительного или оз тактильного восприятия вещи, то она некрасива в первом случае и неудобна во втором, хотя в обоих случаях имеет место определенное неудобство. Красивая вещь успокаивает, умиротворяет и/или вдохновляет на творчество, т.е. обеспечивает благопри- ятные условия труда, а это уже сфера эргономики. Главные критерии красоты: 1. Взаимосоответствие (неразрывная связь) фор- мы, функций и содержания (внутреннего строения). 2. Единство и целостность композиции. Чтобы в полной мере удовлетворять этим критери- ям, нужно позаботиться о совершенстве как содержания, так и формы. Здесь пойдет речь только о совершенстве формы.
10 КРИТЕРИИ СОВЕРШЕНСТВА КОНСТРУКЦИИ Итак, если какое-либо изделие в действительности способно выполнять определенные функции и/или если оно обладает достаточной прочностью и устойчивостью, и если оно способно двигаться с большой скоростью и т.д., то его форма должна выглядеть соответственно этим функциям. Теперь несколько слов о композиции вообще и о ее единстве и целостности. Композиция — это своего рода строение, структура, компоновка, система взаимосвя- зей элементов. Человек чувствует неудобство: когда ему непонятен замысел этого строения, на- пример, когда имеет место бессистемное нагромождение элементов (речь идет не о физических, а о зрительно вос- принимаемых категориях); когда рассеивается внимание и чувствуется подчи- ненность элементов двум или более замыслам; когда каждый из элементов выглядит изолирован- ным, оторванным один от другого; когда неясно, какой из элементов главный, а какие находятся в подчинении, и т.п. Иными словами, человеку не нравится отсутствие логики и системы. Не всегда это можно понять, а тем более создать систему, зрительно понятную и восприни- маемую как единое целое. Не случайно работа дизайнера высоко ценится за рубежом. В то же время изложенное свидетельствует, что разрабатывать конструкцию от- дельно от формирования внешнего вида - пустая затея, так как никакое украшательство не исправит плохое со- держание, так же, как и само содержание еше недоста- точно, чтобы его однозначно воспринимать как красивую вещь. Далее остановимся на некоторых закономерностях и правилах при решении задачи создания красивых вещей (см. схемы на рис. 2.1 и 2.2). Сначала поговорим о месте расположения предмета (см. рис. над схемой 1.1). Представим себе 100 одинако- вых элементов (квадратов), равномерно расположенных в большом квадрате. В левом верхнем углу элементам будет уделено 40 % внимания зрителя, а в правом ниж- нем углу столько же элементов получат только 15 % внимания. Мало того, что внимание рассеивается из-за большого числа элементов, оно еще и распределяется неравномерно. Если вы создаете новую композицию, постарайтесь, чтобы элементов формы было бы не больше, чем 5 ... 7, иначе их будет очень трудно объединить в единую систему. Кроме того, следует позаботиться о соответст- вующих размерах и взаимном расположении, чтобы каж- дому элементу было уделено столько внимания, сколько он заслуживает по своему содержанию. Одним из направлений создания единой композиции является соподчиненность. Главный элемент может, действительно, восприниматься как главный, если его сделать самым большим (схема 1.1), или если его размес- тить в середине (схема 1.2), или выделить рельефом или ярким цветом (схема 1.3). Менее ощутима или неощути- ма соподчиненность, когда имеются одинаковые элемен- ты (схема 1.1а, 1.2а) или когда цветом выделены край- ние элементы (схема 1.3а). Лучше дополнять приемы выделения главного, например, расположением и разме- рами, но в любом случае соподчиненность должна легко прослеживаться (см. пример на схеме 1.4 — ковш скрепе- ра, основной тягач (слева) и вспомогательный тягач вос- принимаются именно в данной последовательности (по значимости), а не в иной другой). Следующее, очень древнее правило - элементы должны быть соразмерны и, в частности, подчинены определенной пропорции. Речь идет в основном о раз- мерах, но относится это также к другим средствам вы- разительности, например, к геометрической форме, рельефу, цвету и даже к светотени. Вы никогда не за- думывались, почему высота и ширина страницы, карти- ны, оконного проема очень часто соответствуют отноше- нию 3/2 или 2/3, но почти никогда их не делают квадрат- ными. Здесь не будем вдаваться в рассуждения, почему такое соотношение, а его называют "золотым сечени- ем", очень часто используют. Существует очень много объяснений такого рода, отмечу только, что именно "зо- лотое сечение" позволяет создавать предметы, воспри- нимаемые как соразмерные. Кстати, "золотое сечение" определяют таким образом: целое а относится к части Ь, как часть относится к разности между целым и частью. "Золотое сечение" характеризуется следующим ря- дом величин: 0,382:0,618:1,000: 1,618:2,618 и т.д. Вышеизложенное не нужно воспринимать как дог- му, так как в отличие от архитектуры зданий в машинах очень трудно форму подчинить данному ряду (как это сделано, например, в мотор-барабане на схеме 2.1), но обеспечить пропорциональность формы стоит в любом случае (см. пример фронтального вида вагона поезда мет- ро на схеме 2.2). Следующее правило касается обеспечения мас- штабности. Сравните соотношения размеров ребенка и взрослого человека и вы убедитесь, насколько они раз- ные (например, ребенок сложен более компактно, имеет большего размера голову, толще и короче руки и ноги по отношению к росту). Так и машины разных абсолютных размеров не мотуг иметь одни и те же пропорции. Если вы хотите сделать легковой автомобиль просторнее и комфортабельнее, достаточно увеличить размеры кабины (салона), но нет необходимости увеличивать подкапотное пространство (оно продиктовано размерами двигателя), а, может быть, и объем багажника (вспомните автомо- биль "Чайка" или ЗИЛ-114 представительского класса с большим багажником; непонятно, зачем он нужен был министрам в служебных поездках по городу). На схемах 3.1 и 3.2 приведены для сравнения карь- ерный и "садовый" бульдозеры. Хотя они выполнены не в одном масштабе, соотношения размеров позволяют судить о масштабности, например, по отношению к раз- мерам человека (сравните, в частности, соотношения размеров отвала, двигателя и кабины или сиденья). Далее остановимся на категории визуальной (вы- разительности) устойчивости, прочности и равнове- сия. Эти категории отличаются от физических категорий тем, что они характеризуют субъективное, чисто зри- тельное восприятие объекта в пространстве: объект мо- жет казаться падающим (вспомните Пизанскую башню), хотя простоит еще много лет или веков; объект может казаться очень тяжелым, хотя на самом деле выполнен пустотелым, и т.д.
КРАСОТА И УДОБСТВО 11 2.2. ВИЗУАЛЬНАЯ ВЫРАЗИТЕЛЬНОСТЬ ФОРМЫ
12 КРИТЕРИИ СОВЕРШЕНСТВА КОНСТРУКЦИИ Таким образом, объективно форма может обладать механической устойчивостью положения или движения, а зрительно восприниматься как неустойчивая, опасная для эксплуатации, некрасивая. В этой связи при конст- руировании изделия используют определенные средства, подчеркивающие визуальную устойчивость (см. рис. 2.2). Простейшие модели устойчивого и неустойчивого состояния представлены на схемах 4.1 ... 5.2. Параллеле- пипед на горизонтальной плоскости (схема 4.2) и шар в сферическом углублении (схема 4.1) обладают высокой степенью устойчивости. Устойчивость уменьшается в схемах 4.2а, 4.26, 4.16. Предполагаемое изменение со- стояния под действием гравитационной силы Fg показано штриховыми контурами. Даже если элементы на схемах 4.2а, 4.26 и 4.16 неподвижно закреплены, ощущение не- устойчивого положения остается. Низкой устойчивостью обладают формы, элементы которых зрительно перена- пряжены сжимающей нагрузкой или изгибающим мо- ментом (схемы 4.3 а, 4.4а). Например, консольно распо- ложенный элемент А способен легко изогнуть стойку В под действием воображаемой силы Fg. На схемах 4.3 и 4.4 элемент малого сечения (балка на двух опорах) вос- принимается как способный нести большую нагрузку, чем в схемах 4.3. 4.4а. На схеме 4.5 отсутствие визуаль- ной устойчивости ассоциируется с механической потерей устойчивости при сжатии стержня. Формы на схемах 4.5а и 4.56 обладают более высо- кой визуальной устойчивостью по сравнению с формой на схеме 4.5. Общее правило для элементов формы, опирающихся на поверхности, следующее: чем ниже визуально вос- принимаемый центр тяжести, тем выше устойчивость. Положение неустойчиво в случае, если линия действия внешней силы проходит вне контура опорной поверхно- сти (потери механической устойчивости не будет, на- пример. при соединенных контактирующих поверхно- стях). Это особенно заметно на формах, выполненных в виде кругового цилиндра или шара. На схемах 4.1а, 4.1 в показан цементовоз с емкостью цилиндрической формы, сравнительно высоко расположенной над поверхностью земли. Естественно, данная форма не отличается высокой визуальной устойчивостью. В конструкции емкости на схеме 4.1г устойчивость придают серповидные ребра. Еще больший эффект дос- тигается применением эллипсовидной формы емкости в автогудронаторе (схема 4.1д). Такая форма, если срав- нить ее с круговым цилиндром, позволяет опустить центр тяжести и, кроме того, при наклоне опорной поверхности не может катиться по ней. Пример повышения визуальной устойчивости дви- жущейся формы приведен на схеме 5.2. Наибольшая ви- зуальная устойчивость в автомобиле достигается при пересечении наклонных линий силуэта кабины впереди и точки соприкосновения колеса с поверхностью земли, по аналогии с механической устойчивостью управляемого колеса на схеме 5.1. Следующая категория визуальной выразительности - визуальная напряженность. Она характеризует соот- ношение зрительно воспринимаемых нагрузок и несущей способности элементов, воспринимающих эти нагрузки. Визуальная напряженность - это как бы ощущение меха- нических напряжений в несущих конструкциях. Высокая визуальная напряженность ассоциируется с недостаточ- ной прочностью. Нормальная напряженность имеет ме- сто, когда конструктивная система и ее части восприни- маются как работающие в предусмотренной замыслом конструктора мере, и низкая напряженность имеет место, когда формы несущих частей воспринимаются недогру- женными, расплывчатыми. Существенную роль для визуальной напряженности играет соотношение зрительно воспринимаемых масс и несущей способности частей, расположенных вдоль вос- принимаемых гравитационных сил и др. нагрузок (на- пример, ветровой нагрузки). Чем больше материальности и света, тем сильнее несущая часть формы, чем больше теней, тем она слабее, все членения поверхности (рельеф) ослабляют ее форму. Однако из этого правила имеются исключения. Напри- мер, когда объект воспринимается как тонкостенная форма (кузов автосамосвала, ковш экскаватора), то чле- нения вдоль направления нагрузки (ребра жесткости, зубья ковша) усиливают форму. Для быстро движущихся машин тени поперек на- правления движения очень сильно "разрушают" форму, а тени вдоль направления усиливают возможность преодо- ления сопротивления среды. У вертикально нагруженной части монолитной формы вертикальные членения усиливают впечатление напряженности конструкции. Тени как бы уменьшают несущее сечение, и нагрузка перераспределяется на свет- лые части. Горизонтальное членение увеличивает подат- ливость, возможность деформирования формы. На схемах 6.1, 6.1а и 6.16 показаны соответственно расплывчатость несущей части формы, излишняя лег- кость весомой части и напряженность несущей части. На схеме 6.2 показано зрительное несоответствие массы ку- зова экскаватора и несущей способности ходовой части (тяжелый верх и основание, ослабленное тенями). На схеме 6.2а для того же класса машины дано решение, в большей мере удовлетворяющее визуальной напряжен- ности. При оценке визуального равновесия учитывается не физическое значение массы, а визуально восприни- маемое. При этом большей массой обладают формы: бо- лее компактного вида (куб и шар по сравнению, напри- мер. со стержнем) при одинаковом объеме; с монолитной структурой (например, со сплошным телом по сравнению с решетчатым телом); больших размеров при одинаковой структуре; с более существенно отличающимися от об- щего фона рельефом, освещенностью, яркостью, насы- щенностью, тоном цвета поверхности. Соотношение зрительно воспринимаемых масс и несущей способности частей формы зависит от расстоя- ния и положения наблюдателя по отношению к ним. Эф- фект визуальной уравновешенности достигается при ус- ловии, если воображаемая ось визуального равновесия совпадает с визуально воспринимаемой конструктивной осью механического равновесия. Два элемента /И] и /иг
КРАСОТА И УДОБСТВО 13 {схема 7.1) имеют ось механического равновесия 1. Од- нако в силу различия элементов и ассоциации с механи- ческим равновесием мы мысленно проводим ось равно- весия 2. Ось визуального равновесия смещается еще больше, если значимость левого элемента выражена активнее, энергичнее (см. схему 7.16). Чтобы совместить оси 1 и 2, требуется изменить значимость элементов формы {схемы 7.1а). Если ось ме- ханического равновесия активно выражена, то даже при различии состояний свойств значимость элементов опре- деляется положением оси механического равновесия (вращения). Одно и то же физическое соотношение масс может восприниматься по-разному при различном распо- ложении объекта. Понятие визуального равновесия, пожалуй, более широкое, чем ассоциация с механическим равновесием. Так можно говорить о визуальном равновесии по отно- шению всего к одному элементу, каким-то образом рас- положенному на основании, панели, экране и т.п. Так на схеме 7.2, если черное пятно находится не в центре квад- рата, создается ощущение его неуравновешенности. Два одинаковых пятна на схеме 7.2а также не могут уравно- весить друг друга в силу их смещения от центра квадра- та. Пятна на схеме 7.26, симметрично размещенные на диагонали квадрата, вызывают ощущение уравновешен- ности. При рассмотрении пространственной формы {схе- ма 7.4) устанавливаем различие значимости элементов формы: монолитность противовеса; выступающие части платформы и легкая листовая с поперечными связями конструкция стрелы. Ось визуального равновесия совпа- дает с осью вращения 1 (2). Таким образом, чтобы обеспечить устойчивое визу- альное равновесие (при ассоциации его с механическим равновесием) при различии размеров и объемов элемен- тов, требуется перераспределить значимость элементов по другим свойствам, выразить структуру формы более активно. Например, о коробчатом сечении стрелы (на схеме 7.5) можно судить по отверстиям. Без этих отвер- стий конструкция выглядит монолитной, тяжеловесной. Монолитность противовеса на схеме 7.4 выражена его плоскими очертаниями и выступающими по отноше- нию к другим элементам формы частями. Визуальные устойчивость, напряженность и уравновешенность легко обеспечиваются в форме, обладающей тектоничностью. Тектоничность - это своего рода наиболее полное отражение функции, взаимодействия звеньев, механиче- ской взаимосвязи элементов во внешней форме машины или сооружения. Схема 73 и 7.4 обладают явно выра- женной тектоничностью, и для обеспечения визуальной уравновешенности практически нет необходимости при- нимать дополнительные меры. Как правило, удачная организация элементов конст- рукции с точки зрения механики (например, равнопроч- ность элементов) представляет собой внешне вырази- тельную форму, удовлетворяющую зрителя эстетически. В таких конструкциях наблюдается порядок, равновесие, стабильность, напряженность (на схеме 7.3 — силуэт ро- торного экскаватора). Так же, как любая конструкция, внешняя форма характеризуется совокупностью свойств и качеств, из которых визуальное равновесие присутст- вует как в визуальной устойчивости, так и в визуальной напряженности. По аналогии с механическим равновеси- ем оно может быть устойчивым, неустойчивым и безраз- личным. Достижение наиболее полного и точного отражения устойчивого равновесия в форме средствами композиции называется визуальной уравновешенностью. Еще одна важная характеристика формы - это динамичность. Она выражает подвижность, изменяемость, направленность движения и/или силового воздействия. Средствами достижения динамичности являются нюанс и контраст. Тождество придает зрительную не- подвижность, статичность. Общие правила таковы: сим- метричные формы - статичны, асимметричные - дина- мичны. Когда речь идет о составлении формы из боль- шого числа элементов, то говорят о ритмическом {схемы 8.4а, 8.45) или метрическом {схема 8.4) порядке, которые соответственно выражают динамичность и статичность. В принципе любая форма, в том числе и сплошная, очер- ченная непрерывными линиями, может быть представле- на в виде ритмического или метрического порядка (на схемах 8.8 и 8.9 обозначено R и М соответственно) боль- шого или даже бесконечно большого числа элементов. В жизни понимание и восприятие динамичности намного сложнее, чем это продиктовано общими прави- лами. Как показывает опыт, абсолютно статичных форм не существует или по крайней мере не существует форм, статичных во всех направлениях. Предметы на схемах 8.1 и 8.1а в силу перспективно- го сокращения кажутся устремленными вдаль или ввысь, а идеально симметричная фигура - шар на схеме 8.2 - не кажется статичной из-за направленности света и соответ- ствующей светотени. Светотень на схеме 8.3 придает явно выраженную динамичность кубу. На схеме 8.5 при- мер комплексного выражения статичности в камнедро- билке за счет одинаковых форм и метрического порядка расположения рельефа (ребер жесткости). На схеме 8.6 показано, что даже одна линия, если она расположена наклонно, уже выражает определенное стремление к движению. Тем не менее дугу окружности {схема 8.6а) или прямую линию все же чаще используют для выражения статического состояния. Обратите вни- мание, что дизайнеры стараются вообще избегать очер- таний в виде прямой или дуги окружности, а используют кривые более высокого порядка {схема 8.66). Асимметрия формы придает динамичность только в одном направлении — в направлении изменения размеров или иных свойств {схемы 8.7, 8.7а, 8.76). Главная задача при формировании объекта - это правильное сочетание элементов формы, выражающих динамичность или статичность, обеспечивающих дина- мичность {схема 8.9а) или статичность {схема 8.8) в це- лом. Пожалуй, это наиболее сложная задача из всех задач придания форме определенной выразительности. Еще раз подчеркивая, что все приведенные приемы могут быть использованы в совокупности, т.е. объект одновременно должен характеризоваться правильной соподчинен- ностью и соразмерностью, высокой визуальной ус- тойчивостью и соответствующей функциям (несущих
14 КРИТЕРИИ СОВЕРШЕНСТВА КОНСТРУКЦИИ 3. ОПТИЧЕСКИЕ ИЛЛЮЗИИ ИЛЛЮЗИИ СООТНОШЕНИЯ РАЗМЕРОВ Плошади белого Длины отрезков одинаковые ИЛЛЮЗИИ ОТНОСИТЕЛЬНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ Параллельные прямые ИЛЛЮЗИИ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ФОРМ 9.7 Дуги одинаковой ИЛЛЮЗИИ ПЕРСПЕКТИВЫ Линии четырехугольника прямые частей) визуальной напряженностью, уравновешен- ностью элементов и динамичностью или статично- стью формы в зависимости от основной функции. Средства достижения выразительности, как следует из представленных примеров, разнообразны, но они мо- гут быть сведены в основном к геометрической форме, размерам, цвету, рельефу, световому излучению, осве- щенности и светотени. Выразительность достигается за счет совокупного использования соотношений и средств. Соотношения сводятся к тождеству (равенству), нюансу (например, плавному переходу или незначительному от- личию) или к контрасту (резкому переходу, существен- ному отличию, сочетанию элементов противоположных визуальных характеристик). Во всех приведенных примерах речь идет только о визуальном восприятии, а не о физических (объективно существующих) категориях, т.е. о том, какими мы видим объекты, а не какие они есть на самом деле. Между тем визуальное восприятие может существенно отличаться от реального состояния. Кстати, есть даже такое понятие оптические иллюзии, которое надо обязательно учиты- вать при выборе геометрической формы, размеров, цвета и других свойств. На рис. 3 показаны отдельные примеры иллюзий: на схеме 9.1 белый круг на черном фоне кажется больше черного круга на белом фоне; на схемах 9.2, 9.2а и 9.26 отрезки линий кажутся разными по длине; на схеме 9.3 площади центральных фигур кажутся различными в окружении малых или больших перифе- рийных фигур; на схеме 9.4 вертикальные линии (полосы) делают фигуру более стройной и высокой, а горизонтальные по- лосы - расплывчатой и более широкой; на схеме 9.5 длинные параллельные линии, пересе- каемые короткими наклонными отрезками, кажутся не- параллельными; на схеме 9.6 фигуры на фоне сходящихся лучей ка- жутся разными по величине и неравноудаленными от зрителя; на схеме 9.7 кажется, что короткие дуги одного ра- диуса имеют большую кривизну, чем длинные дуги; на схеме 9.8 прямые линии на фоне концентриче- ских окружностей "искривляются"; на схеме 9.9 более светлые (или "холодного" тона фигуры кажутся более удаленными и большего размера, чем более темные (или "теплые" тона) фигуры; на схеме 9. 10 — визуальная корректировка иллюзии перспективы за счет противоположной последовательно- сти расположения фигур по сравнению со схемой 9.9. Существует много других примеров иллюзий, кото- рые обязательно надо учитывать. Например, если буквы в слове расположены на одинаковом расстоянии одна от другой, то создается ощущение, что слово распадается на отдельные части и кажется, что они удалены на разные расстояния одна от другой. Если проведена соответст- вующая корректировка (плошади пробелов между бук- вами примерно одинаковые, а расстояния разные), то не создается впечатления раздробленности. Это хорошо известный прием обеспечения целостности графической композиции. Аналогичным образом в ряде случаев ис- кривляют линии, корректируют размеры, изменяют цве- товые соотношения и т.д. Чтобы в полной мере ощутить значение оптических иллюзий, обратимся к понятному всем внешнему виду легкового автомобиля (см. схе- му 5.2, рис. 2.2). Очертания его представляются в виде пересечений линий (см., например, лучи, сходящиеся в точке Р). Если не придать очертаниям соответствующий прогиб в сторону точки Р, то может создаться ощущение ослабленной, прогнутой в середине формы. Далее остановимся на некоторых примерах и прие- мах комплексных решений формы машин и даже не- скольких машин (рис. 4.1).
КРАСОТА И УДОБСТВО 15
16 КРИТЕРИИ СОВЕРШЕНСТВА КОНСТРУКЦИИ На схемах 10.1 ... 10.5 даны примеры кабин некото- рых машин. Создание кабины, гармонично увязанной с формой машины, — одна из сложнейших задач в силу противоречивости требований эргономики и эстетики. При проектировании кабины учитывают ряд требо- ваний: 1. Размеры, внутренний объем кабины должны со- ответствовать санитарно-гигиеническим нормам. 2. Остекленность кабины должна обеспечивать пол- ный обзор рабочего участка, максимальное естественное освещение пульта управления, но должна исключать ис- кажение зрительной информации, ослепление лучами солнца и искусственным освещением объекта. 3. Кабина должна быть по возможности приближена к объекту управления. 4. Форма кабины должна соответствовать характеру работы, положению оператора во время работы и не на- рушать композиционного единства формы машины в целом. На схеме 10.1 — кабина карьерного экскаватора, на схеме 10.2 — кабина универсального экскаватора, на схе- ме 10.3 — кабина погрузчика, на схеме 10.4 - кабина тяга- ча, а на схеме 10.5 — кабина автокрана. На схеме 10.1 показано, что кабина несколько по- вернута по отношению к основным осям экскаватора для обеспечения удобного положения машиниста при на- блюдении за ковшом. На схемах 10.2 и 10.4 лобовое стекло перпендику- лярно к оси зрения, что исключает искажение предметов, блики. Кабина погрузчика (схема 10.3) имеет геометри- ческую форму, гармонично сочетающуюся с другими его частями. В схеме 10.5 предусмотрен круговой обзор, не- обходимый для наблюдения за дорогой при передвиже- нии машины и за грузом при осуществлении грузоподъ- емных операций. Приведенные примеры, как и многие кабины совре- менных машин (в том числе легковых автомобилей), да- леки от совершенства. Кабины по схеме 10.2 одно врл стали использовать на башенных кранах. Машинч.| кранов психологически не выдерживали открытого пц странства под ногами и закрывали стекло картоном, хз и были уверены в прочности прозрачного огражде « В результате кабина была переделана в сторону ум- шения фронтального остекления, хотя машинисту i э ходится наклоняться, чтобы смотреть вниз. Кабины по типу схем 10.3 и 10.5, особенно на без ших машинах, не позволяют обозревать простраж вблизи машины. Аналогично современные легковые ч шины с малым аэродинамическим коэффициентом та 1 имеют ограниченный обзор через заднее стекло, а кя капота и переднего бампера практически не видш приходится маневрировать, полагаясь не только на □ ние, но и на опыт и другие ощущения. Здесь специально приведены далеко не лучшие з шения, чтобы показать направления поиска: сочета-j внешнего вида и удобства. Видимо, стоит искать и;д решения размещения и формы кабин в сочетании с 1 полнительными средствами информации: система зер телевизионные установки и т.п. На схемах 11.1 ... 11.5 приведены примеры совэ менных решений формы технологического оборудов ния, которые в какой-то мере иллюстрируют совокупи» использование изложенных выше приемов. Робот на схеме 11.1, несмотря на обилие разной разных элементов механизмов и приводов, подчиш единой идее — выражению пространственных движений На токарном станке на схеме 11.2 все элемен^ формы взаимосвязаны, основные подвижные звенья а ходятся за прозрачным ограждением (можно наблю, за процессом, не опасаясь возможных травм). Если отд ждение отодвинуть, то срабатывают блокировочные у з ройства, отключающие приводы от электропитания. Р положение пульта управления и основных узлов доен точно компактно и доступно для обслуживания.
КРАСОТА И УДОБСТВО 17 Пример на схеме 11.3 демонстрирует возможность получения красивых решений, собирая их из отдельных (законченных) блоков. Естественно, здесь учитывается и геометрическое подобие, соразмерность и соподчинен- ность. Возможные движения звеньев на схеме обозначе- ны стрелками. На схеме 11.4 очень сложное комплексное решение, на первый взгляд, создается некоторое ощущение раз- дробленности формы. Но тем не менее сравнительно лег- ко прослеживается логическая связь элементов и отдель- ных блоков в единой системе. В схеме 11.5 в отличие от схемы 11.4, несмотря на кажущуюся тектоничность формы, основные функцио- нальные элементы с целью обеспечения безопасности закрыты, защищены от зрителя. На схеме они показаны как бы внутри защитной оболочки. Хотя иногда и стоит умышленно подчеркивать тектонику изделия, но в дан- ном примере сочетание всего трех-четырех элементов (консолей, стола и направляющей) создает впечатление целостной формы и понятной конструктивной идеи. Как уже было отмечено, чем больше составляющих элементов, тем сложнее обеспечить визуальную целост- ность композиции. В этом плане встроенные, закрытые решения оказываются очень кстати. Но они, как правило, менее технологичны и менее удобны в обслуживании. Поэтому идет непрерывный поиск таких конструктивных решений отдельных элементов, чтобы они не нарушали целостность формы и не вызывали неудобств в обслужи- вании. Сравните, например, два варианта на рис 4.2. На схеме 11.6а использованы болты и пробки с потайными головками, благодаря чему исключено большое число выступов (см. схему 11.6), которые не только "разрушали форму", но и создавали определенные неудобства при закручивании болтов и соприкосновении рук с внешней поверхностью корпуса. Отсюда, однако, не следует делать вывод, что всегда нужно "приглаживать" или "скруглять" отдельные вы- ступы на поверхности. При выборе формы следует стремиться к обеспече- нию баланса свойств. * * * Больший период своего развития человек стремился приспособиться к технике и терпимо до поры до времени относился к ее воздействиям на себя и окружающий его мир. Управлять машиной и эксплуатировать ее станови- лось все сложнее, и человек старался повысить квалифи- кацию. Поточное производство потребовало от него еще большего сосредоточения сил и нервной энергии, чтобы приспособиться к все более возрастающему темпу техно- логических процессов. Нынешняя концепция развития техники принципиально меняет задачу приспособляемо- сти: возможности человека исчерпаны и создатель ма- шины должен заботиться о приспособленности машины к человеку. Человек создан прежде всего для интеллекту- ального труда. Труд его должен быть интересным, да и сам конструктор должен быть избавлен от рутинного, монотонного труда. В мире уже нет или почти нет бух- галтеров, кассиров, расчетчиков, копировщиков, чертеж- ников, землекопов и др. категорий работников. Управле- ние автомобилем сделано настолько удобным и простым, что оно стало под силу женщинам. Направленность раз- вития техники такова, чтобы сделать машину не только безвредной, но и максимально приспособить ее к потреб- ностям человека. Комфорт и удовольствие от управления техникой - вот символы машины будущего. Ну а пока спустимся на землю и кратко охарактери- зуем современные эргонометрические нормы и требова- ния к технике. Помните, что приведенные ниже данные в основном ориентировочные: в разных странах, регионах и даже отраслях техники свои подходы и свои нормы. Да это и не удивительно, поскольку средние антропометри- ческие данные отдельных народов, их национальные традиции, вкусы и приоритеты различаются. Негуманно пренебрегать в этом плане интересами даже отдельных групп людей, например, инвалидов или людей с отли- чающимися от средних показателей данными (например, дальтоников). * * * Итак, эргономика — это наука, возникшая на стыке технических наук, психологии, физиологии и гигиены. В ней используются данные анатомии, биомеханики, ток- сикологии, антропометрии, биофизики. Эргономика изу- чает функциональные возможности и особенности человека в трудовых процессах с целью создания опти- мальных условий, обеспечивающих высокую производи- тельность и открывающих возможности для интеллекту- ального и физического развития. Эргономика занимается следующими проблемами: 1) оптимизацией физической среды на производстве; 2) конструированием средств индикации (световая, цветовая, звуковая сигнализация; лицевые части прибо- ров, шкал, символические изображения управляемых объектов на панелях информации, например, в виде мне- мосхем и т.п.); 3) конструированием органов управления; 4) компоновкой постов управления; 5) организацией рабочих мест. Рассмотрим некоторые из основных положений эр- гономики в приложении к данной теме. Различные сочетания параметров окружающей сре- ды, характеризующие гигиенические требования, пред- ставлены на схеме 12.1 (рис. 5). Невыносимая для человека зона имеет место, ес- ли одно из условий выходит за физиологическую грани- цу (работа допустима в скафандрах, герметизированных костюмах и помещениях). Некомфортная зона - одно из условий отклонений от нормы (психологической границы). К этой зоне отно- сятся горячие цехи, цехи лакокрасочных покрытий, неко- торые дробильно-сортировочные установки. Комфортная зона и зона высшего комфорта представляют собой сочетание всех условий, находящих- ся в достаточном или наилучшем сочетании. Антропометрические требования определяют со- ответствие изделия антропометрическим данным челове- ка: типичным размерам и форме человеческого тела и его отдельных частей (форма и размеры головы, рук и т.д.).
18 КРИТЕРИИ СОВЕРШЕНСТВА КОНСТРУКЦИИ 5. ВОЗДЕЙСТВИЯ СРЕДЫ И ЦВЕТА НА ЧЕЛОВЕКА ЦВЕТ - ОЩУЩЕНИЯ И АССОЦИАЦИИ |12 .11 ПАРАМЕТРЫ СРЕДЫ И КОМФОРТНОСТЬ 113.1 I -концентрирующий внимание '-- । _ Топ Tkiii Насыщенность Физиологическая граница Психологическая граница - расслабляющий, умиротворяющий - легкий / - светлый / - теплый, приближающий - легкий 1 .- светлый / Ускорение,' м/с2 Желтый -оживляющий взбадривающий - теплый, приближающий - светлый 10 Некомфортная зона Холод, °C -1 1 +18 Комфортная \ зона 0 666 Тепло,| +24 Г+43.5___ Шум, \ дб 120. 85 L>+1S <+2?| о\~~ \ /о Зона ' высшего комфорта 'iois. 0,5 60 зГ~ о\О5> 1 /Давление,/ ГПа / 350 / Скорость 'л движения \ _ воздуха, |э м/с Зеленый Оранжевый 40 22 20 Влажность, \°’i7 10\^ Концентрация^ 0,01 / 0,03 Концентра! щя _>Г0.35 0,2 \ У 0,2 /8,5 Вентиляция на 1 человека, -'‘4/ч 1,3 \ 1 Вибрация \ (амплитуда,/им) Кол-во теплоты па 1 человека, ч Дж/(кг-с) СООТНОШЕНИЯ ЦВЕТОВ — - отвлекающий внимание „ , „ -холодный, ГолУбой отдаляющий 1 - легкий ______' ft Серый Красный Насыщенность - возбуждающий - теплый, приближающий - тяжелый Синий Пурпурный Насыщенность^ - успокаивающий у - холодный, / отдаляющий / - темный / Цветовой тон Фиолетовый - удручающий - холодный, отдаляющий - тяжелый - темный - беспокоящий, настораживающий - тяжелый - темный Насыщенность Они должны определять также физиологически рацио- нальную позу, способствующую наиболее эффективному выполнению человеком оперативной задачи и предохра- няющую его от быстрого утомления. В соответствии с размерами человека изготовляют манекены, и на них осуществляют проверку формы изде- лия (пульта управления, сиденья и т.п.) с последующей ее отработкой. Физиологические и, в частности, биомеханиче- ские требования определяют соответствие изделия фи- зиологическим свойствам человека, например, силовым и скоростным характеристикам сгибания рук или ног. Психофизиологические требования определяют соответствие изделия особенностям функционирования органов чувств человека (порогу слуха, зрения, осязания и т.п.). Без реализации психофизиологических требова- ний оперативная информация об объекте управления не может быть получена оператором или в лучшем случае может быть получена с искажениями. Важнейшим психофизиологическим требованием являются зрительные возможности человека. Человек, взгляд которого направлен в неподвижную точку пред- мета, находящуюся на уровне глаз, видит более или ме- нее четко и другие предметы, расположенные в пределах определенного пространства, названного зрительным полем. В зависимости от четкости восприятия предметов оно подразделяется на три основные зоны, границы ко- торых необходимо знать при проектировании органов управления и контроля. Зона центрального зрения (1,5 - 3°) - это часть зрительного поля, где возможно четкое восприятие предметов. Зона мгновенного зрения (около 18°) - это часть поля, в пределах которого возможно зрительное восприятие при ограниченном времени. Зона эффектив- ной видимости (около 30°) — это пространство, в преде- лах которого возможно достаточно четкое восприятие. При движении глазного яблока и повороте головы про- исходит перемещение зон, и поле обзора увеличивается. Чувствительность глаза от центра к периферии рез- ко изменяется. Так, если чувствительность зрения при 0° принять за 1, то при 20° она составит 1/4, а при 80° - 1/36. Периферическое зрение является ахроматическим, в то время как цвета воспринимаются центральными об- ластями сетчатки. Области цветового зрения в пределах зрительного поля для разных монохроматических цветов неодинаковы: в вертикальной плоскости для белого цвета оно примерно равно 120°, для желтого ~90°, для синего -80°, для красного -45°, а для зеленого ~40°. Следует также помнить, что определенные цвета по мере приближения к границе зрительного поля воспри- нимаются с искажениями, например, пурпурные синеют, а красные и зеленые — желтеют. Наша психика теснейшим образом связана с глаза- ми, потому что через зрительную систему мы получаем до 90 % информации из внешней среды. В солнечном спектре человеческий глаз различает более 120 градаций по цветовому тону, более 10 по на- сыщенности и более 25 ступеней яркости, что в сумме дает свыше 30 тысяч различных цветов и оттенков.
КРАСОТА И УДОБСТВО 19 В гамме ахроматических цветов (белый, серый, черный) глаз различает до 300 оттенков. Глаза человека меньше утомляются, если окружаю- щая обстановка достаточно разнообразна по цвету. Од- нообразие и резкие контрасты цветов отрицательно ска- зываются на психике человека. Цвет может дать успо- коение или вызвать возбуждение (потрясение), создать гармонию или дисгармонию и даже привести к катастрофе. Цвета, отличающиеся по цветовому тону, вызывают различные эмоции и оказывают разное психологическое воздействие на человека. На схеме 13.1 дана их краткая характеристика. Обозначены лишь основные цвета (по тону) в виде цветового круга. В дополнение отметим: красный цвет - цвет раскаленного металла - воз- буждающий, горячий, энергетичный, быстро утомляет зрение; коричневый цвет — теплый, создает мягкое, спо- койное настроение, выражает крепость, устойчивость, но способен располагать к мрачному настроению. Коричне- вый цвет с серым оттенком угнетает, настораживает, вы- зывает тревогу, ожидание неприятностей; оранжевый цвет - воспринимается как раскален- ный, горячий. Он согревает, бодрит, стимулирует к ак- тивной деятельности; желтый цвет - теплый, веселый, располагающий к хорошему настроению, однако в избытке может вызвать головокружение и тошноту; зеленый цвет — символ покоя, свежести, полезен для глаз, снижает внутриглазное давление, обостряет слух, улучшает двигательную способность рук, успокаи- вает, умиротворяет человека, снимает раздражение; синий цвет - напоминает о воде, дали, о холоде. Он свеж и прозрачен, кажется воздушным и легким. Под его воздействием уменьшается физическое напряжение, ус- покаивается дыхание, пульс; фиолетовый - цвет утомленности и беспокойной взволнованности; белый - холодный, благородный; черный - мрачный и тяжелый, резко снижает на- строение. При выборе сочетания цветов используют три вида цветовой гармонии: - контраст {схема 13.2) - цвета по тону расположе- ны на противоположных сторонах цветового круга (см. схему 13.1) или по насыщенности - один близко к цен- тру, другой - далеко от центра, по яркости - один характе- ризуется слабым излучением, другой - сильным излучением; - нюанс {схема 13.3) - цвета близки по своим ха- рактеристикам; - цветовая триада {схема 13.4)- три цвета, равно- удаленные на цветовом круге. В восприятии человеком цветов важную роль играет явление цветового контраста, т.е. преувеличение дейст- вительной разницы между одновременными впечатле- ниями. На красном фоне серый цвет кажется зеленова- тым, а на синем отдает желтизной. Черный цвет на голу- бом - почти оранжевый, на фиолетовом — желто-зеленый. В зависимости от фона четкость восприятия цветов раз- лична. Приведем основные четко воспринимаемые соче- тания цветов по степени убывания: 1 - синий на белом; 2 — черный на желтом; 3 - зеле- ный на белом; 4 - черный на белом; 5 - зеленый на крас- ном; 6 - красный на желтом; 7 - красный на белом; 8 - оранжевый на черном; 9 - черный на пурпуровом; 10 - оранжевый на белом; 11 - красный на зеленом. Контрасты цветов позволяют быстро воспринимать нужную информацию (черные буквы на белой бумаге, красный и зеленый цвета светофоров). Резкие контрасты быстро утомляют и не представляют собой оптимального варианта. Если рабочий должен один раз в минуту пере- вести взгляд с темно-серого корпуса станка, отражающе- го 5 % света, на блестящую деталь, отражающую 95 % света, то он тратит на зрительное приспосабливание примерно 5 с. Таким образом, резких контрастов следует избегать там, где это возможно. Нюансные отношения цветов в технологическом процессе могут вызвать пере- напряжение. Так, например, черную нитку на темном фоне заметить в 2000 раз труднее, чем на белом. Цвет играет большую роль в жизни человека и при выборе профессии: не каждый из нас может водить само- леты, поезда, автомобили. Дело в том, что яркость и на- сыщенность каждый воспринимает далеко не одинаково. И дело тут не в остроте зрения, очень важно знать пороги чувствительности, то есть различает ли человек все пере- ходы радуги: чуть ли не каждый десятый мужчина стра- дает врожденным расстройством цветового зрения, а среди женщин таких всего полпроцента. Цвет оказывает влияние на качественное восприятие объекта. Далее приведем некоторые примеры сочетаний цветов при окраске изделий и создания интерьеров. Станки окрашивают в зеленый цвет разных оттен- ков. Рабочую зону станка выделяют, например, зеленым цветом меньшей насыщенности или желто-зеленым. Стены цеха могут быть окрашены в тот же цвет, что и станки, но отличаться по яркости (необходим хорошо заметный яркостный контраст). В горячих цехах целесообразны холодные цвета - голубой, светло-синий. Опасные зоны: вращающиеся детали, крюки кранов, бамперы дорожных машин окрашиваются в оранжевый цвет с белыми или черными полосами. Приборы, сигнальные лампочки, элементы управле- ния сочетают контрастные и нюансные отношения цве- тов. Выбор окраски машин определяется конкретными условиями применения, например: дорожные машины (асфальтоукладчики, катки) имеют оранжевый, хорошо заметный на расстоянии цвет; битумовозные машины - серый цвет; цементовозы, цементопогрузчики - серебри- стый цвет; экскаваторы окрашиваются в светло- коричневый цвет. Цвет и свет неразрывно связаны между собой. Ок- ружающие человека предметы и цвета могут восприни- маться лишь при достаточном освещении. Световой поток, падая на поверхность, частично отражается, частично пропускается телом, частично по- глощается. Белый цвет почти полностью отражает световой по- ток, черный - почти полностью поглощает. Рекоменду- ются поэтому светлые тона окраски.
20 КРИТЕРИИ СОВЕРШЕНСТВА КОНСТРУКЦИИ В зависимости от характера отражения светового потока различают виды направленного (зеркального), рассеян- ного и смешанного отражения. Направленное отражение получается при освещении гладких поверхностей. Реко- мендуется исключать из поля зрения работающих источ- ники направленного отражения (блестящие предметы). Шероховатые поверхности вызывают совершенно рассеянное отражение, а матовые - направленно- рассеянное отражение. Фарфоровая эмаль, молочное стекло вызывают смешанное отражение. Таким образом, выбор материалов обусловливается также требованиями освещения. Для естественного освещения требуется максималь- ная остекленность помещений. При искусственном освещении нужно добиваться следующего: 1) интенсивности освещения, соответствующей дан- ному производству; 2) достаточной равномерности освещения; 3) отсутствия резких теней; 4) соответствия освещения цветовому решению объ- екта (освещение не должно нарушать правильность вос- приятия цветов); 5) отсутствия ослепления (следует так размешать светильники и отражатели света, чтобы свет не попадал в глаза). При рассматривании объектов глаз движется скач- кообразно - 3 % времени расходуется на движение, при- чем продолжительность фиксационной паузы невелика и составляет 0,2 ... 0,5 с, но и во время паузы глаз совер- шает непроизвольные мелкие движения. В связи с этим установлены следующие закономерности: 1. Горизонтальные движения глаз осуществляются быстрее вертикальных, поэтому первые менее утоми- тельны, и горизонтальные размеры и пропорции оцени- ваются точнее вертикальных. 2. Прямолинейные контуры прослеживаются легче, чем криволинейные, а плавные сопряжения - легче, чем ломаные, так как глаз обладает инерционностью. 3. Ритмические композиции воспринимаются лучше и быстрее, чем метрические. 4. Предшествующие образы оказывают влияние на последующие в процессе быстрой смены объектов вос- приятия. Например, если после продолжительного рас- сматривания кривой перевести взгляд на прямую линию, то прямая кажется изогнутой. Высший уровень эргономических требований к из- делию — психологические требования: особенности восприятия, памяти, мышления, образования, закрепле- ния навыков и др. Далее на отдельных примерах покажем использова- ние изложенных выше положений при проектировании рабочего места и, в частности, пульта управления (схемы 14.1 ... 14.4, рис. 6); при выборе конструкции рычагов управления и педалей (схемы 16.1 ... 17.4); при компо- новке приборов на отдельной панели (схема 18.1) и при выборе конфигурации кнопок и ручек управления (схемы 18.2 ... 19.5) и, наконец, при выборе конструкции и раз- меров рабочих сидений (схемы 20.1... 20.3, рис. 7). На схемах 14.1 (вид сбоку) и 14а (вид сверху) пока- зано соответственно размещение панелей в поле зрения оператора и зоны движения рук для управляющих дейст- вий: А - зона легкой досягаемости, В - зона предельной досягаемости. На схемах 14.2, 14.3, 14.3а - аналогичные зоны показаны для определенных силовых действий за столом сидя или при работе у станка стоя. На схеме 14.4 — решение пульта управления: на па- нелях 1, 2, 3, 6 размещают приборы, а на панелях 4, 5 - кнопки и ручки управления. Последовательность чисел свидетельствует о степени обозримости и досягаемости: 1 — наиболее легко считываются показания прибора, 4 — наиболее удобное расположение органов управления. Общее правило обеспечения удобства считывания и движения управления иллюстрирует схема 15.1. Считы- вание, увеличение показателя и направление движения органов управления должно совпадать с естественным восприятием и движением человека (см. примеры на схемах 16.2, 17.2, 19.1, 19.2,19.6). Не случайно представ- ляется удобным для управления манипулятором специ- альной системы управления (задающего манипулятора - на схеме 16.1), повторяющего движения руки человека. Оператор манипулирует тяжелым объектом путем есте- ственных и легких перемещений руки и в том числе на- жатием кнопки большим пальцем руки. Надписи, знаки, схемы и индикаторы на панелях должны не только информировать человека об опреде- ленных процессах, но и подсказывать решения. На руко- ятке переключения передач автомобиля (схема 16.3) дана схема переключения. Причем во избежание случайного включения передачи R или V требуется приложить опре- деленное усилие. Рядом с рукояткой могут быть размещены кнопки второстепенного значения. На схемах 16.2 показаны размеры и расположения рычага управления, а на схемах 17.1 ... 17.4 даны приме- ры размеров и расположения педалей. На схеме 17.1 по- казана траектория естественного движения ноги при на- жатии на педаль за счет разгибания коленного сустава, а на схеме 17.2 - при работе голеностопного сустава. На схеме 17.3 показаны пределы удаления одна от другой педалей, предназначенных для одновременной работы правой и левой ног. На схеме 17.4 педали для поочеред- ного нажатия одной ногой должны быть достаточно уда- лены одна от другой и находиться примерно на одном уровне. На некоторых автомобилях при экстренном пе- ребрасывании ноги с педали газа на педаль тормоза во- дитель непроизвольно цепляет носком ноги за край педа- ли тормоза, что увеличивает время нажатия, и даже на некоторых престижных моделях стенка рядом с педалью стесняет естественное движение. Если говорить о других общих правилах, то можно добавить следующее: • при включении или выключении органов управле- ния усилия должны быть оптимальными (при больших усилиях наблюдается быстрая утомляемость, при малых — меньшая чувствительность, случайность включений); • форма рукояток должна соответствовать анатоми- ческому строению руки, естественным направлениям движения и усилию;
КРАСОТА И УДОБСТВО 21 6. ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОЧЕГО ПРОСТРАНСТВА
22 КРИТЕРИИ СОВЕРШЕНСТВА КОНСТРУКЦИИ • рычаги управления следует располагать так, чтобы порядок действий не противоречил принципам экономии движений: одновременности действия, симметричности, ритмичности, привычке. Приборы следует группировать и размещать таким образом, чтобы у оператора не создавалось впечатления хаоса, тесноты. Размещение и оформление приборов должны способствовать быстрой ориентации оператора, читаемости показаний, малой вероятности ошибки. Существует еще целый ряд правил и рекомендаций, помогающих добиваться тесной связи между человеком и управляемой машиной. 1. Приборы располагаются в той последовательно- сти, в которой их удобнее читать - слева направо или сверху вниз, т.е. их расположение должно быть подчине- но общей схеме 15.1. 2. Приборы в левом углу панели читаются лучше, чем в правом. 3. Наиболее важные приборы располагают в середи- не панели. На панели приборов автомобиля перед глаза- ми водителя размещены основные приборы, причем спи- дометр выполнен более крупно, ближе к центру и так, чтобы он не загораживался ободом рулевого колеса. Для еще большего выделения главного и точности считыва- ния на спидометрах современных автомобилей делают неравномерную шкалу: например, расстояния между по- казаниями до 140 км/ч наибольшие, поэтому легче сле- дить за скоростью при соответствующих ограничениях. 4. Контрольный прибор правильно располагать в непосредственной близости от ручек управления, кото- рые он контролирует: для левой руки (ручка слева и вни- зу) и для правой руки (ручка справа и внизу) по отноше- нию к прибору. 5. Точная регулировка осуществляется правой рукой. 6. Стрелка прибора не должна закрывать шкалу и цифры, но и не должна быть слишком короткой. 7. При длительной экспозиции (оператор может чи- тать показания более 0,5 с, поскольку они медленно из- меняются) рекомендуются неподвижные шкалы с под- вижной стрелкой. При малом времени экспозиции (меньше 0,5 с) целесообразнее использовать приборы с подвижной шкалой и неподвижной стрелкой. 8. При расположении приборов рядами лучше два коротких ряда, чем один длинный. 9. При горизонтальном расположении рядов началь- ное положение отсчета шкал соответствует 9 ч (на ци- ферблате часов), при вертикальном положении - 12 ч. На
БЕЗОПАСНОСТЬ ДЛЯ ЗДОРОВЬЯ И ЖИЗНИ ЛЮДЕЙ 23 одной панели независимо от расположения начальные положения стрелок всех приборов желательно иметь одинаковыми (хотя на этот счет могут быть исключения, особенно когда приборы имеют различную значимость). 10. Для лучшей ориентации, создания определенно- го порядка группы приборов выделяются рамками, раз- ным фоном, подчеркнутой симметрией. 11. Для выявления отдельных групп приборов при их большом числе, при наличии экранов, индикаторов, кнопок, рычажков, клавишей, микрофонов, динамиков их располагают в разных плоскостях (схема 14.4). 12. Для управления сложными комплексами исполь- зуют размещение приборов на большом числе панелей. При таком оформлении наиболее оптимальное располо- жение - 1 (схема 14.4), приемлемое - 2 и неудобное - 3. 13. При необходимости освободить пространство перед оператором для лучшего наблюдения за рабочим процессом допустимо размещение панелей приборов по обе стороны от оператора. 14. Кнопки обозначают буквами (схема 18.2), сло- вами или цветом. Зеленая кнопка - включение, красная - выключение. Целесообразно световое оформление кно- пок. При включении зеленой кнопки загорается красный свет (осторожно, машина работает), и наоборот, при на- жатии красной кнопки загорается зеленый свет. 15. Для предотвращения случайного включения кнопки выполняются утопленными или с буртиками. 16. Главная выключающая кнопка "Стоп" отмечает- ся красным цветом и располагается на панели внизу в середине или с левой стороны. 17. Форма поворотного выключателя должна быть простой и удобной для руки, как, например, на схеме 19.5 (и далее максимальные размеры). 18. Требуемые усилия определяют форму и размеры вращающихся частей - головок (схема 19.2). 19. Включение (+), выключение (-), прибавление (+), убавление (—) при различном положении головок, рычажков должно обеспечиваться движением в направ- лении стрелок, как показано на схемах 19.1... 19.6. Можно было бы еще и еще продолжить список ре- комендаций, но, полагаю, никогда нельзя учесть все со- веты. Самое важное в данном деле (кстати, как и во мно- гих других) — это создать систему (можно назвать ее так- же композицией), понятную и доступную для человека, требующую естественных действий, не монотонных, но и не слишком разнообразных, не обременительных по рит- му и не тяжелых по напряжению; но не настолько легких, чтобы не ощущалась обратная связь (со стороны машины к человеку). И еще об одном элементе рабочего места — о рабо- чем сиденье. Правильно сконструированное сиденье облегает те- ло человека так, что нагрузка от силы тяжести частей тела распределяется на различные группы мыши, в ре- зультате чего снижается усталость. Конструирование сиденья ведется в соответствии со среднестатистическими антропометрическими данными, при этом предусматривается индивидуальная подгонка, регулировка положения элементов сиденья, сиденье можно поднимать и опускать, перемещать вперед и на- зад, вращать на месте; спинку сиденья можно поднимать и опускать, поворачивать. Форма, размеры сиденья зави- сят от характера работы. Например, для большинства сельскохозяйственных строительных и дорожных машин целесообразна схема 20.1 (рис. 7) и приведенные разме- ры сиденья; для стационарных пультов промышленных предприятий рекомендуется поворотное рабочее кресло (схема 20.3). На схеме 20.1 обозначено С - центр поворо- та спинки. Пример простейшего решения сиденья легкового автомобиля представлен на схеме 20.2. Подголовник вы- пускают регулируемым и даже принудительно выдви- гаемым в аварийных ситуациях (схема 20.2а). Собствен- но сиденье и спинку компонуют из нескольких подушек, для которых тоже может быть предусмотрена регулиров- ка. На отдельных автомобилях сиденье состоит из целого ряда подушечек (схема 20.26), в которые подается под давлением воздух до тех пор, пока сиденье не принимает форму, полностью соответствующую форме тела человека. Рабочее сиденье машин, подверженных вибрациям, имеет специальную упругую подвеску, например, вы- полненную по схеме 20.1. Подвеска должна иметь также демпфирующее устройство (на схеме не показано). Под- веска должна обеспечивать перераспределение сил F\ и F2 от веса человека (схема 20.1а) в зависимости от поло- жений 1, 2 и 3, а также переменную величину расстояния от пола (см. hi и й2), позволяющую развивать наиболь- шую силу давления F на педаль (схема 20.16). Подвеску выполняют регулируемой. Направления регулировок положения сиденья показаны стрелками. Некоторые ре- шения обеспечивают перемещение сиденья по криволи- нейной траектории. Используют также сиденья с регули- рованием положения в нескольких направлениях. В со- вокупности с регулировкой формы такие сиденья позво- ляют обеспечить высокую степень удобства. Еще лучше сиденья, самоприспосабливающиеся к размерам, поло- жению и форме тела - в них все приведенные выше регу- лировки выполняются автоматически. 1.3. БЕЗОПАСНОСТЬ ДЛЯ ЗДОРОВЬЯ И ЖИЗНИ ЛЮДЕЙ Обеспечение безопасности в современной технике - исключительно важная проблема, и ее решения слишком сложны, чтобы их можно было осветить на нескольких страницах. Поэтому остановлюсь на некоторых концеп- туальных моментах, которые необходимо принимать во внимание при конструировании. Первое, что нужно уяс- нить для себя, - при конструировании не должно быть отступлений "в ущерб безопасности". Хотя, как и любая характеристика или критерий, безопасность тоже имеет меру. Невозможно создать абсолютно безопасную техни- ку, в основном можно говорить о безопасности как о сравнительной характеристике, и современном конст- руировании она так же, как удобство пользования, долж- на занимать отдельное место. Очень часто слова "надежность" и "безопасность" ставят рядом, но это разные понятия, хотя зачастую они взаимосвязаны:
24 КРИТЕРИИ СОВЕРШЕНСТВА КОНСТРУКЦИИ • если нарушения в функционировании машины не приводят к нанесению вреда здоровью и жизни человека, то даже при очень низкой надежности обеспечивается высокая безопасность; • если при высоком уровне надежности машины (объект техники функционирует требуемый период без отказов) сильно загрязняется среда или не предусмотрена защита человека от механических, электрических, хими- ческих, тепловых или иных воздействий, то уровень безопасности низкий. Безопасность конструктивных решений обеспечивается: 1) как следствие функциональной целесообразности (например, обеспечение устойчивости не приводит к оп- рокидыванию машины и к травмам или гибели людей); 2) путем специальных мер, в ущерб функциональ- ной целесообразности (например, специальное уменьше- ние жесткости передней части кузова автомобиля, чтобы смягчить удар при столкновении и дополнительное уве- личение жесткости кабины, чтобы ее деформирование при аварии не навредило человеку); 3) путем дополнительных мер, не зависимых от функциональной целесообразности (например, примене- ние ремней безопасности, подушек безопасности). Специфичными для безопасности считаются только меры по второму и третьему пунктам, при этом различа- ют конструктивные решения пассивной безопасности и активной безопасности. Первые препятствуют разви- тию внешнего воздействия (в случае аварий), защищая от этого воздействия человека. Вторые отличаются автома- тически включаемым действием (срабатыванием) в слу- чае аварии, гасящим (смягчающим) внешнее воздействие. Обеспечение безопасности конструктивных реше- ний носит многоаспектный характер: • кожухи и ограждения предохраняют от режущего или ударного воздействия; • качественные уплотнения и герметичные стыки предотвращают вытекание вредных для здоровья жидко- стей или газов; • система активной вибрационной защиты гасит, на- пример, колебания до 5 Гц, особенно опасные для здоро- вья человека, а также "укачивающие" колебания, которые могут привести к сонливости и уменьшению внимания водителя машины; • специальные устройства отключают электриче- скую сеть автомобиля в случае аварии, чтобы исключить пожар или взрыв;
БЕЗОПАСНОСТЬ ДЛЯ ЗДОРОВЬЯ И ЖИЗНИ ЛЮДЕЙ 25 • световые или звуковые сигналы предупреждают о превышении допустимых характеристик функциониро- вания машины, о физическом состоянии человека (на- пример, засыпании), управляющего машиной; • специальные устройства автоматически воздейст- вуют на рулевую и/или тормозную систему в случае не- штатных воздействий водителя на рулевое колесо или на тормозную педаль, а также в зависимости от состояния дорожного полотна, наличия препятствий и поведения машины; • герметичные створки, двери, перегородки автома- тически перекрывают опасные зоны в преддверии аварии; • устройства, очищающие среду и не допускающие ее до состояния опасного для жизнедеятельности (на- пример, нейтрализатор выпускных газов), а также авто- матически включаемые вентиляционные системы; • компенсационные (накопительные) емкости пре- дохраняют гидравлические или пневматические системы от недопустимого давления и возможного прорыва жид- кости или газа, опасного для здоровья; • устройства для передачи движения через герме- тичную стенку и дистанционное управление позволяют осуществлять манипуляционные операции с радиактив- ными объектами при нахождении оператора вне опасной для здоровья зоны; • блокировки, в том числе многократные, позволяют избежать ошибочного включения устройств, способных принести вред человеку, или выбора недопустимых ре- жимов; • предохранительные устройства (например, ловите- ли лифтов) плавно затормаживают выходные звенья, способные причинить вред человеку в случае нештатных ситуаций. В жизни очень много решенных и нерешенных за- дач обеспечения безопасности. Чтобы понять это, доста- точно хотя бы осмотреть и осмыслить окружающие нас вещи. Тенденции совершенствования техники свидетель- ствуют о стремлении возложить заботу о безопасности человека-оператора на саму машину и в меньшей мере ориентироваться на его физические и психологические возможности. Речь идет прежде всего о распознавании преддверия опасных ситуаций и автоматическом их пре- дотвращении. Современные датчики за миллионные доли секунды информируют систему управления о недопус- тимом ускорении или иных параметрах, а система мгно- венно реагирует на это. Естественно, человек не спосо- бен сам заметить и предотвратить аварию такого типа. По этой причине при создании машины особое вни- мание следует уделять автоматической или автоматизи- рованной (с участием человека) системе управления ма- шиной. Речь идет прежде всего как об основных системах функционирования машины (обеспечения устойчивости движения, торможения и т.п.), так и о резервных систе- мах и системах, предназначенных только для обеспече- ния безопасности (поддержания параметров среды в пре- делах психологических и физиологических возможно- стей человека). Можно привести очень много решений, направленных на обеспечение безопасности, но считаю необходимым отметить, что, по существу, излагаемые в данном произведении общие принципы конструирования приемлемы и для целей обеспечения безопасности. Например, принцип деформативной приспособляе- мости в данном случае сводится к следующему. При ло- бовом столкновении автомобиля деформирование маши- ны должно максимально поглощать энергию удара. По существу, передняя часть машины конструируется как эластичный мягкий буфер (рис. 8.1 схема 21.1). В то же время кабина должна быть максимально жесткой. Для этой цели ее выполняют в виде замкнутой оболочки, а в наиболее слабых местах (дверных проемах) она усилена жесткими порогами и боковыми балками безопасности внутри дверей (для защиты от боковых ударов). Рама, на которой монтируются агрегаты машины, имеет соедине- ния или перемычки, которые обеспечивают ее складыва- ние, изгиб перед кабиной (см. схемы 21.1 и 21.2). Жест- кости замков, соединений и опор должны быть выбраны из условия перемещения капота вверх (схема 21.2), а си- лового агрегата — вниз, под днище кабины (схема 21.3 и 21.3а). Хотя кабина в аварийной ситуации и сравнима с не очень жесткой и не очень прочной скорлупой, но тем не менее из-за направленного деформирования буферных частей она защищена от проникновения в нее твердых предметов. Безопасность во многих случаях напрямую зависит от надежности машин. При определении этой взаимосвя- зи также существует две крайности: ненадежная машина, которая из-за поломки простаивает, может принести меньше вреда здоровью, чем надежная, непрерывно ра- ботающая машина; с другой стороны, именно в процессе поломки, а особенно крупной аварии, очень часто стра- дают люди. Чтобы уменьшить вероятность поломки и принима- ют ряд мер, одной из которых является уже упомянутое резервирование (см. примеры на рис. 8.2). С целью обеспечения безопасности предусматрива- ют резервирование только тех функций деталей или со- единений, утрата которых приведет к поломке машины и нанесению существенного вреда человеку. При этом возможно использование дешевых резервных элементов, при введении в действие которых могут существенно ухудшиться качественные показатели, напрямую не свя- занные с безопасностью для жизни и здоровья человека. В схеме 22.1 при нормальном функционировании муфты вращающий момент передается через резиновую оболочку, прижатую к деталям 1 и 2 накладками 1 и 2 соответственно. В случае выхода из строя оболочки или ее соединений, детали 1 и 2 проворачиваются на угол <р (схема 22.1а) и вращающий момент передается через выступы на деталях. При этом соединение деталей ста- новится жестким, т.е. утрачиваются определенные свой- ства муфты, но исключается разрыв кинематической це- пи (например, поднимаемый груз не может упасть при поломке муфты). В схеме 22.2 предусмотрено резервное уплотнение. Оно не участвует в работе, пока нормально функциони- рует основное уплотнение. В данной конструкции выход из строя основного уплотнения может привести к быст-
26 КРИТЕРИИ СОВЕРШЕНСТВА КОНСТРУКЦИИ
ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИИ 27 рому загрязнению и утрате работоспособности подшип- ника. Если бы не было установлено резервное уплотне- ние, потребовалось бы разбирать подшипниковую опору, а также сопряженные с ней узлы. В данном решении дос- таточно удалить вышедшее из строя основное уплотне- ние и на его место сдвинуть резервное уплотнение. При проколе эластичной оболочки шины в обычном исполнении (схема 22.3) резкое падение давления может привести к качению на ободе колеса и даже к существен- ной аварии. В схеме 22.3а внутрь камеры помещено уп- ругое (пластмассовое) кольцо, которое при недопустимо низком давлении позволяет машине продолжать движе- ние, опираясь на это кольцо (схема 22.36). При этом пре- дотвращается авария, но теряются упругие свойства шины. На схеме 22.4 пример использования параллельного соединения для резервирования привода в механизме открывания створки судового люка. Створка представля- ет собой коромысло двухкоромыслового механизма и приводится в движение гидроцилиндром, соединенным шарнирно с ползуном самотормозящей винтовой передачи. Ползун может приводиться в движение резервным двигателем или вручную. При отказе (заклинивании) ос- новного двигателя или отключении источника энергии его корпус перемещается двигателем и створка открыва- ется или закрывается. Для нормальной работы дубли- рующего устройства основной двигатель должен быть заблокирован (исключена свобода относительного дви- жения его звеньев). Современная тормозная система на схеме 22.4 отли- чается от традиционной наличием электрической линии управления, связывающей тормозную педаль с исполни- тельным блоком управления тормозами. Такая линия обладает намного более высоким быстродействием и уже тем самым обеспечивает большую безопасность. Но раз- работчики системы на случай обрыва электрической свя- зи сохранили традиционную гидравлическую линию управления, но уже не в качестве рабочей связи, а в каче- стве резервной. Кроме того, в данной системе проще решается, на- пример, устройство экстренного торможения (по сравне- нию, например, с вариантом, приведенным в параграфе 12.4 на рис. 117 - см. схему 19.1). С целью обеспечения безо- пасности предусмотрено также автоматическое распре- деление тормозных сил в зависимости от поперечного ускорения машины, от характера деформирования каж- дой из шин, а также от расстояния до находящегося впе- реди препятствия и от других условий (подробнее см. в параграфе 12.4). 1.4. ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ В любую эпоху ремесленники, инженеры и ученые, занимающиеся техникой (обобщенно — конструкторы), замышляя новое изделие, в первую очередь думали о том, из чего и каким образом оно будет изготовлено. Кроме того, при наличии нескольких вариантов исполне- ния, как правило, выбирался наиболее простой и деше- вый. При этом конструкция всегда находилась в нераз- рывной связи с материалами и технологией. Создавались новые материалы, появлялись новые методы их обработ- ки и в соответствии с этим изменялись конструктивные исполнения. В то же время история знает примеры, когда много лет некоторые идеи не имели материального во- площения из-за отсутствия подходящих материалов и технологии. Вспомните пример с эвольвентным зацепле- нием, которое оттеснило все конкурирующие решения благодаря простоте обработки материалов с твердой по- верхностью (нарезание зубьев реечным инструментом и шлифование после закалки плоскими кругами). Разуме- ется, мысль конструктора может и должна опережать имеющиеся возможности, но, когда речь идет о конкрет- ной задаче, необходима полная гармония трех состав- ляющих решения функциональной задачи (конструкции, материалов и технологий) с учетом времени, требующе- гося на разработку проекта (если за это время прогнози- руется получение новых материалов и/или технологий). Итак, речь пойдет о технологичности - совокупно- сти свойств конструкции, характеризующих возможность ее реализации, а также приспособленность к получению минимальных затрат при производстве и эксплуатации для заданных показателей качества, объема выпуска и условий выполнения работ. Условно различают технологичность (проявляемую при изготовлении) и эксплуатационную технологич- ность. К последней относят: ремонтопригодность; вос- станавливаемость; приспособленность к человеку, в том числе удобство и безопасность обслуживания и требуе- мый уровень подготовки обслуживающего персонала; дефицитность и нормы расходования эксплуатационных материалов; степень воздействия объекта на окружаю- щую среду; возможности консервации, хранения, транс- портирования и др. Как видно, проблема технологично- сти — обширна и трудоемка. Этой проблеме посвящено большое число работ, в которых подробно описано целое многообразие различных конструктивных приемов обес- печения технологичности. Естественно, в данной ситуа- ции автор не берется давать рекомендации на все случаи жизни, а лишь постарается сосредоточить Ваше внима- ние на общем подходе к поиску приемлемых конструк- тивных решений. Технологичность конструктивных решений (проявляемую при изготовлении) условно разделяют на технологичность детали и технологичность соедине- ния, или сборочной единицы; "условно", потому что оба этих вида находятся в неразрывной связи. Общий подход к выбору конструктивных решений, исходя из данного условия, независимо от функции, технологии и материа- лов - это простота геометрической формы, плавные переходы от одного элемента конструкции к другому и унификация (повторяемость) элементов, деталей, сборочных единиц и агрегатов. Сначала пойдет речь о технологичности отдельных элементов и деталей. Во всех дальнейших примерах под- разумевается, что технологический процесс выбран в соответствии с конструктивным решением. Само ре- шение при этом можно совершенствовать с учетом воз- можностей процесса, но без ущерба для функциональных качеств. При выборе конструктивных решений детали кон- структор должен от начала до конца представлять про-
28 КРИТЕРИИ СОВЕРШЕНСТВА КОНСТРУКЦИИ цесс ее изготовления. При этом нужно стремиться по возможности предусматривать минимальный объем ме- ханической обработки резанием. Лучше детали изготов- лять достаточно точно литьем, а еще лучше штамповкой. Зубья, резьбу и другие подобные элементы лучше полу- чать накатыванием, а не резанием. Однако сколько бы не агитировали за данные способы изготовления, на совре- менном этапе механическая обработка резанием пока остается преобладающей для металлических деталей, особенно в случаях, когда требуется получить высокую точ- ность в сочетании с малой шероховатостью поверхности. Соответствие технологического процесса приня- тому материалу обеспечивает возможность получения заданных свойств материала (на этапе химико-терми- ческой обработки) и других характеристик изделия, на- пример, шероховатости поверхности (на этапе механиче- ской обработки малую шероховатость можно получить только на поверхности, обладающей высокой твердостью). Рациональная последовательность технологиче- ских процессов и операций обусловлена как конструк- цией и материалами изделия, так и выбранными спосо- бами изготовления. Целесообразно предусмотреть гео- метрическую форму, для воспроизведения которой необ- ходимо минимальное количество, минимальное разнооб- разие процессов и операций, и нежелателен возврат к предшествующим видам обработки. Следует, например, помнить, что термическая или химико-термическая обра- ботка, нанесение на поверхности покрытий, как правило, приводят к снижению точности детали и требуют допол- нительной обработки - шлифования, доводки и т.п. Совмещение конструктивной, технологической и измерительной баз позволяет упростить технологический процесс и сравнительно легко обеспечить заданную точ- ность исполнения. На чертеже все размеры проставляют- ся от таких баз. При несоблюдении этого приходится вводить дополнительные технологические размеры, уд- линять размерные цепи и ужесточать допуски на состав- ляющие размеры. В плане выбора технологической базы следует иметь в виду, что она должна обеспечивать мак- симально возможную точность и неизменность положе- ния детали, а также неизменность формы от воздействия нагрузки со стороны инструмента. В этом плане целесо- образно обеспечить не только совмещение, но и единство баз. Технологические или измерительные базы детали должны выбираться таким образом, чтобы в процессе обработки их не пришлось бы менять на другие. В край- нем случае следует предусмотреть минимальное количе- ство таких изменений. Выбор сочетания технологических баз должен быть продиктован принципом однозначности положения заготовки в пространстве. Например, если заготовка обладает достаточной жесткостью во всех направлениях, то можно использовать, например, сочетание установоч- ной базы (ограничивающей три из шести возможных пе- ремещений: два угловых и одно линейное), направляю- щей базы (ограничивающей два перемещения: угловое и линейное) и опорной базы (ограничивающей одно ли- нейное перемещение). Можно использовать и другие сочетания, в которые входят также двойная опорная база или двойная направляющая база. При этом может быть и должно быть принято во внимание направление силы резания, силы тяжести и/или силы трения, т.е. обеспече- ние ими силового замыкания и однозначности положения заготовки. В случае недостаточной жесткости в каком- либо из направлений или на каком-либо участке детали предусматривают избыточное базирование. Выбор измерительной базы должен быть прежде всего обусловлен удобством пользования измеритель- ным инструментом и не должен приводить к дополни- тельным погрешностям измерения, вызванным формой и расположением базы. В качестве измерительной базы используют как функциональные элементы, так и вводят дополнительные элементы для контроля размеров. Об- щее правило таково: нельзя использовать острые кромки, легко сминаемые или неточно расположенные элементы. Для облегчения контроля диаметра d (схема 1.1, см. рис. 9.1) цилиндрической детали с выступами принимают четное число выступов. Размер h канавки на схемах 1.2 и 1.2а определяют относительно цилиндрической поверхности, а не относительно острых кромок канавки. Для измере- ния диаметра d конических и сферических поверхностей вводят дополнительно цилиндрические пояски (схемы 1.3 и 1.4), а на острых кромках снимают фаски (см. разме- ры d и h на схеме 1.5). Выбор конструктивных решений, исходя из эконо- мичности технологического процесса, предусматрива- ет, в частности, вырезание удаляемых частей заготовки, а не переработку их в стружку. На схеме 2.1 в качестве примера показано нарезание крупномодульного зубчато- го венца так называемой полуобкатной передачи на стан- ке Г. А. Анопова. Зубья колеса имеют прямобочный про- филь, а зубья шестерни — специальный профиль, полу- чаемый из условия сопряжения с зубьями колеса. Наре- зают зубья колеса дисковыми фрезами, удаленными одна от другой на расстоянии, равном длине общей нормали W. Фрезы образуют прорези при циклическом последова- тельном повороте заготовки колеса. Часть металла, за- ключенная между прорезями, выпадает, и получается впадина. Только небольшое количество металла перера- батывается в стружку (заштрихованные участки на схеме 2.1а). В результате существенно повышается про- изводительность нарезания зубьев. Другой пример экономичности процесса обусловлен выбором такой конфигурации детали, получаемой из листового материала, при которой отсутствуют отходы (сравни схемы 5.1 и 5.1а). При этом получается выигрыш не только в виде сэкономленного металла, но и в произ- водительности процесса и в энергозатратах. Общее пра- вило данного направления таково: минимальная ширина прорези и минимальное количество материала между очертаниями соседних деталей или элементов (лучше - вообще отсутствие промежуточной части материала). Следующие приемы обеспечения технологичности сопряжены с процессом обработки посадочных, центри- рующих и других рабочих поверхностей резанием (схемы 3.1 ... 3.3а; 4.1 ... 4.2а; 6.1 и 7.1 ... 7.26). В частности, эти приемы позволяют обеспечить более высокую точность обработки при тех же технологических средствах и за- тратах либо позволяют повысить производительность и уменьшить общие затраты для достижения заданной точ- ности. На схемах, иллюстрирующих обработку напро-
ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИИ 29 9.1. КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ (ИЗГОТОВЛЕНИЯ) ДЕТАЛИ ОБРАБОТКА С ОДНОГО УСТАНОВА ЭКОНОМИЧНОСТЬ РАСКРОЯ ЛИСТОВОГО МАТЕРИАЛА Нерационально Рационально ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОТВЕРСТИЯ ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ ЛИТЫХ ДЕТАЛЕЙ
30 КРИТЕРИИ СОВЕРШЕНСТВА КОНСТРУКЦИИ ход, показано, что не следует предусматривать для опор- ных поверхностей углубления (получаемые зенкеровани- ем — схема 3.1) или выступы на разных уровнях (схема 3.2), что затрудняет их обработку, вход и выход инструмента. Лучше предусмотреть поверхности на одном уровне (схема 3.156), которые легко обрабатываются фрезой или шлифовальным кругом напроход. Здесь и далее обраба- тываемые поверхности обозначены буквой М. На схеме 3.2 показаны многоступенчатые отверстия, и в них предусмотрены канавки для выхода шлифоваль- ного круга. Конструкция при этом менее технологична, чем на схеме 3.2а. где два сквозных отверстия могут быть обработаны напроход. В варианте на схеме 3.2а функции осевого ограничения деталей придаются, например, крышкам, а не буртикам, как в схеме 3.2. Кстати, осуще- ствлять сборку при этом проще. На схеме 3.3 а по сравнению со схемой 3.3 центриро- вание деталей осуществлено с помощью штифтов (не менее двух), благодаря чему торцовую поверхность цен- трирующих поясков можно обрабатывать напроход, а обработка центрирующих поясков заменяется на обра- ботку отверстий малого диаметра под штифты. В ряде конструкций можно встретить исполнение по схеме 3.3 даже в тех случаях, когда функционально не требуется точное расположение крышки и корпуса. При такой си- туации не нужно вообще предусматривать центрирование. Из соображений технологичности сборки все еще довольно часто используют корпусы, в которых разъем проходит через отверстия под подшипники, уплотнения и маслопроводные каналы. В этих случаях целесообразно осуществлять обработку в сборе (схема 4.1). Такая обра- ботка, как правило, усложняет процесс изготовления и исключает взаимозаменяемость деталей. Как избежать такого положения, покажем ниже при обсуждении тех- нологичности сборки. Здесь же отметим, что для обеспе- чения точности относительного положения деталей при сборке, обработке и последующих разборках и сборках предусматривают штифтовое соединение или центри- рующие сопрягаемые поверхности. Высокой точности достигают при обработке целой детали (схема 4.1а), которую только перед сборкой раз- ламывают по специально ослабленному сечению. При сборке части детали благодаря неровностям поверхно- стей разлома занимают точно то же относительное поло- жение, что и в процессе обработки. Один из наиболее эффективных приемов получения высокой точности взаимного расположения обрабаты- ваемых поверхностей - обработка с одного установа нескольких рабочих поверхностей. На схеме 4.2 пока- зано такое расположение отверстий А и В, которое не позволяет их обработать на координатно-расточном станке, не переворачивая деталь. Чтобы обеспечить об- работку с одного установа, в стене корпуса на схеме 4.2а предусмотрено технологическое отверстие С. Кроме вы- сокой точности изготовления, данный прием обеспечива- ет и экономичность процесса. Технологические отверстия выполняют не только из условия возможности подвода инструмента с определен- ной стороны. Они позволяют использовать двухопорную оправку необходимой жесткости (схема 6.1) или делают возможным размещать и закреплять также двухопорный стержень в форме для выполнения литья (отверстия Ci и С2 на схеме 6.2). Существенного увеличения производительности достигают, используя обработку в пакете, - обработку напроход нескольких одинаковых деталей, установлен- ных на одном станке или на одной оправке (схемы 7.1 ... 7.26). Качественная обработка невозможна при неточной их установке (схема 7.2а) или при недостаточной жест- кости деталей в направлении давления инструмента FM (схема 7.26). Зубчатые колеса на схеме 7.2 должны иметь торцовые поверхности, строго перпендикулярные осям отверстий, а конструкцию зубчатых колес на схеме 7.26 лучше переработать, расположив торцы ступицы и обода колеса в одной плоскости. Причем поверхность торцов с обеих сторон является установочной базой, и точность ее расположения должна быть высокой. Если это является дополнительным технологическим, а не функциональ- ным требованием, необходимо сопоставить дополни- тельные расходы с преимуществом, получаемым в ре- зультате обработки в пакете, а затем принимать соответ- ствующее решение. В дополнение к схеме 7.26 отметим, что не только консольное расположение детали и/или инструмента влияет на точность изготовления. Так, если сама по себе деталь будет иметь переменное по длине сечение, то ре- акция на режущий инструмент будет также переменной. Например, не стоит изготовлять протягиванием канавки на детали с переменной толщиной стенки (под канавкой). Далее остановимся на некоторых специальных приемах конструирования, обеспечивающих технологич- ность отливок - деталей или заготовок, получаемых литьем. При конструировании литых деталей (пока речь пойдет о металлических отливках) целесообразно при- держиваться следующих правил. 1. Не рекомендуются массивные детали. Лучше - тонкостенные, развитые по периферии. 2. Отливка должна обеспечивать простое изготовле- ние формы (меньше плоскостей разъема формы, возмож- ность извлечения модели или стержней без разрушения и т.п.). На схеме 8.1 показана деталь, имеющая так назы- ваемые зоны подрезки (выделены горизонтальной штри- ховкой). Форма такой детали должна иметь разъем РМ вдоль оси. Рациональнее деталь, показанная на схеме 8.1а. Разъем РМ обеспечивает беспрепятственное извле- чение модели из формы вдоль оси. При этом использует- ся бесстержневая формовка. 3. Если возможно, то нужно избегать замкнутых внутренних полостей, ступенчатых разъемов. 4. Крупные и сложные изделия целесообразно раз- делить на простые детали, соединяемые в последующем болтами или сваркой. 5. Для извлечения моделей из формы предусматри- вают на отливках конусность - формовочный [литейный] уклон (см. схему 8.1а), характеризуемую углом между поверхностью модели и поверхностью, перпендикуляр- ной к плоскости разъема формы. Чем меньше высота мо- дели, тем больше должен быть угол конуса. Для деревян- ных моделей требуются в 2 раза большие углы, чем для
ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИИ 31 металлических. Угол конуса зависит также от способа литья. Например, при высоте модели 20 ... 500 мм при- нимают соответственно для литья в песчаные формы 10 ... 5°, для литья под давлением 1° ... 0°15', для литья в кокиль 7° ... 0°30', для литья по выплавляемым моделям 30 ... 15' и для литья в оболочковые формы ~20'. 6. Для обеспечения равномерного остывания и уменьшения внутренних напряжений в результате нерав- номерной усадки (с целью исключения раковин, трещин и коробления отливки) стенки отливки должны по воз- можности иметь равномерную толщину, переходы между стенками различной толщины и сопряжения между стен- ками, соединяемыми под углом, должны быть плавными. Кроме того, при соединении стенок нужно избегать ско- плений материала, массивов, а при соединении стенки с массивом предусматривать плавное утолщение стенки по направлению к массиву. Внутренние стенки рекомендуется делать толщи- ной, равной 0,8 толщины наружных стенок. Для умень- шения массивов иногда выполняют на поверхности от- ливки углубления, канавки. Рекомендуются конструкции с минимальным количеством сопряжений, без разветвле- ний контуров стенок (схему 8.2 сравни со схемой 8.2а). На краях стенок оболочек, в том числе в отверстиях оболочек, рекомендуется делать утолщения для придания жесткости и обеспечения равномерного остывания при литье. Минимальные толщины стенок для стальных от- ливок 5 ... 20 мм при габаритных размерах 50 ... 2000 мм соответственно, для чугунных отливок 4 ... 15 мм и для отливок из алюминиевых сплавов 2,5 ... 10 мм. 7. Для обеспечения точности механической обра- ботки необходимо предусмотреть черновую базу (напри- мер, поверхность А на схеме 8.2а), достаточной протя- женности, параллельную поверхности, обрабатываемой при первой механической операции, или перпендикуляр- ную к ней. В общем случае нужно иметь три черновых базы для ориентации детали в пространстве. Широко исполь- зуют осевые базы - оси отверстий бобышек. Чаще фик- сируют деталь по двум отверстиям и по одной плоскости. Для тел вращения достаточно иметь две базы - ось от- верстия и перпендикулярную к ней плоскость. 8. Механически обрабатываемые поверхности реко- мендуется выполнять выступающими над необрабаты- ваемыми, что обеспечит удобство подвода инструмента и обработку напроход нескольких поверхностей (напри- мер, торцов бобышек). В сопряжении поверхностей, ме- ханически не обрабатываемой и обрабатываемой, следу- ет предусмотреть влияние неточностей литья на оконча- тельную толщину и расположение стенок (см., например, схему 9.11). Стыковые плоскости со смежными необработанны- ми поверхностями рекомендуется сопрягать перпендику- лярными к плоскости обработки поверхностями В (схе- ма 8.3) для уменьшения возможного искажения контура стыка. Многие правила, характерные для конструирования отливок, применимы и для конструирования деталей, получаемых другими способами. Например, в штампо- ванных деталях также следует избегать малых радиусов скруглений, резких перегибов или переходов от одного сечения к другому, существенных различий в толщине стенок одной детали. В штампованных деталях также предусматривают технологические уклоны и технологи- ческие отверстия и другие технологические элементы. Общими для деталей, получаемых любыми спо- собами, являются рекомендации по размещению ин- струмента в зоне обработки, входу и выходу инструмен- та. Хотя, конечно, преобладают правила для механиче- ской обработки резанием. На схеме 9.1 для образования маслопроводного ка- нала требуется использовать сверло большой длины, вход и выход его осуществлять под углом. Такое реше- ние сопряжено с большими боковыми нагрузками на консольно закрепленный инструмент. Оно либо вообще неосуществимо, либо сопряжено с большими затратами. На схеме 9.1а показана более рациональная конструкция, в которой предусмотрено технологическое отверстие для входа сверла. В схемах 9.1а, 9.2 и 9.2а предусмотрен вход сверла под прямым углом. Желательно иметь и со- ответствующий прилив для выхода сверла под прямым углом (см. схему 9.2а). В конструкции детали должно быть предусмотрено место для размещения инструмента (схемы 9.3 и 9.4). Причем в схеме 9.3 выполнены приливы для образования чистовой поверхности только на ограниченном участке при предпочтительном движении врезания инструмента. В схеме 9.5 торец ступицы шкива не должен препят- ствовать движению шлифовального круга при обработке внутренней цилиндрической поверхности. На схеме 9.6 зубчатые венцы размещают так, чтобы при нарезании зубьев малого венца фреза не касалась других элементов колеса. В схеме 9.6а образующая поверхности впадин конического колеса не должна пересекать его элементы и элементы крепления на станке. При долблении зубьев малого венца двухвенцового колеса венцы на схеме 9.6 6 могут быть размещены намного ближе один к другому, чем на схеме 9.6. Такое решение не позволяет шлифовать зубья. По этой причине иногда приходится выполнять деталь составной из нескольких частей. Для выхода шлифовального круга в схемах 9.7 и 9.8 предусмотрена канавка регламентированной ширины А/. На схеме 9.7 показана конструкция наружного кольца (подшипника) с двухточечным контактом. Центр кривиз- ны С желоба не совпадает с осью симметрии кольца. Предусмотренная в середине канавка позволяет исполь- зовать инструмент простой формы и обеспечить высокую точность обработки. Проверку на возможность выхода инструмента из зоны обработки осуществляют при конструировании шлицев, шпоночных канавок, резьбовых отверстий и т.п. В схеме 9.9, например, ось фрезы при нарезании шлицев должна переместиться за пределы буртика на величину А/, чтобы рабочий профиль шлицев был полностью сформирован. В схеме 9.10 при сверлении отверстия его глубина должна быть больше на величину AZ, чем задан- ная длина участка полнопрофильной резьбы. Причем А/ не должна быть меньше сбега резьбы. При определении
32 КРИТЕРИИ СОВЕРШЕНСТВА КОНСТРУКЦИИ размеров прилива для размещения в нем отверстия за- данной длины следует учесть влияние неточностей литья на окончательную толщину стенки после сверления и нарезания резьбы {схема 9.11). На современном этапе развития технологий наблю- дается тенденция совокупного использования различных способов изготовления деталей. Это объясняется жела- нием упростить и по возможности автоматизировать процесс выполнения отдельных частей детали и соедине- ния их в единую деталь сложной конфигурации. На схеме 10.1 (рис. 9.2) показана конструкция води- ла планетарной передачи современного автомобиля, со- ставленная из двух частей: штампованной детали водила и корпуса муфты. Составные части соединены с помо- щью сварки, осуществляемой автоматически. Сварной шов зачищен шлифовальным кругом. Схема 10.2 иллюстрирует возможность получения полости сложной конфигурации внутри тела литой дета- ли. Стальной маслопровод, составленный из трубки и штуцера, соединенных с помощью сварки, размещают в литейной форме, а затем форму заполняют расплавлен- ным металлом — в данном случае алюминиевым сплавом. Если вместо такого решения сверлить отверстия непо- средственно в корпусе, такой процесс будет сложным и дорогим, а маслопровод будет иметь местные сопротив- ления — пересечения отверстий. Схема 10.3 иллюстрирует возможность совмещения в одной детали элементов различного назначения (флан- ца и винтовой поверхности), сформированных вальцева- нием, аналогично схеме 9.4 (рис. 9.1). Еще одно направление обеспечения технологично- сти сопряжено с появлением новых материалов, обла- дающих уникальными свойствами - речь идет о некото- рых видах пластмасс и композиционных материалов. Схемы 10.4 ... 10.8 иллюстрируют возможности вы- полнения литьем из одного тела целых механизмов или кинематических соединений. Бельевую прищепку на схеме 10.4 отливают сначала в виде плети звеньев, со- единенных между собой тонкими перемычками — упру- гим и/или пленочными шарнирами. Затем шарнир С со- бирают путем защелкивания его упругих элементов. Плеть, по существу, превращается в четырехзвенный механизм АСВЕ. Причем в шарнирах А и В совмещены функции кинематических пар и пружин, а петля рядом с шарниром Е выполняет роль соединительного элемента и пружины. На схемах 10.6 и 10.6а показаны примеры выполне- ния двух сопряженных деталей, соединенных между со- бой нитевидным элементом, который облегчает транс- портировку в паре такого соединения, облегчает сборку, особенно когда эта сборка автоматизированная и придает соединению другие положительные качества. На схеме 10.5 представлено простое и технологич- ное соединение, эквивалентное универсальному шарни- ру, а на схеме 10.7 - примерное исполнение и размеры пленочного шарнира. На схеме 10.8 показано устройство, также отлитое из пластмассы. На крышке имеется вы- ступ-пробка, которым в рабочем положении закрывают отверстие в корпусе. Исполнение устройства в виде шар- нирного параллелограмма АСВЕ и с упругим шарниром Е позволяет иметь два стабильных положения крышки: открытое и закрытое. Наиболее актуальным вопросом современного кон- струирования является обеспечение технологичности сборочной единицы. Как уже понятно из предыдущего повествования, детали стремятся изготовлять простыми и при минимальных затратах ручного труда. Сборку же автоматизировать труднее всего, поэтому стоимость руч- ных сборочных операций занимает все большую часть из общей стоимости изделия. Не случайно промышленные компании стремятся разместить сборочные предприятия в районах с наиболее дешевой рабочей силой. В этой свя- зи на всех этапах конструирования процесс сборки дол- жен продумываться самым тщательным образом.
ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИИ 33 10.1. КОНСТРУКТИВНЫЕ ПРИЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СБОРКИ БЛОЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИИ И ТРАЕКТОРИЯ ДВИЖЕНИЯ ПРИ 2-я ступень 1 -я ступень редуктора редуктора СБОРКЕ Одним из важнейших принципов технологичности сборочной единицы является принцип кратчайшей размерной цепи. Для его соблюдения целесообразно выбирать конструкцию с минимальным числом деталей и стыков в замкнутом контуре размерной цепи - это требо- вание соответствует принципу кратчайшего замыкания сил. В том же плане лучше всего выбирать конструктив- ную схему, в которой звенья в процессе функционирова- ния самоустанавливаются, и отпадает проблема компен- сирующих элементов или регулировок, а следовательно, упрощается сборка. Основные приемы обеспечения рациональной сборки - это блочность конструкции и простота тра- ектории относительного движения и относительного ориентирования в процессе соединения деталей или сборочных единиц. На схеме 11.1 (рис. 10.1) показана сборка мотор- барабана. Предварительно соединяют 1-ю и 2-ю ступени редуктора, затем вводят редуктор с одной стороны бара- бана и закрепляют его, а с другой стороны вводят и за- крепляют двигатель. Особенность такой сборки заключа- ется в соединении двигателя и редуктора вне поля зрения и без доступа к месту соединения. По этой причине при разработке конструкции должно быть предусмотрено самоцентрирование (например, в виде конических по- верхностей) и должна быть обеспечена компенсация не- соосностей и перекосов (в процессе функционирования устройства) в месте соединения. Хотя поперечные (по отношению к осям вращения подшипников, валов, колес) разъемы и обеспечивают доступ к местам соединений, и в ряде случаев облегчают сборку и разборку, но все же в современных конструкци- ях их стараются избегать, так как обычно не предполага- ют разборку сборочной единицы в процессе ремонта, а заменяют ее полностью. При этом выигрыш в качестве изделия при использовании неразъемных (в поперечном направлении) корпусов несоизмеримо выше, чем от удобства сборки. В этой связи нужно таким образом сконструировать сборочную единицу, чтобы ее можно было бы ввести через имеющееся или специально вы- полненное окно в корпусе. На схеме 11.2 для обеспечения осевой сборки диа- метр отверстия в корпусе должен быть больше диаметра вводимой через него шестерни. Это в свою очередь по- требовало установки дополнительной детали - втулки для центрирования подшипника. На схемах 11.3 и 11.4 показаны сравнительно про- стые соединения нескольких деталей. В схеме 11.3 сател- лит вводят между щек водила, не имеющего разъемов, совмещают отверстие подшипника сателлита с отвер- стиями в водиле, а затем вставляют в отверстия водила втулку и ось сателлита и стопорят их в осевом направле- нии. Для стопорения, в частности, используют пластиче- ские замки (подробнее см. параграф 8.3) после чего кон- струкция становится неразборной. На схеме 11.4 крестовину универсального шарнира заводят в отверстия вилки, перемещая и одновременно поворачивая ее. После этого вставляют подшипники (с противоположных сторон) и стопорят их упругими кольцами. На схеме 11.5 представлена более сложная конст- рукция, выполненная без поперечных разъемов. Все де- тали и сборочные единицы, кроме одной, устанавливают
34 КРИТЕРИИ СОВЕРШЕНСТВА КОНСТРУКЦИИ 10.2. КОНСТРУКТИВНЫЕ ПРИЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СБОРКИ РАЗМЕЩЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ СОЕДИНЕНИЯ РАЗМЕЩЕНИЕ СБОРОЧНОГО ИНСТРУМЕНТА ОРИЕНТИРОВАНИЕ ПРИ ТРАНСПОРТИРОВКЕ [Тб?2П [Тб?3~| |16.3а| Места размещения захватного устройства съемника МОНТАЖНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ Отверстия для губок инструмента ' яп
ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИИ 35 путем простых перемещений через окна в корпусе. Вы- ходной вал в сборе вводят в полость корпуса со сложной траектории. При этом зубчатое колесо вводят в зацепле- ние с шестерней, а конический подшипник (без наружно- го кольца) вставляют в кольцо, предварительно установ- ленное в корпусе. Возможность размещения деталей перед сборкой, траектория перемещения и ориентирование при сборке — вот те условия, которые предопределяют не только об- щую компоновку, но и конструкцию отдельной детали или соединения. На схеме 12.1 (рис. 10.2) детали 1 и 2 (резервуара, трубы или т.п. устройства) должны иметь значительной величины углубления, чтобы можно было завести в отверстие винт и закрутить гайку. Габаритные размеры такого соединения велики, кроме того, имеет * есто сложная конфигурация внутреннего рабочего про- странства устройства в целом, в котором применено дан- ное решение. На схеме 12.2 показано альтернативное решение, в котором использована шпилька с двумя гайками (в дан- ном примере детали 7 и 2 выполнены из композиционно- го материала, а одна из гаек выполнена в виде закладной детали — резьбового вкладыша). Все шпильки предвари- тельно вворачивают в деталь 7, затем осевым перемеще- нием пристыковывают деталь 2, вставляют и закручива- ют гайки. Ширина полости под гайку определяется раз- мещением гаечного ключа (см. схему 13.2), а ее высота должна быть достаточной для свободного размещения гайки и рабочего участка резьбы шпильки. В стесненных условиях для удобства сборки ис- пользуют решение, представленное на схеме 12.3. Болт (вместе с навернутой гайкой) закладывают в пазы соеди- няемых деталей 7 и 2, после чего затягивают гайку. По- лости А и В имеют размеры, необходимые для размеще- ния ключей. На схеме 13.1 показано, что между стенкой детали и гайкой должно быть предусмотрено расстояние, доста- точное, чтобы разместить и проворачивать торцовый га- ечный ключ. При использовании ключа с открытым зе- вом предусматривают возможность подвода его сбоку и проворота на угол не менее 60° при шестигранной гайке (схема 13.2). А вот для завинчивания болта (схема 13.3) потайной головкой не требуется предусматривать рабо- чее пространство для ключа рядом с головкой болта. Следующие приемы (см. схемы 14.1 ... 16.2) больше продиктованы требованиями автоматизированной сбор- ки, нежели иными соображениями. В первую очередь стремятся использовать детали простейшей формы с од- носложным движением при сборке. При конструирова- нии изделий, подлежащих автоматизированной сборке, рекомендуется избегать применения гибких, сложно распознаваемых деталей и соединений (проводов, кабелей, f гмней). Целесообразно использовать армированные дета- ли и жесткие разъемные соединения. Автоматизированная сборка предполагает также другие приемы совершенствования конструкции и тех- нологии изготовления: • совмещение процессов изготовления отдельных деталей и сборки (например, штамповки шайбы и сборки ее там же движением с валиком); • предсборочное группирование деталей (штам- повка деталей из ленты (схема 16.2) с разделением их только в процессе сборки или специальное соединение деталей перед сборкой в цепочку); • оснащение детали вспомогательным ориенти- рующим элементом (уступом, срезом), придающим оп- ределенность ориентации, например, в процессе транс- портировки и/или соединения (схема 15. Гу, явное выра- жение асимметрии детали для легкого распознавания ориентации или выполнение детали симметричной при возможности произвольной ориентации (на схеме 15.6 - деталь с неявно выраженной асимметрией, на схеме 15.6а — симметричная деталь); • выбор конфигурации детали, обеспечивающей однозначные, простые, в том числе прямолинейные движения (см. схемы 14.1, 14.2 и 14.2а, 14.3 и 14.3а, 14.4)-, лучше, когда перемещение ограничено упором; • размещение центрирующих элементов, обеспе- чивающих определенность ориентации в начальный мо- мент соединения и последовательное сопряжение по- верхностей (на схеме 15.2 — нерационально, на схеме 15.2а — рационально); • выполнение направляющих элементов, фасок (схема 15.3), скруглений (схема 15.5), конусов, канавок, облегчающих начальную ориентацию деталей соедине- ния (кольцевая проточка Д на схеме 15.4 позволяет избе- жать заклинивания при сопряжении с малым зазором); • выбор формы деталей, исключающей их закли- нивание, запутывание, непредусмотренное сцепление (на схемах 16.1 и 16.3 - нерациональные конструкции, на схемах 16.1а, 16.3а и 16.36 — рациональные конструкции) или опрокидывание в процессе транспортирования по лотку (достаточная опорная поверхность, расположение центра тяжести); • уменьшение количества элементов соединений, замена, где это возможно, резьбовых соединений клепа- ными или упругими, а еще лучше сварными (например, контактной сваркой), унификация элементов соединений, выполнение их как одно целое с основной деталью. При выборе вида соединений следует иметь в виду, что вин- товое соединение с резьбовым отверстием в теле детали проще для автоматизированной сборки, чем болтовое соединение, т.к. в последнем больше деталей (гайки, шайбы). Неудобны при автоматизированной сборке валов шпоночные соединения. Их желательно заменять шлице- выми или неподвижными фрикционными соединениями. Сборка упрощается при использовании разрезных стопорных колец для фиксации подшипников качения и других деталей в осевом направлении на шейках валов и в расточках корпусных деталей вместо установки шайб с винтами и фиксирующих гаек. Сборка соединений не должна быть связана с продолжительными процессами (охлаждением нагретых деталей, сушкой, полимеризаци- ей клеев и пластмасс), т.к. они нарушают синхронизацию переходов сборки и приводят к необходимости включать в поток дополнительные участки конвейеров (сушильных устройств).
36 КРИТЕРИИ СОВЕРШЕНСТВА КОНСТРУКЦИИ
ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИИ 37 Автоматизированное сборочное оборудование без обратной связи требует по сравнению с ручной сборкой более жестких допусков изготовления деталей. При автоматизированной сборке используют мето- ды полной, неполной или групповой взаимозаменяемо- сти, пригонки и регулирования. Наиболее просто осуще- ствима автоматизированная сборка при полной взаимо- заменяемости, но при этом удорожается изготовление деталей. Неполная и групповая взаимозаменяемость требует дополнительных устройств контроля, усложняет систему управления и складирования. Еще более сложно осуществить автоматизирован- ную сборку, используя пригонку или регулирование. Пригонка, в частности, приемлема при сборке прецизи- онных пар. Регулирование обеспечивают подбором ком- пенсационных (желательно деформируемых) элементов или изменением силового замыкания с помощью винто- вой пары. Еще одна проблема технологичности при сборке — это использование приспособлений. Для конструирова- ния приспособлений существуют те же правила, что и для устройств иного назначения. Единственное отличие продиктовано функциональными признаками приспособ- ления: оно должно выдерживать собственную много- кратную сборку и разборку. Что же касается качества сборки, то приспособление не только не должно повреждать отдельные элементы собираемого устройства, но более того, должно предот- вращать такие повреждения собственными деталями уст- ройств. Например, в качестве приспособлений использу- ют защитные кожухи (на время транспортировки и сбор- ки), жесткие контейнеры (для транспортировки и сборки податливых, ажурных деталей и сборочных единиц). Особое внимание уделяют установке в корпус и на зал манжетных уплотнений. Не допускается сборка уп- лотнения при протягивании его по шлицам, шпоночным пазам, резьбе, которые могут иметь заусенцы или острые кромки. Поэтому монтаж уплотнений целесообразно осу- ществлять с помощью оправок (см. рис. 98 в параграфе 9.4). При разработке конструкции деталей и соединений, с собенно когда речь идет о тяжелых деталях или трудно- собираемых/разбираемых соединениях, должны быть "редусмотрены специальные монтажные элементы: детали, поверхности, отверстия и т.п. части устройств, за ::эторые можно захватить деталь/сборочную единицу или на которые можно нажимать, не боясь разрушения дета- ли. или которые используются для облегчения направле- ния. ориентации, центрирования, если рабочие элементы этого не обеспечивают. Для размещения элементов съемника предусматри- вают специальные реборды (схема 17.2), гнезда (схема 17.3), выполняют отверстия с резьбой. На схеме 17.1 отжимной винт служит для разъединения де- талей. На схемах 18.1, 18.2 показаны элементы для из- влечения пружинного стопорного кольца. В схеме 18.2 для того, чтобы сжать кольцо, предусмотрены специаль- ные пазы в корпусе. В схемах 18.1 и 18.1а на концах кольца выполнены отверстия для захвата кольца щипца- ми при его установке или при извлечении. В схеме 18.16 для той же цели концы кольца отогнуты. Существенное значение для технологичности кон- струкции имеют современные решения отдельных нераз- борных узлов, агрегатов, приборов. И речь идет не про- сто об использовании неразъемных соединений, а об уп- рощении геометрии отдельных деталей, если не являет- ся обязательным или возможным последующая разборка, например, для обслуживания и ремонта. Уже никого не удивляют неразборные шариковые подшипники, в такой же мере могут быть неразборными электродвигатели, насосы, клапаны, форсунки и др. узлы (см., например, рис. 10.3). Единственное условие для выбора подобных реше- ний: замена узла в целом (при ремонте) должна быть де- шевле его ремонта. Лучше все же использовать нераз- борные узлы, рассчитанные на весь срок службы маши- ны. В современных машинах пока предусматривают ма- логабаритные простые неразборные узлы при массовом и автоматизированном их производстве. На схемах 19.1, 19.2 показаны конструкции топлив- ных насосов (для автомобилей) со встроенным в общий корпус электродвигателем и обратным клапаном. Длина таких агрегатов не более 200 мм, а диаметр корпуса обычно 50 ... 60 мм. Все детали насоса имеют простую конфигурацию, обычно штампованные, собираются в единый блок авто- матически осевым относительным перемещением. После этого пластическим деформированием по краям корпуса создаются замыкающие соединения. Топливо прокачива- ется через зазор между статором и ротором электродви- гателя, охлаждая их. Давление в таких насосах достигает 600 кПа. Каждая ступень насоса состоит из двух-трех деталей (см. схемы 19.1а, 19.2а, б). Обычно основная деталь - это турбина с большим числом лопастей или зацепляющиеся шестерни с разницей чисел зубьев в 1 зуб. При этом шес- терня 1 установлена на эксцентриковом валу и совершает планетарное движение. Насос по схеме 19.3 также имеет простую конструк- цию, хотя формально число деталей больше, чем в насо- сах по схемам 19.1а и 19.2а, 6. Но эти детали (в частно- сти, ролики) все одинаковые и также очень просты по форме. Конечно, такие решения приемлемы только для малогабаритных конструкций, так как простая форма элементов не оптимальна по отношению к реализуемому процессу, да и уплотнения между относительно подвиж- ными деталями здесь недостаточно совершенны. Регулятор давления топлива на схеме 20.1 составлен в основном из штампованных тонкостенных и толсто- стенных деталей, соединенных между собой пластиче- скими замками (см. параграф 8.3). Внутрь тонкостенного корпуса помещены клапан, мембрана, пружины и другие детали, также имеющие пластические соединения. Регу- лятор в целом отличается простотой и надежностью. Уже была отмечена технологичность получения ка- налов и полостей в литых корпусах использованием за-
38 КРИТЕРИИ СОВЕРШЕНСТВА КОНСТРУКЦИИ кладных деталей (см. схему 10.2, рис. 9.2). Такой прием находит все большее распространение, особенно для со- четания металлических, пластмассовых и керамических деталей. Соединяют такие разнородные материалы обычно литьем, спеканием или (реже) пластическим де- формированием. Благодаря таким решениям удается сочетать изоля- торы с электропроводниками, трущиеся и несущие дета- ли, закладывать во внутренние полости и каналы пружи- ны, клапаны, фильтры, подшипники, направляющие и т.п. детали. Наглядным примером такого исполнения является управляемая топливная форсунка на схеме 20.2. Литой пластмассовый корпус обеспечивает надежную защиту и изоляцию элементов и деталей (в том числе электротех- нических) от внешней среды. Внутрь корпуса перед сборкой установлен ряд подвижных и неподвижных де- талей, обозначенных на схеме. Съемными здесь могут быть эластичные уплотнения (кроме одного - внутреннего), фильтр и распылитель; вся остальная конструкция неразборная. Приведенные рекомендации - только небольшая часть решения проблем технологичности конструкции. В то же время наша цель была всего лишь показать, что обеспечение технологичности, пожалуй, - одно из важ- нейших сторон современного конструирования и требует глубокой всесторонней проработки. Как следует из рассмотренных примеров, одним из принципов обеспечения технологичности является ис- пользование одинаковых по форме и размерам элемен- тов, деталей, соединений, блоков и агрегатов. Этот принцип относится к унификации. Под унификацией обычно понимают приведение к единообразию технических характеристик изделий, тех- нологичных процессов, документации и средств общения (термины, обозначения и др.). Для конструкции изделий унификация заключается в рациональном сокращении числа объектов (размеров, параметров, геометрических элементов, деталей, сбороч- ных единиц, агрегатов, приборов, машин, их схем и т.п.) одинакового назначения, которые можно многократно применять [повторять] в разрабатываемой конструкции в рамках завода, отрасли, страны. Такое условие в виде ряда чисел, геометрических форм и т.п. определено стан- дартом. Унификация позволяет увеличить серийность и тем самым снизить стоимость изготовления деталей. Она облегчает обслуживание и ремонт за счет уменьшения номенклатуры инструмента и запасных частей, позволяет предприятию специализироваться на заготовлении огра- ниченного числа деталей и соединений, а остальные по- лучать в готовом виде. Унификация упрощает процесс конструирования. Унификацию применяют в ущерб равнопрочности. Например, если в редукторе использовать подшипники одного вида и размера, то диаметры отдельных валов окажутся завышенными, окажется также завышенной и долговечность отдельных подшипников. Равнопрочность может быть обеспечена при одинаковости одних пара- метров и варьировании других. Например, при одинако- вом модуле и диаметре зубчатого колеса изменяют его ширину, округляя до регламентированного значения. Недостатки унификации могут быть смягчены за счет рационального использования принципа многопо- точности, о котором пойдет речь в дальнейшем. Напри- мер, варьированием числа одинаковых болтов получают различную несущую способность соединений, варьиро- ванием числа сателлитов обеспечивают различную не- сущую способность планетарной передачи. То же самое относится к числу клиновых ремней ременной передачи, к числу одинаковых подшипников в одной опоре (обыч- но не более двух), к числу рабочих витков резьбы и т.п. На схеме 21.1 (рис. 11) в качестве примера в одном агрегате использованы: - унифицированные детали: фрикционные диски, пружины, штифты, сателлиты, корпусные детали; - геометрические элементы: шлицы на дисках, зубья зубчатых колес, отверстия; - размеры: диаметры корпусных деталей и фланца водила и др. Характерным принципом унификации является со- ставление машин, агрегатов, приборов или сооружений из конструктивно завершенных унифицированных частей. На станине агрегатного станка (схема 21.2) закреп- лено несколько силовых головок (блоков: двигатель - редуктор - шпиндель - инструмент). На поворотном сто- ле имеется четыре зажимных устройства для установки заготовок. Данная компоновка обеспечивает многопози- ционное относительное положение и ориентирование заготовки и инструмента. Станина в виде симметричной замкнутой рамы обеспечивает как простоту присоедине- ния к ней силовых головок, так и доступ в рабочую зону для смены заготовок и/или инструмента. В параметрическом ряду такого типа станков преду- смотрено несколько типоразмеров рамы и несколько ти- поразмеров силовых головок, что позволяет компоновать различные варианты станков. На схемах 21.3, 21.3а, 21.36 показано, как из целого ряда отдельных модулей (унифицированных элементов, деталей, блоков) можно составлять направляющие гид- роаппараты с различным сочетанием свойств и парамет- ров. В качестве модулей используют штекеры, соленои- ды, дозаторы, гидрораспределители, редукционные кла- паны. Каждый из модулей имеет свой ряд размеров, но главное в них - это одинаковые стыковые элементы (по- садочные поверхности отверстия, каналы и их размеры). В случае, если их не удается сделать одинаковыми, то используют переходные элементы. Соединительные бол- ты имеют одинаковую резьбу, но их выполняют различ- ной длины, и также подчиняют определенному парамет- рическому ряду. В различных областях техники много примеров по- добного типа решений, в которых имеются одинаковые платформы, например, в автомобилях, выпускаемых раз- личными фирмами, и, уж конечно, одинаковые двигатели и другие агрегаты и приборы. В строительных, дорож- ных, сельскохозяйственных и др. машинах используют в качестве основы базовый тягач и навешивают на него различное унифицированное рабочее оборудование. В свете интегрирования производства в рамках всего ми- ра принцип унификации приобретает первостепенное значение.
ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИИ 39 11. УНИФИКАЦИЯ И БЛОЧНОЕ [МОДУЛЬНОЕ] КОНСТРУИРОВАНИЕ МНОГОКРАТНОЕ ПОВТОРЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ И ЭЛЕМЕНТОВ МНОГОКРАТНОЕ ПОВТОРЕНИЕ АГРЕГАТОВ УНИФИЦИРОВАННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ, ДЕТАЛИ И БЛОКИ НАПРАВЛЯЮЩИХ ГИДРОАППАРАТОВ Редукционный клапан Основание |21 .За | ПРИМЕРЫ КОМПОНОВОК |21.361
40 КРИТЕРИИ СОВЕРШЕНСТВА КОНСТРУКЦИИ 1.5. ПАТЕНТНАЯ ЧИСТОТА Ценную основу перспективного проекта составляет интеллектуальная собственность разработчика, предпри- нимателя или третьего лица. Она может продаваться и покупаться, а при недостаточной осмотрительности ис- тинного владельца может быть похищена, присвоена и использована. В этой связи особое значение приобретает эксперти- за проекта на патентную чистоту и патентоспособность предлагаемой к выпуску продукции, используемого ма- териала или способа производства. Патентная чистота предусматривает наличие в данном продукте только своей интеллектуальной собственности (официально признанной) или законно приобретенного права на использование чужой собственности. Патентоспособность характеризует наличие в дан- ном продукте новых решений, которые могут быть офи- циально признаны объектами интеллектуальной собст- венности. Интеллектуальная собственность — это мысли, идеи, воплощенные в технические, организационные и организационно-технические решения разнообразных задач. От посягательств конкурентов защитить можно только те технические решения, факт использования ко- торых может быть проверен и установлен доступными государству средствами. В этой связи, например, невоз- можно защитить опубликованный метод расчета, так как его использование практически невозможно проконтро- лировать, а полученные с помощью его результаты — не основания для доказательства заимствования метода. Но имеются средства (юридические и технические), хотя пока не очень надежные, защиты компьютерных про- грамм для расчета и конструирования, в которых вопло- щены новые и известные методы. Невозможно защитить техническое решение, если оно при этом не опубликова- но — пользователю нельзя доказать, что это не он первым придумал данное решение. Не может быть защищен, например, прибор, обору- дование, машина или сооружение в целом. Защите под- лежит принципиальная структура, геометрия и/или связи отдельных частей, визуально воспринимаемая характери- стика объекта и т.д. Государственная защиза интеллекту- альной собственности, кроме ее охраны, позволяет вла- дельцу достичь и других целей. Наилучшую рекламу Вашей* продукции может соз- дать крупное запатентованное изобретение (оно свиде- тельствует об оригинальности и высоком уровне реше- ния, положенного в основу продукции) и/или промыш- ленный образец (свидетельство эстетических качеств и удобства использования). Под словом "Вы" в этом параграфе имеется в виду об- ращение только к юридическому лицу - разработчику-патенто- обладателю. Взаимоотношения между конкретным исполните- лем и патентообладателем здесь не рассматриваются и регла- ментируются иными положениями. Товарный знак своей визуальной выразительно- стью и/или словесным звучанием, а также известностью хорошо зарекомендовавшей себя ранее продукции свиде- тельствует о том. что Вы дорожите именем фирмы, вы- пускаете и/или продаете только продукцию отличного качества. Знак места происхождения продукции (особенно касается потребительских предметов — произведений искусства и ремесел) обычно свидетельствует об уни- кальных способностях местных мастеров и уникальных возможностях Вашей фирмы (если Вам в этом повезло). Испрашивая патент у государства (содружества го- сударств), Вы тем самым нанимаете государство для ох- раны Ваших интересов в рамках существа предлагаемого технического решения и только на территории данного государства. Государство соглашается взять на себя ох- рану Вашего исключительного права на использование патентуемого решения только при определенных требо- ваниях: не затрагивать интересы, обусловленные дейст- вующими патентами; способствовать экономическому развитию государства и не подрывать его международ- ный престиж (конкретные критерии оговорены в законо- дательствах и их комментарии в нашу задачу не входят). Какие санкции и потери грозят тому, кто выпускает или ввозит непатенточистую продукцию (подпадающую под действие патентов иных владельцев)? Такую про- дукцию могут (в разных странах предусмотрены различ- ные санкции) арестовать, запретить дальнейший ее вы- пуск, наложить штраф, приговорить владельца или по- средника к тюремному заключению, обязать компенси- ровать материальные потери патентообладателю при действии патента на территории государства, где нахо- дится предприятие, выпускающее продукцию и/или за- претить ввоз продукции. Затраты на патентование за ру- бежом довольно велики, особенно сильно они увеличи- ваются с каждым годом срока действия патента. Интел- лектуальная собственность, безусловно, дороже затрат на патентование, а ее надежную охрану можно обеспечить только при соответствующей оплате. Все это не означает, что при освоении новой про- дукции патентование обязательно. Возможны различные варианты и рекомендации. Речь идет только о тех, при которых не нарушаются действующие законы. 1. Общее правило для всех вариантов: продукция должна быть патенточистой, по крайней мере в той части, которая является доступной для ознакомления потребителем и государственным экспертом (например, назначаемым судом) на данной территории. При этом, если Вы сами сможете надежно охранять секреты техно- логии (ограничить круг лиц, допущенных к существу способа производства, только теми людьми, которым доверяете, хранить техдокументацию в недоступном для посторонних лиц месте), то патентовать способ произ- водства необязательно, а в некоторых случаях невыгод- но. Защищая патентом способ производства или состав вещества, Вы в то же время раскрываете свой секрет. Потенциально это позволяет Вашему конкуренту исполь- зовать Ваши достижения (проверить это в его частном владении Вы не сможете) или учесть Ваши решения и продвинуться вперед. Поэтому задача научно-техни-
ПАТЕНТНАЯ ЧИСТОТА 41 ческой экспертизы, проводимой в частном порядке, не только помочь Вам правильно оформить заявку на па- тент, но и предупредить Вас о нецелесообразности па- тентования в конкретной ситуации. Во всех случаях фактор времени подачи заявки иг- рает важную роль. Иногда лучше подождать, пока Вы полностью не осуществили подготовку к выпуску про- екции. Но в этом случае Вы рискуете, что Ваша про- дукция может оказаться непатенточистой. Чтобы выиг- рать время, нужна своевременная и надежная экспертиза. Наличие патента еще не гарантия патентной чистоты. Достаточно примеров, когда патенты оспариваются и аннулируются из-за некачественной государственной экспертизы при выдаче патента. Патентные законода- тельства не предусматривают компенсацию Ваших по- терь, связанных с аннулированием патента по данной причине. 2. Следует помнить, что охраняется государством решение только в том объеме, в котором оно раскры- то и опубликовано в патенте и в котором оно может быть определено путем исследования физического объ- екта патентования. Ошибочны рекомендации делать что- то неясным и оставлять тем самым ноу-хау. Неясное или нераскрытое содержание государством не защищается и является Вашим секретом. Вы и только Вы можете поза- ботиться, чтобы этот секрет не был раскрыт Вашими конкурентами. Но если конкурент приходит к такому же решению или патентует его, то Вы не можете препятст- вовать реализации запатентованного решения. Для Вас же может сохраниться право первопользо- вания: продолжать выпускать продукцию, если подго- товка к выпуску и/или выпуск начались раньше, чем Ваш конкурент подал заявку на патент (на этот счет в разных странах имеются различные условия). Тем не менее разработчик выбирает и выдерживает определенный баланс между гарантией и риском, соот- ветственно между государственной и собственной охра- ной, между раскрытой и секретной частью продукции. Технические секреты важны для того, чтобы выиг- рать у конкурента время поиска и освоения тех или иных решений. 3. Патенточистой Ваша продукция может быть в cj сдующих вариантах: • все технические решения (общая схема, конст- рукции частей, материалы и т.д.) оговорены в патентах, срок действия которых уже истек, или являются общеиз- вестными и не подлежащими патентованию - такой ва- риант хотя и самый простой, но не позволяет создать конкурентоспособную продукцию; • все технические решения запатентованы разра- ботчиком и производителем продукции - это наиболее предпочтительный вариант, но требует больших интел- лектуальных затрат; • все технические решения выполнены в соответ- ствии с лицензиями иных патентообладателей - такой вариант сопряжен обычно с наибольшим первоначаль- ным вкладом средств, но может позволить выиграть вре- мя, затрачиваемое на разработку проекта; • в продукции имеет место определенное соотно- шение первых трех вариантов или каких-либо из них - этот вариант используют чаще всего. Кроме интуиции при решении данного вопроса не- обходима всесторонняя экспертиза. 4. Экспертиза нужна и для того, чтобы ответить на вопросы, нужно ли патентовать все новые решения, по- лучаемые на Вашем предприятии или только те, что бу- дут использованы в Вашей продукции, следует ли патен- товать Ваше предложение в наиболее развитых странах или только в тех, где будет продаваться Ваша продукция. Кроме защиты интересов при реализации продукции па- тентование преследует и другие цели. Если фирма патентует и публикует интересные, хо- тя и нереализованные решения, повышается престиж фирмы. Но можно приобрести плохую репутацию, если получать патенты на бесперспективные решения. Патентование может проводиться с целью дезори- ентации и/или создания дополнительных препятствий на пути конкурентов, желающих создать продукцию на иных принципах по сравнению с Вашей, а также с целью продажи лицензии Вашим партнерам для продукции, которая лежит вне Ваших интересов или продукции, по- добной Вашей, на территориях, которые также не входят в круг Ваших коммерческих интересов. Что касается первой цели, то Вы ее достигнете даже в результате публикаций заявки (если это предусмотрено законодательством) или патента. Действие патента в этом случае можно и не поддерживать уплатой ежегод- ной пошлины. В случаях со второй и третьей целями следует учи- тывать, что в ряде стран, если Вы сами не реализуете свое достижение в течение определенного времени и не позволяете это делать другим, действие патента государ- ством прекращается. При оценке целесообразности патентования с целью продажи лицензии следует иметь в виду, что очень редко лицензию покупают только при наличии патента, суще- ство которого не проверено и не реализовано на практи- ке. Обычно лицензия - это сопутствующий товар новых технологий, материалов и другой продукции. Только до- казав выгоду Ваших предложений, Вы можете рассчиты- вать на успех в этом деле.
Глава 2. ПОСТРОЕНИЕ СТРУКТУРНЫХ, КИНЕМАТИЧЕСКИХ И КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ 2.1. СИСТЕМАТИЗИРОВАННЫЙ БАНК КАК ОСНОВА ДЛЯ СТРУКТУРНОГО СИНТЕЗА Развитие техники (конструкций, материалов и тех- нологий) предопределяет изменение подхода к структур- ному синтезу по сравнению с тем, который изложен в классических учебниках по теории механизмов и машин. Конструктору и студенту до сих пор предлагают по определенным правилам составлять возможные варианты методами комбинаторики или путем присоединения к какой-либо исходной схеме известных структурных групп, а затем исследовать полученные варианты и вы- бирать из них наиболее подходящее решение поставлен- ной задачи. Таким образом можно получить множество вариан- тов структурных схем, не зная их функциональных воз- можностей и свойств, после изучения которых отбрако- вываются ненужные схемы, пока не останется одна схема. Процесс такого синтеза сложен и трудоемок. Не вдаваясь в иные недостатки процесса, отметим лишь, что данный подход как бы игнорирует миллионы созданных и проверенных практикой решений в различных областях техники (именно миллионами исчисляется количество зарегистрированных изобретений в развитых странах). А ведь каждый изобретатель прошел определенный путь, чтобы получить и принять вариант, который позволил бы осуществить заданную функцию и при этом удовлетво- рить по критериям новизны, неочевидности исполнения и возможности промышленного использования. Жаль, что методология получения большинства изобретений так и останется тайной, особенно изобрете- ний тех времен, когда главной вычислительной системой был только мозг индивидуума. Тем более очевидно, что не следует каждый раз проходить весь путь своих пред- шественников, а можно использовать известное решение, дополнить и усовершенствовать его. При наличии современной вычислительной техники возможный путь напрашивается сам собой: создание сис- тематизированного банка известных решений в определенной области техники для решения перечня функциональных задач. После формирования задачи дос- таточно по определенной системе выбрать аналоги и прототип, а затем работать с одним или несколькими вариантами. Простота такого подхода только кажущаяся. Трудность заключается не только в том, как создать и иметь данный банк, но и как им пользоваться. Упомяну- тое слово "систематизированный" не случайно: принци- пы построения системы технических решений могут быть так же многообразны, как и сами решения. Как уже упоминалось, многие компании имеют очень объемные банки схем и конструктивных решений, но они представляют собой частную собственность и недоступны для широкого использования. Кроме того, они имеют направленный характер и касаются в основ- ном продукции данной компании. Обычно они не позво- ляют найти решение даже из смежной области техники, не говоря уже об отдаленных областях. Поэтому теория механизмов и машин должна располагать общим банком принципиальных решений, методологией составления частных банков и методологией синтеза новых решений на основе известных достижений. Далее постараемся кратко изложить опыт по созда- нию такого общего банка и рассказать о некоторых принципах, положенных в его основу. Примерная возможная структура банка представле- на на рис. 12. Принципиальной особенностью приведенного при- мера банка является наличие в нем большого числа (для решения обобщенных функциональных задач) укрупнен- ных [обобщенных] структурных схем, в которых пред- ставлены блоки [структурные единицы], соединенные определенным образом. В частности, данные схемы представляют собой последовательное, параллельное или смешанное соединение: двигателей, сцепных муфт, тормозов, редукторов, дифференциальных механизмов, многоскоростных пере- дач, вариаторов [трансформаторов] параметров движения и нагружения, аккумуляторов энергии, амортизаторов и демпферов; копирующих, распределительных, направляющих, ориентирующих в пространстве, выравнивающих на- грузку, уравновешивающих, периодически разгружаю- щих приводы и кинематические пары, компенсирующих погрешности, предохраняющих и защищающих от вред- ных воздействий, управляющих и регулирующих уст- ройств; других подобных устройств, классифицированных по функциональным признакам с указанием характерных свойств, а в ряде случаев и возможных параметров и возможных конструктивных решений. Что касается конкретных конструктивных исполне- ний, то в ряде разделов банка содержатся приводы, при- водные соединения, кинематические соединения и эле- ментарные механизмы, предназначенные для решения частных функциональных задач, например таких, как передача и преобразование движений, суммирование и распределение нагрузки, воспроизведение простейшей траектории или ориентации звена в пространстве, гаше- ние или воспроизведение вибраций и т.п. Такие меха- низмы можно подставлять в обобщенные структурные схемы в качестве отдельных блоков.
СИСТЕМАТИЗИРОВАННЫЙ БАНК КАК ОСНОВА ДЛЯ СТРУКТУРНОГО СИНТЕЗА 43 12. ПРИМЕР СТРУКТУРЫ БАНКА СХЕМ И КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ МАТЕРИАЛЫ ПО ФИЗИЧЕСКОМУ СОСТОЯНИЮ, СТУКТУРНЫМ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫМ ПРИЗНАКАМ. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ УЛУЧШЕНИЯ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ СИСТЕМАТИЗИРОВАННЫЙ БАНК ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ СХЕМ И КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ МАШИН ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИНСТРУМЕНТЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАШИН. ВЫПЛАВКА, РАЗЛИВКА, ЛИТЬЕ. ОБРАБОТКА ДАВЛЕНИЕМ. ОБРАБОТКА РЕЗАНИЕМ. СВАРКА, ПАЙКА И СКЛЕИВАНИЕ. СБОРКА. НОРМЫ ТОЧНОСТИ, ДОПУСКИ, ПОСАДКИ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОНТРОЛЯ ТОЧНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОЦЕССЫ, СХЕМЫ И ОБЩИЕ ПРИЕМЫ [ПРИНЦИПЫ] КОНСТРУИРОВАНИЯ ПРОЦЕССЫ, РЕЖИМЫ РАБОТЫ, СИЛОВОЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЯ МАШИН, ИХ ДЕТАЛЕЙ, СОЕДИНЕНИЙ И СИСТЕМ МОДЕЛИ, СХЕМЫ, ИХ ЭЛЕМЕНТЫ И ПАРАМЕТРЫ ПСИХОЛОГИЧЕСКАЯ И ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ ПРИСПОСОБЛЕННОСТЬ К ЧЕЛОВЕКУ (КРАСОТА, УДОБСТВО И БЕЗОПАСНОСТЬ). СИСТЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ. АВТОМАТИКА, ПРИЕМЫ И ПРОЦЕССЫ САМОУПРАВЛЕНИЯ. УПРАВЛЯЮЩИЕ, ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ И ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА СИСТЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МАШИН (ПИТАНИЯ, СМАЗЫВАНИЯ, НАГРЕВА/ОХЛАЖДЕНИЯ) КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЗАДАЧ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ МАШИНЫ И АППАРАТЫ. ПРИВОДЫ ТРАНСПОРТНЫЕ, ПОГРУЗОЧНЫЕ, ЗЕМЛЕРОЙНЫЕ МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИЕ [ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ] МАШИНЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И ПРИСПОСОБЛЕНИЯ ПЕРЕДАТОЧНЫЕ МЕХАНИЗМЫ И ТРАНСМИССИИ МЕХАНИЧЕСКИЕ ОДНОРЕЖИМНЫЕ ПЕРЕДАЧИ ВРАЩЕНИЯ, РЕДУКТОРЫ МНОГОСКОРОСТНЫЕ ПЕРЕДАЧИ, РЕДУКТОРЫ-РЕВЕРСЫ,ВАРИАТОРЫ МЕХАНИЗМЫ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НЕПРЕРЫВНОГО ВРАЩЕНИЯ В ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ МЕХАНИЗМЫ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НЕПРЕРЫВНОГО ДВИЖЕНИЯ В ПРЕРЫВИСТОЕ (ШАГОВЫЕ МЕХАНИЗМЫ) ПРИВОДЫ И МЕХАНИЗМЫ ДЛЯ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ (ГИДРОЦИЛИНДРЫ, ВИНТОВЫЕ И РЕЕЧНЫЕ ПЕРЕДАЧИ) СТРУКТУРНЫЕ ЕДИНИЦЫ МЕХАНИЗМОВ И МАШИН ЭЛЕМЕНТЫ, ДЕТАЛИ, СОЕДИНЕНИЯ И ЗАМКИ. ШАРНИРЫ, ПОДВИЖНЫЕ ОПОРЫ И НАПРАВЛЯЮЩИЕ. СОЕДИНИТЕЛЬНЫЕ МУФТЫ. УСТРОЙСТВА ДЛЯ СМАЗЫВАНИЯ И УПЛОТНЕНИЯ СОЕДИНЕНИЙ МАНИПУЛИРУЮЩИЕ, НАПРАВЛЯЮЩИЕ И ОРИЕНТИРУЮЩИЕ МЕХАНИЗМЫ ПРИВОДНЫЕ МНОГОПОДВИЖНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ. МЕХАНИЗМЫ ДЛЯ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ КРИВЫХ ЛИНИЙ , ПОВЕРХНОСТЕЙ И ЛИНИЙ ПЕРЕСЕЧЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ. МЕХАНИЗМЫ ОТНОСИТЕЛЬНОГО МАНИПУЛИРОВАНИЯ | НАГРУЗОЧНЫЕ МЕХАНИЗМЫ | РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЕ, УРАВНИТЕЛЬНЫЕ И СУММИРУЮЩИЕ МЕХАНИЗМЫ, ДИФФЕРЕНЦИАЛЫ. РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ УРАВНОВЕШИВАНИЯ, ДИНАМИЧЕСКОЙ РАЗГРУЗКИ И ВИБРОЗАЩИТЫ . ПОДВЕСКИ МАШИН И АГРЕГАТОВ. СКЛАДЫВАЕМЫЕ И РАЗВОРАЧИВАЮЩИЕСЯ СИСТЕМЫ. ЗАХВАТНЫЕ, ЗАЖИМНЫЕ И СТЯГИВАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА. СЦЕПНЫЕ МУФТЫ И ТОРМОЗА Приведены также современные конструктивные ис- полнения элементов, деталей машин, механических со- единений и передач (см., например, классификацию на рис. 13): различные виды неподвижных и подвижных, разъ- емных и неразъемных соединений, замков и их элементов; зубчатые, цепные и фрикционные передачи; валы и оси; соединительные и сцепные муфты; различные виды опор, в том числе подшипники, подпятники и линейные направляющие; кронштейны, корпуса и станины; подвески агрегатов; устройства для смазывания; уплотнения подвижных и неподвижных соединений; другие детали и соединения общего назначения. И наконец, приведены известные законченные ки- нематические и конструктивные решения из различных областей техники. Данные разделы должны постоянно пополняться новыми исполнениями и могут содержать максимально полную характеристику объекта. Далее покажем на отдельных примерах получение [выбор, составление, синтез] кинематических схем для некоторых функциональных задач с использованием обобщенных структурных схем, полученных при созда- нии систематизированного банка схем и конструктивных решений. Здесь поясним только взаимосвязь структурной схемы с более конкретизированной кинематической схе- мой. Для начала рассмотрим построение схем трансмис- сии транспортной машины (базового тягача, трактора). На первом этапе простейшая функциональная за- дача - обеспечить разветвление кинематической цепи с распределением энергетических потоков в задаваемом соотношении. Оказывается, для такой задачи можно построить ог- раниченное число вариантов обобщенных структурных схем 1.1... 2.3 (рис. 14). Обозначения составляющих схе-
44 ПОСТРОЕНИЕ СТРУКТУРНЫХ, КИНЕМАТИЧЕСКИХ И КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ 13. ФУНКЦИОНАЛЬНО-СТРУКТУРНЫЕ ЧАСТИ МАШИНЫ ЭЛЕМЕНТЫ ДЕТАЛИ Выступы, зубья, Корпуса, станины, витки резьбы, платформы, рамы, головки, ножки, кронштейны ребра, гребни, Резервуары, сосуды, рифли, бобышки, баллоны, поддоны, лапы, буртики, крышки, кожухи реборды Суппорты, ползуны Колеса, шкивы, Отверстия, окна, барабаны, роторы, шлицы, пазы, ролики, катки полости,канавки, Кулачки, кривошипы каналы, впадины, Валы,оси щели, проушины Винты, шпильки, шурупы, пробки Цапфы, шипы, Гайки шейки, пояски Заклепки, штифты Шпонки, сегменты Эксцентрики, Шайбы, шплинты, кулачки, фланцы кольца Прокладки, манжеты, Ступицы, ободы, сильфоны, мембраны диски, спицы Стержни, штанги, тяги, штыри Швы, петли Поршни, плунжеры Коромысла, шатуны Кромки, фаски, Ремни, ленты, керны, пяты канаты, струны Скобы, планки Лопасти, стенки, Круги, диски щеки, лепестки, Резцы, ножи, пилы, губки долота Ковши, лопатки Покрытия, слои, Коуши, анкеры, соты, ячейки, якоря, крюки, клинья перемычки, Обоймы, втулки, диафрагмы направляющие (детали), сепараторы, подушки, вкладыши Пружины НЕПОДВИЖНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ ПОДВИЖНЫЕ (И ЗАМКИ) СОЕДИНЕНИЯ Резьбовые Шарниры (винтовые, болтовые) Направляющие (опоры) Литейные Клепаные Подшипники, Сварные подпятники Паяные Клееные Цепи шарнирные и зубчатые Пластические Упругие Уплотнительные соединения Клиновые (подвижные) Кулачковые Компенсирующие Шпоночные муфты Шлицевые и подвески Штифтовые (агрегатов) Профильные Соединительные Фрикционные узлы и подвижные (неподвижные) опоры подвесок Регулировочные и Компенсирующие быстроразъемные и поворотные соединения Соединительные трубопроводов узлы ферм Конструктивные Соединительные исполнения узлы пары "винт-гайка", трубопроводов зубчатого зацепления, Соединительные фрикционной пары муфты валов качения МЕХАНИЗМЫ ПЕРЕДАТОЧНЫЕ Зубчатые передачи (редукторы, редукторы-реверсы, многоскоростные передачи) Кулачковые механизмы Фрикционные передачи Ременные, ленточные, канатные передачи Шарнирные и рычажные механизмы Цепные передачи Винтовые передачи МЕХАНИЗМЫ МАНИПУЛИРУЮЩИЕ Направляющие и ориентирующие механизмы МЕХАНИЗМЫ НАГРУЗОЧНЫЕ Распределительные и уравнительные механизмы Сцепные муфты и тормоза Гидродинамические муфты и трансформаторы Захватные, зажимные и стягивающие устройства Упругие системы Демпферы ПРИВОДЫ Электромагнитные (электродвигатели) Тепловые (двигатели внутреннего или внешнего сгорания) Пьезоэлектрические Гидравлические Пневматические Пневмо- гидравлические (аккумуляторы) Инерционные (аккумуляторы) Пружинные (аккумуляторы) Термоупругие ( в т.ч. на основе термомеханической памяти формы) Приводные пары, многопоточные и многоподвижные приводные соединения с^/1" Jtyafiufb му элементов даны на рис. 14. При этом схемы 1.1, 1.3 применяются широко, схемы 2.1, 2.1а и 2.3 встречаются реже, схема 2.2 материально не воспроизводилась, а схе- ма 1.2 была получена в рамках данной системы. Каждая схема не исключает любые преобразования сил и скоростей в рамках каждой ветви за счет подста- новки соответствующих структурных элементов, но в схемах 1.1, 2.1, 2.1а распределение нагрузки между вет- вями определяется параметрами дифференциала S. Использование структурных схем для получения кинематических схем проиллюстрировано на следующих примерах. Все схемы обеспечивают распределение энер- гетического потока между двумя ветвями. Пример на схеме 3.1 иллюстрирует путь, который был пройден разработчиками известной схемы колесного тягача. В схему 1.1 вместо передачи G1 подставлена схе- ма последовательно соединенных механизмов. Коробка передач тягача состоит из четырех плане- тарных механизмов, управляемых четырьмя тормозными механизмами 2, 4, 5, 6 и двумя муфтами 1, 3. Первый слева механизм М — блокируемый. Второй и третий ме- ханизмы образуют двухскоростную передачу, третий и четвертый — реверс. Выходной вал коробки передач посредством зубча- той передачи G и карданной передачи VI соединен с дифференциалом S, через который энергетические пото- ки разветвляются к приводным колесам W1 (на схеме не показаны) и W2. В ступицу колеса W2 встроен планетар- ный редуктор G2. Схема 3.3 была получена М. К. Кристи около 60 лет назад, и до сих пор она широко используется в отечест- венных танках и гусеничных тягачах. Она подставляется в схему 1.3 вместо каждой из структурных единиц G1 и G2. В ряде трансмиссий используются и другие разно- видности, обладающие аналогичными функциональными признаками. Механизмы G1 и G2 имеют одинаковую конструкцию и расположены симметрично относительно оси машины. Каждый механизм поворота обычно обеспечивает две-три скорости вращения вала приводной звездочки W1 или W2. Так как эти скорости получаются независимо в левой и правой ветвях, то ускоряется или замедляется
систематизированный банк как основа для структурного синтеза 45 14. РАЗВЕТВЛЕННЫЕ ТРАНСМИССИИ С ПРИВОДОМ ОДНОЙ ПАРЫ ВЫХОДНЫХ ЗВЕНЬЕВ ОТ ОДНОГО ДВИГАТЕЛЯ W1— Выходнос/всдомое звено. рабочий орган, в т.ч. с тормозом Неподвижное соединение двух звеньев или передача с постоянным передаточным отношением Неподвижное соединение трех звеньев Передача с постоянным или изменяемым передаточным отношением, в т.ч. с. разрывом кинематической цепи и торможением Несимметричный дифференциальный механизм (дифференциал), в т.ч. с разрывом кинематической и блокировкой Симметричный дифференциальный механизм (дифференциал) D- Привод, двигатель, входное/ведущее звено, в т.ч. с муфтой сцепления ПРИМЕР ПЛАНЕТАРНОГО МЕХАНИЗМА ПОВОРОТА, ИСПОЛЬЗУЕМОГО В Рама машины цепи ПРИМЕР ТРАНСМИССИИ ПО СХЕМЕ 1.1 W14 ПРИМЕР СИНТЕЗА ТРАНСМИССИИ ПО СХЕМЕ 1.2 GV [з^Г] MG VI 'm S2 - S1 Г-е П 1 f<-5¥ , И ;к 6 - W2 I. И, 1,2, HV В M - гидротрансформатор - гидрозамедлитель - мультипликатор с режимом прямой передачи PG - планетарная коробка передач (многоскоростная передача) a, b g h e, d, RG I- сцепные элементы (муфты, тормоза) центральные колеса D MG RG GV - сателлит - водило -зубчатые колеса без уточнения вида - многоскоростная передача - реверс -замыкающая передача с изменяемым передаточным отношением СХЕМЕ 1.3 Режимы Включены сцепные элементы Движение прямо Поворот - плавный - крутой * Движение прямо - замедленное I lOBOpOl - плавный - крутой ** Торможение 5-6 5 или 6 2-7-5 или 6-3-2 2-3-7 2-7 или 2-3 4- 7 или 7-3 1-8 * при снижении средней скорости ** без снижения средней скорости
46 ПОСТРОЕНИЕ СТРУКТУРНЫХ, КИНЕМАТИЧЕСКИХ И КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ движение одной гусеницы относительно другой или ос- танавливается одна из гусениц при неизменной скорости другой. Каждый механизм содержит однорядную планетар- ную передачу, входным звеном которой является цен- тральное колесо Ь, выходным — водило h, а управляемым — центральное колесо а. Между колесом а и водилом h ус- тановлена фрикционная муфта 3, блокирующая передачу при транспортном режиме движения. Остановка колеса а тормозом 2 ведет к включению в кинематическую цепь планетарной передачи с передаточным отношением Zbh =1 + za/zb> где za и zb - число зубьев соответственно колеса а и Ь. Если выбрано отношение za/zb = 0,6, то ibb =1,6, и соответственно скорость при этом уменьшается в 1,6 раза. Приводная звездочка останавливается тормозом 1. На схеме 3.2 показана новая схема трансмиссии, точнее, ее промежуточный вариант, полученный в про- цессе синтеза. В схемах 1.2 и 2.2 может быть обеспечен режим, который позволяет производить поворот машины без снижения средней скорости движения по сравнению со схемой 1.3. Это объясняется возможностью принуди- тельного распределения энергетических потоков в задан- ном соотношении. В отличие от схемы 1.3 такой режим не предусматривает отключение и торможение одной из гусениц. На схеме 3.2 раскрыты кинематические схемы диф- ференциалов Siu S2, а также замыкающей передачи GV, остальные механизмы не раскрыты. Каждая из состав- ляющих единиц сама по себе известна и применяется в других машинах. Следующий этап заключается в выборе параметров каждого из механизмов, но эта задача выходит за рамки данного предложения. Здесь приведено только условие симметричности режимов замыкающей передачи GV: /е-с — 1^'f-d где ze.c и гм - передаточные отношения зубчатых пар е-с и f-d. В табл. 3.2а приведены возможные режимы при со- ответственно включенных сцепных элементах. 2.2. СТРУКТУРНЫЕ ЕДИНИЦЫ И СОСТАВЛЯЮЩИЕ ИХ ЭЛЕМЕНТЫ Классификация элементных составляющих меха- низмов с учетом геометрии (точности исполнения, вели- чин регламентированных зазоров и видов регулировок) и характеристик взаимодействия звеньев (трения, сил инер- ции и деформирования) - основа общего банка схем и конструктивных решений. Отдельные фрагменты клас- сификации представлены на рис. 15 ... 18. В них приве- дены обозначения и примеры конструктивных исполне- ний кинематических пар и кинематических соединений. Кроме класса кинематической пары, соответствую- щего числу связей (ограничений возможных движений), в обозначении приведены сведения о характере допусти- мых движений: г — вращательное, t - поступательное, s — сферическое, h - винтовое. В скобках дан класс кине- матической пары при отсутствии приведенных для нее допущений. Принятые обозначения: w - число, характеризующее подвижность, число степеней свободы; Vr- одноподвижная вращательная пара; V* - одноподвижная винтовая пара; Vrt - одноподвижная пара с зависимыми движения- ми (вращательным и поступательным); IVr, - двухподвижная вращательно-поступательная пара; IV, - двухподвижная сферическая пара; III, - трехподвижная сферическая пара; Шг, - трехподвижная вращательно-поступательная пара; III, - трехподвижная поступательная пара; II и I - четырех- и пятиподвижные вращательно- поступательные пары. Если в обозначении индекс приведен из двух букв, то либо они равноценны, либо и первом месте характери- стика преимущественной возможности движения (на- пример, полноповоротное движение), а на втором - огра- ниченное некоторыми пределами (зазорами; упругим или пластическим сопротивлением, трением). Несмотря на кажущуюся однозначность кинемати- ческой пары, в ряде случаев определение ее класса носит субъективный характер. Но этого не стоит бояться, так как поставленная задача учета реальных условий взаимо- действия звеньев на самом начальном этапе (составления схемы) не может быть решена каким-либо иным спосо- бом. Общие правила приведены ниже. 1. Если зазор обеспечит возможность движения, чтобы компенсировать погрешности изготовления и/или деформации, то подвижность в пределах зазора следует приплюсовать к основной функциональной подвижности. 2. Если упругое сопротивление в данном направле- нии невелико по сравнению с движущей силой и значи- тельно меньше упругого сопротивления в других направ- лениях, подвижность может быть увеличена на единицу (в данном направлении). 3. Если сопротивление сил трения в направлении возможного движения превышает предусмотренную движущую силу (особенно при самоторможении), то та- кое ограничение следует считать эквивалентным твердо- му упору. Искусство конструктора заключается как раз не только в том, чтобы выбрать необходимый класс кинема- тической пары, но и в назначении рационального соот- ношения зазоров и/или жесткостей в направлениях воз- можного и невозможного движений. Завышать величины зазоров нельзя, так как это при- ведет к ударам, снижению точности функционирования и/или к точечному [кромочному] контакту (например, вместо требуемого поверхностного).
СТРУКТУРНЫЕ ЕДИНИЦЫ И СОСТАВЛЯЮЩИЕ ИХ ЭЛЕМЕНТЫ 47 15. КИНЕМАТИЧЕСКИЕ ПАРЫ И СОЕДИНЕНИЯ V КЛАССА (ОДНОПОДВИЖНЫЕ) ВРАЩАТЕЛЬНО-ПОСТУПАТЕЛЬНЫЕ (С ЗАВИСИМЫМИ ДВИЖЕНИЯМИ) ОДНОПОДВИЖНЫЕ ПАРЫ И ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ ИМ СОЕДИНЕНИЯ Реакции связей Возможно только одно (винтовое) движение Тх I t F(Ty) Винтовая пара Гайка Винт Винтовая пара Гайка Винт Винтовая Канал возврата шариков шариковая передача Винт Гайка Винтовая фрикционная передача с учетом трения с учетом деформвций IIIrj ™ Винтовая несоосная передача - Сателлит с кольцевой резьбой „ , ~ Водило Центральный винт Винтовая несоосная фрикционная передача V/, Центральный винт Ролики Сателлит с винтовой резьбой Паз 1 Каретка Vtr Паз 2 Водило Передача Новикова при недопустимости кромочного контакта Vft Криволинейная направляющая (с учетом боковых ограничений) Упругая гайка —4 IfcNH Гладкий вал Волновая винтовая (в том числе фрикционная) передача Гибкая оболочка "Ленточный шарнир" Направляющая Стержневое соединение для воспроизведения винтового движения FCW Лента 1 Валик Лента 2 Гайка Глобоидная передача Гибкий винт Червяк Винтовой зуб Генератор волн Червячное колесо Генератор волн Гайка F(Tx)- осевая сила, зависимая от момента Гибкий ВИНТ гтт F(TX)
18 ПОСТРОЕНИЕ СТРУКТУРНЫХ, КИНЕМАТИЧЕСКИХ И КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ 16. КИНЕМАТИЧЕСКИЕ ПАРЫ И СОЕДИНЕНИЯ IV КЛАССА (ДВУХПОДВИЖНЫЕ)
СТРУКТУРНЫЕ ЕДИНИЦЫ И СОСТАВЛЯЮЩИЕ ИХ ЭЛЕМЕНТЫ 49 17. КИНЕМАТИЧЕСКИЕ ПАРЫ И СОЕДИНЕНИЯ III КЛАССА (ТРЕХПОДВИЖНЫЕ) ВРАЩАТЕЛЬНО-ПОСТУПАТЕЛЬНЫЕ И ПОСТУПАТЕЛЬНЫЕ ТРЕХПОДВИЖНЫЕ ПАРЫ И ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ ИМ СОЕДИНЕНИЯ = Реакции связей Возможны только два вращения и одно линейное движение Упругие муфты без учета поперечных перемещений Illrt л III,г Зубчатое [шлицевое] соединение с “короткими" зубьями (с учетом бокового __________________ зазора Л) гм* h IV. шгг(1) Illrf(I) Многодисковая :|П муфта (без учета ! Щ трения) IHrt -Ъ. Vt Шарнирные муфты с перекрещивающимися осями соединенных валов у Вал 2 /Ол ta\xS==l Вал 1. III Ж IH,t rt Шаровая муфта компенсирующая перекосы __и осевое смещение [ I П1\п вала Вал 1 Вал 2 передача Виброзащитная опора A e™=$=}lllrt 4 Ulrt V, III,г V, IIIrt^> Упорный роликовый подшипник Подпятник скольжения IVri 4 ЙИ Упругие опоры без учета поперечных перемещений III, t V,- VrJ Звено 2 V* Звено 2 Поступательное трехподвижное соединение Звено 1 J h 1V* Внутреннее зацепление при недопустимости кромочного контакта С UIrt(ll)<A ' Звено 1 Винтовая ленточная пара с учетом возможных перекосов в пределах зазоров Гайка -Гайка Винт^н-^/ Винт V, x P 0 |||А CaAcKfariHrf
50 ПОСТРОЕНИЕ СТРУКТУРНЫХ, КИНЕМАТИЧЕСКИХ И КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ 18. КИНЕМАТИЧЕСКИЕ ПАРЫ И СОЕДИНЕНИЯ II И I КЛАССОВ (ЧЕТЫРЕХ- И ПЯТИПОДВИЖНЫЕ) ВРАЩАТЕЛЬНО-ПОСТУПАТЕЛЬНЫЕ ПЯТИПОДВИЖНЫЕ ПАРЫ И СОЕДИНЕНИЯ (w = 5) Высшие пары IIIS... IVS в пределах Звено 1 Направляющее Силовое замыкание Винтовая зубчатая пара в пределах зазоров I Звено III Зацепление бочкообразных зубьев Муфты без дополнительного нагружения внешних опор Вал 2 Вал 1 Звено 1 Звено 2 IV„ III Гайка(j( IVrr F(T) Подушка Звено 1 (винт) Муфты с дополнительным нагружением внешних опор Относительное движение невозможно только вдоль линии действия сил, проходящей через центр сферического шарнира С Звено 1 Vr Вал 1 УпРУгие муфты Эластичная оболочка - реакция связи Геометрическое замыкание Ги дро статич ес кая направляющая с учетом зазоров ( ~ 50 мкм) I (без учета зазоров Vf) Упругие опоры Тонкостенная консоль Эластичный слой с Подшипник-1 Эластичный крестообразный лист Звено 1 Гидродинамический подпятник с учетом поворотов оси вала в пределах осевого зазора 1(Ш„) Подушка Вал 1 Подшипники с учетом возможности самоустановки в пределах зазоров 1 (1 Vr^) Гидродинамический подшипник Звено 2 Без учета боковых ограничений Сегментная подушка многоклинового подшипника Звено 2 № Упругая втулка Г идростатический подшипник Vp Магнитожидкостный Звено 1 Шарнир с учетом свободных перемещений в пределах зазоров и при одноточечном контакте I (Vr/IVr/>) -Вал 2 гж С зависимыми движениями 1 F(T) Звено 2 у IVr,
СТРУКТУРНЫЕ ЕДИНИЦЫ И СОСТАВЛЯЮЩИЕ ИХ ЭЛЕМЕНТЫ 51 19. (ОДНОПОДВИЖНЫЕ) ПРИВОДНЫЕ ПАРЫ [СОЕДИНЕНИЯ] Двигатель Звено Зубчатая передача Звено 1 Двигатель 2 Звездочка 2 Звено 1 Зубчатая передача (редуктор) Цепная передача Звездочка 1 Гидроцилиндр Звено 2 Vr - одноподвижная вращательная пара У - поступательная пара ¥й - винтовая пара Звено 2 Звено 2 Канал А Канал В Поворотный гидродвигатель IV, ПЕН Гайка Звено 1 Двигатель III Карданное соединение, эквивалентное двухподвижной сферической паре IV5 Звено 1 Звено 2 Звено 1 Подшипниковая опора гайки (Vr) Винт Зубчатая передача Ш Гидроцилиндр Реечная передача Звено 2 Звено 1 1~2б~| Звено 1 Звено 2 Зубчатая передача Двигатель | 2г | ПРИВОДНОЕ СОЕДИНЕНИЕ С ЗАВИСИМЫМИ ДВИЖЕНИЯМИ В МЕХАНИЗМЕ ПРЕССА Двигатель с полым ротором Звено 1 Звено 2 Ползун D Основание (звено 1)— - движущая сила Ту/ Fyj - момент и сила внешнего нагружения IV, Упор Поступательная одноподвижная пара (7j.w-реактивный момент) KL.PR.EN соединительные звенья Ползун W (звено 2) Занижать жесткость также нельзя, поскольку это сложно сделать ориентируясь только на одно направле- ние, а кроме того, это может привести к снижению на- грузочной способности и других показателей. Более под- робно это рассматривается при освещении принципа са- моприспособляемости, здесь же, останавливаясь на рис. 15 ... 18, отметим, что для определения класса пар, не представленных на рисунках, можно найти ближай- шую пару по характеру возможных движений и анало- гично ей подсчитать число связей. Кинематическая пара может быть эквивалентна по своей функции соединению нескольких кинематических пар, компенсирующей муф- те и даже передаточному механизму. Конструктивные исполнения кинематических пар весьма разнообразны. Причем, однозначно отнести конкретное исполнение к шределенному классу можно только при условии приня- тых ограничений или допущений в отношении трения, упругости элементов и зазоров, которыми в классической теории механизмов и машин на этапе структурного син- теза вообще пренебрегают. Современный уровень конст- руирования требует учета данных характеристик как раз- дельно, так и в совокупности. Свойства каждой из приведенных пар и частные свойства каждого из ее конструктивных исполнений — неотъемлемая (описательная) часть банка, которая по- зволяет сориентироваться при оценке того или иного ре- шения. Приведенные на рис. 15 ... 18 кинематические пары и соединения способны выполнять только задачу пере- дачи или восприятия (если одно из звеньев неподвиж- но) сил в определенных направлениях, допуская свободу относительных перемещений в других направлениях (в зависимости от подвижности кинематической пары). Усложняя функциональные задачи по сравнению с задачами, решаемыми кинематическими парами и соеди- нениями, рассмотрим такие простейшие устройства, как приводные пары (рис. 19), способные не только переда- вать или воспринимать силы, но и воспроизводить дви- жение в определенном направлении. В приводной паре между образующими ее звеньями осуществлено управляемое силовое замыкание. Относительное движение звеньев, образующих ки- нематическую пару, осуществляется посредством приво- да, смонтированного на них. Во вращательной приводной паре (схема 1а) двига- тель и передачу устанавливают на одном из сопряжен- ных звеньев: 1 или 2, в частном случае одно из них не-
52 ПОСТРОЕНИЕ СТРУКТУРНЫХ, КИНЕМАТИЧЕСКИХ И КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ подвижно, а выходное звено передачи соединяют с дру- гим звеном. На схеме 16 показана вращательная приводная пара в виде пластинчатого поворотного гидродвигателя. Жид- кость по каналу А поступает в замкнутую полость между звеньями 1 и 2, давит на лопатки С и Е, поворачивает одно звено относительно другого и выходит по каналу В. В качестве привода используют двигатель с винто- вой парой {схема 1в), гидроцилиндр с цепной или лен- точной передачей (схема 1г), гидроцилиндр с реечной передачей (схема 1д) и другие сочетания. В схеме 1в звенья 1 и 2, соединенные шарнирно (Vr), приводятся в относительное движение при перемещении винта. Достигается это вращением гайки. Звенья 1, 2 обра- зуют замкнутый контур с несколькими вращательными парами и одной винтовой парой. В схеме 1г гибкий элемент, например цепь, переме- щается с помощью гидроцилиндра. Цепь приводит во вращение звездочку, закрепленную на звене 2. Звездочка 1 при этом вращается свободно. В схеме 1д от гидроцилиндра с помощью реечной передачи приводится во вращение шестерня с прикреп- ленным к ней звеном 2. Поступательную приводную пару выполняют в виде сочетания поступательной кинематической пары V, с винтовой парой V/, (схемы 26, 2в), реечной передачей (схема 2а) и других сочетаний. В схеме 2в винт размещен внутри ротора двигателя. Благодаря такому решению приводная поступательная пара выполнена соосной, без дополнительной механиче- ской передачи. В приводном одноподвижном соединении (схема 2г) осуществляется преобразование поступательного движе- ния ползуна D, например, с помощью гидроцилиндра во вращательно-поступательное (винтовое) движение пол- зуна W. Здесь использовано соединение в виде наклон- ных стержней. Система может работать только при сило- вом замыкании. 2.3. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ПОДХОД К ВЫБОРУ И СОСТАВЛЕНИЮ СХЕМ (НА ПРИМЕРАХ РЕШЕНИЯ ПРОСТЕЙШИХ ЗАДАЧ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ И ОРИЕНТАЦИИ ТЕЛА В ПРОСТРАНСТВЕ) Начальные и все последующие этапы синтеза схем и конструкций должны быть подчинены принципу нара- щивания функциональных признаков и качествен- ных показателей, которым должна удовлетворять ма- шина или иная система в целом. Функциональные при- знаки на любом предыдущем этапе должны быть общими для любого последующего этапа или, по крайней мере, не должны исключать введение дополнительных признаков. Функциональный признак прежде всего характери- зует, какое действие может выполнять или какое состоя- ние осуществлять, а не как устроен рассматриваемый объект. Для этой цели хотя бы для начальных этапов нужно иметь запас составляющих единиц, классифици- рованных по функциональным признакам, а кроме того, представлять правила соединения единиц в более слож- ные схемы, обладающие суммарными или преобразован- ными функциональными признаками. Покажем на отдельных примерах, как, соединяя элементные составляющие схемы, можно получать ре- шения отдельных функциональных задач. Первая зада- ча - воспроизведение траектории, расположенной на заданной поверхности, и воспроизведение самой по- верхности как множества траекторий. На схемах 1.1 ... 1.9 (рис. 20) несколько звеньев со- единены между собой двумя приводными парами D1 и D2, при этом образовано несколько неприводных (кине- матических) пар. Наиболее простая схема 1.1 имеет три звена, обра- зующих две поступательных пары. Точка W выходного звена воспроизводит плоскую кривую, а множество по- ложений точек или множество траекторий представляют плоскость. Другие примеры соединений воспроизводят, в част- ности: круговой конус (схема 1.2); сферу (схема 1.3)', круговой цилиндр (схема 1.4); эвольвентный цилиндр (схема 1.5); тор (схема 1.6); однополостный гиперболоид (схема 1.7); эллипсоид (схема 1.8); геликоид (схема 1.9). Эквивалент схемы 1.1 представляет собой механизм, построенный только на основе вращательных пар (схема 1.1а, в которой звенья образуют два шарнирных паралле- лограмма). При этом обе схемы позволяют получать по- ступательное движение выходного звена (либо, что то же самое, иметь постоянную ориентацию). Все приведенные схемы получены таким соедине- нием звеньев поступательных и/или вращательных пар, в результате которого обеспечивается геометрическое по- строение направляющих линий поверхности при движе- нии одного входного звена и образующих линий поверх- ности - при движении другого входного звена. Направ- ления движений входных звеньев обозначены стрелками, а воспроизводимые поверхности — тонкими линиями. Данные механизмы используют для формообразо- вания обрабатываемых поверхностей деталей машин, для манипулирования и для воспроизведения линий пере- сечения поверхностей. Линии пересечения поверхностей можно получить, соединяя два механизма из числа механизмов, приведен- ных на схемах 1.1... 1.9. Получаемые решения не следует рассматривать как построение изображения какой-либо типовой кривой на плоскости, так как такая задача давно уже решена более современными и универсальными средствами. Данные решения, как альтернативу управ- ляемому приводу, используют в оборудовании для раз- метки, раскроя, резки и сварки стыков труб и резервуа- ров различной формы. На схеме 2.1 представлен механизм для воспроизве- дения линий пересечения конуса плоскостью. Он полу-
функциональный подход к выбору и составлению схем 53 20. РЕШЕНИЯ ЧАСТНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЗАДАЧ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ДВИЖЕНИЯ ТОЧКИ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ (МЕХАНИЗМАМИ С ДВУМЯ СТЕПЕНЯМИ СВОБОДЫ) И ЛИНИЙ ПЕРЕСЕЧЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ (МЕХАНИЗМАМИ С ОДНОЙ СТЕПЕНЬЮ СВОБОДЫ) Воспроизведение линии пересечения сферы Воспроизведение линии пересечения цилиндрических поверхностей Устройство для разметки линии пересечения цилиндрических поверхностей ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ТРАЕКТОРИЙ В ЗАДАННОМ ПРОСТРАНСТВЕ (МЕХАНИЗМАМИ С ТРЕМЯ СТЕПЕНЯМИ СВОБОДЫ НА ОСНОВЕ НЕЗАМКНУТЫХ КИНЕМАТИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ) В ПРЯМОУГОЛЬНОЙ СИСТЕМЕ КООРДИНАТ В СФЕРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ КООРДИНАТ
54 ПОСТРОЕНИЕ СТРУКТУРНЫХ, КИНЕМАТИЧЕСКИХ И КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ чен на основе соединения механизмов, воспроизводящих поверхность конуса (схема 1.2) и плоскость (схема 1.1). Кривошип с шатуном воспроизводят коническую поверхность, а ползуны 1 и 2 - плоскость. Поскольку W- центр сферического шарнира одновременно принадле- жит обоим механизмам, он одновременно движется в плоскости и по поверхности конуса, т.е. воспроизводит линию конического сечения. Ось вращения кривошипа совпадает с осью Xj воспроизводимой поверхности кону- са, а оси Х3 и У3 движения ползунов соответственно па- раллельны осям X и Y воспроизводимой кривой. В частном случае (см. схему 1.1) оси У3 и Х3, опре- деляющие движение ползуна 1 в плоскости, параллельны соответственно оси Y и образующей Х2 воспроизводимой конической поверхности. Линия Х2 параллельна оси X и лежит в плоскости, перпендикулярной к оси Y. При этом воспроизводится парабола. Изменив угол между плоско- стью X3Y3 и осью Хь можно воспроизводить эллипс, ги- перболу или параболу. Механизмы для воспроизведения кривых пересече- ния цилиндра и цилиндра (схема 2.2), сферы и цилиндра (схема 2.3), сферы и конуса и т.п. получают аналогичным образом. На схеме 2.2 кривошипа 2 радиусом г ось вращения параллельна оси воспроизводимой поверхности цилинд- ра, у кривошипа 1 ось вращения совпадает с осью вос- производимой поверхности цилиндра. Шатуны 1 и 2 со- единены сферическим шарниром В. Шарнир В одновре- менно перемещается по двум цилиндрическим поверхно- стям, т.е. имитирует их пересечение. Точка W совершает идентичное движение, но траектория ее смещена на ве- личину ИСВ0. На схеме 2.3 кривошип 1 длиной АВ соединен сфе- рическим шарниром В с кривошипом 2, взаимодейст- вующим со стойкой с помощью кинематической пары, допускающей вращательное и поступательное движения. Совместным движением звеньев имитируется пересече- ние сферы радиусом R и цилиндра радиусом г. Центр вращения кривошипа и центр воспроизводимой сферы смещены относительно друг друга на величину АВ. Точ- ка А повторяет движение шарнира В. На схеме 2.4 — пример применения рассматривае- мых механизмов для разметки линии пересечения труб; причем здесь только один механизм, воспроизводящий трубу и закрепленный на реальной трубе, на которой требуется провести разметку. Закрепление механизма осуществлено с помощью центрирующего разжимного устройства. С основанием шарнирно соединена кулиса. Ось ее совмещают с осью врезаемой трубы. Положение кулисы относительно основания регулируется посредством спе- циального устройства. С кулисой связано двухподвиж- ной парой звено 1 регулируемой длины, составленное из двух частей с регулируемым относительным положени- ем. Точку этого звена располагают от кулисы на расстоя- нии, равном радиусу воспроизводимой трубы, пересе- кающей реальную трубу. При перемещении шатуна от- носительно кулисы при непрерывном соприкосновении с трубой точка W воспроизводит на ее поверхности линию пересечения. Недостаток приведенных схем 2.1 ... 2.4 — непосто- янство отношения линейной скорости точки W к скоро- сти входного звена, что усложняет управление привода- ми при резке или сварке, но не играет особой роли при разметке. Следующий шаг усложнения функциональной задачи - воспроизведение траекторий в пространстве. В схеме 3.1 использованы только поступательные приводные пары. Звенья соединены последовательно и перемещаются параллельно осям X, Y и Z. Рабочее про- странство положений W представляет собой параллеле- пипед (схема 3.1а) со сторонами х, у, z - предельными перемещениями звеньев. В схеме 3.2- одна пара Dr] из трех вращательная, а в схеме 3.3 - две пары вращательные с параллельными осями (Dr2 и Вгз). Рабочее пространство имеет цилиндри- ческую форму, ограниченную предельными перемеще- ниями х, у, ср (схема 3.2а). В схеме 3.4 — две пары вращательные с перпендику- лярными осями, а схема 3.5 имеет все пары вращатель- ные. Эта схема является наиболее распространенной в современных роботах. Рабочее пространство для обоих вариантов представлено на схеме 3.4а и ограничено, в частности, величинами rmax, rmin и ср. Наиболее распространенной задачей воспроизведе- ния движения является не только получение определен- ной траектории, но и сохранение или изменение ориен- тации тела в пространстве. Рассмотрим простейшую функциональную задачу - воспроизведение параллельной ориентации тела в про- странстве и ее частный случай — воспроизведение посто- янной ориентации (параллельной неподвижному звену). Для решения данной задачи используют кинематическую цепь, содержащую только поступательные пары (на схе- ме 4.1, рис. 21 выделена жирными линиями), либо со- ставленную из нескольких последовательно соединенных шарнирных параллелограммов. Покажем, как получить параллельную ориентацию при сочетании с различными видами воспроизводимых или преобразуемых траекторий. В общем случае параллельно-ориентирующий меха- низм представляет собой кинематическую цепь, обеспе- чивающую синхронный поворот ее входного и выходно- го звеньев, по крайней мере одно из которых образует кинематические пары только с подвижными звеньями механизма. Частные функции механизма: 1) синхронный поворот входного и выходного звеньев, шарнирно соединенных с копирующим меха- низмом в копирующей и воспроизводящих точках (схемы 4.1 и 4.2); 2) синхронный поворот входного звена, шарнирно соединенного со стойкой выходного звена, соединенного с направляющим механизмом в воспроизводящей точке (схемы 4.3, 4.4). При остановке входного звена во втором случае ме- ханизм превращается в поступательно-ориентирующую кинематическую цепь. На схемах 4.1 и 4.2 - примеры присоединения ори- ентирующей цепи (жирные линии) к копирующему ме- ханизму (тонкие линии), выполненному в виде пантогра-
функциональный подход к выбору и составлению схем 55 21. РЕШЕНИЯ ЧАСТНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЗАДАЧ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ И ОРИЕНТАЦИИ ТЕЛА В ПРОСТРАНСТВЕ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ (НЕПОДВИЖНОМУ ИЛИ ПОДВИЖНОМУ ЗВЕНУ) ОРИЕНТАЦИИ ТЕЛА В ПРОСТРАНСТВЕ Звено 2 4.4 Цепная /ленточная передача 1 Радиально-ориентирующие механизмы с двумя степенями свободы Привод 2 Звено 1 Звено 1 ABODEI О Звено 2 Радиально-ориентирующий механизм с тремя степенями свободы Привод 2 Привод 1 шк ABOCDEI - копирующий механизм на основе пантографа IRQO - параллельно- ориентирующая кинематическая цепь - копирующий механизм на основе пантографа IMLDKO - параллельно-ориентирующая кинематическая цепь I - задающая точка (кинематическая пара) ~нт0чная . . передача О - воспроизводящая точка (кинематическая пара) 4.5 Привод 1 Привод 4 Привод 3 Захватное | устройство Привод 2 ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ ОРИЕНТАЦИИ (ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ) ПРИ ПРЯМОЛИНЕЙНОЙ ТРАЕКТОРИИ Привод 5.5 Выходное звено Захватное Ползун 2 устройство Г57ТТ Зубчатые Выходное секторы 3-4 звено Положение 1 Положение А Ролик 1 Ролик 2 Зубчатые секторы 1 -2 Коническая зубчатая передача (i = 1) Ползун 1 Гидроцилиндр Выходное звено Силовое замыкание Траектория т. С С' Захватное устройство ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ ОРИЕНТАЦИИ ПРИ ПРОИЗВОЛЬНОЙ ПЛОСКОЙ ТРАЕКТОРИИ Воспроизводимая траектория Ползун :^Tq1 / ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ ОРИЕНТАЦИИ ПРИ ПРОИЗВОЛЬНОЙ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ТРАЕКТОРИИ 6.1 6.3 Звено 2 Тяга 2 / Тяга 1 / Цепь 2 Звездочка 2 Цепь 1 Цепь 3 Кабина С -L. о В Е р Выходное р звено [6Ja] Ползун / Направляющая Гидроцилиндр 3 Звено 3 звено D Задаваемая траектория Е D 6.2 Гидроцилиндр \ Рама В Звено 1 17-" > 7г. хЗвено 2 Тележка 1 1в) й Ковш Платформа D Звездочка 1 Гидроцилиндр 2 Звено 1 Звездочка 3 Параллелограммный механизм -------- Гидроцилиндр 1 I \ Поворотная /------\ платформа —ч г । / Тележка 2 6.3а| Секция 2 Звездочка 5 Кабина ----А-, Звездочка 4 W//7777//77s, Рама ( А ) ( А } \ \ мвшины у \ Секция 1 Звездочка 3 'К Г и дроцилиндр Звездочка 2 Звездочка 1 Секция 1 Цепь \ Xvjy* Звездочка 6 Гидроцилиндр 1 Поворотная платформа
56 ПОСТРОЕНИЕ СТРУКТУРНЫХ, КИНЕМАТИЧЕСКИХ И КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ фа. В основе пантографа - параллелограмм BCDE с опо- рой А. Звенья 7 и 2 шарнирно соединены с пантографом в копирующей I и воспроизводящей О точках. В схеме 4.1 эти звенья между собой соединены зве- ном через две поступательные пары. В схеме 4.2 они со- единены двумя параллелограммами IMLD и DLKO, в которые входят как дополнительные звенья, так и звенья пантографа. Параллельно-ориентирующий механизм позволяет не только воспроизводить заданную траекторию, но и обеспечивает, например, заданное положение инстру- мента при обработке деталей. На схемах 4.3, 4.4 представлены механизмы для воспроизведения вращательного (или даже сферическо- го) движения относительно неподвижной точки звеном, образующим кинематические пары только с подвижными звеньями. Такие механизмы применяют в случаях, когда не- возможно, например, разместить неподвижную опору в точке, вокруг которой требуется получить вращательное движение звена. Примером использования их являются сварочные головки. Схема 4.3 представляет собой соединение двух па- раллелограммов FGCE и ABCD, установленных на вра- щающемся звене GK. Здесь поворот звена EF в точности копируется звеном АО. Аналогичное решение - схема 4.4а, но в ней роль параллелограммов выполняют цепные передачи 7 и 2. Звездочки цепных передач имеют центры вращения в точках G, В (две звездочки), А, и каждая из них непод- вижно соединена с одним из звеньев GK, BG, АВ и АО незамкнутой кинематической цепи GBAO. (После при- соединения цепных передач или установки приводов в шарнирах G, В, А кинематическая цепь становится замк- нутой многоконтурной.) Схема 4.5 — пример использования радиально- ориснтирующего механизма в подвесном манипуляторе. Он выполнен в виде соединенных между собой общим звеном PGR параллелограммов GBLP и RGJM. К звену MJ присоединен еще один параллелограмм MNWV, сто- роны которого параллельны сторонам параллелограмма RGJM. К звену VW присоединено захватное устройство с центром О. В точке В установлены две приводные пары, сообщающие движение звеньям BG и BL. Точка J соединена тягой DJ с приводным звеном AD. Совместные движения трех звеньев BG, BL и AD позволяют перемещать точку О в плоскости и поворачи- вать вокруг нее ось захвата OW. Возможны следующие частные варианты движений. Если звенья BG и BL неподвижны, то неподвижно и звено PGR, а поворот звена AD приводит к повороту зве- на GJ вокруг точки G, а звена RV - вокруг точки R. Звено VW движется поступательно, а точка О — по дуге окружности О" с центром в точке G. Если неподвижно звено АВ, то точка J движется по дуге окружности JJ', а точка О — по дуге окружности ОО' с центром в точке С. Ось OW либо движется поступатель- но при повороте звена BG и при неподвижном звене BL (см. положение O'W'), либо дополнительно поворачивается вокруг точки О, если подвижны оба звена BG и BL. При этом линия OW все время ориентирована параллельно GR. При повороте только одного звена BL звено RPG повернется вокруг точки G, а ось захватного устройства OW повернется вокруг неподвижной точки О. Точка W будет двигаться по дуге окружности WW" с центром в точке О. Здесь использовано свойство сдвоенного парал- лелограмма ( см. схему 4.3) поворачивать звенья вокруг неподвижной точки при отсутствии в ней шарнира. Схемы 5.1 ... 5.5 — отдельные примеры решения за- дачи воспроизведения поступательно-прямолинейного движения. На схеме 5.1 два зубчатых сектора 1 и 2 зацепляются между собой и через рычаги ВС и DE шарнирно соеди- нены с другой парой зубчатых секторов 3 и 4. Оси шар- ниров последних размещены в выходном звене. При по- вороте одного из секторов 1 или 2 выходное звено дви- жется поступательно-прямолинейно. На схеме 5.2 - поступательно-прямолинейный про- странственный механизм. Выходное звено подвижно со- единено со стойкой посредством двух одинаковых двух- звенных кинематических цепей АВС и А'В'С', располо- женных во взаимно перпендикулярных плоскостях. При положениях звеньев, близких к предельным, например, когда звенья вытягиваются в линию, имеют место большие углы давления в кинематических парах. Чтобы обеспечить передачу движения звеньям обеих кинематических цепей параллельно и кратчайшим путем, между звеньями АВ и А'В' установлена коническая зуб- чатая передача с передаточным отношением i = 1. При повороте одного из звеньев АВ или А'В' вы- ходное звено движется прямолинейно-поступательно. В схеме 5.3 прямолинейно-направляющий механизм выполнен в виде параллелограмма АВВ'А' и зубчатого механизма, один из зубчатых секторов которого соеди- нен неподвижно со звеном АВ, в другой - со звеном DC, причем DC = АВ. Точка С имеет прямолинейную траек- торию. Присоединение звена D'C' позволяет образовать параллелограмм DCC'D'. При повороте звена АВ реализуется параллельное положение прямых ВВ', АА' и DD', СС', а следовательно, поступательное движение звена СС' и присоединенного к нему захватного устройства. В схеме 5.4 прямолинейное движение точки С за- хватного устройства (см. положение 2) воспроизводится благодаря использованию пантографов, приводимых в движение ползуном 1. Для обеспечения поступательного движения при- соединена структурная группа II класса, содержащая за- хватное устройство и ползун 2, образующие поступа- тельную пару. Выходное звено (сталкиватель груза в погрузчике) на схеме 5.5 движется поступательно-прямолинейно бла- годаря воздействию на него ролика 2, приводимого в движение гидроцилиндром через рычажный (с равнопле- чими рычагами) механизм. Прижатие роликов 7 и 2 (си- ловое замыкание) к поверхностям качения обеспечивает- ся силой сопротивления движению.
СОВМЕЩЕНИЕ И РАЗДЕЛЕНИЕ ФУНКЦИИ 57 На схемах 6.1 ... 6.3а представлены примеры обес- печения поступательного движения выходного звена при лобой заданной траектории его точки. На схеме 6.1 пантограф в виде параллелограмма CEDF с шарнирной опорой в точке А, копирующей т. I и воспроизводящей т. В, расположенными на звеньях па- раллелограмма и на прямой АВ. К звену CF в т. В шарнирно присоединена поступа- тельно-ориентирующая кинематическая цепь со стойкой [основанием] (на схемах заштриховано). Механизм со- держит выходное звено, которое движется поступательно и воспроизводит заданную траекторию любой из точек, например, т. О. Выходное звено соединено поступатель- ной парой R с ползуном. На схеме 6.1а дан вариант конструктивного испол- нения схемы для воспроизведения траекторий с много- кратным уменьшением перемещений выходного звена по сравнению с перемещениями точки О. Малые расстояния между осями шарниров А, С и В позволяют разместить шарнир А внутри шарнира С. а шарнир С' внутри шарнира В. Аналогично этому шарнир В размещен в выходном звене, которое в свою очередь расположено в ползуне, перемещаемом в направляющей стойке (см. пару Q на схеме 6.1). Такое исполнение позволяет обеспечить компакт- ность механизма, большую жесткость системы. Выбор соотношений размеров и пар трения позволяет также добиться самоторможения в отдельных кинематических парах с целью исключения передачи движения от внешних воздействий на звено IE (при установке на выходном звене инструмента и обработке детали по заданному контуру). Механизм на схеме 6.2 обеспечивает горизонтальное положение сталеразливочного ковша, сохраняя постоян- ной его ориентацию относительно звена DC тележки 2. Ковш установлен на платформе, которая шарнирно в т. В соединена с рамой. Рама опирается на тележки 7 и 2. Относительно тележки рама может подниматься и опус- каться гидроцилиндром. Тележка 7 соединена с рамой двумя сочлененными звеньями 7 и 2, что не допускает вращения тележки относительно оси гидроцилиндра. При наклоне рамы платформа сохраняет свое гори- зонтальное положение благодаря ее соединению тягой AD с тележкой 2. Это условие соблюдается благодаря размещению осей шарниров А, В, С и D в углах паралле- лограмма. На схемах 6.3 выходное звено - кабина, шарнирно подвешенная к стреле машины, сохраняет положение пола параллельным по отношению к поверхности плат- формы. Стрела выполнена на основе незамкнутой кинема- тической цепи, содержащей шарнирно соединенные зве- нья 7, 2 и 3. Звено 7 присоединено к поворотной плат- форме, установленной на раме машины. Между звеньями 7 и 2, 2 и 3, а также звеном 7 и платформой установлены гидроцилиндры 3, 2 и 7, обес- печивающие относительное движение звеньев. Звено, на котором установлена кабина, соединено с платформой с помощью системы передач, обеспечивающих заданную ориентацию кабины. В общем случае это последовательно соединенные параллелограммы и эквивалентные им механизмы. Тяги образуют три параллелограмма, присоединенные к пово- ротной платформе. К одной из сторон параллелограмма присоединена звездочка 1, которая огибается цепью 1 и через тяги 7,2 и цепь 2 взаимодействует со звездочкой 2. Звездочка 2 соединена со звездочкой 3 цепью 3. Цепные передачи имеют передаточное число i = 1. К звездочке 3 неподвижно присоединено звено, на котором размещена кабина. Как бы ни двигались звенья 1-3, между платформой и кабиной обеспечивается i = 1, т.е. не будет происходить их относительный поворот (в плоскости схемы). В схеме 6.3а стрела выполнена телескопической. Ее составные звенья - секции 7 и 2 соединены поступатель- ной парой. Изменение наклона стрелы осуществляется гидроцилиндром 7, а выдвижение секции 2 — гидроци- линдром 2. Через звездочку 3, установленную на штоке гидроцилиндра 2, перекинута цепь, связывающая между собой секции 7 и 2. Такое соединение позволяет иметь удвоенный ход секции 2 по отношению к ходу штока гидроцилиндра. В данной схеме цепь выполнена замкнутой и осуще- ствляет еще и ориентацию кабины относительно плат- формы. Цепь огибает звездочки 1-5. Причем звездочка 7 неподвижно соединена с платформой, а звездочка 5 - с кабиной. Числа зубьев звездочек одинаковые, передаточ- ное число цепной передачи i = 1. Звездочка независимо от перемещения ее оси не будет поворачиваться. 2.4. СОВМЕЩЕНИЕ И РАЗДЕЛЕНИЕ ФУНКЦИЙ Улучшить отдельные определенные свойства конст- рукции можно, совмещая несколько функций, выполняе- мых одной конструктивной единицей (элементом, дета- лью, соединением, механизмом и т.п.) либо, наоборот, придавая каждой единице выполнение только одной, наиболее характерной для нее функции. Разумеется, в том и другом случае речь идет о сравнении предлагаемо- го решения с определенным прототипом, в котором функции соответственно разделены или совмещены. Как было отмечено, функция лежит в основе теории конструирования. Охарактеризуем исключительное мно- гообразие воспроизводимых в технике функций. Напри- мер, в упомянутой книге К. Рота приведено 200 глаголов для описания функций, но среди них отсутствуют, в ча- стности, глаголы: вальцевать, воспроизводить, выходить, демпфировать, зенковать, катить, манипулировать, при- тирать, растачивать, реверсировать, сохранять, ударять, шагать, хонинговать и др. Возможное количество сочетаний глаголов с наиме- нованиями конкретных объектов весьма велико, напри- мер, воспроизводить прямую линию, окружность, по- верхность, пересечение поверхностей и т.п. При этом нужно отделить возможные функциональные признаки
58 ПОСТРОЕНИЕ СТРУКТУРНЫХ, КИНЕМАТИЧЕСКИХ И КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ 22. СОВМЕЩЕНИЕ ФУНКЦИЙ ДЕТАЛЕЙ И СОЕДИНЕНИЙ В МЕХАНИЗМАХ Зубчатый механизм 2 Обод колеса ЕЕ] Опора А Барабан Корпус/рама \ внутри барабана Двигатель Редуктор Опора С Подшипниковая опора колеса / Зубчатый механизм 1 О Двигатель Опора В Подшипниковые опоры барабана Корпус/рама Пружина Поршень {j гидроцилиндра А Тормоз 2 Выходной вал Муфта 2 “2 Планетарный механизм 2 Планетарный механизм 1 Входной вал Муфта 1 'Муфта 1 Муфта 2 Центральные колеса Сателлит Полость для размещения устройства управления муфтой Входной^ вал Сателлит FW11 | > ГЯ11 Центральное колесо Водило Y//A Выходной 'вал Муфта 1 Муфта 2 Тормоз 2 Ь е Выходной Корпусная деталь Обозначения: а, Ь, е - центральные зубчатые колеса g, f - сателлиты h - водило Двигатель Диск 1 Механизм 3k Кольцо 2 Крышка Водило с опорными поверхностями для сателлитов Поршень гидроцилиндра Механизм 2k-h Механизм 2k-h Входной вал Диск 2 Кольцо 1 ЖДУ. Подшипник Водило Водило Ось сателлита Центральное зубчатое (с винтовыми зубьями) колесо Диски тормоза tz Диски тормоза Зубчатое колесо Сателлит Вал двигателя Сателлит c&l
СОВМЕЩЕНИЕ И РАЗДЕЛЕНИЕ ФУ НКЦИИ 59 от параметров и качественных показателей объекта, ко- торые обычно могут быть представлены как составляю- щие функции, например, воспроизвести требуемую тра- екторию объекта с определенной скоростью, с заданной точностью и при допустимом энергопотреблении. Основная функциональная задача решается благо- даря выполнению множества частных функций, таких, как восприятие определенного вида нагрузки, изменение определенного параметра движения, передача вращаю- щего момента, центрование, компенсация определенной погрешности, ограничение перемещений и т.п. Из многообразия частных функций и их конструк- тивных решений нужно определить ту единственную совокупность, которая в полной мере соответствует по- ставленной задаче. Излагаемые ниже приемы позволяют составить варианты, из которых следует выбрать луч- ший, т.е. получить исходный продукт для применения известных методов оптимального проектирования. Конструктор часто, выбирая то или иное конструк- тивное решение, использует прием разделения или со- вмещения функций, не акцентируя на этом внимания. Например, характерны случаи совмещения функций: восприятие поперечной (радиальной) и продольной (осевой) нагрузки в радиально-упорном шарикопод- шипнике; передача выходным валом редуктора вращающего момента и восприятие консольной нагрузки со стороны исполнительного устройства; передача вращающего момента и центрирование бо- ковыми поверхностями выступов шлицевого соединения ит.д. При этом альтернативными вариантами соответст- венно являются: раздельное восприятие радиальной нагрузки ради- альным подшипником, а осевой - упорным; передача вращающего момента через соединитель- ную компенсирующую муфту, а восприятие сил испол- нительного устройства — его собственными опорами; передача момента боковыми поверхностями, а цен- трирование - по внутренним или внешним поверхностям шлицев. Анализируя опыт конструирования машин, можно прийти к выводу, что рассматриваемые приемы не всегда реализуются адекватно имеющимся возможностям, а в литературе приведены лишь отдельные примеры приня- тия тех или иных решений без каких-либо обобщений. В результате проведенного анализа нельзя отдать одно- значное предпочтение совмещению или разделению функций, но можно определить их взаимосвязь с качест- венными показателями машины. Разделение функций означает специализацию кон- кретных решений и, естественно, частную функцию можно выполнить наилучшим образом, но это не означа- ет, что в совокупности такие решения позволят наилуч- шим образом выполнить общую функцию. Конечно, удобнее всего собрать машину из отдельных унифициро- ванных блоков, но отдельные качественные показатели при этом будут невысокими. Совмещение функций — своего рода универсализа- ция со всеми вытекающими положительными и отрица- тельными сторонами. Поэтому наиболее приемлемый путь — получение и сравнение возможных вариантов с учетом тенденций использования соответствующих приемов и общих рекомендаций, которые постараюсь представить во взаимосвязи с другими принципами кон- струирования. Наиболее характерной тенденцией, например, явля- ется совмещение функций восприятия рабочих нагрузок и защиты устройства от внешней среды. В легковых автомобилях функции несущей и за- щитной частей обычно совмещены в одном кузове, хотя в ранних конструкциях, а также в современных легковых автомобилях повышенной проходимости и во всех грузо- вых автомобилях данные функции реализованы раздельно. Не углубляясь в эту область техники, можно отме- тить, что совмещение функций позволяет привести к уменьшению габаритных размеров и массы (рис. 22, схе- мы 1.1 и 1.2), к конструктивному упрощению исходной схемы (схема 1.3а), к уменьшению количества деталей (схемы 1.46 и 1.5а). В то же время разделение функций (рис. 23 и 24) обеспечивает определенность схемы на- гружения и лучшую взаимную приспособляемость звень- ев системы, позволяет обеспечивать более высокую точ- ность параметров воспроизводимого движения, приводит к упрощению системы управления приводами, повыше- нию КПД и др. Большинство конструкций обычно создают на осно- ве выборочного использования того или иного приема по отношению к конструктивной единице или группе еди- ниц, а не к объекту в целом. Наиболее яркий пример совмещения функций - встраивание элементов привода и механической переда- чи в пустотелые выходные звенья, т.е. использование в качестве несущей и/или защитной частей привода дета- лей исполнительного устройства. На рис. 22, схемы 1.1 и 1.2 - примеры встраивания соответственно редуктора в барабан лебедки и многоско- ростной планетарной передачи в ступицу колеса. Осо- бенность схемы 1.1 заключается в размещении рамы (не- сущей части) внутри барабана и совмещении ее с отдель- ными деталями редуктора (с центральным колесом пер- вого планетарного ряда и с водилом второго ряда). Рама опирается на внешние опоры А, В, С и как бы пронизы- вает насквозь редуктор. На раме установлены двигатель и замыкающие элементы тормоза. Особенность схемы 1.2 заключается в размещении устройств управления фрикционной муфтой в полостях водила планетарного механизма. От гидромотора движе- ние передается через планетарные зубчатые механизмы 1 и 2 ободу колеса. При этом включение муфты 1 приводит к блокировке первого механизма, а включение муфты 2 - к последовательному соединению обоих механизмов. Одновременное включение обеих муфт приводит к тор- можению колеса, а одновременное их выключение — к размыканию кинематической цепи и движению машины накатом.
60 ПОСТРОЕНИЕ СТРУКТУРНЫХ, КИНЕМАТИЧЕСКИХ И КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ Устройства управления (гидроцилиндры и пружи- ны) размещены в полостях между сателлитами (см. схему 1.2а). Как вариант часть устройств, например пружины, могут быть размещены в полых осях сателлитов. Харак- терно, что наличие этих устройств в данной схеме не приводит к увеличению осевого размера передачи, полу- ченного при их отсутствии. Нагрузки со стороны колеса передаются на раму через подшипниковую опору. Такое решение делает реальным создание гидромо- тор-колеса малого диаметра. Следует, однако, отметить отрицательные стороны этих решений. Так, в компактных конструкциях плохой теплоотвод, да и привычный для ответственных конст- рукций доступ к деталям и узлам ограничен, что затруд- няет их обслуживание. В то же время конструкторы находят выход из дан- ного положения: имеется ряд решений мотор-барабанов с каналами для вентиляции, пронизывающими насквозь конструкцию, а также удобных для сборки и разборки блочных конструкций. Следующую возможность совмещения функций - конструктивное упрощение кинематической схемы - ил- люстрирует схема 1.3а. Исходная схема 1.3 представляет собой соединение двух планетарных механизмов: 1 с са- теллитом, составленным из двух зацепляющихся колес, и 2 с одновенцовым сателлитом. Диаметры сателлитов g! и g2 выбирают одинаковыми и совмещают. Также совме- щают центральные колеса ai и а2 и водила ht и h2. В результате получается механизм (схема 1.3а), ко- торый ненамного сложнее каждого из исходных меха- низмов. При синтезе такой схемы прием совмещения функций использован неоднократно, но пока ограничим- ся только одним из этапов. Решение в целом представляет передача для полу- чения нескольких скоростей, в том числе реверсирования вращения выходного вала при вращении входного вала с постоянной угловой скоростью. Соответствующие режи- мы получаются при включении муфты 1 или 2 и включе- нии тормоза 1 или 2; включение обеих муфт приводит к блокировке передачи, а включение обоих тормозов — к торможению выходного вала. Многие решения, приведенные в справочной лите- ратуре, уже получены с использованием приема совме- щения функций, хотя мы их принимаем как неделимый элемент. Например, схема 1.4а планетарной передачи получена по аналогии со схемой 1.3а путем совмещения функций двух планетарных механизмов более простого вида (см. схему 1.4). Данная схема известна как передача типа 3k (по числу центральных зубчатых колес а, Ь, е), а исходные схемы - две передачи типа 2k-h (два централь- ных колеса и водило). Конструктивное совмещение привело к уменьше- нию общего числа центральных колес (вместо четырех — три); к объединению двух водил в одно водило h и сател- литов двух видов в один вид (двухвенцовый сателлит с венцами g и f). Передача такого типа позволяет получать большое передаточное отношение, но при сравнительно невысо- ком КПД. Это ограничивает область применения переда- чи маломощными, редко и кратковременно включаемы- ми приводами, часто соответствует вышеизложенному принципу функциональной целесообразности. Схема 1.46 — дальнейший путь совмещения функ- ций деталей передачи по схеме 1.4а. В сателлите зубчатые венцы объединены в один ве- нец g-f. Здесь всего один сателлит и разность чисел зубь- ев колес Ь, е — всего один зуб, а условие соосности дос- тигнуто за счет выбора соответствующих смещений ис- ходного контура. Функции водила выполняют торцовые диски в со- вокупности с торцовыми поверхностями колеса b и крышки с кольцами. При этом торцовые поверхности воспринимают момент сил, действующих на сателлит, а кольца - радиальные силы, возникающие во внутренних зацеплениях, которые не могут быть уравновешены си- лами внешнего зацепления, так как намного превышают их по величине. В корпусной детали совмещены функции выходного звена и подшипника скольжения. Центральное колесо а установлено на валу двигателя, корпус двигателя при- фланцован к колесу Ь. Как свидетельствует данный пример, совмещение функций позволяет исключать полностью отдельные де- тали, придавая их функции элементам деталей иного на- значения. Наиболее распространенный пример — возврат к бо- лее ранним решениям подшипников качения без внешне- го и/или внутреннего колец (схема 1.5). В ущерб унифи- кации и блочности конструкции такие решения приме- няют особенно в тех случаях, когда требуемая компакт- ность играет определяющую роль, например, при встраи- вании их в детали заведомо малых размеров. Ролики подшипника имеют дорожки качения: внешнюю — по- верхность оси сателлита, а внутреннюю — в теле самого сателлита планетарной передачи. Кроме того, на схемах 1.5 и 1.5а противопоставлены два решения: раздельное и совмещенное исполнения зубчатого колеса и тормоза. Так, в схеме 1.5а исключено зубчатое колесо, а его функции переданы зубьям, наре- занным на дисках тормоза. Такое решение оправдано еще и тем, что внутреннее зацепление в планетарной переда- че обычно нагружено по сравнению с внешним, и поэто- му уменьшение длины контактной линии здесь целесо- образно. В схеме 1.6 самоблокирующего [повышенного тре- ния] дифференциала сателлиты не имеют отдельно вы- полненных осей и подшипников. Их функции совмещены с поверхностью вершин винтовых зубьев и поверхностью отверстия в водиле. Осевые перемещения сателлитов ограничены торцовыми поверхностями полостей водил. В данном примере совмещение функций сопровож- дается увеличением сил трения (сопротивления относи- тельному проворачиванию звеньев), что функционально целесообразно для этого вида дифференциала.
СОВМЕЩЕНИЕ И РАЗДЕЛЕНИЕ ФУНКЦИИ 61 Разделение функций используют, когда выполне- ние дополнительных функций не позволяет в полной ме- ре использовать характерные свойства устройства или снижает его качественные показатели, или конструкция устройства для совместного выполнения функций слиш- ком сложна и дорога и т.п. На схеме 2.1 (рис. 23) опора вала выполнена в виде двух подшипников. Роликовый подшипник воспринимает только радиальную нагрузку, а шариковый радиальный подшипник только осевую на- грузку. Такое решение характеризуется наибольшей про- стотой в сравнении с другими решениями при одинако- вой нагрузочной способности. Наиболее распространенным (в точных приборах и системах) примером разделения функций является вве- дение в кинематическую цепь дополнительных устройств для разгрузки приводов и основных кинематических пар от силы тяжести выходного звена. На схеме 2.2 звено перемещается по "точной" направляющей, которую тре- буется разгрузить от силы тяжести Fg\. Для этой цели установлена параллельно "грубая" направляющая, по которой перемещается ползун, воспринимающий через рычаг силы тяжести звена и его противовеса (Fg?). На схемах 2.3 и 2.4 приведены традиционная (типа Skara) и новая схемы плоского манипулирующего меха- низма. Платформа ADM соединена с основанием тремя кинематическими цепями: ABC, DEG и MLK. В обеих схемах кинематические цепи воспринимают силу тяже- сти платформы Fg. В традиционной схеме они еще и передают движу- щие силы со стороны приводов, а в новой - кинематиче- ские цепи воспринимают силу тяжести платформы, при- воды же передают движение непосредственно платформе. Привод поворота стола в данном примере — коррек- тирующий и обеспечивает постоянную ориентацию платформы в плоскости. В принципе, обе системы функ- ционально эквивалентны: они обладают тремя степенями свободы, но приведенные конкретные решения продикто- ваны различными параметрами и требуемыми качествами. В схеме 2.5 ротор установлен консольно в опоре. Чтобы разгрузить опору от силы тяжести ротора и обес- печить его точное вращение, установлен рычаг с пружи- ной и роликом. Это устройство воспринимает силу тяже- сти ротора, а опора обеспечивает постоянное положение его оси. На схеме 2.6 показано разделение функций в меха- низме соединения тягача с прицепом. Задача — передать агрегатам прицепа вращающие моменты Т\, Т2 и обеспе- чить пятиподвижное соединение тягача с прицепом для восприятия осевых сил F\, F2 - могла бы быть решена применением одной карданной передачи. Для разделения функций применены параллельно два механизма: один — для передачи вращающего момен- та - карданная передача, а второй - для восприятия осе- вой силы — такого же вида механизм, выполненный в виде двух последовательно соединенных универсальных шарниров. Вилка второго шарнира жестко соединена с прице- пом, а вилка первого - шарнирно с тягачом. Центры уни- версальных шарниров совпадают с центрами шарниров карданной передачи. Для центральной передачи осевой силы промежуточное звено выполнено в виде двух сим- метрично расположенных тяг 1 и 2 или в виде трубы с проушинами для соединения с крестовинами шарниров. Чтобы исключить вероятность восприятия осевой силы карданной передачей, необходимо предусмотреть шли- цевое подвижное соединение в промежуточном звене или обеспечить свободу осевого перемещения в опоре вход- ного или выходного звена. Несовпадение центров уни- версальных шарниров из-за погрешностей изготовления может привести к боковым нагрузкам на звенья кардан- ной передачи, поэтому ее входное и выходное звенья целесообразно установить в упругих опорах. Рассмотренные примеры достаточно явно выражают взаимосвязь между частными функциями и операцией их совмещения или разделения, а также сопровождающими ее достоинствами. В практике конструирования возмож- ность и целесообразность совмещения или разделения функций не всегда лежат на поверхности. Более того, в одной и той же конструкции предусматривается как од- на, так и другая операция, а встречаются ситуации, в которых одни и те же детали представляются носителями совмещенных функций одного вида и разделенных функций другого вида. В этой связи при глубокой прора- ботке возможных вариантов, используя предлагаемые приемы, можно решать очень интересные задачи. На схемах 2.7 и 2.7а показаны традиционный и но- вый поступательно-ориентирующие механизмы. Приме- чательно, что механизм на схеме 2.7а не имеет ни одной поступательной пары, которые обычно менее техноло- гичны в изготовлении, склонны к перекосам и имеют более низкий КПД по сравнению с вращательными сфе- рическими парами. В каждой поступательной паре (схе- ма 2.7) совмещены функции постоянной ориентации и прямолинейного (вдоль одной из осей координат X, Y, Z) движения, осуществляемого линейным приводом (пока- заны движущие силы Fi, F2 и F3). В схеме 2.7а каждая из пар - вращательная, т.е. функции существенно разделены, и требуемая ориента- ция достигается как совокупность отдельных функций, а прямолинейное движение получается как сумма трех движений по дугам окружностей. Еще несколько лет назад такое решение выглядело бы неразумным, так как сопряжено с усложнением сис- темы управления, в настоящее время это не является препятствием, более того, в определенных условиях можно получить более высокую точность ориентации и перемещений по сравнению с достигаемой традицион- ным решением. Схема 2.7а построена следующим образом. К вы- ходному звену (рабочем столу) присоединены поступа- тельно-ориентирующие (не допускающие вращения во- круг осей координат Z, Y и X кинематические цепи DEGG'LK, MNSRP и PRUQHWV. В кинематических це- пях с упомянутыми функциями ограничения вращений совмещены функции линейных перемещений с помощью приводов, вращающие моменты которых Т2 и Г3.
62 ПОСТРОЕНИЕ СТРУКТУРНЫХ, КИНЕМАТИЧЕСКИХ И КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ 23. РАЗДЕЛЕНИЕ ФУНКЦИИ ВОСПРИЯТИЯ/ПЕРЕДАЧИ СИЛ □И Корпус Роликовый подшипник воспринимает только радиальную нагрузку FY. Гайка Шип вала Упорный диск Зазор Шариковый радиальный подшипник воспринимает только осевую нагрузку Fx. Г^3~| 124 | "Грубая" направляющая воспринимает силы Fg] и Fgi- "Точная" направляющая разгружена от силы F^j. Противовес Ролик Коромысло Ползун Г 2 5 I Подшипниковая опора 1—;। разгружена от силы тяжести ротора и обеспечивает его точное центрирование. Т2 Шарнирные механизмы нагружены силой Fz и моментами Tj, Т^, Т3. Рабочий стол В( Привод поворота стола Шарнирные механизмы нагружены только силой Fz. К Пружина воспринимает силу тяжести ротора. Ротор Ось Ролик ролика 'О Q1, Z С 1 I 2.7 | А 7х В х, Рабочий стол Привод перемещения стола (в основном) вдоль оси Y Привод ] перемещения Ju стола (в основном) вдоль оси X Карданное соединение нагружено только осевой силой. Универсальный шарнир [шарнир Гука] 2 Рама \прицепа^ у? Рама тягача Т1 Тяга 2 Универсальный шарнир [шарнир Гука] 1 Карданная передача нагружена только вращающим моментом. г3 Все направляющие и приводы нагружены силой Fz и моментами Тх, Ту и Tz. [гТТ] G С Моменты воспринимаются (в основном) раздельно парами тяг, замкнутыми общим (приводным) звеном. Моменты Tz Тх Пары тяг KL, DE PR, VW PR .MN Ту D B(S ©N Все приводы разгружены от силы тяжести стола. Силу воспринимают только тяги VH.PRn MN. 2zK Рабочий стол- Противовес гам Привод поступательного движения Разделительное уплотнение V, H,W, Q- - упругие сферические шарниры
СОВМЕЩЕНИЕ И РАЗДЕЛЕНИЕ ФУНКЦИИ 63 Только четвертая кинематическая цепь АВС предна- значена для воспроизведения одной функции - преобра- зования вращательного движения привода, момент кото- рого 7), в линейное перемещение выходного звена вдоль оси Y. Звено PR - общее для второй и третьей кинемати- ческих цепей. Эти же цепи одновременно выполняют функцию передачи силы тяжести выходного звена, вос- принимаемой противовесом, сила тяжести которого Fg. По сравнению со схемой 2.7, в которой каждый при- вод дополнительно нагружен силой тяжести и силами инерции, последовательно присоединенных к нему при- водов и/или выходного звена, в схеме 2.7а все приводы размещены на основании и разгружены от силы тяжести выходного звена. Что касается сложности схемы, то следует преду- предить, что не всегда можно оценить сложность конст- рукции только по кинематической схеме. На схеме 2.76 дано довольно простое конструктивное исполнение ки- нематической цепи с упругими парами, обозначенными идентично парам на схеме 2.7а. Выходное звено отгоро- жено от линейного двигателя, развивающего силу F3, разделительным уплотнением - сильфоном. Такое испол- нение позволяет воспроизводить поступательное движе- ние в изолированной среде без единой трущейся пары. Новая схема имеет определенную область примене- ния — малые и точные перемещения, а традиционная — пока незаменима для больших прямолинейных переме- щений. Приведенные примеры иллюстрируют в основном совмещение и разделение функций только механической системы машины. Однако, как сообщалось ранее, одно из основных направлений современного конструирования — это перераспределение функций между механической и немеханической (электрической, электронной) частями: между механизмами, приводами, системой измерения и управления. За последние 50 лет можно проследить однонаправ- ленную тенденцию разделения функций: все вычисли- тельные операции передаются электронной системе, функция передачи энергии в большей мере осуществля- ется электрической системой, а исполнительная функция (выполнение заданной работы) отводится приводам и механизмам. Между приводами и механизмами также происхо- дит перераспределение функций: изменение скоростного диапазона привода приводит к изменению передаточного отношения, количества необходимых режимов переклю- чения передач и соответственно схемы механизма. Пре- образуется и механизм, входящий в состав привода, или механизм, включенный в единый блок с двигателем (на- пример, в приводе типа мотор-редуктор). Чтобы понять эти тенденции, достаточно проанали- зировать литературные источники. Например, в широко известных замечательных справочниках И. И. Артобо- левского очень много внимания уделено однодвигатель- ным механизмам для воспроизведения различных кри- вых, для выполнения математических операций, для ре- гулирования и управления движением и несоизмеримо меньше содержится сведений о системах с большим чис- лом степеней свободы (многоподвижных механизмах), с большим числом двигателей (особенно с параллельным и замкнутым их соединением - многопоточных механизмах). Казалось бы, можно сделать вывод, что в прежних механизмах совмещение функций было определяющим, а в современных - определяющим является разделение функций. Но примеры свидетельствуют о еще не исчерпанных возможностях совмещения функций исполнительной и управляющей систем, что будет освещено в других раз- делах. В целом же использование приемов совмещения и/или разделения функций позволяет получать новые конструктивные варианты и более полно оценивать воз- можные пути решения функциональных задач. Рис. 24 иллюстрирует новое направление в конст- руировании манипулирующих систем на основе принципа разделения функций, которые получили, в частности, название механизмов относительного мани- пулирования. Наиболее ранний и совершенный прототип меха- низма [системы] относительного манипулирования - система двух рук человека (вдевание нитки в ушко игол- ки, натяжение тетивы лука и т.п.). Первым техническим решением в дополнение к рукам человека был гончарный круг. В современной технике простейшие механизмы применяют в обрабатывающих станках (см. схему 3.6а), в смесителях и др. Системе на схеме 3.1 присущи минимальные энер- гетические затраты и максимальная функциональная эф- фективность (точность, быстродействие и др.) по сравне- нию с одной рукой, совершающей движения относитель- но неподвижного тела. Общий структурный признак системы - наличие двух выходных подвижных звеньев. Общий прием полу- чения системы из механизма с одним выходным звеном исходного механизма является инверсия неподвижного звена на выходное звено, а промежуточного подвижного звена - на неподвижное. Схема 3.2а получена из схе- мы 3.2 инверсией звеньев 2 и 3. При этом возможность воспроизведения траектории т. А в системе координат звена 2 не изменилась. На схеме 3.2а обозначены; 3 - основание [стойка]; 1,2 — выходные звенья; дуговые стрелки на звеньях - приводы или угловые перемещения. Для структурного синтеза механизма могут быть использованы и другие приемы функционального преоб- разования схемы. Например, одни перемещения можно воспроизводить в одном известном механизме, а другие - в другом. На схемах 3.3, в частности, показаны два сфе- рических манипулирующих механизма, которые способ- ны воспроизводить относительные перемещения. Синтез механизмов относительного манипулиро- вания проводится с учетом следующих условий их су- ществования и частных свойств. 1. Минимальное число степеней свободы механизма равно двум, а минимальное число независимых относи- тельных перемещений выходных звеньев равно единице. Максимальное число степеней свободы механизма огра- ничено лишь техническими возможностями, а макси- мальное число независимых относительных перемеще- ний равно шести.
64 ПОСТРОЕНИЕ СТРУКТУРНЫХ, КИНЕМАТИЧЕСКИХ И КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ
СОВМЕЩЕНИЕ И РАЗДЕЛЕНИЕ ФУНКЦИИ 65 2. Число независимых относительных перемещений выходных звеньев равно числу независимых перемеще- ний в исходном механизме с одним выходным звеном (см. схему 3.2). 3. Число независимых относительных перемещений выходных звеньев равно сумме независимых перемеще- ний обоих выходных звеньев за вычетом дублирующих перемещений. Например, на схеме 3.3 представлен механизм, у ко- торого каждое из выходных звеньев 1 и 2 характеризует- ся тремя независимыми угловыми перемещениями, но в целом механизм имеет 5 независимых относительных перемещений. Чтобы в этом убедиться, достаточно не подсоединить между собой выходные звенья и прове- рить. возможно ли при этом их совместное движение. В данном примере оно возможно вокруг оси Z. 4. Кинематическая цепь выходного звена может иметь всего одно подвижное звено, образующее со стой- кой кинематическую пару. При этом, если пара однопод- вижная, то механизм может иметь только одну такую кинематическую цепь. Возможны различные варианты сочетания двух выходных звеньев, каждое из которых образует с основанием кинематическую пару или эквива- лентное ей кинематическое соединение. 5. Выходные звенья могут иметь общую кинемати- ческую пару. При этом если эта пара одноподвижная, то число независимых относительных перемещений равно единице, если пара двухподвижная, то это число равно двум и т.д. Возможно также такое замыкание кинемати- ческих цепей выходных звеньев, при котором имитиру- ется их соединение через кинематическую пару, напри- мер, при формообразовании зубьев методом обкатывания. 6. Выходные звенья по признаку воспроизводимого относительного движения совершенно равноценны, хотя по другим признакам, например, возможности размеще- ния на выходном звене тяжелого оборудования, они мо- гут быть существенно различны. Равноценность очевид- на, например, из рассмотрения схемы 3.5а. Три подвиж- ных звена 1, 2 и 4 образуют механизм, который воспро- изводит траекторию точки и ориентацию линии (пово- рот <р) в системе координат XY, неподвижно соединен- ной со звеном 1 или со звеном 2. 7. Плоский механизм с двумя - тремя независимыми относительными перемещениями может быть представ- лен в виде системы двух плоских кинематических меха- низмов в совпадающих или параллельных плоскостях, с числом степеней свободы 1 + 1 или 1 + 2 (схема 3.7). На схеме 3.5а одна из составляющих кинематиче- ских цепей - замкнутая (звенья 3-6-4-5-2). По существу, это плоский пятизвенный механизм с двумя степенями свободы. Функциональные свойства схем 3.4 и 3.5а оди- наковые. 8. Пространственный механизм с двумя — пятью не- зависимыми перемещениями может быть представлен в виде системы двух плоских механизмов в непараллель- ных плоскостях V и W (схема 3.7), причем каждая из со- ставляющих цепей обладает одной, двумя или тремя сте- пенями свободы при выполнении условия по п. 3. Независимое вращение вокруг линии пересечения V и W не воспроизводится. На схеме 3.7 два плоских пяти- звенных замкнутых механизма (каждый с двумя степе- нями свободы) образуют систему с выходными звеньями 7 и 2. Можно представить следующие независимые пе- ремещения: точка О звена 2 перемещается в системе ко- ординат YZ, а звено 1 перемещается параллельно оси и поворачивается (<pz) вокруг оси Z, что в соответствии с п. 3 позволяет иметь четыре независимых относительных перемещения. Линейное перемещение точки звена 7 и его поворот вокруг оси взаимозависимы, как и линейное перемещение точки звена 2 и его поворот вокруг оси X. Вращение вокруг оси Y в данном примере воспроизвести невозможно. 9. Пространственный механизм с числом независи- мых относительных перемещений, равным шести, может быть представлен в виде системы двух механизмов, из которых хотя бы один механизм пространственный (см. схемы 3.6 и 3.8а). 10. Синтез механизмов [систем] относительного ма- нипулирования наряду с приемами разделения функций и инверсии подвижного и неподвижного звеньев может быть осуществлен путем использования обобщенных структурных схем (из систематизированного банка). На схемах 3.5 и 3.8 представлены примеры таких систем. Они представляют собой совокупность блоков D, S, G, вместо каждого из которых может быть подставлен при- вод (в том числе с передаточным механизмом), сумми- рующий или передаточный механизм. Частные варианты, построенные по схемам 3.5 и 3.8, даны на схемах 3.5а и 3.8а. Следует обратить внимание, что в приведенных схемах все приводы (за исключением D1 в схеме 3.8) не- посредственно замкнуты на основание. 11. При выборе схемы из числа возможных пред- почтение следует отдавать решениям на основе замкну- тых кинематических цепей с вращательными парами и с приводами, расположенными на основании. По отноше- нию к традиционным решениям (схемы 3.6 и 3.6а), по- строенным на основе незамкнутых кинематических це- пей, с использованием поступательных пар и приводов на подвижных звеньях, рекомендуемые системы могут иметь более широкие функциональные возможности и характеризоваться меньшей массой и более высо- ким КПД. Механизмы относительного манипулирования могут обеспечить высокую точность воспроизводимых движе- ний и высокое быстродействие. Их можно использовать для осуществления технологических процессов обработ- ки или сборки изделий, обладающих небольшой массой. На схеме 3.7а — один из вариантов механизма станка — робота для шлифования лопатки газотурбинного двига- теля. Механизм обладает 7-ю степенями свободы. Седь- мая степень характеризует вращение шлифовального круга. В основе механизма - две замкнутые кинематиче- ские цепи (первая цепь 3-2-8-9-10 и цепь 3-4-1-5-6), рас- положенные во взаимно перпендикулярных плоскостях. Каждая из цепей имеет по два двигателя DI, D2 и D6, D7, размещенных на основании 3.
66 ПОСТРОЕНИЕ СТРУКТУРНЫХ, КИНЕМАТИЧЕСКИХ И КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ Двигатели D3, D4, D5 размещены на подвижных звеньях. Вторая кинематическая цепь позволяет захваты- вать лопатку, размещенную в перемещаемой палете, и манипулировать ею относительно перемещаемого шли- фовального круга. В данной схеме возможен вариант незамкнутого ис- полнения первой кинематической цепи в виде звена 2 с размещенным на нем приводом звена 8. На схеме 3.7а вверху показана система независимых компонентов воспроизводимого движения. Первая цепь воспроизводит компоненты х и <pz, а вторая цепь — пере- мещения в осях координат YZ и вращательные движения <рх и <pY- Схемы 3.5а и 3.8а также могут быть использованы в технологическом оборудовании. Как уже отмечалось, они получены из обобщенных структурных схем 3.5 и 3.8. На схеме 3.5а представлен плоский механизм с тре- мя степенями свободы. В нем приводы размещены на основании, инструмент размещен на подвижном звене 7, а позиционирующий стол образует с основанием и под- вижными звеньями 3, б, 4 и 5 пятизвенный механизм. Здесь функция осуществляется за счет раздельной неза- висимой реализации движения двух выходных звеньев — стола и инструмента. По сравнению с прототипом — ши- роко распространенной схемой типа Skara (см. схему 2.3 на рис. 23) - имеет место конструктивное упрощение: вме- сто семи подвижных звеньев использовано только пять. В отличие от традиционных механизмов с большим числом степеней свободы и общей кинематической це- пью в системе на схеме 3.8а имеется три сравнительно простых кинематических цепи, каждая из которых вы- полняет свою частную функцию. Пятизвенный механизм KLOMN с приводами D2. D3 предназначен для переме- щения объектива в горизонтальной плоскости, кинемати- ческая цепь FVUQE ориентирует зеркала 7 и 2 таким об- разом, чтобы луч все время проходил вдоль оси объекти- ва, привод DI перемещает объектив вертикально, а сфе- рический механизм ABCRST с приводами D4, D5 обес- печивает поворот изделия вокруг горизонтальных осей координат. Полученная система, например, может обес- печить лазерную обработку изделия произвольной кон- фигурации с направлением луча под любым углом по отношению к изделию. Преимущества очевидны: более высокий КПД благодаря малому числу пере- гибов (отражений) луча; более высокая достигаемая точность позициониро- вания благодаря простым и более жестким механизмам параллельной структуры с приводами, расположенными на основании (механизмы полностью разгружены от сил тяжести, сил инерции приводов и реактивных моментов); другие достоинства, продиктованные конкретным ее применением. 2.5. ПОЛУЧЕНИЕ ВАРИАНТОВ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ Современное конструирование немыслимо без со- ставления и анализа альтернативных решений. Нельзя останавливаться на варианте схемы, компоновки, гео- метрии элементов, даже если на первый взгляд этот ва- риант представляется лучшим. Довольно просто получить варианты соединений и компоновок методами комбинаторики из ограниченного числа элементов, но при этом из-за большого числа вари- антов их анализ очень сложен. Более предпочтителен метод постепенного конст- руктивного преобразования [совершенствования], при котором каждый шаг изменения конструкции продикто- ван закономерностями изменения одного из основных качеств или заимствован из аналогичных решений. Покажем возможность получения более совершен- ных и простых конструктивных вариантов на примере конструктивного преобразования разъемного сфериче- ского шарнира с замком (рис. 25). На схеме 7.7 — широко распространенное решение шарнира, составленного из трех звеньев: сферической головки (на конце стержня), чашки со сферическим гнез- дом и крышки со сферическим пояском. Крышку при- соединяют к чашке винтами после установки в гнездо сферической головки. Выдернуть головку из внутренней сферы можно, только открутив или разорвав винты. Чашка на схеме 1.2 имеет упругие лепестки, кото- рые при сборке отгибаются. Такой шарнир предназначен для передачи нагрузки только в направлении прижатия одного звена к другому. Шарнир на схеме 1.3 состоит из трех деталей. Го- ловка имеет прорезь, благодаря чему она упруго дефор- мируется и вводится в отверстие сопряженной чашки с внутренней сферой. Диаметр отверстия меньше наи- большего диаметра сферы. После введения шара в отвер- стие в него вворачивают винт, который фиксирует голов- ку в разжатом состоянии. Головка таким образом удер- живается в чашке. Головка на схеме 2.1а имеет круговой цилиндриче- ский поясок, диаметр которого d\ меньше диаметра <7; отверстия во внутренней сфере чашки. Собирают шар- нир, повернув головку относительно чашки таким обра- зом, чтобы поясок свободно проходил в отверстие внут- ренней сферы чашки. Для размещения стержня при сбор- ке шарнира служит выемка в чашке (схема 2.1а). Схе- ма 2.2 отличается от схемы 2.1 от схемы 2.1а тем, что цилиндрический поясок на сферической головке имеет в поперечном сечении форму эллипса или любого другого замкнутого контура, например, имеющего размеры d и I. Причем линия пересечения пояска со сферой на головке повторяет линию среза внутренней сферы (см. контур 7 и контур 2). В реальной конструкции вносится корректировка на очертание пояска с целью получения необходимых зазо- ров. В этом случае шарнир можно собрать только при определенном положении звеньев, показанном на схеме, когда поясок свободно проходит через отверстие, очер-
ПОЛУЧЕНИЕ ВАРИАНТОВ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИИ 67 ченное контуром 2. Поворотом головки после этого обеспечивают соединение звеньев шарнира. Разборку осуществляют в обратном порядке. На схеме 2.3 - аналогичная схеме 2.2 конструкция. С целью технологичности на головке выполнены плоские срезы. Контур 1 при этом представляет окружность. Пло- ские срезы выполнены и на головке. Контур 2 - дуга ок- ружности того же радиуса, что и контур 1. Вводят голов- ку, как показано на схеме 2.3, перемещая ее поступатель- но-прямолинейно так, чтобы контур 7 и 2 совместились, а затем разворачивают детали в рабочее положение. Ра- зобрать шарнир можно только при совмещении контуров. На схеме 3.1 головку вводят по криволинейной тра- ектории, например, по дуге окружности радиусом г. На головке выполнен поясок в виде торовой поверхности, образованной перемещением контура 2 отверстия по данной траектории. Контуры 7 и 2 при сборке совпадают. Разобрать шарнир можно, только совместив конту- ры 7 и 2 и перемещая головку по данной траектории. Тем самым достигается большая надежность в отношении исключения самопроизвольного разъединения сопряжен- ных деталей. На схеме 3.2 при сборке головку без поворота пере- мещают по дугам окружностей А] Аг, С[С2, В[В2 относи- тельно гнезда. На головке выполнен срез, по которому при сборке скользит всеми точками контур 2 отверстия. Изготовлен срез может быть при таком же перемещении инструмента, имеющего режущую кромку — контур 2. Объем срезанного тела головки в этом случае мень- ше, чем на схемах 2.1, 2.2, 2.3, 3.1 при той же удержи- вающей силе деталей от их разъединения. Надежность от самопроизвольного разъединения выше, чем в схеме 3.1, так как разборка возможна только при поступательно- криволинейном относительном перемещении деталей.
68 ПОСТРОЕНИЕ СТРУКТУРНЫХ, КИНЕМАТИЧЕСКИХ И КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ 26. ПОЛУЧЕНИЕ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ РЕШЕНИЙ МЕТОДОМ КОНСТРУКТИВНОЙ [ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ] ИНВЕРСИИ ВСТРАИВАНИЕ РЕДУКТОРА В ШКИВ, БАРАБАН ИЛИ КОЛЕСО КОНСОЛЬНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ а, b - центральные колеса; g-f-сателлит Рама ОПОРНЫЙ/ПОДДЕРЖИВАЮЩИЙ РОЛИК (КАТОК) СИММЕТРИЧНОЕ ДВУХОПОРНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ ДИСКОВЫЙ ФРИКЦИОННЫЙ ТОРМОЗ, ВСТРОЕННЫЙ В КОЛЕСО
ПОЛУЧЕНИЕ ВАРИАНТОВ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИИ 69 Контур 2 отверстия чашки (схема 3.3) подобран та- ким образом, что срез на головке имеет цилиндрическую поверхность радиусом d/2 (центр кривизны С3 лежит на одной прямой с точками Cj и В]), а контур среза - линия пересечения цилиндра и сферы. Такая конструкция более технологична. Сферический шарнир с полученной конструкцией замка можно применять в механизмах с самоустанавли- вающимися звеньями, в незамкнутых кинематических цепях антропоморфных механизмов и в протезах суставов. Наряду с конструктивными вариантами деталей и соединений существенное значение имеют варианты компоновочных схем. При этом речь идет как о про- стейшем размещении двух-трех элементов/деталей/сое- динений/сборочных единиц, так и о компоновке меха- низмов, агрегатов, блоков и иных систем. На схемах 4.1 ... 4.5 (рис. 26) даны исчерпывающие вариант ы размещения шкива/барабана/колеса относи- тельно двух опор. В схемах 4.1 и 4.3 — симметричное размещение, в схемах 4.4 и 4.5 - консольное размещение, а вариант на схеме 4.2 - смешанный, в котором сочета- ются свойства консольного и симметричного исполне- ния. Примечательно, что в практике известны примеры использования каждого из вариантов. Более того, про- слеживается также взаимосвязь каждого из вариантов с более сложными исполнениями механизмов. Некоторые из примеров приведены на схемах 4.2а ... 4.4а с указани- ем исходной компоновки. Интересно, что каждая из схем имеет свои, присущие только ей качества. Схема 4.2а позволяет встраивать в барабан лебедки блочную конструкцию редуктора. Схема 4.3а имеет же- сткую несущую раму внутри барабана. В схеме 4.4а роль корпуса выполняет ступица шкива, а редуктор защищен тонкостенным (легким) кожухом. Примечательно, что схемы 4.5а и 4.56 хотя и имеют одну и ту же компоно- вочную схему, но существенно отличаются по парамет- рам. Достаточно отметить, что мощность электропривода мотор-колеса по схеме 4.5а на порядок превышает мощ- ность гидропривода мотор-колеса по схеме 4.56. Аналогично решается задача получения компоно- вочных решений опорного/поддерживающего ролика (катка). В гусеничной машине он воспринимает вес базо- вой части машины, перемещаемой по бесконечной на- правляющей — гусеничной цепи или ограничивает прови- сание верхней ветви цепи. На схемах 5.1 ... 5.4 даны варианты исполнения ро- лика вместе с осью, подшипниками и рамой машины. Направление действия давления обозначено F. Ось мо- жет быть неподвижно соединена с роликом (схемы 5.1 и 5.2) или с рамой (схема 5.3 и 5.4); ролик выполнен с од- ной (схема 5.1) или двумя дорожками качения и соответ- ственно в виде двух цилиндрических деталей (схемы 5.2 ... 5.4). В схеме 5.3 детали ролика неподвижно соединены между собой перемычкой. На схеме 5.4а дано конструк- тивное решение ролика по схеме 5.4. Роликовый под- шипник (опора) защищен от внешней среды осевым тор- цовым уплотнением. Получение конструктивных вариантов, отличаю- щихся от традиционных решении, иногда позволяет су- щественно изменить функциональные качества устройства. На схемах 6.1 и 6.2 представлены варианты диско- вого тормоза, встроенного в обод колеса автомобиля. В схеме 6.1 корпус гидропривода тормозных колодок размещен с внешней стороны по отношению к диску, а в схеме 6.2 - с внутренней стороны. Благодаря такому ре- шению можно более рационально использовать про- странство внутри обода колеса и, в частности, увеличить средний радиус фрикционных элементов на Аг, что по- зволяет увеличить, например, тормозной момент при од- ном и том же давлении, но при этом немного усложняет- ся конфигурация диска и обода колеса. При получении вариантов и отборе для дальнейшей проработки проводят всесторонний анализ получаемых свойств. Здесь же даны лишь отдельные фрагменты анализа. Конструктивные варианты для такого анализа могут быть получены определенными приемами последова- тельного преобразования одной схемы в другую. Многие из них известны и широко используются, но данные пре- образования позволяют привести в систему поиск тре- буемого решения. На рис. 27.1, 27.2, 27.3 (схемы 7.1 ... 12.2) приведе- ны получаемые таким образом примеры, иллюстрирую- щие конструктивное и функциональное разнообразие нескольких простейших механизмов. В основу представ- ленных преобразований положены: изменения положений осей шарниров; совмещение функций звеньев; выполнение элементов шарниров большими разме- рами, чем размеры звеньев; размещение одних шарниров и звеньев в других шарнирах и звеньях; замена охватывающих элементов охватываемыми; замена одних кинематических (высших или низших) пар другими парами (низшими или высшими); придание движения неподвижному звену и, наобо- рот, остановка подвижного звена; замена прямолинейной направляющей криволиней- ной направляющей и т.д. На схемах 7.1 ... 7.8а показаны отдельные решения кривошипно-ползунного механизма. Буквами А, В, С обозначены кинематические пары; А', В' — элементы од- ноименных пар. На схеме 7.1 - идеализированная кинематическая схема. Схема 7.2 отличается от схемы 7.1 тем, что оси шар- ниров А и В в ней пересекаются между собой, а не па- раллельны. Направляющая ползуна при этом параллель- на оси шарнира А. Данная схема - это одна из наиболее распространенных разновидностей пространственного кривошипно-ползунного механизма. Далее приведем примеры преобразований только плоского механизма (схема 7.1). В схеме 7.3 вместо шар- нира А выполнен круговой паз А', в котором размещен кривошип в виде вкладыша. В схеме 7.4 кривошип выполнен в виде эксцентрика с круговым пазом В', взаимодействующим с совмещен-
70 ПОСТРОЕНИЕ СТРУКТУРНЫХ, КИНЕМАТИЧЕСКИХ И КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ 27.1. КОНСТРУКТИВНЫЕ РАЗНОВИДНОСТИ ПРОСТЕЙШИХ МЕХАНИЗМОВ КРИВОШИПНО-ПОЛЗУННЫЙ МЕХАНИЗМ МНОГОПОТОЧНОЕ ным узлом "шатун + шарнир С". В схеме 7.5 кривошип выполнен в виде эксцентрика и помещен внутрь шатуна. В схеме 7.6 кривошип и шатун выполнены в виде эксцентриков. Кривошип размещен внутри шатуна, а шатун внутри ползуна. Каждое из представленных реше- ний обладает своими особыми качествами. Например, конструктивная разновидность по схеме 7.6 представляет собой компактное решение, имеет большую жесткость в направлении движения ползуна, но низкий КПД из-за больших углов давления и скоростей скольжения по сравнению с другими решениями. В механизме ковочно-штамповочного пресса на схеме 7.7. использован двухпоточный симметричный кривошипно-ползунный механизм с общим ползуном, в который встроены два шатуна. А внутри каждого из ша- тунов размещены кривошипы - эксцентриковые валы. На схеме 7.8 показано, каким образом можно ис- пользовать кривошипно-ползунный механизм в многопо- точном (параллельном) соединении. С учетом односто- роннего направления давления на поршень осуществлено силовое замыкание в паре шатун — эксцентриковый вал. В радиально-поршневом гидромоторе симметрично раз- мещены несколько цилиндров. Поршни, перемещаемые в цилиндрах, воздействуют на эксцентриковый вал, являющийся выходным звеном. Жидкость под давлением подается в цилиндры пооче- редно через гидрораспределитель, вращающийся вместе с выходным звеном. На схемах 8.1 ... 8.21 показаны примеры исполнения кривошипно-кулисного механизма. Следует отметить, что кулисный механизм может быть получен из криво- шипно-ползунного механизма инверсией функций звень- ев: стойке обеспечивают возможность поворота, а кри- вошип останавливают. Обратите внимание, что структура при этом остает- ся неизменной, если считать подвижными все звенья. На схеме 8.1 кулиса выполнена в виде охватываю- щей детали, а шатун — в виде охватываемой детали. Из- вестны схемы, в которых, наоборот, шатун охватывает кулису (см. схемы 8.7; 8.8). Схема 8.2 представляет собой пространственный кулисный механизм, оси шарниров А и С которого не параллельны, как на схеме 8.1, а пересекаются межд; собой. Такая схема широко применяется в аксиально- поршневых гидромоторах. Можно было бы и далее пре- образовывать схемы в данном направлении, но пока ог- раничимся только некоторыми преобразованиями плос- кого механизма по схеме 8.2. В схеме 8.3 функции кулисы совмещены с функ- циями шарнира в соединении кулиса + шарнир С. По существу, это механизм с высшей парой и геометриче- ским замыканием. В схеме 8.4 шатун и кулиса выполнены в виде поршня и цилиндра, размещенного в шарнире С. Кстати, данная схема может легко быть преобразована в схе- му 8.19, в которой кривошип выполнен в виде эксцен- трикового вала. В схеме 8.5 на кривошипе, выполненном в виде экс- центрика, установлен подшипник, к которому прижат- пружиной кулиса. Это пример механизма с высшей па- рой и силовым замыканием. Довольно часто такие меха- низмы используют в качестве вибровозбудителей. В схемах 8.6 и 8.7 использован тот же конструктив- ный прием, что и в схеме 7.6 с теми же, присущими дан- ному приему качествами. Схема 8.8- частный случай кулисного механизма, у которого кулиса так же, как и кривошип, может повора- чиваться на полный оборот. При этом передаточное от- ношение так же, как и в зубчатой передаче, постоянно и равно двум (см. график на схеме 8.8а). Схема 8.9 выполнена в полном соответствии со схе- мой 8.8 и предназначена для передачи движения через герметичную стенку. Входное звено - кривошип соеди- нен вращательной парой с наконечником, который скользит в пазу выходного звена — кулисы. Наконечни;, соединен со стойкой сильфоном, обеспечивающим гер- метичность стенки, разделяющей две среды. В такой схе-
ПОЛУЧЕНИЕ ВАРИАНТОВ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИИ 71
72 ПОСТРОЕНИЕ СТРУКТУРНЫХ, КИНЕМАТИЧЕСКИХ И КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ ме, как и в схеме 8.8 имеет место "мертвое" положение, когда точки А и С совпадают и отсутствует возможность передачи момента кулисе, так как плечо силы равно нулю. Схема 8.10 лишена указанного недостатка. В ней несколько неподвижно соединенных кривошипов взаи- модействуют своими наконечниками (шарами) с не- сколькими радиальными пазами выходного звена. По существу, это частный случай мальтийского механизма, обеспечивающий непрерывную передачу движения с постоянным передаточным отношением. На схеме 8.11 представлен пространственный кри- вошипно-кулисный механизм, у которого ось входного звена - кривошипа - расположена под углом к оси вы- ходного звена - сферической кулисы. Пазы на выходном звене радиальные. С ними взаимодействуют шары, рас- положенные в спиральных пазах кривошипа. При уменьшении угла S шары перемещаются по спиральным пазам ближе к оси вращения кривошипа. При этом со- храняется постоянное передаточное отношение, равное двум. Обязательным условием этого является пересече- ние траектории движения шара осью вращения кулисы. Схемы 8.8 ... 8.11 иллюстрируют возможности, получае- мые при определенном соотношении размеров звеньев. Далее покажем преобразование кулисного механиз- ма за счет изменения формы кулисы. На схеме 8.12 кули- се придана криволинейная форма. По определению, при- нятому в теории механизмов и машин, кулисный меха- низм превратится в кулачковый, если кривизна кулисы переменная. Кстати, на схеме 8.12 не уточнено, какое из звеньев остановлено. Возможны два варианта остановки одного из звеньев, образующих шарнир С. При этом из- меняется и вид механизма. Далее покажем наиболее интересное преобразова- ние кулачкового механизма на схеме 8.12 в зубчатый ме- ханизм на схеме 8.13 или, наоборот, из зубчатого - в ку- лачковый. На схеме 8.13 сателлит обкатывается по централь- ному колесу при вращении водила АС. Точка В при этом движется по гипоциклоиде. Если в соответствии с данной траекторией выполнить кулачок, взаимодействующий со звеном АВ, то, исключив при этом зубчатое зацепление, получают кулачковый механизм на схеме 8.13. При равенстве радиуса начальной окружности са- теллита межосевому расстоянию АС траектории точек Bi, В2, В3, расположенных на этой окружности, из гипо- циклоид превращаются в прямые лучи, проходящие че- рез точку С (схема 8.14). Если с лучом СВ совместить направляющую или кулису (схема 8.15), а звено АВЬ связать с ней вращательной и поступательной парами в точке Вь то получится кривошипно-ползунный механизм или кривошипно-кулисный механизм при соответственно остановленном звене В]С или АС. Кривошипно- кулисный механизм на схеме 8.15 относится к классу прямолинейно направляющих механизмов: в точке В3 воспроизводит прямолинейную траекторию. Схема 8.16 получена путем совмещения с лучами В!Си В2С неподвижных направляющих. На них установ- лены ползуны, шарнирно связанные с "сателлитом" в точках В] и В3 соответственно. Получился двухползун- ный механизм. Его точка А (центр "сателлита") воспро- изводит дугу окружности радиусом СА, а точка В2 - лю- бая точка на начальной окружности сателлита — воспро- изводит прямую линию СВ2. "Сателлит" взят в кавычки, так как в схемах 8.15 и 8.16 он преобразован в шатун, а его образ использован для обеспечения соответствующе- го соотношения размеров звеньев. Из всех рассмотренных схем только схемы 8.2 и 8.11 представляют собой пространственный механизм. Може- те себе представить, насколько увеличиваются возмож- ности преобразования приведенных схем в пространст- венные решения. На схеме 8.17 показан более общий ва- риант схемы 8.11, обеспечивающий преобразование не- прерывного движения в одностороннее прерывистое (ша- говое) движение. Применение приведенных схем проиллюстрируем на отдельных примерах. На схеме 8.18 плунжер разме- щен в цилиндре вращающегося выходного звена - кулисе - и взаимодействует с цилиндрической поверхностью А корпуса. Функции кривошипа и шарнира А совмещены в элементе шарнира А, охватывающем все остальные дета- ли. Центр кривизны поверхности А смещен по отноше- нию к центру шарнира С. Плунжер с поверхностью А образует высшую кинематическую пару. За счет давле- ния жидкости внутри цилиндра или за счет пружины обеспечивается силовое замыкание. Данная схема ис- пользуется как в радиально-поршневых, так и в лопаст- ных гидромашинах. В реальных конструкциях по схе- ме 8.18 используют многопоточное соединение несколь- ких механизмов по аналогии со схемой 7.7. В упомянутой ранее схеме 8.19 опора С выполнена в виде цилиндриче- ской вращательной пары. Эксцентриковый вал выполнен цилиндрическим, а поршни прижимаются к нему кольцом. Кольцо перемещает поршни при всасывании жидкости, например, при работе механизма в режиме гидронасоса. В схеме 8.20 кулиса опирается на сферическую по- верхность, расположенную в корпусе, а поршень-шатун взаимодействует со сферической поверхностью эксцен- трикового вала. Поршень и кулиса образуют рабочую камеру, в которую поступает жидкость. Поршень и кули- са прижимаются к сферическим поверхностям пружиной. На схеме 8.20а представлено конструктивное исполнение радиально-поршневого гидромотора по схеме 8.20. Схема 8.21 — частный случай схемы 8.14, характери- зуемый числами зубьев сателлита g и b колеса, равными 1 и 2 соответственно. Зубья выполнены винтовыми. По существу, из зубчатой передачи получена планетарная винтовая передача, у которой ход винтовой линии звена g (Phe) в Два раза меньше хода винтовой линии звена b (РАЬ). Если сателлит представить в виде винтовой линии g, то торцовый профиль звена b должен быть в виде ли- нейной направляющего элемента/кулисы. При взаимном перекатывании винтовых линий точка В перемещается в направлении скорости vBC к центру С. Последовательным положениям точек В', В", В'" соответствуют положения направляющего элемента/кулисы. Если задать опреде- ленную форму одного звена в точке контакта В, то ей будет соответствовать взаимоогибаемая форма другого звена. По данной схеме выполняют, в частности, винто-
ПОЛУЧЕНИЕ ВАРИАНТОВ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИИ 73 27.3. КОНСТРУКТИВНЫЕ РАЗНОВИДНОСТИ ПРОСТЕЙШИХ МЕХАНИЗМОВ ТРЕХЗВЕННЫЙ ДВУХПОЛЗУННЫЙ КЛИНОВОЙ МЕХАНИЗМ 9.1 | Сила сопротивления ЧЕТЫРЕХЗВЕННЫЙ КЛИНОВОЙ МЕХАНИЗМ I 9-za | Движущая ПппЗУН 1 ГИ-ia сила Шарик - промежуточное 2 ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ПЛОСКОГО ЧЕТЫРЕХЗВЕННОГО КЛИНОВОГО МЕХАНИЗМА В ПРОСТРАНСТВЕННЫЙ МЕХАНИЗМ ДЛЯ ВСЕСТОРОННЕГО ПРЕССОВАНИЯ СИНУСНЫЙ МЕХАНИЗМ -РАЗНОВИДНОСТЬ КРИВОШИПНО-ПОЛЗУННОГО МЕХАНИЗМА |~| 0.21 Шатун Ползун ТАНГЕНСНЫЙ МЕХАНИЗМ -РАЗНОВИДНОСТЬ КУЛИСНОГО МЕХАНИЗМА Шатун ПАНТОГРАФ СИЛЬВЕСТРА -РАЗНОВИДНОСТЬ ПЯТИЗВЕННОГО ШАРНИРНОГО МЕХНИЗМА С ДВУМЯ СТЕПЕНЯМИ СВОБОДЫ
74 ПОСТРОЕНИЕ СТРУКТУРНЫХ, КИНЕМАТИЧЕСКИХ И КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ вой насос (схема 8.21а). В нем задается с помощью кар- данной передачи движение червяку (звену g на схемах 8.14 и 8.21). Ось червяка смещена относительно оси кор- пуса на величину е = АС. Между червяком и корпусом образуются замкнутые полости Qb которые перемеща- ются в осевом направлении от входа I вязкой среды к выходу О. Еще один прием получения конструктивных разно- видностей проиллюстрируем на примере клинового ме- ханизма. Обычно при использовании такого механизма определяющим является клиновой эффект преобразова- ния сил. А между тем под определение клинового меха- низма (использование только поступательных пар) попа- дает и частный случай, когда угол давления равен 0 (см. схемы 9.4 ... 9.5 без учета приводов). На схеме 9.1 - трехзвенный клиновой механизм, а на схеме 9.1а - его исполнение в виде инструмента для про- резания канавки при относительном вращении заготовки и инструмента. При перемещении ползуна 1 вдоль на- правляющей с помощью гайки (на схеме 9.1 см. "Движу- щая сила") ползун 2 взаимодействует с направляющей и резцу сообщается радиальное перемещение и преодоле- вается сила сопротивления. Возвратное движение обес- печивают пружины 7 и 2. Данный клиновой механизм предназначен для изменения направления движения вы- ходного звена относительно входного и преобразования движущей силы. На схеме 9.2 четырехзвенный клиновый механизм, а на схеме 9.2а его конструктивное исполнение, исполь- зуемое в прессе. Входному звену-ползуну 1 сообщают поступатель- ное движение в направлении стрелки. Оно преобразуется в поступательное движение ползунов 1 и 2 относительно основания. Причем ползун 2 движется навстречу ползу- ну 1. Между ползунами 7 и 2 размещают заготовку. На схеме 9.3 а представлено конструктивное испол- нение четырехзвенного механизма по схеме 9.3, предна- значенного для обеспечения нажатия, например, при пе- реключении передач, включении муфты и т.п. Особенности данного решения заключаются в ис- пользовании высших (кинематических) пар и конусных поверхностей в качестве направляющих. Шарик эквива- лентен промежуточному звену на схеме 9.3, но он в силу "лишней" степени свободы, местной подвижности само- устанавливается из условия минимальных потерь энер- гии на трение. Ползун 2 - втулку с конусной внутренней поверхно- стью перемещают в направлении движущей силы. Пол- зун 2 вдавливает промежуточные звенья, например ша- рики, между двумя конусами направляющей и ползуна 2. Ползун 1 движется, преодолевая силу сопротивления, значительно большую, чем движущая сила, благодаря различию углов конусов взаимодействующих звеньев. При полном "утапливании" шариков они контактируют с цилиндрической поверхностью ползуна 2, обеспечивая надежное запирание ползуна 1 в направлении силы со- противления. Самоторможение ползуна 1 будет иметь место также при условии, когда угол клина втулки (поло- вина угла конуса) меньше угла трения. На схемах 9.1, 9.2 и 9.3 — плоские механизмы для принудительного сжатия (сближения стенок) вдоль двух осей координат X и Y. Стенки, параллельные плоскости схемы, могут быть неподвижно закреплены или поджаты пружинами. На схеме 9.4 — пространственный механизм для принудительного сжатия вдоль трех осей координат X, Y и Z. Стенки АВ, ВС, CG и AG соединены в замкнутую кинематическую цепь посредством поступательных ки- нематических пар А, В, С и G. В схеме 9.4 корпус гидроцилиндра D1 неподвижен, а его шток перемещает точку С по диагонали АС, стенки ВС и CG перемещаются на одинаковые величины вдоль осей Z и Y соответственно, независимо от сопротивления сжимаемого тела. В схеме 9.4а шарнирные соединения гидроцилиндра D1 обеспечивают примерное равенство сил сопротивле- ния Fy и Fz - реакций со стороны сжимаемого тела. В схеме 9.46 гидроцилиндры D1 и D2 могут пере- мещать соответственно стенки ВС и CG независимо один от другого и независимо от величин сил Fy и Fz. В схеме 9.5 обозначения и размещения стенок и гидроцилиндров в сечении YZ те же, что и в схеме 9.4. Показаны стенки 1 и 2, дополняющие грани (камеры) ABCG, A'B'C'G'. Стенка 1 неподвижна, а стенка 2 может перемещаться с помощью гидроцилиндра D3. Принуди- тельно перемещают только три стенки, а стенка АВА'В' образует с основанием поступательную пару N и поджата пружиной Ех, стенка АОО'А' образует со стойкой двух- подвижную плоскостную пару (см. элементы L и М) и поджата к другим стенкам пружиной ЕХу. Данный меха- низм позволяет иметь камеру в виде параллелепипеда с различным соотношением размеров граней. Предельный случай сближения граней - точка А. Это уникальная осо- бенность такого механизма. В том же аспекте получения отдельных разновидно- стей показаны примеры преобразования других видов механизмов (схемы 10.1 ... 12.2). В схеме 10.2 кривошип 1 в виде эксцентрика поме- щен внутрь шатуна 2, который расположен внутри пол- зуна 3. В схеме 11.2 кулиса 1 помещена внутрь шатуна 2, который находится внутри шарнира В, установленного внутри ползуна 3. В схеме 12.2 шарнир М размещен внутри шарни- ра С. Остальные шарниры N, К, L оставлены без измене- ний по сравнению со схемой 12.1. Воспроизводящая точ- ка О, лежащая на линии OCI, размещена на звене ML внутри шарнира М. В такой схеме добиваются самотор- можения звеньев при внешнем воздействии на звено ML, приложенном в точке О. Исполнение по схеме 12.2 по- зволяет осуществлять воспроизведение точкой О траек- тории, подобной траектории точки I при многократном уменьшении перемещений. Приведенные приемы могут быть использованы по отношению к другим механизмам. Они позволяют полу- чать механизмы с различными габаритными размерами, силовыми и энергетическими характеристиками.
Глава 3. МНОГОПОТОЧНОСТЬ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ 3.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ТЕНДЕНЦИИ Одна из самых старых задач конструирования - пе- редача механической энергии от источника (привода) к исполнительному устройству (рабочему органу, выход- ному/ведомому звену). Исторически системы передачи механической энер- гии изменялись и совершенствовались во взаимосвязи с появлением и развитием систем тепловой, электрической и других видов энергии. Вначале стояла задача объеди- нить и приумножить усилия нескольких человек или до- машних животных для передвижения тяжеловесных предметов, т.е. создавались системы с параллельной пе- редачей и суммированием энергии. Появление преобразуемых систем на основе рычага (ворота, полиспаста) определило возможность создания однопоточных систем, в которых роль привода отводи- лась одному человеку. Практика однопоточных систем укоренилась с появлением гидравлических и ветровых источников энергии. Изобретения пароатмосферного двигателя не изменило данную тенденцию. Каждый из первых промышленных двигателей То- маса Ньюкомена (начало XVIII века) был предназначен для привода одного исполнительного устройства — поршневого насоса для откачки воды из шахты. И только в машине Ивана Ползунова от одного пароатмосферного двигателя приводились два исполнительных устройства — насос и воздуходувка, соединенные с двигателем про- стейшими механическими передачами. В то же время Иван Шлаттер предложил альтерна- тивный проект многопоточного разветвленного привода с гидравлическими передачами движения. Хотя самые первые паровые машины Джеймса Уат- та в основном использовались для привода одного ис- полнительного устройства, тем не менее, начиная с эпохи создания искусственных источников энергии, определи- лась тенденция широкого применения группового (раз- ветвленного) привода. Объясняется это сложностью и высокой стоимостью двигателей и простотой механических передач движения. Данное соотношение не изменялось сравнительно долго и после изобретения электрического двигателя. Широкое применение получил привод большого числа станков от одного двигателя, осуществляемый че- рез ременную трансмиссию. И, наконец, современный этап, когда двигатели ста- ли компактными и относительно дешевыми, не только характеризуется индивидуальным приводом (один двига- тель для одного исполнительного устройства), но и на- блюдается тенденция создания многодвигательных уст- ройств. Данная тенденция обусловлена определенными достоинствами многопоточных систем. Причем ниже пойдет речь не только о много двигательных приводах, но и о многопоточных механических передачах, которые появились еще раньше, а также о принципах многопо- точности передачи/восприятия нагрузки в механических соединениях, история применения которых еще более продолжительна. Итак, многопоточная система в данном представ- лении - это параллельное (в энергетическом, кинемати- ческом или силовом/нагрузочном смысле) размещение нескольких кинематических цепей/соединений или не- скольких кинематических пар, или нескольких непод- вижных соединений. К таким системам относятся (см. отдельные примеры на рис. 28): • планетарные многосателлитные передачи, в том числе частные варианты с неподвижными осями колес, передачи с многопарным зубчатым зацеплением (напри- мер, волновые зубчатые передачи), многодисковые ва- риаторы скорости, многоэлементные винтовые передачи, многодисковые фрикционные сцепные муфты и т.п.; • многоэлементные (например, шлицевое соеди- нение в сравнении со шпоночным) и групповые непод- вижные соединения, в том числе многоэлементные упру- гие соединительные муфты и др.; • многопоточные (замкнутые) механические пере- дачи движения с постоянным передаточным отношением; • многопоточные (замкнутые) комбинированные передачи с изменяемым (регулируемым) передаточным отношением одной из параллельных ветвей; • многодвигательные приводы с неподвижным со- единением выходных звеньев каждой из параллельных ветвей с общим выходным звеном; • многодвигательные приводы с дифференциаль- ным соединением (через суммирующий механизм) вы- ходных звеньев каждой из параллельных ветвей с общим выходным звеном; • многодвигательные приводы с двумя и более выходными звеньями с соединением ветвей системы через дифференциальный (разветвляющий, суммирую- щий) механизм; • разветвленные механические трансмиссии, при- соединяющие одновременно или выборочно несколько выходных звеньев к общему двигателю; • многопоточные многоподвижные манипули- рующие механизмы (новое направление в конструирова- нии таких систем). Что же дает многопоточность при одинаковой функции сравниваемых устройств (характера воспроиз- водимого движения, несущей/нагрузочной способности)? 1. Дробление энергетического потока приводит к уменьшению размеров и массы каждого из элементов или звеньев параллельных ветвей, но происходит это не пропорционально уменьшению нагрузки, а в большей мере, так как "срабатывает" масштабный эффект (size effect) - влияние размеров объекта на изменение характе- ристик сопротивления усталости, трения и изнашивания и т.п.
76 МНОГОПОТОЧНОСТЬ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ 28. МНОГОПОТОЧНЫЕ ПЕРЕДАЧИ ВРАЩЕНИЯ (ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ РЕШЕНИЯ) h водило W - выходное звено, D - двигатель G - механическая передача исполнительное устройство Неподвижные соединения выходных звеньев приводов Распределение нагрузки между при водам и с "жесткой" характеристикой Многодвигательный привод вращения платформы зкекаватора Соединения приводов через механизмы свободного хода (1,2), соединения передач через уравнительные устройства S (звенья 3,4,5) g. f. с, к -промежуточные колеса а - центральное колесо W f J [ 1 S1 3 2 G G3 а G4 G4 Привод несущего винта вертолета D1 Последовательное соединение Параллельное соединение Двухпоточные передачи | Схема 21 /дифференциальный механизм V- регулируемая ветвь (вариатор) Трехпоточная передача с регулируемым передаточным отношением zDW Вариант 2 S2 SI -D р S2~l-W SI Pmy- мощность регулируемой ветви у в долях общей мощности PD *rnv\ (dw-A5 0,/7Pd 0,67Pd _UIdw п,т и nV, mV- основные звенья и агрегаты регулируемой ветви .1,2- сцепные управляемые муфты Т - вращающий момент со - угловая скорость Многодвигательный разветвленный
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ 77 Чем меньше диаметр заготовки, тем выше достигае- мые механические свойства материала, тем больше тех- нологических возможностей совершенствования геомет- рической формы и точности ее воспроизведения, а также уменьшения шероховатости поверхности. Уменьшение размеров приводит к снижению линейных скоростей звеньев и скоростей скольжения, что позволяет умень- шить виброактивность системы, легче решить проблемы виброзащиты, снизить потери на трение, выбрать более рациональные решения подшипников и уплотнений, обеспечить герметичность соединений и т.п. 2. Уменьшение размеров детали может привести к изменению схемы ее нагружения и возможности измене- ния геометрической формы в сторону ее упрощения — сравните, например, форму сателлита в виде кольца с зубьями с формой обычного зубчатого колеса, содержа- щего обод, диск и ступицу. 3. Чем меньше размеры деталей, тем легче осущест- вить автоматизацию обработки и сборки. В конечном итоге стоимость изготовления нескольких однотипных деталей или элементов может быть уменьшена по срав- нению со стоимостью изготовления одной крупной детали. 4. Варьированием количества двигателей, редукто- ров, соединений в одной системе можно добиться рацио- нального использования унифицированных, уже выпус- каемых сборочных единиц, в том числе используемых в других системах. 5. В многодвигательном приводе (приводе несущего винта вертолета на рис. 28) обеспечивается его резерви- рование на случай выхода из строя одной из ветвей сис- темы. 6. В многопоточных передачах с регулируемым пе- редаточным отношением (см. двух- и трехпоточные пе- редачи на рис. 28) можно иметь регулируемую ветвь меньшей установленной мощности, чем мощность при- вода в целом. А поскольку регулируемое устройство имеет более высокую стоимость и более низкий КПД, чем зубчатые передачи, за счет этого общая стоимость может быть уменьшена, а КПД увеличен. 7. В многопоточных манипулирующих системах можно добиться размещения всех приводов на основа- нии, т.е. разгрузить подвижные звенья от силы тяжести приводов, из звеньев соорудить систему в виде жесткой пространственной фермы (в фиксированном состоянии). Благодаря этому, а также использованию других приемов можно существенно повысить точность манипулирования. Имеются и другие преимущества многопоточных систем, но в то же время любое направление в конструи- ровании не лишено недостатков, поэтому в каждом кон- кретном случае многоступенчатую систему нужно рас- сматривать как альтернативный вариант (или варианты) однопоточной системе и выбирать из них наиболее под- ходящий для решения поставленной задачи. Далее охарактеризуем отдельные виды многопоточ- ных передач вращения, приведенных на рис. 28, и кос- немся проблем, которые возникают при их конструиро- вании. Кроме конкретных кинематических схем, приведе- ны обобщенные структурные схемы, в которых одно- именные блоки одинаково обозначены на всех схемах и представляют собой двигатели/входные звенья D, меха- нические передачи (редукторы, реже мультипликаторы) G, суммирующие [распределительные, дифференциаль- ные] механизмы S, выходные звенья/рабочие орга- ны/исполнительные устройства W. Подстановкой вместо блока предпочтительного конструктивного решения можно получить, кроме при- веденных, другие варианты. В практике конструирования встречается очень много аналогичных вариантов, содер- жащихся, в частности, в патентной литературе. В планетарной многосателлитной зубчатой пере- даче стремятся разместить из условия соседства как можно больше сателлитов. Однако их число ограничено, когда используют водило типа "беличьей клетки", из-за размещения перемычек между сателлитами и необходи- мого условия равномерного распределения нагрузки по сателлитам. При числе сателлитов более трех создать систему без избыточных связей (см. параграф 4.2) сложно или вообще невозможно, поэтому чаще используют передачи с тремя сателлитами или добиваются равномерного на- гружения за счет высокой точности изготовления передачи. На рис. 28 показана схема, в которой использованы сателлиты со смещенными в осевом направлении зубча- тыми венцами g' и за счет этого число сателлитов увели- чено в 2 раза по сравнению с традиционными решениями. В системах с неподвижным соединением выход- ных звеньев приводов возникает та же проблема рас- пределения нагрузки, но уже между отдельными двига- телями. Если использовать двигатели с "жесткой" меха- нической характеристикой, то при незначительном раз- личии характеристик и одинаковых угловых скоростях, обусловленных неподвижным соединением, вращающие моменты могут быть различными по значению (индексы при обозначениях моментов и скоростей на схеме свиде- тельствуют о принадлежности к соответствующему дви- гателю). Применение такой системы допустимо при последо- вательном электрическом соединении двигателей (оди- наковая сила тока обеспечивает равенство нагружения двигателей) или при "мягкой" характеристике соединяе- мых ветвей привода. В примере привода несущего винта вертолета аналогичная проблема дополнена очень важными требо- ваниями: двигатели не должны мешать (создавать сопро- тивление) друг другу (например, при их последователь- ном запуске или при остановке вала одного из двигате- лей); вращающий момент должен передаваться только в одном направлении (от двигателя к несущему винту); в случае отключения обоих двигателей винт должен про- должать свободно вращаться и обеспечивать планирова- ние вертолета. Достигаются эти качества за счет введения в ветвь каждого из двигателей механизма (муфты) свободного хода 7 и 2. Для выравнивания нагрузки между отдельны- ми ветвями зубчатых передач используют уравнительные зубчатые муфты с общим звеном 3 и зацепляющимися с ним зубчатыми венцами 4 и 5.
78 МНОГОПОТОЧНОСТЬ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ В группе двухпоточных передач показано, как од- нопоточная передача при последовательном соединении превращается в двухпоточную (замкнутую) при парал- лельном соединении. Достаточно в первой схеме поме- нять местами неподвижное звено 0 с выходным или входным звеном. Передаточные отношения в этом случае связаны зависимостями: ZDW = 1 - Zoo; ZDW = 1/ZWD> где порядок индексов обозначает, отношение скоростей каких звеньев имеется в виду. Функциональные особенности различных схем двухпоточных и трехпоточных передач по сравнению с однопоточной передачей следующие: - получение большего передаточного отношения (например, если в приведенных формулах задать zDo близким к 1. то zDW приближается к 0, a zWD, соответст- венно, очень велико) или диапазона регулирования при соответствующем снижении КПД из-за циркуляции энер- гетического потока внутри передачи; - получение более высокого КПД и меньшей уста- новленной мощности агрегатов регулируемой ветви при соответствующем уменьшении передаточного отношения и/или диапазона регулирования скорости. Следующая особенность обусловлена параллельной передачей энергии по двум или более ветвям и соответ- ствующим уменьшением потерь энергии в регулируемой ветви меньшей мощности, чем при последовательном соединении. Отсутствие циркуляции энергии в таких передачах имеет место только при определенных параметрах. В примере замкнутого редуктора по схеме 1 при неболь- ших передаточных отношениях составляющих планетар- ных механизмов можно получить общее передаточное отношение, во много раз превышающее произведение передаточных отношений, присущее последовательному соединению передач. Например, при is = -4,118 (числа зубьев колес а и b соответственно z„ = 17; zb = 70); zG = -4,0 (передаточные отношения приведены при остановленном водиле), используя приведенные выше зависимости можно получить zDW = -173. В данной схеме чем больше величина общего передаточного отношения, тем ниже КПД передачи из-за многократной циркуляции энергии. В схеме 2 вариатор G(V) имеет диапазон изменения передаточного отношения z'g(v) = —0,5 ...—2, механизм S имеет zs = -3, а общее передаточное отношение получи- лось zDW = —8,0 ... -0,8, т.е. диапазон регулирования j ве- личился в 2,5 раза. В схеме 3 в качестве дифференциального механизма использован фрикционный вариатор S(V), который имеет диапазон регулирования всего -0,25 ... -0,5, и если за- дать zG = -5,0, то общий диапазон увеличивается в 3 раза, причем в данной схеме вариатор нагружен так же, как и при его последовательном соединении с зубчатой пере- дачей. Структурные схемы трехпоточных передач могут быть всего двух видов (см. варианты 7 и 2), а кинемати- ческих схем по ним можно составить множество, под- ставляя вместо S1 и S2 различные варианты механизмов. Приведенный пример кинематической схемы представ- ляет собой систему с изменяемой структурой — электро- механическую передачу непрерывно-ступенчатого регу- лирования. При переключении сцепных муфт 7 и 2 пере- дача преобразуется в трехпоточную (выключена муфта 2 и включена муфта 7). Это сделано для того, чтобы ис- ключить циркуляцию энергии в диапазоне регулирования передаточного отношения: 1/z'dw = 0 ... 0,75. На диаграмме штриховыми линиями показано изме- нение мощности в регулируемой ветви при отсутствии переключения с одной схемы на другую. Значение im. при котором желательно производить переключение, характеризуется величиной PmV = 0. В диапазоне 1/z'dw = = 0,75 ... 2,0 имеет место циркуляция энергии, но значе- ние PmV не превышает значения PD. Как следует из пред- ставленной диаграммы, в режиме трехпоточной передачи мощность регулирования ветви во много раз меньше об- щей мощности привода, но диапазон регулирования сис- темы в целом меньше диапазона регулирования отдель- ной ветви. Группа схем разветвленных передач на рис. 28 представлена вариантами, в которых суммирование или распределение энергетических потоков осуществляется посредством дифференциального механизма S или меха- низмов SI, S2. Многодвигательный разветвленный привод подъемного устройства имеет два двигателя D1 и D2 различные сочетания включения которых позволяют иметь четыре скоростных режима однонаправленного вращения выходных звеньев - барабанов W1 и W2 при равенстве нагрузок на барабанах - моментов TWi и Ту,?- При различии нагрузок будет вращаться только один, менее нагруженный барабан. Такая схема предпочтительна для многоканатной подвески грузоподъемного устройства, поскольку она позволяет упростить полиспастную систему и/или обес- печить более точное выравнивание нагрузки между вет- вями канатов. Многодвигательный многоскоростной привод позволяет за счет различных сочетаний включения, ре- версирования и выключения двигателей DI, D2 и D3 иметь 13 режимов однонаправленного вращения выход- ного звена W. При использовании многодвигательных многоскс - ростных приводов возникает проблема согласования по времени включения и выключения двигателей. Напри- мер, при переключении с рабочей скорости на "посадоч- ную", если один двигатель уже выключен, а второй еш не включен, то кинематическая цепь на какое-то мгнове- ние разорвана и поднимаемый груз начинает падать. Ес- ли при этом сделать наоборот: включить второй двиге - тель, а затем выключить первый, то имеет место цирк, - ляция энергии и непредсказуемое, хотя и менее опасное суммирование скоростей. В этой связи использование таких систем возможно только при хорошо отработанна управлении двигателями и тормозами. В автомобилях и тракторах разветвленные меха- нические трансмиссии применяются практически с са- мого начала производства этих машин. Для исключени |
ПРИВОДНЫЕ ДВУХПОДВИЖНЫЕ МНОГОПОТОЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ 79 пробуксовки колес (при различии проходимости ими пути) в кинематическую цепь установлен дифференци- альный механизм. Несмотря на сохранение общей идеи, схемы трансмиссий до сих пор продолжают совершенст- воваться в следующих направлениях: для многоосных автомобилей и базовых шасси с приводом на каждую ось применяют многократно раз- ветвленные трансмиссии, один из примеров которых представлен на рис. 28; предусматривают блокировку распределительного механизма (включение муфты 7) и/или отключе- ние/подключение группы выходных звеньев, осуществ- ляемое, в частности, муфтами 2 и 3. Для гусеничных машин предусматривают воз- можность изменения режимов отдельно в каждой из вет- вей, вплоть до ее отключения и торможения. За счет это- го обеспечивается поворот транспортного средства. Разветвленно-замкнутая трансмиссия позволяет по- лучать как несколько общих режимов движения (напри- мер, за счет многоскоростной передачи MG), так и не- сколько режимов в каждой из ветвей, соединенных с вы- ходными звеньями (за счет включения муфт 2, 6 или тормозов 3, 5). Поскольку возможных вариантов схем очень много, задача выбора наиболее подходящей схемы очень слож- ная. Имеются, например, схемы, в которых в одной из общих разветвляющих точек установлен дифференци- альный механизм. Известны схемы, в которых увеличе- ние передаточного отношения в одной ветви приводит к уменьшению передаточного отношения в другой ветви, что позволяет сохранить среднюю скорость движения машины при ее повороте. Естественно, в данном прило- жении описать все варианты невозможно, а приведенные сведения можно использовать при определении путей поиска новых решений, в том числе не только для данно- го типа машин. Тенденции развития трансмиссий свидетельствуют о том, что при сохранении многопоточности в качестве ветвей системы используют электромеханические (осо- бенно для большегрузных автомобилей) или гидравличе- ские передачи. При этом привод выполняют в виде мо- тор-редуктора и встраивают его в ступицу колеса или звездочку гусеничного хода (примеры встраивания при- вода в выходное звено см. рис. 22, 26). Одним из новых направлений конструирования яв- ляется использование принципа многопоточности в мно- гоподвижных (с несколькими степенями свободы) мани- пулирующих системах — механизмах, в которых выход- ное звено образует кинематические пары только с под- вижными звеньями или в частном случае - сферическую пару с неподвижным звеном. Считается, что начало это- му направлению положено в 60-х годах созданием так называемой платформы Стюарта (подробно см. описание рис. 34. 35) - механизма с шестью приводными кинема- тическими цепями, параллельно (в энергетическом или силовом смысле) присоединенными к выходному звену. Подобные системы были известны и до публикации Стюарта, а трех-, четырехподвижные многопоточные соединения использовались, в частности, для изменения общего и циклического шага несущего винта вертолета, для манипулирования планировочным отвалом автогрей- дера и для других функциональных задач. В первых кон- струкциях шестиподвижных систем в качестве привод- ных цепей использовали гидроцилиндры, образующие сферические пары с неподвижным и выходным звеньями. Главные особенности многоподвижной многопо- точной системы по сравнению с манипуляторами, по- добными по своей кинематической схеме руке человека, следующие: вместо податливой незамкнутой кинематической цепи получается жесткая пространственная система в виде фермы (при заторможенных приводах); вместо последовательной передачи энергии через всю цепь присоединенных приводов энергия передается от каждого привода через собственную кинематическую цепь кратчайшим путем; вместо того, чтобы со всеми звеньями кинематиче- ской цепи перемещать еще и приводы, смонтированные на этих звеньях, приводятся в движение только звенья кинематической цепи, а привод может быть размещен на основании или в непосредственной близости от основания. Данные особенности позволяют получать ряд поло- жительных качеств, таких, как более высокие грузо- подъемность или точность манипулирования, а также более высокий КПД и меньшая установленная мощность приводов. Следует, однако, обратить внимание на возможное уменьшение маневренности. Еще одно обстоятельство, которое ранее препятствовало применению таких систем - это усложнение системы управления (хотя и не во всех случаях). Поскольку это усложнение обычно вычисли- тельного плана, то при современной вычислительной и приводной технике оно легко разрешается. Все же данное направление следует развивать не вместо традиционных решений, а в дополнение к ним. Кроме того, представляются перспективными комбини- рованные решения с применением как параллельного, так и последовательного соединения кинематических цепей. Хотя каждый из видов многопоточных систем за- служивает внимания, ниже остановимся лишь на прин- ципах построения схем многоподвижных многопоточных (в основном пространственных стержневых [рычажных]) механизмов. 3.2. ПРИВОДНЫЕ ДВУХПОДВИЖНЫЕ МНОГОПОТОЧНЫЕ [ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ] СОЕДИНЕНИЯ По сравнению с последовательным соединением двух и более приводных пар схем параллельного со- единения может быть построено очень много, поэтому ограничимся только обобщенными структурными схема- ми и отдельными примерами исполнений кинематиче- ских и конструктивных схем. Простейшие решения, ко- торые могут быть использованы как завершенные мани- пулирующие механизмы с числом степеней свободы две- три, так и в качестве составляющих сложных систем, представлены на рис. 29 ... 31.
80 МНОГОПОТОЧНОСТЬ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ 29. ПРИВОДНЫЕ ДВУХПОДВИЖНЫЕ (ОДНОКОНТУРНЫЕ) СОЕДИНЕНИЯ г D1 L D2 ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ДВИЖЕНИЯ В ПЛОСКОСТИ S - суммирующее соединение или дифференциальный механизм А, В, С,кинематические пары ABCMN- IV. Планетарная коническая зубчатая передача Поступательная одноподвижная пара Гидроципиндр D1 разгружен от поперечной силы. a,g- зубчатые колеса Звено 1 принято за неподвижное (основание), звено 2 - выходное звено соединения. Приводы D1 и D2 предназначены для поворотов Звена 2 (вокруг осей шарниров А и С соответственно). Существенный изгиб штока и перекос поршня в гидроцилиндре Карданная передача ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ СФЕРИЧЕСКОГО ДВИЖЕНИЯ сферический механизм IVr двухподвижная сферическая пара V, - одноподвижная поступательная пара Водило Простейшая обобщенная структурная схема 1.1 (рис. 29) - два привода D1 и D2 соединены между собой через дифференциальный механизм S. В любом приводе имеются два основных звена: корпус и выходное (при- водное) звено. В схеме 1.1 звено 1 (например, основание) соединено неподвижно с каждым из приводов (например, с корпусом), а движения двух других звеньев приводов суммируются [преобразуются] в механизме S в движение звена 2. Варианты механизмов, исполненных по данной схеме, приведены на схемах 2.1 ... 3.4, причем приводы поступательного движения даны на схемах 2.2 ... 2.2в, а остальные схемы имеют приводы вращательного движения. В простейшем пятизвенном двухкоромысловом механизме (схема 2.1) двигатели D1 и D2 приводят в движение коромысла АС и BL. Выходное звено — шатун 2 (звено 1 здесь и далее принято за основание, хотя можно использовать механизм с неподвижным звеном 2 и под- вижным звеном 1 или при обоих относительно подвиж- ных звеньях 7 и 2 в более сложной схеме). Звено 2 со- вершает сложное плоское движение, которое может быть представлено в виде двух угловых перемещений (штри- ховые стрелки). В схеме 2.2 аналогичное движение может быть по- лучено с помощью двух приводов поступательного дви- жения - гидроцилиндров D1 и D2. Линия BL не обяза- тельно должна лежать в плоскости с осью штока гидро- цилиндра D1, т.е. механизмы по схемам 2.1 ... 2.2в в м щем случае пространственные. Шток гидроцилиндра D1 в схеме 2.2 воспринимая консольную нагрузку со стороны звена 2, что приводит ь его изгибу и перекосу поршня в гидроцилиндрв (схема 2.2а). В схемах 2.26, 2.2в оба гидроцилиндра нг гружены только осевыми силами. Для этой цели введет дополнительные звенья: СР и АС (соответственно в сх. мах 2.26 и 2.2в). На схемах 3.1 ... 3.4 представлены варианты мех^ низмов, воспроизводящих с помощью двух приводов I и D2 сферическое движение выходного звена 2. В схеме 3.1 представлен классический пятизвенньЛ сферический шарнирный механизм (он использован, н. пример, в качестве структурной единицы в схеме 3.8а ц рис. 24). В схеме 3.2 звено 2 так же, как и в схеме 3.1, уст, новлено с возможностью вращения в шарнире С. Пов,1 рот звена 2 вокруг оси шарнира А осуществляют неп, средственно двигателем D1 через водило АС. Вращеня звена 2 вокруг оси шарнира С осуществляют приводе I D2, который соединен со звеном 2 с помощью двухпо, вижного сферического шарнира IV5, (сферическую сь хронную муфту). Поскольку соединение IV5 может передавать вран I ние при ограниченных углах поворота звена АС, друп J вариантом, в котором снимается данное ограничен' I
ПРИВОДНЫЕ ДВУХПОДВИЖНЫЕ МНОГОПОТОЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ 81 является схема 3.4, в основу которой положена планетар- ная коническая зубчатая передача. Движения водила и зубчатого колеса А взаимозависимы, поэтому, чтобы по- ворачивать звено 2 вокруг оси шарнира А, двигатели D1 и D2 должны вращаться в одну сторону, а вращать зве- но 2 вокруг оси шарнира С можно с помощью двигателя D2 при остановленном двигателе D1. Механизм на схеме 3.3 отличается от механизма на схеме 3.2 только тем, что вместо муфты IV, в нем ис- пользована карданная передача. Хотя в этом решении и не требуется точного совмещения осей шарниров IV, и А, но в системе управления должна быть учтена несинхрон- ность вращения соединенных валов в кинематической цепи привода D2 при повороте звена АС. В схеме 4.1 (рис. 30) использован суммирующий механизм с тремя степенями свободы, хотя приводное соединение в целом двухподвижное, что несколько ус- ложняет согласованное управление двигателями, но в то же время позволяет "ужесточить" систему соединения выходного звена 2 с основанием 1 - осуществить ее в виде пространственной фермы (при остановленных дви- гателях), содержащей три кинематических цепи, из кото- рых две цепи приводные (CLK и CMN), а третья цепь (СА) может иметь всего две кинематические однопод- вижные пары. Возможен в данной системе тот частный случай, упомянутый выше, когда третья цепь вырождает- ся в одну сферическую пару IV5 (схема 4.2), расположен- ную в центре сферического движения. На всех структурных схемах ветвь соединения без привода представлена в виде сплошной линии. Только условно можно считать, что по такой ветви (или ветвям) передается поток энергии, правильнее следует говорить лишь о силовом взаимодействии (о восприятии нагруз- ки). Несмотря на некоторые потери энергии на трение, таким ветвям может быть придана очень важная функция (см. описание схемы 6.2). Такого вида ветви следует вво- дить в системы с небольшим числом степеней свободы, когда приводные кинематические цепи не позволяют создать достаточно жесткую конструкцию. Располагать их надо в направлении кратчайшего замыкания сил на основание (о принципах замыкания сил речь пойдет ниже).
82 МНОГОПОТОЧНОСТЬ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ Все приведенные примеры, в основу которых поло- жена структурная схема 4.1, предназначены для воспро- изведения вращательных движений вокруг двух пересе- кающихся в точке С осей (воспроизведения прецессии выходного звена), но возможны исполнения и другого типа. В схеме 4.3 выходное звено 2 соединено с основани- ем через звено С*А и два цилиндрических шарнира с пересекающимися осями (эквивалент двухподвижной сферической пары с центром в точке С), а с приводами D1 и D2 - через коромысло LM. Шарниры, образуемые приводами с основанием, обозначены К и N. Буквами С* и С** обозначены дублирующие шарниры пары С. Данная схема предусматривает совместную работу гидроцилиндров: при движении штоков в одну сторону звено 2 поворачивается вокруг оси Z; при движении их в разные стороны — вокруг оси X. В принципе, можно включать и один привод, но в этом случае вращение зве- на 2 происходит вокруг подвижной оси (например, оси СМ или CL), т.е осуществляется прецессия. В общем случае заданное движение можно получить при совмест- ной работе приводов, управляемых по определенной про- грамме. В варианте на схеме 4.4 сферический шарнир С вы- полнен трехподвижным, а необходимая связь (чтобы сделать соединение двухподвижным) выполнена в виде стержня С*А с шарнирами на концах. Схемы 4.2 ... 4.4 могут быть представлены в виде сфе- рических механизмов. К выходному звену 2, имеющему сферическую опору С, присоединены три кинематические цепи, из которых две выполнены приводными (D1 и D2). В схеме 4.6 точки С, А и L размещены на одной ли- нии. Благодаря такому решению осуществлено разделе- ние функций приводов. Привод D1 способен поворачи- вать ось CL вокруг оси СС*, а привод D2 может повора- чивать звено 2 вокруг оси CL (при остановленном приво- де D1). Возможна также совместная работа приводов. Схема 4.7 отличается от схемы 4.3 тем, что в ней использованы приводы D1 и D2 вращательного типа. Входные звенья соединены с выходным звеном через шатуны LB и ME соответственно. При этом образованы два шарнирных параллелограмма KLBC и NMEA, а оси шарниров К и N пересекают линию, проходящую через точку С. Схема 4.5 характеризуется использованием плане- тарной конической передачи. Функционально она не от- личается от схемы 4.3: вращение входных звеньев - ро- торов двигателей - в одну сторону приводит к вращению зубчатого колеса f и соответственно звена 2; если при этом реверсировать один из двигателей, то колесо пере- станет вращаться, а начнет поворачиваться водило h. Так же, как и в других схемах данного вида, задан- ное движение может быть воспроизведено при совмест- ном управляемом движении роторов обоих двигателей. В структурной схеме 5.1 и в ее исполнении (схе- ма 5.2) приводы расположены на обоих соединенных звеньях 1, 2 и воздействуют на соединительное звено 3. В конкретном варианте они выполнены в виде сильфо- нов, а поступательное движение штоков преобразуется во вращательное движение звена с помощью ленточных передач. Данная схема характеризуется теми же функ- циональными свойствами, что и схема 4.3, но уступает ей по качеству, обусловленному местом размещения приво- дов и числом кинематических цепей, соединяющих вы- ходное звено с основанием. Она может быть использована в определенной си- туации разве что из-за привлекательности компоновки. Что касается вида примененных в данном примере при- водов и беззазорных передаточных механизмов, то они могут быть иными, чем в данной структурной схеме, и поэтому не отражают ее свойства. Схема 6.1 уникальна тем, что из шести ветвей сис- темы только две ветви содержат приводы. Суммирую- щий механизм при этом должен обладать шестью степе- нями свободы. В основу таких механизмов положена структурная группа, класс которой определяют по числ\ кинематических пар, входящих в замкнутый жесткий контур в качестве узловых точек. Схема 6.2 представляет собой вариант из класса ква- зиплоских механизмов. Все точки звеньев такого меха- низма описывают траектории, несущественно отличаю- щиеся от плоских траекторий и/или расположены в плос- костях, близких к параллельным. В то же время такой механизм по нагрузочной способности соизмерим с про- странственной фермой. Выходное звено 2 может пере- мещаться поступательно. Каждая из его точек Р, Е и К описывает при этом траекторию, расположенную в сфере с центром R, N и L соответственно, благодаря его соеди- нению звеньями PR, EN и KL с основанием. При этом PR = EN = KL и параллельны друг другу. Выходное звено обладает двумя степенями свободы, оно соединено со стойкой коромыслом СН и двумя при- водными парами - гидроцилиндрами D1 и D2. Все шар- ниры выполнены сферическими. Данный механизм в отличие от плоского механизма может воспринимать значительные боковые нагрузки в направлении F, при этом отсутствуют неблагоприятные явления, связанные с изгибом звеньев и перекосом эле- ментов кинематических пар. 3.3. ПРИВОДНЫЕ ТРЕХ- И ЧЕТЫРЕХПОДВИЖНЫЕ МНОГОПОТОЧНЫЕ [ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ] СОЕДИНЕНИЯ Приводные трехподвижные соединения приме- няют как самостоятельные механизмы, так и в состав-.] четырех-, пяти- и шестиподвижных манипулирующие устройств. Принципы их построения те же, что и двух подвижных соединений, и могут быть сформулирован следующим образом на примерах структурных схем 7.1 з 7.2 (рис. 31): — к выходному звену присоединяют три кинемап - ческих ветви, каждая из которых выполнена приводной (с последовательным присоединением в данной ветв одной приводной пары DI, D2 или D3, одно из звеньс. которой обычно соединено с основанием);
ПРИВОДНЫЕ ТРЕХ- И ЧЕТЫРЕХПОДВИЖНЫЕ МНОГОПОТОЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ 83 D2 7.1а 2 Звено 1 принято за неподвижное (основание), звено 2 - выходное звено соединения. [$ - трехподвижная сферическая пара DI, D2, D3 - приводы или приводные соединения S - суммирующее соединение или дифференциальный механизм А, В. С,... - кинематические пары 7 D3 D2 D1 А N О « О' ь Общее выходное звено манипулятора Сферическая втулка Разделительное уплотнение Привод D3 предназначен для перемещения вдоль линии АС. X,Y, Z - оси координат 4Pv.4)v.4>7'Vrjl0Bble л 1 перемещения (вокруг осей X,Y,Z ) Угловое перемещение Фх возможно при синхронном вращении приводных звеньев DI, D2, D3. к_ X . * L ф. 7.4 D3 В выходное звено манипулятора Параллельно- последовательные соединения приводов (схемы 7.4 и 7.5) Сферическая головка выходное звено манипулятора Привод D2 предназначен в основном для углового перемещения (вокруг линии АС). Приводы D1 и D2 предназначены в основном для угловых перемещений (вокруг т.С). Привод D3 предназначен для углового перемещения (вокруг линии NP). Параллельно-ориентирующая кинематическая цепь У, Z - линейные перемещения (вдоль осей Y, Z)
84 МНОГОПОТОЧНОСТЬ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ - к выходному звену могут быть присоединены не- управляемые кинематические ветви [цепи] (см. схему 7.2), которые служат для ограничений движения выходного звена, например, только для обеспечения сферического (схема 7.2а) или поступательного движения (схемы 7.6 и 7.6а); - все ветви, соединяющие выходное звено с основа- нием, должны накладывать на выходное звено необхо- димое число ограничений (в совокупности шесть - при всех остановленных приводах или три, два, одно, ни од- ного - при отсутствии приводных связей для соответст- венно трех-, четырех-, пяти-, шестиподвижных механиз- мов). Каждая ветвь должна обладать числом степеней свободы (без учета приводных связей) не меньшим за- данного числа степеней свободы выходного звена. Схемы 7.1а и 7.16 сферических трехподвижных механизмов имеют три ветви соединенных шарнирно звеньев. Оси вращательных одноподвижных пар пересе- каются в одной точке С*. При отключенных приводах каждая ветвь допускает только три независимых враща- тельных движения выходного звена. Поэтому механизм в целом обладает тремя степенями свободы и способен воспроизводить три независимых вращательных движе- ния (вокруг одного центра С*). Анализируя структуру механизмов по схемам 7.1а и 7.16, можно каждый из них представить в виде трех на- чальных звеньев (кривошипов) и трехповодковой струк- турной группы. Поводки АВ, KL и MN присоединены посредством сферических шарниров А, К и М к выход- ному звену 2. К поводкам присоединены кривошипы LE, АВ и NR, приводимые во вращение двигателями DI, D2 и D3. В схеме 7.16 оси вращения кривошипов совмещены (совпадают). Вращение вокруг осей Z или X осуществ- ляют двумя включенными двигателями D2, D3 или тремя включенными двигателями. Вращение вокруг оси Y (схема 7.16) возможно при синхронном вращении двигателей DI, D2 и D3. В схеме 7.2а имеется сферический шарнир со- единяющий основание и выходное звено 2. Звено 2 при- водится во вращение тремя гидроцилиндрами DI, D2 и D3. Точки С, А, К расположены на одной прямой, а точка М отстоит от этой прямой на некотором расстоянии. Бла- годаря этому с помощью гидроцилиндров D1 и D2 мож- но поворачивать звено 2 на углы срх и cpz, а с помощью гидроцилиндра D3 можно вращать звено 2 вокруг оси СК (угол поворота cpY). Наиболее целесообразно располагать гидроцилиндры таким образом, чтобы при наибольших рабочих нагрузках углы давления (угол между вектором движущей силы и вектором скорости) были минималь- ными. Это условие обеспечивается при углах, обозна- ченных на схеме ~90°. Механизм на схеме 7.2а относится к классу сфери- ческих механизмов, представленных на схемах 7.1а и 7.16, но только в нем материализован центр сферическо- го движения С в виде сферического шарнира, а приводы выполнены поступательными (но могут быть и враща- тельными, как это будет показано ниже). Схема 7.4 может быть получена путем присоедине- ния к варианту схемы 4.3 (см. рис. 30) еще одной при- водной кинематической цепи с гидроцилиндром D3. Присоединение осуществлено таким образом, что вы- ходное звено превратилось в соединительное звено ALN а звено 2 образовало с ним поступательную пару. При включении гидроцилиндра D2 звено 2 поворачивается вокруг оси X, а при включении гидроцилиндра D1 зве но 2 поворачивается относительно подвижной оси Y Гидроцилиндр D3 через сферический шарнир С сообщаем звену 2 поступательное движение относительно звена ALN. Схемы 7.4 и 7.5 представляют собой параллельно- последовательное соединение приводов. В обоих вариантах к исходной схеме последова- тельно присоединен двигатель D3. Функционально полу- ченные варианты эквивалентны схеме 7.3. Звено 2 може поворачиваться вокруг двух осей X и Y и совершать по- ступательное движение. Кинематическая схема 7.4 характеризует вариант, з котором использованы два двигателя D1 и D2 вращи тельного движения, расположенные на основании 1, ; гидроцилиндр D3, размещенный в соединительном звене NCN'. Ось гидроцилиндра пересекает оси X и Y в цент- сферического механизма С, составленного из звеньев АР BN, CL, LK и основания 1. Кроме двух независимых по- воротов оси гидроцилиндра D3, его шток может перемс щаться прямолинейно вдоль оси. При использовани: данного приводного соединения в более сложных систе мах шток можно соединить с внешним звеном сфериче- ской парой О. Схема 7.5 представляет аналогичное решение дл» воспроизводства тех же движений, но при использован! трех гидроцилиндров в качестве приводов DI, D2 и D? Все шарниры выполнены сферическими. Сферически опора С имеет сферическую втулку и сферическую гс- ловку/цапфу. Сила давления в гидроцилиндре D1, дейст- вуя на плече rY, обеспечивает поворот выходного зве, вокруг оси Y, а сила давления в гидроцилиндре, дейсп _ на плече гх, — поворот выходного звена вокруг оси XJ Разделительное уплотнение в виде сильфона позвол." изолировать пространство размещения приводов от ра- бочей среды. Структура схем 7.6 и 7.6а отличается от схемы 7.2a тем, что вместо сферического шарнира в соединении вы- ходного звена с основанием установлена поступательн - ориентирующая кинематическая цепь [механизм]. Е ходное звено 2 способно вращаться (угловое псрсмсь ние cpY) и совершать плоское движение (перемещения z, i, при этом ось NP остается неизменно ориентирование! [параллельной самой себе]. Гидроцилиндры D1 и D2 служат в основном д.~а осуществления перемещений х, z, а двигатель D3 сое 3 щает вращательное движение вокруг оси NP. Необхо; - мое условие присоединения приводных цепей - paci ложение точек М, N, Р и А на одной прямой. В схеме 7.6 двигатель D3 вращательного действ д присоединен к выходному звену 2 с помощью карданн 4 передачи. Гидроцилиндр D3 (схема 7.6а) присоединен к звею таким образом, что имеется плечо КМ относительно оси NI
ПРИВОДНЫЕ ТРЕХ- И ЧЕТЫРЕХПОДВИЖНЫЕ МНОГОПОТОЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ 85 для приложения движущейся силы и создания вращаю- щего момента. Как уже неоднократно упоминалось, при построе- нии схем прослеживается тенденция придания отдель- ным приводным или неприводным кинематическим це- пям определенных функций: например, сообщение дви- жения вдоль заданной оси. или обеспечение поступа- тельной ориентации, или обеспечение сферического движения. Такое разделение функций между звеньями, кинематическими парами и приводами позволяет полу- чать в определенных условиях положительные качества. Наибольшее внимание уделено приводным трехпод- вижным соединениям. Все изложенные для их построе- ния принципы приемлемы и для механизмов с большим числом степеней свободы. Покажем это на примере по- строения схемы четырехподвижного многопоточного приводного соединения (схема 7.7, рис. 31 1) В отличие от схемы 7.2а выходное звено соединено с основанием не трех-, а четырехподвижной парой и кроме движений, показанных на схеме 7.2а, может перемещаться вдоль направляющей четырехподвижной пары С. Приводы [гидроцилиндры] DI, D2 и D3 выполняют аналогичные функции, что и в схеме 7.2а, т.е. они способны поворачи- вать звено 2 вокруг центра С. Еще один привод [гидроцилиндр] D4 предназначен в основном для сообщения движения вдоль оси АС зве- на 2. В положениях, отличных от представленного на схеме 7.7, функции приводов могут перераспределяться, и движение звена 2 представляется как результат совме- стного воздействия приводов. В схеме 7.7а использовано четырехподвижное со- единение, допускающее перемещение точки С звена 2 только по дуге окружности. Для этой же цели можно ис- пользовать и другие виды четырехподвижных соединений. Пятиподвижное приводное соединение [пятипод- вижный манипулятор] можно построить, используя пятиподвижную пару (или ее эквивалентный вариант) и пять приводов. В шестиподвижном приводном соедине- нии каждая из шести ветвей должна обладать шестью степенями свободы, а общее число независимых приво- дов также должно быть равно шести. Построение таких ме- ханизмов изложено в параграфе 3.4. Чтобы проиллюстрировать приемлемость приведен- ных принципов как для анализа (рис. 32), гак и для син- теза (рис. 33), приведем некоторые примеры схем реаль- ных механизмов современных машин. Схема 8.1а используется в вертолетах, схемы 8.2а и 8.3а — в автогрейдерах, а схемы 8.6а и 8.66 (см. рис. 33) получены в соответствии с обобщенными в данном при- ложении положениями. Структурная схема 8.1 имеет большое число замк- нутых контуров и суммирующих устройств, хотя конст- руктивно она выполнена достаточно просто. Кроме ука- занных на схеме разветвлений, имеется разветвление по- токов энергии от звена 2 (схема 8.1а) к нескольким (пяти) выходным звеним — тягам, поворачивающим лопасти несущего винта в направлении <р. Привод (вращения) винта в целом также разветв- ленный многопоточный (см. рис. 28). Приводной вал (на схеме не показан) винта размешен внутри звена 1 вдоль оси Z. В процессе вращения винта лопасти должны иметь три возможных составляющих режима поворота <р: изменение общего шага винта - все лопасти повора- чиваются на одинаковый угол (вертолет поднимается или опускается); изменение циклического шага винта - каждая ло- пасть циклически, в процессе одного оборота изменяет угол поворота в определенных пределах, достигая экс- тремальных значений, когда ось лопасти параллельна оси Y; то же, что и в предыдущей составляющей, когда ось лопасти параллельна оси X. Изменение общего шага осуществляют приводом D3 (на схеме показан только шток гидроусилителя в сис- теме управления). При этом поворачивают рычат HVM вокруг оси опоры V. Опору V дополнительно можно поднимать или опускать приводом D4, воздействуя на нее через механизм S3 и смещая тем самым диапазон регулирования общего шага. Движение передается ползуну 3 и через сфериче- ский (универсальный) шарнир С - кольцу 2, а затем кре- стовине 4, соединенной стягами, поворачивающими ло- пасти. Все тяги движутся вверх или вниз одновременно, поворачивая лопасти вокруг своих осей. При изменении циклического шага в продольном сечении движение от штока гидроусилителя D1 переда- ется через кинематическую цепь АВ кольцу 2, которое наклоняется в продольном направлении Y. Крестовина 2 наклоняется в том же направлении и передает соответст- вующее движение тягам. При изменении циклического шага в поперечном направлении движение от штока гидроусилителя D3 пе- редается через кинематическую цепь KL кольцу 2. Коль- цо 2 вместе с крестовиной 4 наклоняется в поперечном направлении X и, соответственно, через тяги воздейству- ет на лопасти. Структурные схемы 8.2 и 8.3 представляют собой некоторое развитие схемы 7.2 (см. рис. 31). В обеих схе- мах имеются дополнительные, последовательно распо- ложенные приводы, а в схеме 8.2. кроме того, имеется замыкание одного из звеньев механизма S непосредст- венно на основание. В схеме 8.2а такое решение обеспе- чивает передачу основной нагрузки от планировочного отвала на раму шасси 1 через звено 3 и сферическую па- ру, а не через приводы, что выгодно отличает данную схему от трехпоточных схем 7.1, 7.1а, 7.16 (рис. 31). От- вал установлен на тяговой раме 3 с возможностью вра- щения двигателем D4 (поворот <pz), а тяговая рама изме- няет свое положение с помощью приводов DI, D2 и D3. При различных сочетаниях включения приводов полу- чают перемещения sx, Sz и <pY- В схеме 8.2 шатуны MN, KL и АВ лишь приближенно расположены в плоскости. В действительности, так же, как и в схеме 6.2 (рис. 30), использован квазиплоский механизм, так как тяговая рама совершает сферическое движение с центром в точ- ке R. Самоустановка звеньев осуществляется благодаря использованию сферических шарниров.
86 МНОГОПОТОЧНОСТЬ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ 32. ПРИВОДНЫЕ МНОГОПОДВИЖНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В СОВРЕМЕННЫХ МАШИНАХ D1 Трехподвижное пятипоточное соединение в системе управления вертолетом [автомат перекоса] Четырехподвижное соединение в системе манипулирования отвалом автогрейдера S1 -I D*Z Лопасть винта D4 Тяга 1- D2 Г Карданное [сферическое] соединение S А, В, С, ...-кинематические пары 1,2- основные звенья (1 - принято за неподвижное) 3,4- соединительные звенья D* - приводное соединение S, S1,... - суммирующие соединения DI, D2,...- приводы или входные звенья D3 D2 D3 [~8.3а | Трехпоточное соединение Четырехпоточное соединение 1 - рама самоходного шасси 2 - планировочный отвал 3 - тяговая рама 4 - откосник sY । sz - перемещения (вдоль осей Y,Z) х’ z перемещения (вокруг осей X, Z) D1 D3 2 33. ТРЕХПОДВИЖНЫЙ МАНИПУЛЯТОР С КОРРЕКТИРУЮЩИМИ ПРИВОДАМИ D3* D1 - привод основных (грубых) перемещений Dim - привод микроперемещений S* - общий суммирующий механизм Sm - суммирующий механизм цепи микроперемещений D1* приводное соединение А, В, С,... - кинемвтические пары W - выходное звено
ПРИВОДНЫЕ ШЕСТИПОДВИЖНЫЕ МНОГОПОТОЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ 87 Схема 8.3 имеет гидроцилиндры DI, D2 и D3, штоки которых соединены с рамой 3. Движения те же, что и в схеме 10а, но задается еще дополнительное перемещение откосника относительно отвала с помощью гидроцилин- дра D4. Используя приведенные выше схемы в качестве со- ставляющих более сложных схем параллельного соеди- нения, можно получать манипулирующие системы с большой грузоподъемностью или обладающие высокой точностью воспроизведения заданных движений по сравнению с механизмами, созданными на основе не- замкнутой кинематической цепи. Одним из направлений конструирования многопод- вижных систем является создание корректирующих ме- ханизмов (уточняющих перемещения выходного звена) внутри системы, воспроизводящей основные (грубые) перемещения выходного звена. В известных ранее мани- пуляторах на основе незамкнутой кинематической цепи корректирующий одноподвижный привод устанавливали либо в каждую пару кинематической цепи последова- тельно или параллельно основному приводу. Использо- вали также следующее решение: в конце кинематической цепи между выходным звеном и рабочим органом уста- навливали корректирующий механизм с тем же числом степеней свободы, что и основной механизм. Структурные схемы многопоточных многоподвиж- ных механизмов также сводятся к трем возможным ва- риантам (см. схемы 8.4~, 8.5; 8.6, рис. 33), если не рас- сматривать системы смешанного соединения в отдель- ных ветвях и в системе в целом. В схеме 8.4 привод микроперемещений Dim (кор- ректирующий привод) соединен последовательно с ос- новным приводом D1 (приводом грубых перемещений), образуя при этом приводное соединение D1. Такое реше- ние отличается простотой устройства, но имеет более низкий КПД по сравнению со схемой 8.6. В схеме 8.5 последовательно соединены два мани- пулятора: для грубых перемещений и для микропереме- шений. Конструктивно такое решение может быть еще более сложным и не позволяет получить высокий КПД. Наиболее предпочтительна, на наш взгляд, схе- ма 8.6, в которой каждая ветвь системы имеет парал- лельно соединенные через суммирующий механизм S основной привод D1 и привод микроперемещений Dim. Конкретно такая ветвь может быть выполнена достаточ- но просто — например, см. схему 8.66 — конструктивное исполнение трехподвижного манипулятора, в котором каждая ветвь выполнена по схеме 8.6а. В манипуляторе двигатель через рычаг СВА и звенья АК и КО сообщает движение рабочему столу W. Здесь использованы упругие кинематические пары: В, А и К эквивалентны одноподвижным вращательным парам, а О, С и М эквивалентны двухподвижным сфери- ческим парам. В качестве приводов в кинематических цепях могут быть использованы линейные двигатели D1 и Dim, уста- новленные между рычагом СВА и основанием, звеньями КО и АК. Упругость пар, кроме функций шарниров, обеспечивает также силовое замыкание двигателей, ко- торые могут, например, только раздвигать соединитель- ные с ними звенья. Стягивают, возвращают звенья в ис- ходное положение упругие пары. Совместное или раздельное включение двигателей, установленных в параллельных ветвях, обеспечивает пе- ремещение sz стола W вдоль оси Z или его повороты <рх и Фу вокруг осей X и Y соответственно. Корректирующее движение сообщается двигателем Dim. Относительный поворот звеньев АК и КО приводит к изменению дли- ны АО на величину Az (см. схему 8.6а). На эту же вели- чину изменяется перемещение центра пары О и соответ- ственно перемещение стола. Перемычка А и шейка О характеризуются одинако- вой изгибной жесткостью, что позволяет исключить воз- никновение поперечной сдвигающей силы в шейке О. От внешней среды манипулятор защищен кожухом - разде- лительным уплотнением. 3.4. ПРИВОДНЫЕ ШЕСТИПОДВИЖНЫЕ МНОГОПОТОЧНЫЕ [ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ] СОЕДИНЕНИЯ Переходя к построению сложных многоподвижных соединений, рассмотрим возможности механизмов на основе "платформы Стюарта" (рис. 34, 35). За исходный вариант принято соединение выходного звена (платфор- мы/стола) с основанием посредством шести простейших кинематических цепей. Каждая из кинематических це- пей должна иметь шесть степеней свободы (без учета "лишних" степеней — возможности вращения штока или цилиндра вокруг собственной оси). Каждая из цепей имеет одну приводную пару, изменяющую расстояние между точками соединения (цепи) с платформой и с ос- нованием. Данная система представляет собой два относитель- но подвижных тела, соединенных между собой стержня- ми (нитями, линиями) изменяемой длины /. Фиксирован- ные длины / определяют однозначное относительное по- ложение тел. По существу, образована пространственная ферма. Помимо устоявшегося названия "механизм па- раллельной структуры", данное соединение называют "I - координатной системой" (по А. Ш. Колискору). Из- менением одной или нескольких длин I можно изменять относительное положение соединенных тел, можно осу- ществлять манипулирование выходным звеном в опреде- ленном рабочем пространстве. Нормальное функционирование такого механизма возможно при условиях: • из всех соединительных линий (нитей, стержней) по крайней мере три не должны быть параллельны между собой; • все соединительные линии должны быть распо- ложены не менее, чем в трех непараллельных (и несовпа- дающих) плоскостях. Эти условия определены из недопустимости так на- зываемых "особых положений", при которых дальнейшее движение либо неопределенно, либо невозможно. В дей- ствительности не следует даже приближаться к такому положению на некоторую величину, характеризуемую недопустимыми силами трения (см. гл. 5). В то же время при определенных условиях особое положение может
88 МНОГОПОТОЧНОСТЬ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ
ПРИВОДНЫЕ ШЕСТИПОДВИЖНЫЕ МНОГОПОТОЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ 89 быть пройдено по инерции подобно прохождению "мерт- вой точки" в кривошипно-ползунном механизме. Наиболее распространенные решения "платформы Стюарта" даны на рис. 34. Их применяют, в частности, в тренажерах для военных летчиков, а также в некоторых видах технологического оборудования. Приводы в виде гидроцилиндров или винтовых пе- редач соединены с основанием и выходным звеном сфе- рическими шарнирами. Здесь не должно быть связей больше, чем это необходимо для нормального функцио- нирования механизма: • если приводная пара двухподвижная (допускает независимые линейное перемещение и вращение), то обе соединительные пары [шарниры] могут быть сфериче- скими двухподвижными; • если приводная пара одноподвижная (в частно- сти, винтовая пара), то одна из соединительных пар должна быть трехподвижной, а другая — двухподвижной. В любом варианте допускается использование в ка- честве обеих пар трехподвижных сферических шарниров, но при этом следует позаботиться о восприятии [замыка- нии] на основание реактивного момента гайки или винта (в случае с винтовой парой - см. схемы 9.26, 9.2в). "Лиш- ние" степени свободы в определенных пределах (напри- мер, допустимых деформаций шлангов, подводящих жидкость) с точки зрения энергетических затрат могут быть даже полезными (см. параграф 1.1). Еще одно соображение, которое принималось во внимание при выборе варианта расположения и соедине- ния звеньев, - это простота системы управления. С этих позиций лучшей является схема 9.1, так как в ней поло- жение выходного звена определено положением всего трех точек (А, В и С). В любом из рассмотренных меха- низмов выходное звено должно иметь не меньше трех точек (центров сферических шарниров), определяющих ориентацию (угловое положение) звена в пространстве. Причем хотя бы одна из точек должна отстоять от общей линии, которую можно провести через две-пять других точек. Чем большее число точек (сферических опор) обра- зуют замкнутый контур выходного звена, тем более вы- сокую жесткость можно получить, но при этом усложня- ется управление системой. Проще и быстрее можно осуществлять вычисления для схемы с трехточечным опиранием выходного звена, в которой положение одной точки определяется тремя приводами, второй — двумя приводами и третьей — одним приводом (см. рис. 36). В настоящее время данный критерий (простота вы- числений) все более утрачивает свое значение благодаря непрерывно возрастающим возможностям компьютерной техники. Объем и сложность вычислений (для осуществ- ления манипулирования) в будущем не должны быть оп- ределяющими при выборе или построении схемы много- подвижного механизма. Оценивая схемы на рис. 34 по конструктивным кри- териям при одинаковых манипуляционных возможно- стях, отметим, что в схеме 9.1 сложно осуществить двой- ной сферический шарнир. Примеры возможных решений такого шарнира даны на схемах 9.1а ... 9.1д. Проще (по сравнению со схемой 9.1) конструктив- ное исполнение схемы 9.2, в котором шарниры В и В', К и К' расположены на некотором расстоянии один от другого. Каждый из шарниров может быть решен в виде шарового соединения или в виде карданного соединения, показанного на схеме 9.2а. Схема 9.3 сочетает в себе свойства схем 9.1 и 9.2, но в ней штоки трех гидроцилиндров из шести подвержены изгибу (и перекосам в направляющем соединении). Луч- ше все же использовать схемы, в которых шток или винт нагружен только силой вдоль оси. В этом плане специ- альная конструкция опор в схеме 9.4 позволяет сочетать свойства схем 9.1 и 9.2 без каких-либо выраженных не- достатков: все штоки нагружены только осевой силой, шарниры просты в исполнении. Схемы 9.1 ...9.4 имеют приводы, установленные ме- жду подвижными звеньями кинематической цепи. т.е. в них не учтена тенденция размещения приводов на осно- вании. Приводы удобнее размещать на основании с точки зрения подвода к ним коммуникаций. Кроме того, не нужно перемещать дополнительные массы, благодаря чему уменьшаются нагрузки на звенья и соединения и может быть снижена виброактивность системы. Возмож- ные варианты таких систем представлены на рис. 35. Причем в схеме 10.1 использованы приводы поступа- тельного движения, а в схеме 11.1 — приводы вращатель- ного движения. В схеме 10.1 в приводе может иметь место изгиб штока и перекос в поступательной паре, особенно суще- ственный в положении, показанном на схеме 10.1а. Что- бы уменьшить этот недостаток, в схеме 10.1 реализован принцип разделения функции отдельных групп приво- дов, благодаря чему система функционирует вдали от особых положений, о которых пойдет речь в гл. 5. Второй прием, позволяющий практически исклю- чить данный недостаток, проиллюстрирован на схе- мах 10.16 и 10.1в. В них введен дополнительно рычаг, через который передается движущий момент от привода поступательного движения. Но в этом случае привод все же имеет подвижное соединение с основанием. Наконец, от схемы 10.1 можно легко перейти к схе- ме 11.1, в которой корпуса приводов закреплены на ос- новании, а рычаг приводится от привода, выполненного, например, в виде электродвигателя с редуктором. На схеме 11.1 видна полная аналогия представленной систе- мы с другими механизмами параллельной структуры. Поворот рычага приводит к изменению расстояния I. Та- ким же образом изменяются отрезки длины и в других кинематических цепях. Любая из рассмотренных схем шести подвижного соединения может быть превращена в схему пяти-, четы- рех-, трех- или двухподвижного соединения. Достаточно для этого вместо привода, изменяющего длину I, устано- вить стержень постоянной длины. Если при этом остает- ся пять приводов, то механизм пятиподвижный, если — четыре привода, то механизм четырехподвижный и т.д. Обязательные условия такого преобразования сле- дующие: • каждый из стержней в совокупности с парами, образуемыми с выходным звеном и основанием, должен
90 МНОГОПОТОЧНОСТЬ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ 35. ВАРИАНТЫ МЕХАНИЗМОВ НА ОСНОВЕ "ПЛАТФОРМЫ СТЮАРТА" С ПРИВОДАМИ, РАЗМЕЩЕННЫМИ НА ОСНОВАНИИ Сферический В трехподвижный — шарнир q (шр X В' с Выходное звено (платформа/стол) С / А А Сферические I ю j I трехподвижные :— шарниры_______ (III? \ и Z \ ^Х^для воспроизведения перемещений \ в основном \ вдоль оси X и поворота Фг в U к D5 S R N И’ Q Ч 9 Свободное D3 D.1 D2 / Приводы для воспроизведения перемещений * в основном вдоль оси Z и поворотов И фу Выходное звено (платформа/стол) Z D2 М □) Р D6 Одноподвижная вращательная пара (Vr) Привод для воспроизведения перемещений в основном вдоль оси Y DI, D2, D3, D4, D5, D6 - приводы А, В, С,... - кинематические пары |10.1а| Шатун Существенный изгиб штока и перекос в поступательной паре в положении, близком к особому В |10.1б| Шатун К Зубчатая передача Выходное звено ,(платформа/стол) Одноподвижная вращательная пара (Vr) Двигатель Основание Двухподвижное сферическое (карданное) соединение Подшипниковая опора гайки Двухподвижное сферическое (карданное) соединение Одноподвижная zF вращательная пара (vr) Редуктор Двухподвижное сферическое (карданное) соединение Двигатель Винт Выходное звено (платформа/стол Шатун , М’ Основание Основание Рычаг -cKfafc 1 I представлять собой кинематическую цепь, число степе- ней которой (без учета "лишних" степеней) не должно быть меньше заданной подвижности выходного звена; • число приводов не может быть меньше заданной подвижности; • для обеспечения заданной ориентации выходного звена необходимо такое приложение реакций и движу- щихся сил, при котором возможно получение вращающе- го момента; для этого, как уже отмечалось, опорные точ- ки выходного звена не должны лежать на одной прямой. В схемах 9.1 ... 10.1, а также в других, приведенных ниже, в качестве приводов поступательного движения показаны гидроцилиндры. Но под таким изображением понимается обобщенное представление приводной пары. Вместо гидроцилиндра может быть использовано любое эквивалентное ему по кинематическим возможностям решение, т.е. способное изменять расстояние I между присоединительными узлами [шарнирами] - (см., напри- мер, схему 11.1). На схемах 9.2а, 9.26,10.16,10.1в представлены пр меры приводов вращательного действия в совокупности с винтовой передачей. Приводные соединения на схемах 9.2а, 9.26 прим.- нимы в схеме 9.2, а приводные соединения на схема 10.16,10.1в могут быть использованы в схеме 10.1. В схемах 9.26, 10.26 винт выполнен невращаюши. - ся, а гайка приводится во вращение от двигателя чер-с^ зубчатую передачу. В схемах 9.2в, 10.1 в невращающа! гайка соединена с выходным звеном, а винту сообщает I вращательное движение от двигателя с редуктором, с - единенными с основанием. В схемах 10.16, 10.1в двих; ние выходному звену передается от гайки через рычаг | шатун. В схемах соединения опоры гайки (с выходнг I звеном) или корпуса двигателя (с основанием) выпот ны в виде двухподвижных шарниров, обеспечивают самоустановку звеньев. Далее рассмотрим некоторые частные решения пр - веденных на рис. 34 и 35 схем.
ПРИВОДНЫЕ ШЕСТИПОДВИЖНЫЕ МНОГОПОТОЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ 91 Обобщенная структурная схема 12.1 на рис. 36 представляет собой развитие рассмотренных выше схем. В ней приводы объединены в три ветви: трехпоточную, двухпоточную и однопоточную. Каждая из ветвей задает определенные составляющие движения выходного зве- на W. При этом данное исполнение может позволить раздельно воспроизводить линейные перемещения и ори- ентацию выходного звена. Вместо каждой из ветвей [кинематических привод- ных цепей] можно подставить конкретное исполнение трехподвижного приводного соединения D1* (см., на- пример, схему 12.2) или двухподвижного приводного соединения D2*. Схема 12.2а представляет собой пример системы, в которой выходное звено CMN обладает шестью степеня- ми свободы. Каждая из трех параллельных цепей также имеет шесть степеней свободы. Приводы обозначены на схеме стрелками с указанием движущей силы FA, FB и FL (поступательные приводные пары) или вращающего мо- мента Т]., Тдх и 7а y (вращательные приводные пары). Кинематическое соединение АЕС обеспечивает переме- щение точки О, в которой, например, расположен центр масс перемещаемого звена т, вдоль любой из осей коор- динат X, Y, Z. Кинематическая цепь LN обеспечивает перемеще- ние точки N по сферической поверхности с центром в точке О (см. траектории NyNy, NzNz). Звено CMN можно вращать вокруг оси CN (см. траекторию ММХ с радиусом г), перемещая стержень МВ под действием силы FB. Конст- руктивные решения приводных сферических соединений А, В и L см. на рис. 31, в частности схему 7.5. Причем в данном случае использованы соответственно трех-, двух- и одноподвижное соединения. В зависимости от заданных условий можно анало- гично использовать, например, все три двухподвижных соединения (при некотором усложнении управления и снижении динамических качеств), можно также анало- гично соединять две, четыре, пять или шесть кинемати- ческих цепей. То, что в схеме 12.2а выходное звено со- единено с основанием тремя кинематическими цепями, обусловлено минимально возможным числом стержней для пространственной стержневой конструкции, а выбор составляющих соединений с тремя, двумя и одной степе- нями свободы продиктован динамической согласованно- стью работы приводов (приводы соединения А переме- щают центр масс в пространстве, а другие приводы пово- рачивают выходное звено с грузом вокруг центра масс). В качестве примера иных решений в схеме 12.3 при шести степенях свободы использовано пять кинематиче- ских цепей, из которых только одна цепь АО имеет два привода, в остальных цепях — по одному приводу. По сравнению со схемой 12.2 добавлены цепи KN и RO, что- бы повысить жесткость системы при восприятии внеш- ней нагрузки на выходное звено, например, момента 7г и сил, направленных вдоль стержней в кинематических цепях KN и RO. При действии только моментов 7х, Ту и Тг все стержни механизма работают в основном на сжа- тие или растяжение. Схема 11.1а представляет собой манипулирующую систему, в которой все приводы DI, D2, ..., D6 враща- тельного действия, каждый из приводов расположен на основании и соединен с выходным звеном - рабочим столом W индивидуальной кинематической цепью с ше- стью степенями свободы (сравни со схемой 11.1 на рис. 35). Все кинематические цепи унифицированы — они имеют одно и то же конструктивное исполнение в виде кривошипа (например, АВ) и шатуна (например, ВС), все шарниры сферические. При попарном размещении осей приводов во взаимно перпендикулярных плоскостях (в исходном положении), как показано на схеме, система позволяет воспроизводить раздельно поступательные и вращательные движения. В данном примере, в частности, решалась задача получения точных поступательных перемещений с кор- рекцией угловой ориентации рабочего стола. Поступа- тельные движения воспроизводятся только при попарной (одновременное включение приводов D1 и D2, D3 и D4, D5 и D6) и синхронной работе приводов. Причем прямо- линейное поступательное движение обеспечивается при попарной работе всех шести приводов. Если включить один, два или три двигателя из разных пар, то можно по- лучить заданное вращательное движение стола W. На всех приведенных режимах предполагается, что ротор двигателя не может свободно вращаться: он либо заторможен, либо специально приводится во вращение. Только при таком условии обеспечивается определен- ность движения. По структуре схема 12.46 соответствует рассмот- ренному примеру на схеме 12.1 и примеру на схеме 12.2а. Она позволяет проследить последовательность шагов при построении конкретного решения, предназначенного для воспроизведения очень малых (несколько мкм) и точных перемещений при сравнительно больших перемещениях приводов. В рассматриваемой структурной схеме специально выделены суммирующие устройства SI, S2 и S3, имею- щие соединения с приводами, основанием и выходным звеном. В основу каждой кинематической цепи положен рычаг с шестью степенями свободы (см. схему 12.4в). Каждый из трех рычагов соединен с выходным звеном сферической парой О, а с основанием — тремя враща- тельными одноподвижными парами А, В и С, оси кото- рых перекрещиваются в пространстве. Последнее усло- вие необходимо, чтобы получить систему с шестью сте- пенями свободы и тремя приводными парами. Каждая из осей этих пар соответственно X', У' и Z' должна быть параллельна и не совпадать с осями коор- динат X, Y и Z системы с началом в центре сферического шарнира О (см. схему 12.4). При пересечении хотя бы одной пары какой-либо из осей X', У' и Z' число степеней свободы уменьшается. В частном варианте на схеме 12.4а все три оси X', У' и Z' пересекаются в одной точке О', а оси X и X' совпадают. Такая кинематическая цепь хотя и имеет шесть сте- пеней свободы, но одна из них "лишняя" - вращение со- единительного звена вокруг оси ОО', которая не может
92 МНОГОПОТОЧНОСТЬ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ 36. ШЕСТИПОДВИЖНЫЕ МАНИПУЛЯТОРЫ С ТРЕМЯ И БОЛЕЕ ПАРАЛЛЕЛЬНЫМИ ЦЕПЯМИ |12.2а| 1ПО- масса выходного звена Вариант с пятью приводами поступательного движения и одним приводом вращательного движения DI*, D2* - приводные соединения S, SI, S2, S3 - суммирующие соединения А. В. С,... - кинематические пары W - выходное (исполнительное) звено движущая сила или вращающий момент приводной пары ШЕСТИ ПОДВИЖНЫЙ МАНИПУЛЯТОР ДЛЯ МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ НА ОСНОВЕ МНОГОПОДВИЖНЫХ УПРУГИХ СОЕДИНЕНИЙ Общий и частный варианты расположения осей/центров кинематических пар Конструктивное исполнение шести подвижной кинематической Вариант с приводами вращательного движения - разновидность схемы 11.1 |11.1а| (см. рис. 35) Приводы предназначены в основном для перемещения выходного звена W [воспроизведения/восприятия соответствующих сил и моментов] вдоль оси X и поворота Ф2~ D1,D2 ; вдоль оси Z и поворота Фу "D3,D4; вдоль оси Y и поворотаФх -D5.D6. X, Y, Z -оси координат О'- центр промежуточной сферической пары X', Y1, Z’- оси промежуточных кинематических пар £z - координаты осей/центров кинематических пар ^Z’^x^z^Wy^X -воспроизводимые линейные перемещения точки выходного звена (центра сферического шарнира) Фу» ^z - задаваемые угловые перемещения звеньев кинематической цепи
ПРИВОДНЫЕ ШЕСТИПОДВИЖНЫЕ МНОГОПОТОЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ 93 влиять на движение выходного звена или допускать дви- жение вдоль ОО'. В таком исполнении получается кине- матическая цепь, фактически содержащая одно звено ОО' и две сферические трехподвижные пары О и О'. К каждой кинематической цепи достаточно присое- динить не более трех приводов. Для передачи движения использован рычаг, малое плечо которого - расстояние (между осями) ех, и ez, а большое - расстояние rx, и rz. Ввиду малости перемещения О по дугам окружности при углах поворота срх> фу и <Pz рычага ЮА можно счи- тать прямолинейными и равными соответственно ex<pY, ez<pY и ev<Pz Возможны следующие варианты последовательно- сти чередования осей вращательных пар в кинематиче- ской цепи по схеме 12.4: OX'Y'Z', OY'Z'X', OZ'X'Y', OX'Z'Y', OY'X'Z' и OZ'Y'X'. Для получения шести сте- пеней свободы выходного звена к нему подключают три кинематических цепи с шестью степенями свободы каж- дая. При этом одна цепь воспроизводит перемещения вдоль осей Хь Y[ и Zi (схема 12.46}, другая - два пере- мещения вдоль осей Y2 и Z2 и соответствующие этому повороты выходного звена вокруг осей Z] и Хь а третья - только одно перемещение вдоль оси Z3 и соответствую- щий этому поворот вокруг оси Y,. Таким образом, одна цепь может приводиться в движение тремя двигателями, вторая — двумя двигателя- ми, а третья - только одним двигателем. Поскольку дви- гатель в кинематической цепи присоединен к среднему звену, т.е. звену, обладающему тремя степенями свобо- ды, то он должен задавать только соответствующее дви- жение в одном направлении, не стесняя движения звена в других направлениях или повторить свободные движе- ния. Для этого двигатель может быть, например, соеди- нен с основанием двухподвижной кинематической целью. В данном примере использованы двигатели, способ- ные развивать силовое воздействие только в одном на- правлении (на основе пьезоэлектрика) - без реверсирова- ния силы, но с реверсированием движения. В этом слу- чае необходимо силовое замыкание кинематической цепи в виде упругого звена или дополнительного двигателя. Например, на схеме 12.46 показано воздействие на рычаг четырех сил Fb F2, F3 и F4, которое обеспечивает необ- ходимое число приводов (три) и силовое замыкание. Для точных перемещений или для использования манипулятора в вакууме целесообразно кинематические пары выполнять в виде упругих перемычек, как показано на схеме 12.4в. Сферическая пара О представлена в виде двух перемычек, расположенных по оси, а каждая из ос- тальных пар А, В, С - в виде перемычки, способной из- гибаться и обеспечивать поворот образующих ее жестких элементов вокруг осей X, Y, Z. На схеме 12.4е показаны смещения осей перемычек ех, eY и ег соответственно. Перемычка А раздвоена и ее элементы размещены сим- метрично относительно осей Z и Y.
Глава 4. САМОПРИСПОСОБЛЯЕМОСТЬ ИСКУССТВЕННОЙ СИСТЕМЫ 4.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ТЕНДЕНЦИИ Любая система, естественная или искусственная, обладает свойством приспособляться к условиям ее фор- мирования и к внешним условиям. Но здесь речь пойдет о функциональной приспособляемости как о принципе конструирования, под которым понимается обеспечение возможности системы изменяться в зависимости от за- данных условий и сохранять при этом работоспособность (под работоспособностью понимается возможность вы- полнения заданной функции при установленных пара- метрах, качественных показателях и временном интервале). В отличие от активной приспособляемости (ак- тивной аккомодации) в данном случае не предусматри- вается использование электронной системы управления, хотя, в принципе, многие из поставленных ниже задач могут быть решены и с помощью дополнительных средств управления. Самоприспособляемость еще назы- вают пассивной приспособляемостью (пассивной ак- комодацией). Выбор подходящего варианта приспособ- ляемости остается за функциональной целесообразно- стью и, естественно, предпочтение отдают наиболее про- стым решениям. Конструктор, создавая систему с определенными свойствами, должен представлять себе, как она себя по- ведет в реальной обстановке. Это только для удобства изучения подразделяют системы на изменяемые и неиз- меняемые, а в жизни все системы изменяемые и их изме- нение подчинено законам природы. Поскольку мы в ос- новном будем иметь дело с объектами, обладающими геометрической формой и массой, то их приспособляе- мость подчинена принципу наименьшего действия (принципу Гамильтона). Иными словами, сама система выбирает вариант перехода из одного положения (со- стояния) в другое в направлении уменьшения потенци- альной энергии, причем на наименьшую величину и, со- ответственно, при наименьших потерях энергии. После такого заключения, казалось бы, ничего не остается делать, но задача как раз и заключается в том, чтобы создать такую систему, которая в своем измене- нии, стремлении "самосовершенствоваться" не привела бы себя к разрушению (разрушение — это тоже своего рода результат приспособляемости) или к ухудшению функциональных качеств. Аналог из нашей горькой дей- ствительности: некоторые думали, что рынок сам по себе будет развиваться в желательном для общества направ- лении, а ведь для этого нужно создать его соответствую- щую конфигурацию и управлять процессом его развития. Самоприспособляемость - общее понятие и, в ча- стности, оно предусматривает возможность и/или обес- печение решений следующих частных задач: са моустановки звеньев, отдельных блоков и/или систем; са моблокировки, самостопорения (в том числе са- моторможения) подвижных соединений, механизмов и приводов; са мовключения или самовыключения сцепных муфт, тормозов, отдельных ветвей кинематической цепи, механизмов и приводов; самопереключения с одного привода на другой, с одного режима на другой и т.д.; самоуправления процессом потребления энергии (например, самовозбуждение колебаний), направлением энергетического потока (например, в процессе разгона и торможения системы), величиной энергетического пото- ка в процессе разгона (например, с помощью пусковой муфты), распределением сил в заданном соотношении; самозатягивания (например, в зону обработки) заго- товки или иного предмета в виде прутка, ленты, полосы, диска и т.п.; самозахватывания и/или самозажатия пред- метов (может сопровождаться самоустановкой рабочих элементов), самоприжатия звеньев фрикционного меха- низма, самонажатия на внешний объект системы или са- мопритягивания, самосцепления и самостыковки различ- ных объектов; самозакручивания, самозатяжки резьбово- го соединения и т.д.; са моцентрирования (обычно исключает самоуста- новку звеньев); са мозапирания, самоуплотнения соединений трубо- проводов; са мосмазывания подвижных соединений; са мосинхронизации периодических движений (виб- раций, вращений); са монастраивания на благоприятные состояния и/или режимы; са моформирования, саморазворачивания или само- складывания (например, для удобства транспортировки механической системы; самосохранения, саморезервирования, самопере- ключения на резервную систему, самопредохранения от перегрузок и других недопустимых состояний и/или ре- жимов. Завершаю данный перечень без уверенности, что он исчерпывающий - области распространения самоприспо- собляемости разнообразны. Самоустанавливаемость как составная часть самс- приспособляемости в свою очередь подразделяется на следующие виды. 1. Самоустанавливаемость недеформируемых звен: - ев внутри механизма или фермы в зависимости от зазс - ров и погрешностей изготовления (внутренняя самоуста- навливаемость). 2. Самоустанавливаемость одного блока (сборочной единицы, агрегата, станины, фундамента) относительш
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ТЕНДЕНЦИИ 95 другого блока и, в частности, при значительных относи- тельных перемещениях в процессе сборки/стыковки или в процессе функционирования (передача движения с подрессоренной части машины на неподрессоренную); 3. Самоустанавливаемость выходных звеньев в за- висимости от формы соприкасаемого с ними объекта воздействия (заготовки, инструмента, изделия, захваты- ваемого и перемещаемого груза и т.п.); 4. Самоустанавливаемость машины относительно неподвижной, специально не подготовленной поверхно- сти (например, дорожного полотна); 5. Самоустанавливаемость элементов кинематиче- ских пар за счет деформирования (например, выравнива- ние нагрузки по виткам резьбы, по длине контактной линии зубьев, благоприятное распределение сил между телами качения в подшипнике и т.п.). Решения двух первых задач осуществляют подбо- ром кинематических пар, третью и четвертую задачи ре- шают в основном за счет дифференциальных систем, для решения пятой задачи перераспределяют жесткости звеньев и элементов. Различают также статическую самоустанавливае- мость (в процессе сборки, транспортировки и/или хране- ния) и динамическую самоприспособляемость (в процес- се функционирования, а возможно, и в процессе сбор- ки/стыковки или транспортировки, с учетом сил трения, инерции и рабочих нагрузок). Чаще всего приходится обеспечивать комплексную самоустанавливаемость. 4.2. ВНУТРЕННЯЯ САМОУСТАНАВЛИВАЕМОСТЬ (ОТНОСИТЕЛЬНАЯ САМОУСТАНАВЛИВАЕМОСТЬ НЕДЕФОРМИРУЕМЫХ ЗВЕНЬЕВ ВНУТРИ МЕХАНИЗМОВ И СООРУЖЕНИЙ) В отличие от представлений традиционной теории механизмов и машин все существующие механизмы — пространственные, с учетом перекосов в пределах зазо- ров и деформаций звеньев. В действительности, также нет "лишних" степеней свободы и "пассивных" связей, которые в той или иной мере не влияли бы на характер выполнения функции и, соответственно, на работоспо- собность системы; низшие пары существуют только при условии деформирования элементов или после их прира- ботки, а в исходном состоянии все пары высшие. Только в некоторых ситуациях можно не учитывать данные об- стоятельства, и уж очень рискованно при конструирова- нии считать все звенья точно изготовленными и неде- формируемыми. Кстати, с учетом возможных перемеще- ний звеньев и элементов все фермы тоже пространствен- ные и представляют собой разновидности механизмов, т.е. систем с числом степеней свободы больше 0. Наиболее полно и на хорошем инженерном уровне принцип самоустанавливаемости разработан Л. Н. Реше- товым (см. справочник "Самоустанавливающиеся меха- низмы". М.: Машиностроение, 1991). Еще в 1953 г. он ввел термин "рациональное конструирование", понимая под этим создание механизмов без избыточных связей. Придавая большое значение его рекомендациям, все же отметим, что самоустанавливаемость, а тем более само- приспособляемость, намного шире изложенных им пред- ставлений, и, кроме того, она является только одним из многих принципов рационального конструирования. Кроме компенсации погрешностей изготовления и исключения нежелательного деформирования звеньев, самоустанавливаемость предусматривает получение мно- гих других положительных качеств. Тем не менее для предварительной оценки конст- рукции можно использовать понятие избыточных связей и осуществлять их подсчет, используя формулу опреде- ления подвижности механизма или фермы. Поэтому сна- чала поясним, что такое связи вообще и избыточные свя- зи в частности. Связь сама по себе — это ограничение, налагаемое на положение или движение механической системы. Связь в кинематической паре - это ограничение относительного перемещения образующих пару звеньев в каком-либо направлении. На определенных этапах кон- струирования звенья принимают абсолютно жесткими, не учитывают зазоры и трение, магнитное поле и другие факторы взаимодействия тел (см. классические курсы "Теории механизмов и машин"). По существу, кинематическая пара в такой трактов- ке представляет отдаленную модель подвижного соеди- нения. В параграфе 2.1 при описании рис. 15 ... 18 в ка- кой-то мере была предпринята попытка увязать класс кинематической пары с реальными конструктивными решениями соединений. Были приведены также вариан- ты кинематических соединений нескольких пар, эквива- лентные одной паре того или иного класса. Покажем, как ведут себя соединения нескольких кинематических пар с учетом деформаций, зазоров и трения (рис. 37). На осно- ве анализа "поведения" определим, что такое избыточные связи, "лишние" степени свободы. Для начала сравним две схемы 7.7 и 1.2, в которых тело соединено тремя кинематическими парами А, В и С с основанием [стойкой]. В схеме 1.1 эксцентриситет е обусловлен погрешностями изготовления, а в схеме 1.2 величина h выбрана из условия неподвижного соедине- ния. В первом случае многоопорный вал может вращать- ся, например, при его деформировании или при наличии достаточно больших зазоров (схема 1. 1а). Здесь имеются избыточные связи (по крайней мере, в радиальном на- правлении). Во втором случае связи, ограничивающие поворот тела вокруг оси АВ, — функциональные (необхо- димые для решения функциональной задачи). В обеих схемах присутствуют связи, накладываемые из-за погрешностей расположения опор и длины зве- на АВ (или АС, или АВ). Это обстоятельство иллюстри- рует, в частности, схема 1.3. Радиальный зазор в подшипниках на схеме 1.4 хотя и устраняет отдельные избыточные связи, но приводит к перекосу звеньев и к неблагоприятному кромочному контакту. В схеме 1.5 осевой зазор служит компенсато- ром погрешностей изготовления в осевом направлении и/или теплового расширения. Такое соединение эквива- лентно вращательно-поступательной кинематической паре IVr/. В схеме 1.6 показано, что подшипник с эластичной втулкой при небольших перекосах может быть эквива- лентен кинематической паре III, — трехподвижной сферической (схема 1.6а); а с учетом допустимого осе-
96 САМОПРИСПОСОБЛЯЕМОСТЬ ИСКУССТВЕННОЙ СИСТЕМЫ 37. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СВЯЗИ, ИЗБЫТОЧНЫЕ СВЯЗИ И "ЛИШНИЕ" СТЕПЕНИ СВОБОДЫ "j^j I Деформирование вала ——। из-за отклонений от соосности опор Л L^l Ь^С 1.2 1.3 со А Возможность вращения вала (без деформирования) —I при достаточно больших зазорах 1.1а \ о ---- А £ X В В k Отклонения от соосности из-за неточности изготовления Невозможность вращения звена вокруг оси АВ при достаточно большой (конструктивно предусмотренной) величине h со А,С, В - опоры -опоры 4^4 ввла/балки или рамы/фермы Iz/w Осевой зазор Деформирование стержня из-за недостаточного расстояния междуопорами (в связи с неточностью изготовления или тепловым расширением) I 1 _4 I Перекос осей вала в опорах '—;—I при его изгибе t Деформирование звеньев при сборке кривошипно-коромыслового механизма (из-за отклонений от параллельности сопрягаемых поверхностей шарниров) Самоустановкв шатуна и дополнительное нагружение при "лишней1 степени свободы Деформирование эластичной втулки Возможность перекосов при поверхностном контакте (в пределах деформаций) □И Возможность перекосов (в пределах зазоров) при кромочном контакте Деформирование общего 2.4 I звена в многопоточном ----1 мехвнизме [Тбв] IIIS с учетом только угловых перемещений 1.7 Неподвижное соединение из-за самоторможения угол трения Кривошип Самоустановка швтуна и дополнительное нагружение при "лишней" степени свободы Кривошип Выходное звено Кривошип 1 Шатун Коромысло Входное звено 3.2а Барабан Основание Входной вал Барабан Входной вaл^ колесо Ь| Центральное колесо aj Сателлит gj Водило hj Сателлит g2 Центральное колесо а2 Деформирование соединения звеньев САМОУСТАНАВЛИВАЕМОСТЬ ЗВЕНЬЕВ В МЕХАНИЗМЕ ИЗМЕНЯЕМОЙ СТРУКТУРЫ 1,2, 3,..-фрикционные муфты и тормоза □ н Выходной 5 j4 6 вал 3.4 Г идротрансформатор Сцепная I муфта | Сателлит 4 Планетарные механизмы Входной вал [зЦ Сферический подшипник Барабан В2 III §> II IV Гх'чЧ V 1 Входной ВЭЛ Тв.ГВ, а2 В3 а3| Опоры и соединения валов h - водило j - двухподвижное а,Ь - центральные зубчатые колеса зубчатое соединение С'сЛрг7ПН^
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ТЕНДЕНЦИИ 97 вого перемещения — четырехподвижной сферической пареЩ,. В схеме 1.7 изображена поступательная пара, кото- рая практически не существует (звенья неподвижно со- единены между собой из-за самоторможения) при дейст- вии силы F в направлении, показанном на схеме. Если силу направить вдоль направляющей, то движение воз- можно. Таким образом, класс кинематической пары опреде- ляет и податливость взаимодействующих тел, и трение. Рассмотрим поведение механизмов при наличии из- быточных связей. Перекос осей шарниров, неизбежный при изготовлении, в кривошипно-коромысловом меха- низме (схема 2.1) приведет к изгибу коромысла и криво- шипа и закручиванию шатуна, причем без деформирова- ния и/или наличия зазоров невозможно собрать механизм. В схеме 2.2 изгиб и закручивание звеньев происхо- дят благодаря использованию "коротких" шарниров с зазорами (схема 2.2а). Для анализа они могут считаться сферическими трех- или даже четырехподвижными па- рами, но при этом неблагоприятный кромочный контакт может свести на нет преимущества исключения избы- точных связей. Использование в данной схеме двух полноценных сферических шарниров приведет не только к устранению избыточных связей (см. схему 2.3), но добавит к общей подвижности еще одну степень свободы — возможность вращения шатуна вокруг оси ВС. Данная степень свободы "лишняя" - она не влияет на выполнение функции механизма - передачи и преоб- разования движения. Но она позволяет повысить КПД, так звено АВ будет самоустанавливаться из условия наи- меньших потерь на трение. В то же время, если шатун имеет неуравновешенную массу, самоустановка может привести к дополнительному нагружению силой F,. Как следует из приведенных примеров, исключение избыточных связей — тонкий процесс и требует всесто- роннего анализа, особенно если это касается многопо- точных систем. На схеме 2.4 механизм параллельных кривошипов имеет два синхронно вращающихся звена (входное и выходное), соединенных несколькими парал- лельными звеньями (кривошипы 1, 2 и т.д.). Неточное изготовление хотя бы одного из параллельных звеньев на величину А приведет к дополнительному деформирова- нию звеньев, неблагоприятному перераспределению на- грузки, дополнительному трению и изнашиванию. Ис- ключение трех из пяти кривошипов, казалось бы, не на- рушит закономерности движения, но приведет к ухудше- нию качеств, обусловленных многопоточностью переда- чи энергии (с чем нам еще предстоит в будущем подроб- но познакомиться). В данном примере много избыточных связей - дублирующих ограничений одного и того же возможного движения. Число избыточных связей определяют по формуле q = и> - би + 5рм + 4/>iv + Зрш + 2рп + Pi, где w — число степеней свободы механизма или фермы; и - число подвижных звеньев; Р\, Piv, Pm, Рп, Pt ~ число кинематических пар соот- ветственно V, IV, III, II, I классов (число соответственно одно-, двух-, трех-, четырех- и пятиподвижных пар). Трудности заключаются не в том, как подсчитать число избыточных связей, а в том, как определить класс каждой из пар и какие из пар заменить на другие. При этом еще нужно увидеть "лишние" степени свободы и оценить, как они влияют на работоспособность и качест- венные показатели системы в целом. В данном направлении предстоит глубокий субъек- тивно творческий процесс. Для полноты решений нужны объемная информация, большой банк данных о состав- ных элементах конструируемой системы, т.е. нужно мак- симально использовать то, что сделали до нас другие конструкторы и исследователи. При этом лучше уже по- добрать готовое проанализированное, апробированное решение, чем придумывать новое, а синтез (составление) новой схемы осуществлять только в случае, когда анализ известных схем показывает, что ни одна из них вас не устраивает. Но даже в этом случае постарайтесь внести минимальные изменения в прототип, которые можно легко оценить, естественно, соразмерив их с поставлен- ной задачей. Для приближенного определения классов кинемати- ческих пар с учетом зазоров и деформаций на рис. 15 ... 18 приведены некоторые примеры эквивалентных схем и конструктивных решений. При рассмотрении представ- ленных схем и конструкций можно не обращать внима- ния, что некоторые звенья обозначены неподвижными, так как в данном случае важна относительная подвиж- ность звеньев и любая опора эквивалентна кинематиче- ской паре, также и кинематическое соединение несколь- ких пар эквивалентно одной определенной паре или дру- гому кинематическому соединению. Для определения класса пар, не представленных рис. 15 ... 18, можно най- ти ближайшую пару по характеру возможных движений и аналогично ей подсчитать число связей. При оценке самоустанавливаемости нужно еще раз- личать характер допустимой подвижности: либо это ра- бочая (функциональная) подвижность, либо это подвиж- ность в пределах зазоров, допустимых деформаций, со- пряженности звеньев (например, сферический подшип- ник качения при перекосе, превышающем допустимую величину, разбирается и просто перестает существовать). В соответствии с этим рекомендуется оценить, достаточ- но ли велики зазоры и сопряженные поверхности, чтобы обеспечить самоустановку, и достаточно ли велики со- прягаемые поверхности, чтобы не допустить самопроиз- вольной разборки. Не следует забывать о жесткости и трении: неправильно выбранное соотношение жестко- стей приводит к деформированию в нежелательном на- правлении, а такое, например, явление, как самотормо- жение, может превратить подвижное соединение в непод- вижное. Число избыточных связей может быть уменьшено за счет исключения отдельных кинематических пар и пере- распределения их функций на другие пары, за счет заме- ны (или преобразования путем увеличения зазоров или изменения жесткости в определенном направлении) пар с большим числом связей парами с меньшим числом свя- зей, введением в систему дополнительных кинематиче- ских соединений, например, компенсирующих несоосно-
98 САМОПРИСПОСОБЛЯЕМОСТЬ ИСКУССТВЕННОЙ СИСТЕМЫ сти и перекосы. Но при этом важно не перестараться: не допустить увеличения общей подвижности, не ухудшить функциональные качества подвижных соединений, не допустить потери устойчивости звеньев и т.п. Рациональность схемы после исключения избыточ- ных связей может быть проверена путем моделирова- ния процесса самоустановки, в том числе путем умозри- тельного пространственного воспроизведения системы, или прорисовкой наиболее характерных положений при увеличенных погрешностях (см. рис. 37), или путем ап- пликаций (динамичного изображения) функционирова- ния механизма с помощью компьютера. Проследим процесс исключения избыточных связей на примерах. На схеме 3.1 в каждом ряду планетарной передачи, встроенной в барабан лебедки, равномерно по периметру расположены три сателлита. Общее число подвижных звеньев при этом равно девяти: шесть сател- литов, центральное колесо первого ряда, водило первого ряда неподвижно соединенное с центральным колесом второго ряда, и барабан. Классы кинематических пар I, II,..., V обозначены без уточнения характера допустимых движений. В схеме 3.1 q= 1 -6 -9 + 5 -9 + 2 12= 16, т.е. она изобилует избыточными связями. В схеме 3.2 исключена радиальная опора водила первого ряда, а центрирование осуществляется за счет зацеплений центрального колеса с темя сателлитами. Число избыточных связей при этом меньше, но все же не равно 0: g = 1-6 9 + 5 8+ 2 • 12+1 =12. Схема 3.2а демонстрирует, что только при наличии эксцентриситета Ее самоустановка в данном примере вызывает деформирование звеньев и, соответственно, неравномерность распределения нагрузки в зацеплениях. Полное устранение избыточных связей осуществле- но в схеме 3.3: g=l—6-9 + 5- 2 + 3- 6 + 2- 12+1=0. Сателлиты в обоих рядах установлены на сфериче- ских подшипниках (предложение Л. Н. Решетова), благо- даря чему создаются благоприятные условия для распре- деления нагрузки, а самоустановка не сопровождается деформированием водила. Далее остановимся на одном очень важном аспекте конструирования, не предусмотренном ни общей теорией механизмов и машин, ни в рекомендациях Л. Н. Решето- ва. Речь пойдет о схемах переменной (изменяемой) структуры, в которых одни и те же звенья и структур- ные группы в зависимости от режима функционирования входят в состав различных кинематических схем. На схеме 3.4 - гидромеханическая коробка передач зарубежного транспортного средства, в которой обозна- чены: В], В2 и В3 - центральные подшипниковые опоры; Я|, а2, а3 и а4 центральные колеса внешнего зацеп- ления; bi, b2, Ь3 и Ь4 - центральные колеса внутреннего за- цепления; ji> h< Гь j4 и j5 - соединительные компенсирующие зубчатые муфты; hi, h2, h3 и h4 — водила планетарных механизмов; 1, 2, 3, 4, 5 и б - сцепные управляемые муфты и тормоза. В приведенной схеме выделены базовые звенья, ко- торые центрируются в корпусе — вращающиеся валы (см. схемы 3.4а, 3.46). Валы имеют по две опоры III класса а одну соединительную пару IV класса. Они не имеют из- быточных связей, и движение их является определенны1' при любом режиме. Самоустановку остальных звеньев нужно рассматривать относительно этих валов и корпуса На базовых звеньях закреплены одно-два звена пла- нетарных механизмов, например, водила hb h2 и h4, цен- тральные колеса ai и а3, остальные звенья выполнень "плавающими" — самоустанавливающимися в радиал1-- ном направлении (например, звенья Ь2 и b4, ai и а4) ил вокруг осей, перпендикулярных к оси базового звена (звенья bi и hi). Фрикционные диски сцепных муфт и тормозов до- пускают радиальные движения "плавающих" звеньев, одновременно ограничивают их осевые движения. Пр замкнутом состоянии муфты или тормоза радиальные движения соответствующего "плавающего" звена огра- ничены силами трения, что служит для дополнительного базирования других звеньев. Кроме того, демпфируют - колебания самоустанавливающихся звеньев. Для каждого, из звеньев предусмотрена осевая фиксация. Анализ данной схемы показывает отсутствие иди минимальное количество избыточных связей и отсутст- вие произвольных движений, вызывающих вибрации, чт. свидетельствует о том, что зарубежные конструкторы в совершенстве владеют искусством создания сложных самоустанавливающихся систем, в том числе с учето трения. Это тем более поучительно, что вопреки доволь- но распространенному мнению высокая точность изго- товления не исключает целесообразности конструкц: без избыточных связей. Рассмотрение современных конструкций позволя. сформулировать некоторые положения анализа и син- теза сложных систем (соединений, блоков, агрегатов) по критерию обеспечения самоустанавливаемости с це- лью компенсации погрешностей изготовления и монтажа: • в любой сложной механической системе можн? выделить отдельные укрупненные блоки, например, прц нятые за неизменяемые объекты и подвижные или не- подвижные кинематические соединения между ними (см. рис. 38); • каждое из кинематических соединений можг также представить в виде отдельных объектов и их со- единений или кинематических пар; • каждую из кинематических пар можно предста- вить в виде сопряженных, в том числе многократно по- вторенных элементов; • желательно определить, какого класса должна быть кинематическая пара, а затем при наличии доста- точно полного банка схем и конструктивных решений;
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ТЕНДЕНЦИИ 99 38. АНАЛИЗ САМОУСТАНАВЛ И БАЮЩЕЙСЯ СИСТЕМЫ ПУТЕМ РАЗДЕЛЕНИЯ ЕЕ НА ПОДСИСТЕМЫ (МЕХАНИЗМЫ, КИНЕМАТИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ [ПАРЫ] И ЗВЕНЬЯ) Общая рама (тепловоза) I-- Четырехподвижная упругая опора | | (двухподвижная сферическая пара IV5 । ' - без учета колебаний в пределах упругости | пружин-см. сх. 9.1а на рис. 42) Г Неподвижное П | статически । определимое 1 соединение | Блок двигатель-редуктор Рама тележки Пятиподвижная пара (требуемая подвижность достигается в пределах зазоров и деформаций регулируемого соединения) п Двухстороннее I четырехподвижное | упругое соединение 1 Пятиподвижное1 -I упругое [ соединение Рама тележки ^сь колесной пары Опора выходного вала (одноподвижная вращательная пара Vr) Одноподвижная вращательная пара Vr Кронштейн подвески привода Пятиподвижное упругое соединение [шарнирная муфта] Боковая составляющая соединения - упруго-демпфирующая опора (по обе стороны тележки) Выходной вал Колесная- пара Зазор 35 мм । Одноподвижная пара [ I качения колес । Колесная пара I Рама Четырехподвижное । тележки^^ упругое соединение Балансир I I Направляющие (рельсы) I Опора оси HIs+V, Четырехподвижное соединение в виде совокупности сферической трехподвижной пары П15 и поступательной одноподвижной парыУ^ Двигатель Ч. Редуктор V7////A Упругий шарнир IHS.JVS обеспечивает требуемые перекосы осей в пределах деформаций втулки колесной пары Демпфер подобрать ее конструктивное исполнение или эквива- лентное кинематическое соединение; • обеспечивать самоустанавливаемость целесооб- разно поэтапно по мере укрупнения или дробления рас- сматриваемой подсистемы. Важно при этом иметь за- вершенный вид каждой из подсистем: с определенной заданной степенью самоустанавливаемости при сохране- нии функциональных качеств. На рис. 38 в общей системе подвески тепловоза по- казаны отдельные ее составляющие. Каждая из колесных пар соединена с двигателем и рамой тележки. Двигатель в едином блоке с редуктором подвешен к раме тележки. Обратите внимание на исполнение опоры, которая должна быть пятиподвижной (I класса), но она мало на- поминает собой соответствующее решение. Тем не менее она ведет себя как пара I класса, хотя перемещения опре- делены лишь зазорами и упругостью элементов. При монтаже требуется регулировка за счет сменных прокладок. В силу существенной подвижности колесной пары относительно блока двигатель - редуктор его выходной вал соединен с колесной парой компенсирующим несо- осности и перекосы механизмом, который сам по себе эквивалентен кинематической паре I класса. В данном механизме присутствуют лишние степени свободы, если считать все пары III класса. Имеются и вредные подвиж- ности, но вследствие правильно подобранной упругости элементов пары поведение звеньев представляется доста- точно определенным. Кстати, этот пример свидетельствует о том, что идеализированное представление конструкции и подсчет избыточных связей не дают однозначного ответа в отно- шении рациональности конструкции. В данном случае класс каждой из кинематических пар может быть проме- жуточным между III и IV. На рис. 38 показано также исполнение подвески ко- лесной пары. В целом подвеска состоит из двух симмет- рично расположенных боковых составляющих соедине- ний, каждое из которых содержит направляющую опору, упругие элементы и упругодемпфирующее устройство, ограничивающее поперечные колебания тележки. На- правляющая опора может быть представлена в виде од- ной или двух кинематических пар. Кроме того, имеется взаимосвязь с другой колесной парой, не рассматривае- мая в рамках данного изложения, поскольку речь идет о другой разновидности самоустанавливаемости. На рис. 39.1, 39.2 приведены схемы подвесок агре- гатов на базовом основании (платформе, раме, станине). Общая теория механизмов и машин не признает такие
100 САМОПРИСПОСОБЛЯЕМОСТЬ ИСКУССТВЕННОЙ СИСТЕМЫ 39.1. ПОДВЕСКИ АГРЕГАТОВ 4.1 I Нерациональная система- неподвижные (жесткие) соединения корпусов с основанием и собой валов между Вых./исполнит. звено Опора вых.вала редуктора Основание Корпус редуктора Опора вх.вала редуктора Двигатель 4,3 | СОЕДИНЕНИЯ ВАЛОВ С ПОМОЩЬЮ КОМПЕНСИРУЮЩИХ МУФТ [ПЯТИПОДВИЖНЫХ ПАР] Корпус двигателя редуктора Компенсирующая Корпус Компенсирующая муфта 1 муфта 2 / Исполнит. / устр-во С(П..) Компенсирующая муфта 1 (I) Основание (общая рама) 4.3а | Компенсирующая муфта 2 (I) Корпус двигателя Корпус редуктора Совокупность опор С(П„) и С(Ш5) эквивлентна одноподвижной вращательной паре. IVv Вых. звено СТАТИЧЕСКИ ОПРЕДЕЛИМЫЕ СИСТЕМЫ ОПОР КОРПУСА АГРЕГАТА 4.4 ь(шр 4.10 Подшипниковая опора корпуса Корпус 1 двигателя или редуктора Основание редуктора ^Kdiij /ус и FrK- реакции опор С и К, воспринимающие момент на плече h Подвеска тягового электродвигателя локомотива (см. также рис. 38) Зубчатый редуктор М / / Подвеска / колесной p-jA пары Болт Основание fl Турбовентиляторным двигатель (самолета) I - пятиподвижная пара II - четырехподвижная пара III s - трехподвижная сферическая пара IVr/ - двухподвижная вращательно-поступательная пара Vr - одноподвижная вращательная пара -fZZZZZZZZ 1 о й *гг F - внешняя нагрузка 7], ?2" вращающие моменты, воспринимаемые основанием 7^1. Л; 2 “ силы тяжести (двигателя и редуктора) Fr - реакция опоры (основания) h - плечо действия сил Корпус агрегата ^KUH.) N(V K(Vr) Амортизационная стойка В Трубчатый стержень Ось колесной пары Подвеска Li колесной ( пары w2 Подвеска колеса вертолета Подкос Консольная ось Компенсирующая Вых. вал муфта Конвертер Тормоз Колесо Пространственная трехповодковая структурная группа, присоединенная к основанию Редуктор несущего винта вертолета Шарнирное соединение стержней |4.12б| Кольцо Рама подвески Ферма 1 Газотурбинный двигатель (вертолета) М fgg ферма 2 Корпус двигателя разгружен от крутящего момента. G(I) |4.12а|
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ТЕНДЕНЦИИ 101 системы механизмами, и потому игнорирует методы их конструирования, а конструкторы ряда областей техники вместо таких систем используют неподвижные группо- вые соединения, не допускающие самоустанавливаемости. В авиационной технике и железнодорожном транс- порте рациональные конструкции подвесок достаточно распространены, но качество их может быть еще более высоким за счет более полного использования принципа самоустанавливаемости. Постепенно уходит в прошлое стремление присое- динять редуктор к базовой части или основанию макси- мальным количеством болтов и сделать такое соединение настолько жестким, чтобы редуктор и основание пред- ставляет собой единый блок (см. схему 4.1). Подвеска агрегата выполняет в современных конст- рукциях те же функции, что и компенсирующая муфта, соединяющая валы, но может воспринимать и внешние нагрузки со стороны выходного звена 1 исполнительного устройства. Отличие подвески от муфты заключается только в том, что подвеска соединяет невращающиеся звенья, хотя относительная подвижность самих звеньев в обоих случаях аналогична. В обоих случаях подвеска или муфта должна передавать (воспринимать) вращающий 1 реактивный) момент и должна минимально сказываться на независимости относительных перемещений соеди- няемых звеньев. В примере с муфтой не должно быть взаимозависи- мого нагружения соединяемых валов и их опор, точно так же в примере с подвеской деформирование одного звена (станины, основания) не должно передаваться дру- гому звену (корпусу редуктора). В обоих случаях долж- ны компенсироваться погрешности монтажа и деформа- ции, т.е. обеспечиваться допустимое их влияние на функционирование агрегата (полностью исключить это влияние невозможно даже в статически определимой системе, так как есть еще силы трения и инерции, кото- рыми не всегда можно пренебречь). Рассмотрим схемы нагружения, деформирования и самоустанавливаемость агрегатов в порядке разви- тия систем соединения звеньев. На схемах 4.1 и 4.2 - жесткое присоединение корпу- са двигателя и корпуса редуктора к основанию. Кроме сил тяжести Fg\ и F&, основанием воспринимаются реак- тивные моменты 7\ и 7), равные по величине вращаю- щим моментам. На схеме 4.2 момент представлен в виде пары сил Fr, приложенных в точках А, В на плече h. Внешняя сила F через вал выходного звена передается на его опору и через корпус редуктора - на основание. Система на схеме 4.1 - статически неопределимая, так как валы двигателя и редуктора соединены непод- вижно (жестко). Следовательно, даже при очень точном монтаже нагружение звеньев будет отличаться от той схемы, которая здесь представлена, из-за деформаций валов, опор, корпусов и соединений. На схеме 4.3 для исключения функционально непре- дусмотренного взаимного влияния между двигателем D, редуктором G и исполнительным устройством W введе- ны компенсирующие муфты 1 и 2. На схеме 4.3а показано, что в идеальном случае та- кие муфты должны представлять собой пятиподвижные кинематические пары (см. рис. 18 в параграфе 2.2). В частном примере они могут представлять собой соеди- нения трех кинематических пар IV,, V, и IV, по типу кар- данной передачи, хотя конструктивно спектр такой схе- мы весьма широк. Опоры выходного звена С и С' представляют собой двух- и трехподвижные пары П„ и III,. В обозначениях кинематических пар индекс s означает допустимость сферического движения, t - прямолинейного движения, г — вращательного движения. На схемах 4.4 и 4.4а - простейшая, довольно широ- ко используемая подвеска редуктора (здесь и далее во всех схемах 4.5 ... 4.9 рассматривается единый блок дви- гателя и редуктора с выходным звеном, нагруженным силой F). Корпус агрегата установлен в подшипниковой опоре. Для восприятия момента установлена тяга LK. Она имеет трехподвижные пары III,. Даже при несоосном исполнении агрегата момент характеризуется парой сил Fr-h. Подшипниковая опора работает в условиях переко- са, и ее лучше исполнить в виде двух шарниров Н и J (схема 4.5). При этом размещение шарниров Н и J может быть и несоосным по отношению к выходному звену. Варианты подвесок на схемах 4.6, 4.9 аналогичны схеме 4.5. Их объединяет опора корпуса в трех точках, не лежащих на одной прямой. Уже давно известен такой прием размещения опор, поскольку обычно считают его достаточным для статической определимости. Но, к со- жалению, если неправильно выбрать виды кинематиче- ских пар и неверно их ориентировать (например, это ка- сается направления оси вращательной или вращательно- поступательной пары), то данный эффект не будет обес- печен. Для оценки приемлемости схемы можно проследить возможность (логику) самоустанавливаемости звеньев или подсчитать число избыточных связей. Последнее, однако, не всегда достаточно. Для анализа схемы можно мысленно представить тягу с опорами К и L (схема 4.5) в виде пятиподвижной пары I (схемы 4.7 и 4.8) и далее конструктивно осуществить данную пару. Пары L и М могут быть выполнены в виде коротких шарниров, как на схеме 4.7, и представлены в виде единой одноподвижной вращательной пары V, или могут иметь собственные подвески в виде ферм 1 и 2 (схема 4 9а), причем каждая из ферм должна быть также статически определимой. Корпус может опираться на четыре и большее число точек. Иногда требуется распределить нагрузку на боль- шее число точек, например, когда используется тонко- стенный корпус. В любом случае нужно соблюдать следующие пра- вила. 1. Система не должна иметь избыточных связей. Лучше обеспечить самоустанавливаемость, в том числе за счет уменьшения жесткости элементов, введения до- полнительных податливых элементов, чем предусматри- вать регулировки (в реальной конструкции в схеме 4.7 пара I имеет набор регулировочных прокладок — см. рис. 38).
102 САМОПРИСПОСОБЛЯЕМОСТЬ ИСКУССТВЕННОЙ СИСТЕМЫ 2. Равнодействующая сил должна проходить как можно ближе к середине контура точек опирания (на- пример, MLI в схеме 4.9). При удалении от контура сис- тема работает как защемленная опора консольной балки (см., например, контур МАВ в схеме 4.10) с вытекающи- ми отсюда значительными нагрузками на опоры и корпус. 3. Тяги KL, MN {схемы 4.6, 4.9) должны быть на- гружены только продольной (осевой) силой, но не долж- ны изгибаться. Последнее явление в схеме 4.6 возможно, если сила F имеет осевую составляющую, причем в этом случае опоры К и N работают в условиях перекоса. Луч- ше во всех случаях избегать одноподвижных опор V, (схема 4.12) и заменять их двумя эквивалентными опо- рами (например, опоры S' и S" на схеме 4.12а). 4. "Лишние (местные)" степени свободы допустимы (при условии уравновешенности относительно оси вра- щения) и даже желательны, так как улучшают самоуста- навливаемость при наличии трения. 5. Кинематические пары в пространстве должны быть ориентированы таким образом, чтобы угол между реакцией и допустимым линейным перемещением был бы достаточно близким к 90°. Для обеспечения дополни- тельной связи наряду с геометрическими связями можно использовать и самоторможение. А в случае, когда тре- буется высокая чувствительность к самоустанавливаемо- сти, самоторможение недопустимо. В развитие данной темы проанализируем несколько примеров из практики машиностроения. На схеме 4.7 представлена подвеска тягового элек- тродвигателя локомотива. Соединения корпуса двигателя с рамой колесной тележки в трех точках I, L, М, а его вала с колесной парой обеспечивают их силовое взаимо- действие, а также компенсацию погрешностей монтажа и относительных рабочих перемещений. Каждая из колесных пар соединена с двигателем и рамой колесной тележки. Двигатель в едином блоке с редуктором подвешен к раме тележки. Система подвески - трехопорная (см. также схему 4.8). Одна из опор, которая должна быть пятиподвижной (I класса), в конкретном решении допускает необходимые движения только бла- годаря зазорам и упругости ее элементов. При монтаже требуется регулировка за счет сменных прокладок. Две другие опоры могут быть представлены как однопод- вижная вращательная опора Vs. В силу существенной подвижности колесной пары относительно блока двига- тель-редуктор его выходной вал связан с колесной парой пятиподвижным упругим соединением по схеме 4.76 (см. рис. 40) (разновидности такого соединения представлены на схемах 4.7а, 4.7в, 4.7г, 4.7д), которое само по себе эк- вивалентно кинематической паре I класса. В данном механизме присутствуют лишние степени свободы, если считать все составляющие пары III класса. Имеются и вредные подвижности, но при правильно по- добранной упругости элементов пары поведение звеньев представляется достаточно определенным. На схеме 4.7 условно показано упругое соединение рамы тележки с осью колесной пары (пример исполнения см. на рис. 38). Двигатель передает вращательное движение через редуктор на его выходной вал, а затем через пятипод- вижное упругое соединение — колесной паре. Реактивн момент двигателя воспринимает рама тележки череь трехопорную подвеску. Ось колесной пары помимо вра- щения перемещается в радиальном направлении в пре: . лах зазора, предусмотренного внутри выходного вала. На схеме 4.9а представлена подвеска газотурбин- ного двигателя вертолета. За исходную здесь взята с. ма 4.9, но опоры J и Q соединены с каркасом вертолета . помощью ферм 1 и 2, каждая из которых представлю собой, по существу, статически определимую подвес! Кинематическое соединение KLMN - шарнирный четы- рехзвенник, эквивалентный двухподвижной паре. Особенностью конструкции турбореактивных турбовентиляторных двигателей является тонкостеннь.. податливый корпус. Причем, если сосредоточить его крепление к кры. самолета в одном месте, то он будет нагружен крутящие моментом (см. реактивные моменты 7\ и Т2) и изгибаю- щим моментом от реактивной силы F. Для сведения, 4 минимуму деформации корпуса точки его крепления должны быть разнесены, а число их должно быть дост 4 точно велико. Кроме того, с этой же целью точки крепления выС рают как можно ближе к месту приложения реактивны! моментов Т\ и Тг. Тем самым реализуется принцип кра~- чайшего пути замыкания сил (см. параграф 5.4). Подвеска, представленная на схеме 4.96, выполне, . в соответствии с данными соображениями. Два жесть окружных пояса AD и ML передают через тяги АВ, CD я KL, MN реактивные моменты 7) и Т2 на основание (кр ло самолета), а звено QRR' передает продольную реаг - тивную силу F. Пара G(I) ограничивает поперечные пе- ремещения двигателя. В реальной конструкции шарнир в основном короткие цилиндрические, а здесь они пре - ставлены в виде сферических пар, чтобы можно был. проследить возможность самоустановки звеньев и раз- дельное восприятие реактивных моментов и силы. На. . - чие избыточной связи (в месте крепления переднего поя- са) при формальном подсчете для данной схемы не игр ет существенной роли, если учесть принятые допущен, при ее представлении. На схеме 4.10 представлено исполнение подвеска колеса вертолета. Консольная ось колеса приварена. я трубчатому стержню. Стержень соединен с каркасе вертолета шарнирно в точке А и имеет дополнительн опирание через подкос СВ и через амортизационгг стойку KN. Отличие данной системы от фермы 1 и 2 на сх ме 4.9а заключается только в податливости (в осев< направлении) звена KN; на схеме 4.10 показаны реакп. Fjv и FK при осевом сжатии эвена. Вместо сферически» шарниров здесь использованы пары цилиндрическия вращательных шарниров М и N, К и L с пересекающими- ся на малом расстоянии осями. Хотя в данном примере > прослеживается аналогия с фермой, тем не менее по су- ществу — это механизм пространственный коромьк- лово-кулисный. Схема 4.10 иллюстрирует, насколько функционалы, но близки решения подвесок в виде механизма и ферм
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ТЕНДЕНЦИИ 103 Разница только в величине деформирования (изменения длины), по крайней мере, одного из звеньев. На схеме 4.11 дана подвеска конвертера для вы- плавки стали. Конвертер подвешен к кольцу на трех тягах, воспринимающих силу тяжести. Вращение кон- вертера относительно кольца ограничивает поступатель- ная пара F. Кольцо имеет шипы Е и Е', установленные в подшипниках, имеющих индивидуальные подвески от- носительно основания. Рама каждой из таких подвесок ЕК (Е'К') соединена с основанием тягами ВС и AD, до- пускающими поступательное движение опор Е и Е' в горизонтальной плоскости, а опоры К и К' обеспечивают самоустановку рам подвески ЕК и Е'К'. На схеме 4.11а дан пример конструктивного реше- ния подвески опоры Е. Трехподвижные пары В, С и че- тырехподвижное соединение К имеют неполные сфери- ческие рабочие поверхности. От непредусмотренных вертикальных перемещений рамы подвески относительно основания предохраняют болты, установленные с зазором. На схемах 4.12 и 4.12а дана подвеска редуктора несущего винта вертолета. При этом схема 4.12 пред- ставляет собой лишь возможную пространственную трехповодковую структурную группу Ассура, присоеди- ненную к основанию. Для восприятия силы F и вращаю- щего момента (реактивного момента) Т каждый поводок на концах должен иметь трехподвижную (М, К, Р) и од- ноподвижную пары (N, S, Т). Полученная система стати- чески определимая. В развитие данной системы на схеме 4.12а редуктор соединен с корпусом машины посредством регулируе- мых амортизационных стержней S"K и подкосов S'R. Соединение этих двух звеньев эквивалентно одному звену KS на схеме 4.12, а пары S' и S" эквивалентны одной паре S. Шарнирная подвеска агрегата в сочетании с подат- ливостью подкосов уменьшает влияние деформаций аг- регата и его вибраций на корпус машины. Для статической определимости системы в схе- ме 4.12а достаточно иметь шесть стержней со сфериче- скими шарнирами на концах. На практике из компоно- вочных соображений и, исходя из желания иметь более распределенную нагрузку, на корпусе агрегата исполь- зуют обычно восемь стержней, а погрешности монтажа компенсируют за счет регулирования длины и податли- вости стержней. Сферические движения обеспечиваются благодаря использованию коротких шарниров и за счет зазоров. На схеме 4.13 показано присоединение кузова ав- томобиля (повышенной проходимости) к его раме, ко- торая опирается через упругие элементы подвесок и ко- леса на дорожное полотно. Кузов соединен с поперечи- нами рамы в четырех точках - вершинах ромба. Хотя при определении классов кинематических пар учтены воз- можности перекосов и перемещений за счет зазоров в шарнирах, тем не менее имеются две избыточные связи. Они могут быть скомпенсированы за счет введения упру- гих прокладок, например, в неподвижных соединениях опор К, N и кузова. Главная задача данной подвески ку- зова - исключить влияние деформирования рамы на ку- зов. На схеме 4.13а показано, что при "закручивании" рамы ось KN остается на месте, а кузов поворачивается вместе с линией LM без каких-либо деформаций (F\.. F4 - внешние воздействия на раму со стороны дорожного полотна; FK, FL, FM, FN - реакции опор кузова). Рассмотренные на схемах 4.4 ... 4.12а системы пред- полагают подвеску агрегата как единого целого. Если и имеются в нем соединения частей, то предполагается использование компенсирующих муфт. Но может быть и решение: выходные и входные валы двигателя, ре- дуктора, исполнительного устройства соединены не- подвижно (могут быть выполнены как одно целое), а корпусы имеют индивидуальную подвеску (схемы 4.14 и 4.15, рис. 40). Принципиальная схема 4.14 предусматривает уста- новку вала исполнительного устройства как наиболее нагруженного в опорах основания, на этом валу подве- шен корпус редуктора, а на входном валу редуктора под- вешен двигатель. Задача конструирования такой системы заключается в том, чтобы полностью разгрузить два вала от радиаль- ных нагрузок, обусловленных силой тяжести и реактив- ными моментами. С этой целью применяют компенси- рующие подвески, способные передавать момент в виде сил 77/ на плече / и уравновешивать силу тяжести Fg с помощью противовеса или пружины. На схеме 4.14а выходной вал имеет симметрично расположенные опоры С и С' на основании (внешняя
104 САМОПРИСПОСОБЛЯЕМОСТЬ ИСКУССТВЕННОЙ СИСТЕМЫ |4.14б | Г^П 40. ШАРНИРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ [КОМПЕНСИРУЮЩИЕ МУФТЫ/ПОДВЕСКИ], ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ ПЯТИПОДВИЖНОЙ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ ПАРЕ Q О| Опоры вала исполн.устр-ва ПЯТИПОДВИЖНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ КОРПУСА С ОСНОВАНИЕМ .---, (ПРИ НЕПОДВИЖНОМ СОЕДИНЕНИИ ВАЛОВ) 1414а Опоры вала |4.14| двигателя Опоры вх. вала Неподвижное редуктора у-хсоединение^Неподвижное [Fol 14.15б| W W Дорожное полотно (рельс) 5 7 1 - входное звено (кривошип/коромысло) 4, 5 - рычаги 2,3, 6,7 - тяги 8 - промежуточное звено W - выходное звено (колесо, кривошип/коромысло) Компенсирующая I ^Опоры вых. вала подвеска 1 редуктора Компенсирующая подвеска 2 Реакции опор только в виде пары сил т/1, уравновеши- вающей момент Т Противовес СОЕДИНЕНИЯ ПРИВОДА (ВЫХОДНОГО ВАЛА РЕДУКТОРА) С КОЛЕСНОЙ ПАРОЙ ЛОКОМОТИВА ПОДВЕСКА ЛЕНТЫ ТОРМОЗА, ОХВАТЫВАЮЩЕЙ "ПЛАВАЮЩИЙ" ШКИВ. -ЗУБЧАТОЕ КОЛЕСО ПЛАНЕТАРНОЙ ПЕРЕДАЧИ сила сопротивления F и реакции в опорах F,)- Корпус редуктора присоединен к основанию с помощью про- странственного пятизвенного механизма, обладающа о пятью степенями свободы. Момент передается через па- раллельные стержни MN и LK на звено NJQK, работаю- щее на кручение. Стержни могут свободно перемешаться в трех направлениях, допускают свободный поворот кор- пуса вокруг двух осей (кроме оси выходного вала). В результате корпус может самоустанавливаться, и тем самым компенсируются погрешности монтажа (несоос- ности и перекосы). Звено NJQK кроме кручения работает как рычаг, с одной стороны которого действует сила тяжести корпуса, а с другой - сила тяжести противовеса. На схеме 4.15 аналогичная подвеска представлена в плоском исходном исполнении, хотя, по существу, при компенсации перекосов осей механизм превращается в пространственный. Замыкание осевых сил нагружения стержней 2 и 3 осуществлено через рычаги 4 и 5, а также звено б, работающее на сжатие или растяжение. Вместо замыкающего звена может быть введен торсион (в схе- ме 4.14) или пружина (в схеме 4.15) с целью уменьшенш переменных нагрузок. Остается еще вопрос, какой из принципиальных схем 4.3 или 4.13 отдавать предпочтение? По структуре : конструктивному исполнению шарнирная муфта и под- веска могут быть совершенно идентичны: каждая m схем 4.7а ... 4.7д, 4.15 ... 4.15в и 4.14а может быть каЯ муфтой, так и подвеской. В первом случае входное и вы- ходное звенья синхронно вращаются, а во втором - не вращаются. Но в обоих случаях они способны передави вращающий момент и допускать (компенсировать) отно сительные несоосности и перекосы. Инерционные на- грузки в компенсирующей муфте могут быть значится: ными по сравнению с нагрузками в подвеске, величин: передаваемого момента, а следовательно, размеры звень- ев в подвеске больше, чем в муфте. С точки зрения воз- можности обеспечения эффективной виброзащиты под- веска, несомненно, более пре. щочтительна. Наряду с приведенными на рис. 40 механизмами качестве подвесок могут быть использованы и други; варианты компенсирующих муфт (карданные передачи
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ТЕНДЕНЦИИ 105 зубчатые муфты, упругие муфты и т.п.). Но схемы на рис. 40 предпочтительны, когда требуется компенсиро- вать значительные несоосности и перекосы. Кроме того, они могут быть компактнее других схем, а их отдельные звенья совмещаться с подвешенными звеньями (см. схему 4.15в). Схемы 4.7а ... 4.7д широко применяют в железнодо- рожном транспорте для передачи движения на привод- ные колеса при значительных относительных перемеще- ниях колесной пары и рамы тележки, на которой уста- новлен двигатель. Одно из условий конструирования приведенных ме- ханизмов — исключение избыточных связей. Обычно в них применяют шарниры с эластичной прослойкой (см. рис. 38). Такие шарниры допускают сферические движе- ния, и на схемах рис. 40 обозначены как сферические пары. Для определенности положения звеньев некоторые пары должны быть выполнены цилиндрическими враща- тельными, но с учетом ограниченности движения в упру- гих парах и с целью унификации они могут быть одина- ковыми по конструкции, но отнесены различным классам при анализе. Используют в таких подвесках и высшие пары (схемы 4.15а-в). На всех схемах рис. 40 показаны центры С и С,, не совпадающие из-за погрешностей или функциональных перемещений. Все схемы имеют симметричные взаимо- связанные кинематические цели, чтобы передавать мо- менты в виде пары сил. В схеме 4.7а колесо W с центром Ci приводится во вращение от кривошипа 1 с центром вращения С через параллельные тяги 2 и 3, рычаги 4 и 5, замыкаемые тя- гой 6. Звенья 4, 6 и 5 образуют шарнирный параллело- грамм, рычаги 4 и 5 которого воспринимают пару сил со стороны тяг 2 и 3. Число избыточных связей такого ме- ханизма подсчитывается по формуле, использованной уже ранее для анализа схем на рис. 37: q = w - би + 5pv+ 4piv + Зрш + 2р>ц + pi, где w — число степеней свободы; и - число подвижных звеньев; pv, pIV, рш, ри, рх - соответственно число одно-, двух-, трех-, четырех- и пятиподвижных пар. Для данного примера g = 1 — 6 • 7 + 5 • 4 + 3 6 = -3, что означает наличие лишних степеней свободы. Дейст- вительно, звенья 2, 3 и 6 могут вращаться вокруг оси, не влияя на движения механизма в целом. Эти степени сво- боды безвредны. В схеме 4.76 колесо W приводится во вращение от кривошипа 1 через параллельные тяги 2 и 3, промежу- точное звено 8 и параллельные тяги 9, 7. Каждая из пар тяг образует с присоединенными к ним звеньями антипа- раллелограмм. Схема 4.7в отличается от схемы 4.76 только тем, что тяги 2, 3, 7 и 9 вместе с присоединенными к ним звенья- ми образуют параллелограммы. Структуры схем 4.7г, 4.15 аналогичны структуре схемы 4.7а, а структура схемы 4.7д аналогична структуре схемы 4.76. Различие заключается только в ориентации тяг и рычагов. При этом тяги 2 и 3 параллельны между собой, а тяги 7 и 9 параллельны между собой и перпен- дикулярны тягам 2 и 3. Тяга 6 ориентирована так, что замыкает силовой контур. Параллельные тяга передают момент в виде пары сил, а тяга 6 нагружена осевыми си- лами. В схемах 4.156, 4.15в вместо антипараллелограмма (звенья 4, 6, 5 и W на схеме 4.15) применена пара зубча- тых секторов 4, 5. Схема 4.15а еще проще, в ней исполь- зована пятиподвижная пара А. Кстати, в схемах 4.156 и 4.15в зубчатые сектора должны иметь бочкообразные зубья. Схема 4.14а представляет собой наиболее простой вариант. Замыкание сил, действующих вдоль тяг 2 и 3, осуществлено рычагом 4. Для этой схемы g = 1 — 6 • 5 + 5 - 3 + 3 • 4 = —2, т.е. имеются две лишние (безвредные) степени свободы - вращение тяг 2 и 3 вокруг своих осей. Общий принцип построения схем заключается в со- единении входного и выходного звеньев посредством двух параллельных тяг 2 и 3, замкнутых между собой специальным механизмом или одним звеном. Схема 4.15в иллюстрирует совмещение функций рычажной системы управления тормозом и подвески шкива тормоза. Шкив тормоза не имеет радиальной опо- ры и неподвижно соединен с плавающим центральным колесом b планетарной зубчатой передачи. На схеме обо- значено также другое центральное колесо а. Шкив охва- тывает лента тормоза, которая имеет подвеску, уравно- вешивающую радиальные силы. Подвеска ленты тормоза допускает радиальные пе- ремещения шкива и обеспечивает самоустановку его в процессе работы планетарной передачи, а также вырав- нивание нагрузки по сателлитам g. Тормозной момент (пара сил) через тяги замыкается в зацеплении зубчатых секторов 4 и 5. Нормально тормоз под действием пружины разомкнут. Затормаживание осуществляется под действием силы F, направленной параллельно оси шарниров секторов для уравновешива- ния реакций в шарнирах. Схема 4.146 соответствует схеме 4.14а, но здесь она показана в функции муфты, а не подвески. Вращение звена 1 передается звену W. После выбора принципиальной схемы подбирают конструктивные решения шарниров. Они могут в точно- сти соответствовать классам, обозначенным на схемах, и тогда обеспечивается определенная геометрическая са- моустанавливаемость. В случае использования упругих шарниров они могут быть применены только вместо сферических пар или одноподвижных вращательных пар. В последнем варианте функции самоустанавливаемости перераспределяются в соответствии с жесткостью эле- ментов и требуется тщательный силовой анализ, чтобы не допустить излишнего нагружения элементов (из-за стесненности движения) или неопределенности движе- ния звеньев (из-за податливости элементов).
106 САМОПРИСПОСОБЛЯЕМОСТЬ ИСКУССТВЕННОЙ СИСТЕМЫ 4.3. ВНЕШНЯЯ САМОУСТАНАВЛИВАЕМОСТЬ В практике конструирования нередки функциональ- ные задачи, когда один объект должен приспособляться к положению и/или неизменяемой геометрической форме другого объекта. Если для решения задач по компенса- ции погрешностей изготовления и монтажа (см. параграф 4.2) требуемые перемещения невелики, то для решения дан- ных задач перемещения соизмеримы с размерами самих объектов или их звеньев. Решения этих задач прежде все- го сводятся к организации такого внешнего сопряжения между объектами, при котором один объект (в том числе естественный, например, захватываемый камень или до- рожное полотно) может не менять положение и форму, а выходные звенья другого объекта - собственно разраба- тываемой машины — "нащупывают" первый объект и прилегают к нему своими рабочими поверхностями. Приемы конструирования, используемые с этой целью, могут быть приемлемы и в ряде других случаев - для самопристыковки равнозначных объектов, для заданного распределения нагрузки между звеньями системы и т.п. Управляющим фактором при решении задачи само- устанавливаемости относительно внешнего объекта яв- ляются реакции в местах образуемых сопряжений. Ис- пользуя данный фактор, вводят конструктивные элемен- ты, обеспечивающие приведение реакций к заданному соотношению, обычно к равенству. В качестве таких конструктивных решений применяют специальные ки- нематические соединения, отдельные примеры которых представлены на рис. 41. * Чтобы иметь определенное соотношение осевых сил в стержнях 1 и 2 (схема 5.1) достаточно соединить их в одной точке с третьим звеном — ползуном 3, а чтобы иметь заданное соотношение нагрузок на ползуны или валы, их соединяют с помощью рычага или его конструк- тивной разновидности. На схемах 5.1 ... 5.9 обозначены: 1,2, 3 — соединяемые звенья; Fi, F2 и Ез - силы; Т\, Т2 и 7з — вращающие моменты. Варианты исполнения рычагах даны в виде так на- зываемого балансира 3 (схема 5.2), цилиндрической зуб- чатой пары (схема 5.3), кулачкового дифференциала (схема 5.5), конического зубчатого дифференциала (схе- ма 5.4), реечного механизма (схема 5.6), канатного блока (схема 5.7), гидравлической передачи (схема 5.8) ив виде шлицевого соединения с короткими шлицами и доста- точными для самоустановки зазорами) зубчатых венцов центрального колеса планетарной передачи (схема 5.9). в схеме показано также звено, соединяющее балансир 3 с корпусом). Все исполнения содержат равноплечий рычаг, но аналогично выполняют и рычаг с разной длиной плеч (рычаг СКМ на схеме 6.4). Покажем решения самоустанавливаемости в за- хватных устройствах, их еще называют адаптивными (схемы 6.1 ... 6.3), в стержневом замке (схема 6.4), в са- мосвале (схема 7.1), тракторе, предназначенном для ра- боты на крутых склонах (схемы 8.1, 8.2) и в локомотиве (см. рис. 31). Устройство на схеме 6.1а предназначено для ис- пользования в ситуациях, когда нельзя сдвигать захваты- ваемый объект, пока он не зажат обеими губками - вы- ходными звеньями W1 и W2. В устройстве использован ленточный дифференциальный механизм S. В нем роль рычага выполняет ролик, перемещаемый поршнем гид- роцилиндра D в одну сторону и пружиной в другую сто- рону. Каждая губка соединена с соответствующим шки- вом дифференциального механизма и корпусом с помо- щью шарнирного параллелограмма G1 или G2, благодаря чему обеспечивается ее поступательное движение. При сближении губок та из них, которая первой коснется за- хватываемого объекта, останавливается, а движение про- должает только вторая губка до соприкосновения с объ- ектом. Затем губки зажимают объект равномерно с обеих сторон. Таким образом, происходит захватывание объек- та, расположенного относительно оси симметрии корпу- са на расстоянии е. На схеме 6.2а представлено устройство, способнее зажимать жесткий объект с четырех сторон при неточном расположении его граней. Губки - выходные звенья W1 W2, W3 и W4 соединены так, что обеспечивается при-] мерное равенство сил прижатия их к граням объект Они попарно соединены между собой и с гидроцилиг дром SD равноплечими рычагами АЕ и FC, на структуру ной схеме — это элементы S1 и S2. Звенья EL и FK введе- ны в кинематическую цепь для обеспечения подвижно- сти выходных звеньев. Гидроцилиндр SD самоустанавливается между ры- чагами АЕ и FC. Для безопасной работы можно обесг е чить замкнутое состояние зажимного устройства с пс мощью пружины, установленной между корпусом поршнем гидроцилиндра. При отсутствии давления i гидроцилиндре губки зажимают объект. В схеме 6.3а захватные элементы W1-W6 приспс собляются к форме захватываемого объекта. УстройстЕЭ содержит направляющие W* и W**, на которых смотгя рованы уравнительные механизмы S* и S** соединен! губок. Направляющие соединены с корпусом постуг тельными парами с возможностью перемещения с пог. - шью зубчатого колеса g, зацепляющегося с рейками а и Данное соединение обеспечивает самоустанавливаемос каждой из направляющих и, соответственно, комплект губок в целом по аналогии со схемой 6.1а. Кроме toi каждая из губок может приспосабливаться к форме ос - екта, но при этом существенное изменение конфигураь системы соединения губок приводит к неравномерном^ их нагружению. Для приведения губок в определенн I равновесное состояние служат упругие элементы. Так I захватное устройство может, например, равномерно за жать тонкостенный хрупкий предмет, не определив его Структурная схема устройства, представленного i схеме 6.4. аналогична схеме 6.3, но она еще более рая ветвлена и в ней использован неравноплечий ры1 а СКМ, причем к малому плечу его через равноплечий р » чаг ВСЕ присоединены два выходных звена Win W2, al большому плечу — всего одно выходное звено W3. Два жение от привода SD передается рычагу СКМ через зв4
ВНЕШНЯЯ САМОУСТАНАВЛИВАЕМОСТЬ 107 41. САМОУСТАНАВЛИВАЮЩИЕСЯ (ОТНОСИТЕЛЬНО ВНЕШНЕГО ОБЪЕКТА) МЕХАНИЗМЫ И СИСТЕМЫ САМОУСТАНАВЛИВАЮЩИЕСЯ ЗАХВАТНЫЕ УСТРОЙСТВА S - дифференциальный/суммирующий механизм G - передаточный механизм S* - обобщенный дифференциальный/суммирующий механизм W- выходное звено W* - обобщенное выходное звено САМОУСТАНАВЛИВАЮЩИЙСЯ РЫЧАЖНЫЙ ЗАМОК SD - дифференциальный привод
108 САМОПРИСПОСОБЛЯЕМОСТЬ ИСКУССТВЕННОЙ СИСТЕМЫ но KL, а штырю W3 от рычага - через звено MN. Оба рычага выполняют роль разветвляющего дифференци- ального устройства S1 и S2 соответственно. Аналогично осуществлено соединение привода разветвляющих уст- ройств S3, S4 и выходных звеньев W4-W6. Устройством представляет собой механизм замка, соединяющего две детали — корпус и основание. На схемах 6.4а, б показаны исполнения узла соеди- нения, а на схеме 6.4 - механизм в целом. Функциональ- ная особенность его такова, что в первую очередь входит в отверстие — гнездо основания — тот из штырей - выход- ных звеньев, который встречает наименьшее сопротив- ление (наиболее полное совпадение отверстия и штыря). Штырь входит в гнездо до упора. Затем входит в соот- ветствующее гнездо другой штырь, также встречающий наименьшее сопротивление из оставшихся несочленен- ными узлов, и т.д. Благодаря этому мощность привода и движущие силы рассчитывают на введение только одно- го штыря. Кроме того, можно добиться более плотного соединения, так как одновременное введение штырей потребовало бы больших зазоров. На схеме 7.1 самоустанавливаемость автосамосвала относительно дорожного полотна достигается за счет шарнирного сочленения рам 1 и 2, а самоустанавливае- мость кузова относительно сочлененной рамы — за счет его соединения с рамами в трех точках и в том числе за счет использования балансира. На схеме 7.1 обозначены классы кинематических пар, определенные в соответст- вии с рекомендациями, приведенными в параграфе 4.2. В отсутствии избыточных связей можно убедиться так- же, используя рекомендации и анализируя последова- тельно самоустанавливаемость при следующих условиях: при фиксированном относительном положении рам 7 и 2 в процессе наклона кузова (схема 7.1а)', при фиксированном относительном положении рам 7 и 2 в транспортном положении кузова (схема 7.16); при относительной подвижности рам 7 и 2 относи- тельно дорожного полотна (схема 7.1в. г). На схеме 7.1а показана возможность повышения ус- тойчивости кузова (восприятия нагрузок приводом) за счет использования двух гидроцилиндров D1 и D2, соединенных разветвляющим гидравлическим устройст- вом PS. На схеме 7.16 показано, что в транспортном по- ложении привод полностью разгружен, а кузов подвешен на специальной серьге. На схеме 7.1 в показан вид само- свала сверху. Рама 7 поворачивается относительно ра- мы 2 в шарнире С. При этом благодаря шарнирному со- единению в точках В и Е с обеими рамами кузов занима- ет положение, при котором его центр тяжести несущест- венно смещается относительно опорного контура. Схеме 8.1 подвески трактора спроектирована таким образом, что при расположении гусеничных тележек на поверхности крутого склона корпус не наклоняется - остается практически в горизонтальном положении. От- личие данной схемы от рассмотренных выше заключает- ся в смешанном использовании активной приспособляе- мости и самоприспособляемости. Сигнал отклонения от горизонтального положения тележек обеспечивает соот- ветствующее включение привода, корректирующего по- ложение корпуса относительно тележек. В частности, это может быть привод кривошипа, поворачивающего кор- пус вокруг точки А на схеме 8.1 или гидроцилиндры D1 и D2, соединенные с источником питания через разветв- ляющее уравнительное устройство PS, на схеме 8.2. В схеме 8.1 движение от кривошипа передается че- рез звенья 7 и 2 одинаковой и неизменной длины, поэто- му возможна приспособляемость только в поперечном направлении. В схеме 8.2 корпус соединен шарнирно в точке А с балансиром, который с помощью рычагов 1 и 2 и упругих элементов подвески соединен соответственно с рамами 7 и 2 гусеничных тележек. Такое соединение в совокупности с приводами D1 и D2 позволяет сохранять приближенно горизонтальное положение корпуса как в поперечном, так и в продольном направлениях. При фик- сированном положении приводов в определенной степе- ни сжатия упругих элементов полученная схема пред- ставляет собой пространственную ферму без избыточных связей, самоустанавливающуюся при различных положе- ниях гусениц 7 и 2. На рис. 42 представлены варианты решений четы- рехосной тележки локомотива, в той или иной мере обеспечивающие самоприспособляемость колес тележки к направлению рельса при движении локомотива по кри- волинейному участку пути. Наряду с этим подвеска те- лежки обеспечивает равномерное распределение силы тяжести (в данном случае сцепного веса) между отдель- ными колесными парами (см. структурную схему 9.1 с теми же обозначениями, что и на рис. 41, и кинематиче- скую схему 9.1а). Общая рама образует с рамой тележки двухподвиж- ное сферическое соединение IVA. Оно позволяет повора- чиваться тележке относительно общей рамы вокруг двух осей (вертикальной и поперечной - см. схему 9.16) и не позволяет поворачиваться вокруг продольной оси. Кон- структивное исполнение такого соединения на рис. 38 где показано наличие четырехподвижной пары II, пру- жин и демпферов, а также показаны силы, нагружающие данное соединение F и Fr}. В действительности подвижность вокруг продоль- ной оси имеется, но она ограничена упругостью пружи [ Если при анализе это не учитывать, то получится "лиш- няя" степень свободы общей рамы - возможность враще- ния вокруг продольной оси, что делает данную схему неработоспособной. Аналогичная схема соединения ра- мы тележки с балансирами, которые, в свою очередь, соединены с колесными парами с помощью сферических пар, которые могут быть отнесены к трехподвижным парам Ш5. Особенность современной рациональной схемы 9.1а заключается в начальном расположении осей всех шар- ниров на одной прямой, а также в выполнении централь- ных шарниров тележки и балансиров двухподвижными сферическими IVS. Они допускают не только покачива- ние в плоскости схемы, но и поворот тележки и/или ба- лансира вокруг горизонтальной оси. Расположение осей шарниров на одной прямой или расположение централь-
ВНЕШНЯЯ САМОУСТАНАВЛИВАЕМОСТЬ 109 42. МНОГОКАТКОВАЯ САМОУСТАНАВЛИВАЮЩАЯСЯ СИСТЕМА ТРАНСПОРТНОЙ МАШИНЫ САМОУСТАНОВКА КОЛЕСНЫХ ПАР НА КРИВОЛИНЕЙНОМ УЧАСТКЕ ПУТИ ных шарниров даже ниже опор колесных пар существен- но повышает поперечную устойчивость машины. Тем не менее, боковые перемещения в любом случае нужно ог- раничивать. При качении балансиров будут иметь место неоди- наковые реакции из-за неровностей дороги, так как плечи действия сил все же меняются, хотя и в меньшей мере, чем при расположении центрального шарнира выше опор колесных пар. Интересно, что отдельные решения многокатковых систем существуют уже очень давно. Но в то же время некоторые из них претерпели существенные изменения, в частности касающиеся вида кинематических пар и соот- ношения параметров. Схема 9.1а имеет наиболее древний прототип, но используется в самом современном тепловозе. В данной схеме можно распределять нагрузку при числе катков [колесных пар], равном 2, 4, 8, 16 и т.д. При других чис- лах элементов используют неравноплечий рычаг или иные (несимметричные) дифференциальные механизмы. На схеме 9.1г показано нетрадиционное для желез- нодорожного транспорта соединение рамы тележки с балансирами при несовпадении оси кинематической па- ры Ills с осью пружины или группы пружин. В представ- ленной схеме силы F} и F2 характеризуют соответственно воздействие общей рамы и балансиров. В реальных кон- струкциях соединения выполнены, как показано на схе- ме 9.1 в. Кажущееся возможным вращение балансира во- круг собственной оси исключено за счет симметричного расположения группы пружин вокруг оси пары II, а так- же из-за того, что центры шарниров Ш5 и II в процессе сжатия пружин не располагаются на одной прямой. Кро- ме того, подшипники колесных пар выполнены с ограни- ченной возможностью перекоса. При прохождении криволинейного участка пути (см. на схемах 9.1в ... 9.1д штриховые направляющие линии) колесные пары самоустанавливаются относи- тельно рельса, перемещаясь поступательно в поперечном направлении. Балансир при этом поворачивается вокруг точки С, а точки А и В занимают положения, при кото- рых обеспечивается минимальная работа возможного скольжения в паре рельс-колесо. Уменьшить работу скольжения, а следовательно, уменьшить износ рельса и повысить некоторые другие эксплуатационные качества можно, обеспечив поворот осей колесных пар, как это показано на схемах 9.1г, 9.1д. Достигается это, в частности, смещением центра шарни- ра С к оси тележки (схема 9.1г). Но в данном случае оси двух колесных пар все же остаются параллельными меж- ду собой. Еще больший эффект можно получить, используя неравноплечий рычат АВС (схема 9.1д). При определен- ном соотношении каждая из осей колесных пар способна занимать наиболее благоприятное положение (см. угол между осями у). Но данный вариант вряд ли может быть принят при оценке по другим критериям. Приведенные рассуждения не следует воспринимать как руководство по конструированию подвесок железнодорожного транс- порта. Они даны лишь для освоения общих принципов конструирования, связанных с самоприспособляемостью, а для выбора рациональной конструкции требуется ком- плексный подход.
110 САМОПРИСПОСОБЛЯЕМОСТЬ ИСКУССТВЕННОЙ СИСТЕМЫ На схеме 9.2 (рис. 43) всего шесть катков [колесных пар], поэтому они не могут быть сгруппированы, как на схеме 9.1а — попарно, а затем по четыре. Здесь пара кат- ков, соединенная балансиром, соединена неравноплечим рычагом АВС - рамой тележки 1 с отдельным катком. Рычаг в точке В шарнирно соединен с платформой общей рамой. Отдельный каток другой опорной тележки 2 рас- положен на одинаковом расстоянии от смежных катков тележки 1. Для равного нагружения катков (см. реакции дорожного полотна F на пару катков из /72 на один ка- ток) должно выполняться соотношение длин плеч рычага АВС, показанное на схеме. На схеме 9.3 — вариант шестикатковой тележки, в которой катки [колесные пары] объединены попарно ба- лансирами, а балансиры соединены между собой и с платформой неравноплечими рычагами в точки К и М. Для равенства реакций F на каждую из пар катков необ- ходимо иметь соотношение плеч, показанное на схеме 9.3. На схеме 9.4 катки [колесные пары] попарно соеди- нены балансирами, балансиры шарнирно - с ползунами, перемещаемыми относительно рамы. На каждом из пол- зунов установлены блоки, через которые перекинут гиб- кий элемент — трос. Трос огибает также блоки, установ- ленные на раме. Концы троса закреплены на раме. Вве- дено также натяжное устройство. При равенстве углов наклона ветвей троса вертикальная нагрузка на каждую из пар катков будет одинаковой. При неровностях до- рожного полотна одни ползуны поднимаются, другие опускаются, углы между ветвями троса несколько меня- ются, что приводит к некоторой неравномерности рас- пределения нагрузки. На схеме 9.5 каждый каток [колесная пара] установ- лен на балансире 1, обычно выполненном в виде рессо- ры. Соседние балансиры 1 через тяги соединены между собой балансиром 2. Крайние балансиры 1 шарнирно присоединены к раме. Все балансиры 2 также шарнирно соединены с рамой. Такое соединение обеспечивает рав- номерное распределение нагрузки. В данной схеме воз- можно размещение как четного, так и нечетного числа катков. При числе колесных пар, равном трем, ее исполь- зуют, в частности, в тележке локомотива. На схеме 9.6 все балансиры, соединяющие попарно колесные пары, соединены между собой и рамой. Край- няя тележка присоединена через распорные звенья и ползун к раме, а также к другой тележке. Распорные зве- нья образуют равнобедренные треугольники. Ползун имеет ролики, взаимодействующие с направляющей ра- мы. При вертикальном перемещении одной из тележек изменяется наклон распорных звеньев, а ролики движут- ся вдоль направляющей, перемещаются также по гори- зонтали другие тележки до тех пор, пока не будет при- мерно одинаковой нагрузки на все тележки. Из-за разли- чия наклона отдельных звеньев нагрузка будет распреде- ляться несколько неравномерно. Схемы 9.3 и 9.6 применяют для тяжелых тягачей, большегрузных прицепов, косяковых силовых тележек и т.п., а схему 9.4 использовали в гусеничных машинах. Следует обратить внимание на полную аналогию рычажных механизмов многокатковых систем и само- приспособляемых зажимных устройств: сравни схе- мы 6.3а (рис. 41) и 9.6 (рис. 43). Что касается применения принципиальных схем 9.1 ... 9.6 в подвесках транспортных машин, то это сопряжено с введением дополнительных элементов и использованием различных вариантов уравнительных систем, в том числе пространственных (см. схему 9.8а). Применение упругих элементов (пружин) уже было проиллюстрировано на рис. 38 в балансирной подвеске тележки локомотива. Приведем некоторые примеры решений балансир- ной подвески автомобилей. Балансирная подвеска автомобиля (схемы 9.7) связывает два моста (профессиональный термин) с рамой и обеспечивает их зависимое качение относительно рамы. Подвеску выполняют в виде двух симметрично рас- положенных механизмов по разные стороны машины. На балках 1 и 2 установлены колеса (центры W1 и W2). Ка- ждая балка с помощью коромысел АВ и KL, CD и MN шарнирно соединена с рамой. Рессора опирается конца- ми на балки, а в средней части шарнирно соединена с рамой. Коромысла при качении обеспечивают балкам возможность перемещаться вертикально относительно рамы. Вертикальные составляющие нагрузки в основном воспринимаются рессорой, а горизонтальные и реактив- ный момент ведущих мостов - полностью коромыслами. Качение рессоры обеспечивает равенство вертикальных составляющих нагрузки. На схемах 9.8 и 9.8а представлена балансирная под- веска, используемая, в частности, в базовом тягаче, на котором смонтирован грузоподъемный кран. Балки 1 и 2 соединены балансирами 1 и 2, опирающимися на раму. Такое соединение позволяет постоянно перераспределять нагрузку между всеми колесами. Равновесие подвески возможно только при равенстве всех реакций Fri, Fr2, Fr3 и Frn со стороны дорожного полотна. Обычно такие сис- темы не имеют упругих элементов. В балках 1 и 2 раз- мещены трансмиссии. Реактивные моменты (ограниче- ние от вращения балки) воспринимают тяги 1 и 2. На схемах 9.9 и 9.10 даны варианты рессорных под- весок многоосного тягача, обеспечивающих равномерное нагружение балок 1 и 2. Рессора 1 соединена с балкой 1, а рессора 2 - с балкой 2 (рессоры размещены по краям балки). Концы рессор 1 и 2 соединены между собой и с рамой посредством рычагов и тяг, образующих замкну- тую кинематическую цепь. В схеме 9.9 при увеличении нагрузки на рессору 1 (наезд на камень) поворачивается рычаг 1 и через тягу передает движение рычагу 2, и соответственно деформи- руется рессора 2 до тех пор, пока нагрузка на обе рессо- ры не будет примерно одинаковой. Серьги 1 и 2 установ- лены для того, чтобы компенсировать продольные пере- мещения одного конца рессоры относительно другого конца. В схеме 9.10 использована аналогичная система в виде замкнутой кинематической цепи соединения рес- сор 1 и 2. От схемы 9.9 она отличается иной конфигура- цией рычагов 1 и 2, а также расположением тяги, соединяющих их.
ДЕФОРМАТИВНАЯ ПРИСПОСОБЛЯЕМОСТЬ 111 43. МНОГОКАТКОВЫЕ [МНОГООСНЫЕ] САМОУСТАНАВЛИВАЮЩИЕСЯ [УРАВНИТЕЛЬНЫЕ] СИСТЕМЫ БАЛАНСИРНЫЕ ПОДВЕСКИ АВТОМОБИЛЕЙ -упругие соединения боковых рычажных систем , _ с-'ЬУфиЬиС На схеме 9.10 показаны также присоединенные и размещенные между рамой и балкой демпферы и стаби- лизаторы поперечной устойчивости. Каждый стабилиза- тор имеет торсион, размещенный параллельно балке и соединенный с рамой рычагом QT и тягой QS с обеих сторон рамы. Кроме рессор показаны также подрессор- ники, которые вступают в действие при определенной деформации рессоры, обеспечивая тем самым нелиней- ную(ступенчатую) характеристику упругой системы. 4.4. ДЕФОРМАТИВНАЯ ПРИСПОСОБЛЯЕМОСТЬ Любые детали машин и сооружений под нагрузкой деформируются. Мера деформирования - деформация — может быть столь незначительной, что не будет оказы- вать влияния на функционирование объекта, но, как пра- вило, не считаться с деформированием нельзя, если оно не грозит разрушением объекта, а только влияет на его качественные характеристики. В этой связи один из ос- новных принципов конструирования заключается в при- дании детали такой геометрической формы, которая при нагружении способствовала бы желательному функцио- нированию данной и сопряженных с ней деталей. Речь идет не об исключении деформации или не только о ее уменьшении, а о направленности деформирования, о компенсации за счет деформации погрешностей изготов- ления, об уменьшении неравномерности распределения нагрузки, об уменьшении нагрузки на сопряженные де- тали и т.д. Поскольку деформативность — это способность де- формироваться, то деформативная приспособляемость — это способность приспособляться к нагрузке или другим воздействиям за счет направленного деформирования. При этом деформативность детали и/или соединения — это свойство материала и геометрической формы детали и/или сопряжения деталей.
112 САМОПРИСПОСОБЛЯЕМОСТЬ ИСКУССТВЕННОЙ СИСТЕМЫ Поэтому задача обеспечения деформативной при- способляемости сводится к выбору материала с соответ- ствующими механическими характеристиками (в частно- сти, модулем упругости) и к выбору геометрической формы. В основном эта сторона в качественном виде бу- дет освещена ниже. Еще для приспособляемости важно возможное геометрическое и/или упругое скольжение в местах сопряжений деталей, но об этом сказано в пара- графе 3.5. На рис. 44 (схема 10.1) представлен типичный для справочников и учебников пример нагружения болтового соединения, пожалуй, в более выразительном виде. Чем больше сжимают стык, затягивая болт, тем больше растя- гивается болт. Приложение рабочей нагрузки q приведет к уменьшению сжатия стыка, к дополнительному растя- жению, а может быть, и изгибу болта (схема 10.1а), на что обычно не обращают внимания. При этом стык мо- жет полностью раскрыться и/или прилегающие элементы изогнутся так, что нарушится равномерность прилегания поверхностей и герметичность стыка. Напрашиваются два возможных решения, которые способны как-то ослабить эти неблагоприятные явления: постараться нагрузить болт и стык только центральной (вдоль оси болта) силой Fq (схема 10.1в) или скорректи- ровать форму прилегающих поверхностей так. что они только после затяжки болта и приложения рабочей на- грузки станут параллельными друг другу (схема 10.16). Однако оба решения имеют существенные недос- татки: в первом случае усложняется конструкция из-за необходимости предусмотреть нишу для установки и размещения болта и сужается поперечное сечение емко- сти, а во втором - создается дополнительное нагружение болта, а кроме того, стык будет сжат равномерно только при одном расчетном уровне рабочей нагрузки. На схеме 10.2 приведено современное решение фланцевого болтового соединения замкнутой емкости, работающей под внутренним давлением q и показана модель (схема 10.2а), демонстрирующая нагружение и деформирование фланцев и стержня болта - шпильки, представленной в виде пружины. Шпильки имеют гайки 1 и 2 малого диаметра, что позволило разместить большое количество шпилек по контуру соединения. Шпильки максимально приближены к внутренней поверхности емкости (С < В/2), чтобы в большей мере они могли препятствовать раскрытию сты- ка, обусловленному поворотом сечений фланцев 1 и 2 относительно точки А под действием сил Fo, т.е. в этом плане картина максимально приближена к центральному нагружению болта (см. схему 10.1 в). В то же время для уменьшения силы F, растяги- вающей шпильку, увеличена ширина фланцев В и соот- ветственно плечо (В-С) действия силы F, а значит, уменьшена требуемая сила затяжки. Но при этом для обеспечения необходимой жесткости фланца при его осесимметричном деформировании требуется соответст- венно увеличить высоту фланца Н. Из приведенных примеров следует, что желательно иметь максимальную жесткость стыка и минимальную жесткость болта. Это особенно важно при переменной рабочей нагрузке, когда определяющим фактором рабо- тоспособности является усталость материала болта, а уменьшение его жесткости приводит к уменьшению ам- плитуды переменных напряжений в его элементах. Ослабление сечения болта и увеличение длины стержня ограничены его прочностью и размерами флан- цев. В особо ответственных конструкциях в силовую цепь болта вводят дополнительные упругие элементы, причем располагают их таким образом, чтобы уменьшить приве- денную жесткость силовой цепи болта, а не стыка. При этом важно предусмотреть контроль силы затяжки болта На схемах 10.3 представлена конструкция, иллюст- рирующая размещение дополнительных упругих элемен- тов, которые не приводили бы к уменьшению жесткости стыка. При нагружении соединения рабочей силой Fo сжимается пружина 1 и растягивается винт, как это сле- дует из рассмотрения модели, представленной на схеме 10.3а. В конкретном конструктивном решении применена тарельчатая пружина 1 и винтовая пружина 2 регламентированной жесткости, служащая в основном для контроля силы затяжки. В начале сборки гайку наворачивают на винт до упора и стопорят относительно винта. После этого вво- рачивают винт в резьбовое отверстие детали 2 до тех пор. пока пружина 2 не сжимается так, что ее витки будут соприкасаться и при этом она поместится в коробке (крышка закроет коробку, - см. схему 10.36). Сила сжатия пружины строго определена, и таким образом она будет определенной в целом для элементов силовой цепи болта. Одним из важных направлений деформативной при- способляемости является обеспечение равномерного рас- пределения нагрузки между параллельно работающими элементами, деталями соединений, когда средствами са- моустанавливаемости (см. рис. 42) твердых тел осущест- вить такое распределение сложно или невозможно. В качестве примера приведем подшипниковую опору, составленную из трех подшипников (рис. 45). Каждый из подшипников (схема 11.1) имеет четырехточечный кон- такт шарика с кольцами 1-3 в точках С\—Сц и может вос- принимать значительную осевую нагрузку. Если не при- нять мер по распределению нагрузки и установить под- шипники последовательно (вплотную один к другому), то из-за различия зазоров, при различной фактической ширине колец 1-3 нормально функционировать может только один из трех подшипников. На схеме 12.1 показано, что каждый из подшипни- ков установлен во втулке и наружные кольца застопоре- ны в осевом направлении пластическим замком (под- шипник может нормально работать только при соответ- ствующем прижатии колец 2 и 3 одного к другому - см. схему 11.1). Сборку подшипников опоры осуществляют на стен- де. При этом одинаково нагружают втулки 1-3 осевой силой, после чего скрепляют их с помощью трех ради- альных штифтов (см. схему 12.1а). Затем опору устанав- ливают на вал и в корпус компрессора. Жесткости втулок 1-3 различные. Их выбирают в соответствии с моделью опоры (схема 12.1 в). Каждое из параллельных соединений должно иметь одну и ту же приведенную жесткость. Иными словами, суммарная деформация звеньев и элементов в одной ветви силовых линий (см. схему 12.16) должна быть такой же, как во второй и в третьей ветвях.
ДЕФОРМАТИВНАЯ ПРИСПОСОБЛЯЕМОСТЬ 113 44. ДЕФОРМАТИВНАЯ ПРИСПОСОБЛЯЕМОСТЬ БОЛТОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ Рабочая нагрузка Fq направлена вдоль оси шпильки. МОДЕЛЬ СОЕДИНЕНИЯ Жесткость шпильки 110.2а | I 102 I А 45. РАВНОМЕРНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗКИ МЕЖДУ ПОДШИПНИКАМИ ОПОРЫ Параллельное соединение трех подшипников в опоре осевого компрессора |12.1в| 12.1 Гайка Модель опоры Шплинт (распределение жесткостей) СГ В1 С1 vwtoO С2' В2 С2 СЗ' вз сз Fi Жесткости параллельных соединений одинаковы. Параллельные ветви силовых линий при осевом нагружении опоры |12.1а| Обработка отверстия и установка штифта после устранения зазоров . П и предварительного одинакового Штифт сжатия соединений кольца |12.1б| Cc/l
114 САМОПРИСПОСОБЛЯЕМОСТЬ ИСКУССТВЕННОЙ СИСТЕМЫ На схеме 12.1 в обозначены жесткости составных звеньев и элементов параллельных соединений: С1-СЗ - внутренних втулок и колец; В1-ВЗ — подшипников; С2'-С3' - втулок 1—3 соответственно (см. схему 12.1а). Требуемое соотношение жесткостей достигается за счет выбора сечений втулок 1-3. Еще одно из важнейших направлений реализации деформативной приспособляемости - это компенсация деформаций, возникающих при нагреве и охлаждении. Примеры конструктивных решений, обеспечивающих такую компенсацию, даны на рис. 46. В соединении па- кета деталей (схема 13.1), если не предусмотреть упругие компенсаторы (пружины 1 и 2), то при высокой рабочей температуре в результате расширения деталей стяжной стержень неминуемо порвется. Чем ниже жесткость пру- жин 1 и 2 (конструктивное исполнение см. на схе- ме 13.1а), тем в меньшей мере возрастает напряжение в стержне при нагреве и расширении соединенных между собой дисков. Компенсация теплового расширения обычно осно- вана на обеспечении свободного или относительно сво- бодного увеличения размеров. Если зафиксировать опо- ры вала, то при нагреве увеличиваются напряжения сжа- тия и может наступить потеря устойчивости вала. Для того чтобы не допустить такого явления, одну из опор выполняют "плавающей". Правда, по условиям функцио- нирования это не всегда возможно. Во многих случаях между сопряженными поверхностями устанавливают упругие прокладки, предусматривают необходимые зазо- ры, устраняемые при рабочей температуре. В трубопро- водах делают вставки в виде сильфонов (схема 13.2). Во многих сопряжениях деталей имеет место нерав- номерный нагрев. Это обусловлено как расстоянием от источника тепла, так и переменным сечением деталей. В этих случаях, чтобы получить поверхностное соприкос- новение деталей, корректируют форму элементов соеди- нения. Например, на схеме 13.3 шток, нагреваемый с од- ной стороны (снизу), выполнен коническим. При нагреве зазор по длине втулки становится постоянным и обеспечи- вает нормальные условия движения штока вдоль втулки. Аналогичное решение используют и в паре поршень - цилиндр двигателя внутреннего сгорания (схема 13.4 . Кроме коррекции образующей поршня изменяют также контур его поперечного сечения таким образом, чтобы при нагреве он стал круглым - эквидистантным контур. сечения цилиндра. Иногда аналогичными средствами приходится ре- шать задачи компенсации изменения размера, обуслоь- ленного существенным охлаждением, в том числе нераь- номерным. Аналогичные приемы деформативной приспособ- ляемости используют для других деталей и соединений (рис. 47.1). Причем цели, достигаемые за счет этих приемов весьма разнообразны, но в основном сводятся к следую- щему: • уменьшить степень нарушения взаимодействие звеньев при изгибе вала или оси, в частности, уменьшит? перекос зубьев в зацеплении или перекос шипа (шейки) в подшипнике; • перераспределить нагрузку на опоры вала для единонаправленного их участия в восприятии внешнее (рабочей) нагрузки; • обеспечить синхронное вращение звеньев, при- соединенных к двигателю валами или кинематическими цепями разной длины;
ДЕФОРМАТИВНАЯ ПРИСПОСОБЛЯЕМОСТЬ 115 • ослабить влияние изгиба рабочих валков на форму деформируемой заготовки; • уменьшить неравномерность распределения на- грузки межу телами качения подшипников, между зубь- ями в зубчатом зацеплении или соединении, между вит- ками резьбового соединения или между иными элемен- тами других соединений; • уменьшить неравномерность распределения на- грузки по длине контактной линии в паре: тело качения — подшипник скольжения, зуб шестерни — зуб сопряженно- го с ней колеса и т.п.; • исключить или уменьшить напряжения растяже- ния в материалах, плохо работающих на растяжение, на- пример в бетоне или чугуне; • повысить предел упругости материалов сопряжен- ных деталей в неподвижном фрикционном соединении; • перераспределить нагрузку между параллельными элементами в соответствии с их прочностными характе- ристиками; • обеспечить более-менее равное участие в воспри- ятии рабочей нагрузки отдельным слоями многослойной конструкции или в соответствии с их прочностными ха- рактеристиками . Могут достигаться и другие цели, направленные на повышение качественных показателей конструктивных решений. Примеры отдельных решений, приведенные на рис. 47.1, конечно, не исчерпывают все возможные пути обеспечения деформативной приспособляемости, но тем не менее помогут по аналогии решать и другие задачи. Каждый прием характеризует только физическую сторо- ну и может быть использован только в совокупности с расчетом для конкретных материалов и размеров и толь- ко для определенного уровня нагружения. Хотя иллюстративный материал конструктору обычно говорит сам за себя, тем не менее далее приведе- ны некоторые пояснения. В группе примеров валы, оси и валки (рис. 47.1) показаны, в частности, варианты нагружения подшипников в зависимости от жесткости шпиндельного вала станка. В варианте I изгиб вала может привести к тому, что подшипник А окажется почти ненагруженным, а реак- ция Fc в опоре С равна сумме рабочей нагрузки F и реак- ции FB в опоре В. Увеличение жесткости в варианте II позволяет более рационально загрузить подшипники. Реакция FA в опоре А направлена в ту же сторону, что и сила F. При этом благодаря одностороннему восприятию сил существенно уменьшится общая деформация под- шипниковой опоры ВС. В этой схеме наряду с жестко- стью играет роль также соотношение радиальных зазоров в подшипниках А, В и С. В следующем примере в приводе передвижения мостового крана неодинаковая крутильная жесткость валов приводит к разным углам их закручивания и вра- щению опорных колес. Решение достаточно очевидно - выбрать валы с соотношением жесткостей, приведенным на рис. 47.1: Jp\Up2 = l2H\ (фг и Ф2 ~ углы поворота выход- ных звеньев; 1\ и 12 — длины валов; Jp\ и Jp2 — полярные моменты инерции сечений валов). Если в каждой из кинематических ветвей преду- смотрены зубчатые передачи и/или муфты, то следует обеспечить равенство жесткостей ветвей в целом и ра- венство приведенных зазоров. В примерах с водилом планетарной зубчатой пере- дачи показано, что диск с консольными осями сателлитов существенно деформируется под действием силы FB ок- ружном направлении. Чтобы уменьшить эту деформа- цию, предусматривают ребро жесткости. Еще больший эффект достигается при расположении осей в опорах, размещенных в двух параллельных дисках, неподвижно соединенных между собой перемычками. Направления крутящих моментов здесь обозначены стрелками и бук- вами Т. Деформирование кручения соответствует данным направлениям. Такой прием, по существу, характеризует использование симметричной балки вместо консольной. В аналогичных случаях следует иметь в виду, что сим- метричная балка, свободно опертая по краям, имеет мак- симальный прогиб примерно в 4 раза больший, чем балка такой же длины с жесткой заделкой (с защемляющей не- подвижной опорой) обоих концов, и во много раз мень- ший, чем консольная балка. Недостаточная жесткость неблагоприятно сказыва- ется на протекании процесса обработки материалов дав- лением, особенно при больших силах, действующих на рабочие элементы, направляющие устройства и опоры. В прокатной клети изгиб валков приводит к разнотол- щинности прокатываемой полосы. На схеме обозначены: F\, F2 - реакции со стороны полосы на валки; FD, F^, FK, FL — реакции в опорах вал- ков. Для того чтобы компенсировать прогиб, валкам при- дают бочкообразную форму, что, однако, не позволяет получить соответствующий эффект при прокатке полос различной толщины. Применяют также тепловое расширение валка, на- гревая его в середине. Наиболее целесообразным счита- ется использование многовалковой прокатной клети с дополнительными опорными валками, уменьшающими прогибы рабочих валков благодаря совместной с ними работе (схема 14.1 на рис. 47.2). Кроме того, опорным валкам придают так называемый противоизгиб (схемы 14.1а и 14.16). Автоматическая система компенсационно- го нагружения позволяет добиться эквидистантности образующих (линий) в зазоре между рабочими валками при обработке полос различной толщины (схема 14.2). На схемах 14.2а и 14.26 показана возможность управления межвалковым зазором (для обеспечения по- стоянства толщины полосы по ее ширине) за счет пере- мещения конусообразных рабочих валков (схемы 14.3). При перемещении валков, показанном на схеме 14.2а, толщина посередине полосы увеличивается, а при пере- мещении на схеме 14.26 - уменьшается. При этом полу- чают профиль полосы, показанный на схеме 14.4, ком- пенсируя возможные отклонения профиля, показанные на схемах 14.4а и 14.46.
116 САМОПРИСПОСОБЛЯЕМОСТЬ ИСКУССТВЕННОЙ СИСТЕМЫ 47.1 ДЕФОРМАТИВНАЯ ПРИСПОСОБЛЯЕМОСТЬ К НАГРУЗКЕ ВАЛЫ, ОСИ И ВАЛКИ Нарушения взаимодействия звеньев Нагружение опор в зависимости от жесткости вала Выравнивание углов закручивания валов различной длины Уменьшение деформации оси Деформирование валков ПОДШИПНИКИ докальное Распределение нагрузки уменьшение Согласованное соотношение жесткостей гайки и винта Гайка Гайка Винт Пергменная жесткость деталей по длине резьбы НЕПОДВИЖНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ Распределение нагрузки в резьбовом соединении поII Е. Жуковскому Различные зазоры в "елочном" замке F Винт = 1 А е т
ДЕФОРМАТИВНАЯ ПРИСПОСОБЛЯЕМОСТЬ 117 В группе примеров подшипники (см. рис. 47.1) приведено расчетное распределение нагрузки на тела качения подшипника в предположении абсолютно жест- ких колец при относительном их смешении на величину 8. Этот закон распределения достаточно близок к реаль- ному, если в опорных элементах колец не приняты меры по компенсационному распределению жесткости. Сила Fmax наиболее нагруженного ролика или шарика может в не- сколько раз превышать расчетную равномерную нагрузку. Неравномерность распределения нагрузки можно уменьшить, выбирая форму опоры с минимальной жест- костью в направлении силы F,., предусматривая в месте посадки серповидный зазор или располагая ребра жест- кости на удалении от наиболее нагруженного тела каче- ния. При локальном уменьшении жесткости корпуса опоры и передаче силы на его боковые стенки макси- мальная нагрузка на тела качения существенно уменьша- ется (эпюры распределенной нагрузки q\,q2- соответст- венно при жестком корпусе и при использовании данного приема). В роликовых подшипниках имеет место неравно- мерное распределение нагрузки вдоль контактной линии. Для уменьшения данной неравномерности корректируют либо форму самих роликов (например, скругляют цилин- дрическую поверхность по краям — см. эпюры распреде- ленной нагрузки qh qu), либо форму дорожек качения. Например, образующие дорожек качения выполняют непараллельными (угол у на схеме). После приложения силы F сечение кольца повернется в направлении стрел- ки Г и рабочая поверхность кольца будет прилегать к поверхности ролика по всей длине контактной линии. Уменьшить неравномерность распределения нагруз- ки и увеличить пятно контакта в шариковом подшипнике можно за счет уменьшения жесткости непосредственно под дорожкой качения. Например, среднюю часть кольца выполняют тонкой, а жесткие периферийные опорные части В и D отделяют от средней части прорезями, рас- положенными в шахматном порядке. При уменьшении жесткости в подшипнике следует помнить о точности центрирования, так как центр оси вала при малой жест- кости опоры смещается в радиальном направлении. Можно скомпенсировать и данное смещение за счет предварительного "нецентрального" расположения под- шипника без нагрузки. В подшипниках скольжения с целью уменьшения влияния перекоса или изгиба шейки (шипа) образующую втулки выполняют эквидистантной оси шейки вала, изо- гнутой при нагружении. В группе примеров неподвижные соединения (см. рис. 47.1) показано, что классическое распределение на- грузки в резьбовом соединении обусловливает нормаль- ное участие в работе примерно