Основы конструирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Общие принципы конструирования

Типовая схема разработки нового оборудования представляет собой последовательно-параллельную взаимосвязь основных этапов:

- анализ потребности и спроса,

- определение требований смежных областей, цели и функции,

- изучение сферы применения и эксплуатационных условий,

- формулирование принципа действия,

- синтез системы человек-машина,

- общее проектирование,

- рабочее конструирование,

- технологическая проработка,

- наладка и испытание опытного образца,

- комплексное испытание и оценка системы человек-машина, доработка конструкции и технологии изготовления,

- комплектование и оформление техдокументации.

Основные этапы сопровождаются поиском аналогов и прототипа, расчетом, моделированием и увязкой механики и управления, художественной проработкой, патентными исследованиями, экономическим расчетом, выявлением изобретений, оформлением притязаний на приоритет технических решений и т. п.

Взаимосвязь этапов предусматривает их переплетение и нечеткость границ.

Когда начинать работу над новой машиной? На этот вопрос можно ответить, что процесс совершенствования машин должен быть непрерывным. Новые поколения машин должны разрабатываться также непрерывно, хотя это обусловлено прежде всего принципиально новыми решениями научных проблем машиностроения.

Непрерывность процесса разработки в данном случае означает, что как только завершается работа над машинами одного поколения, а возможно и до завершения работы, формируются задачи, связанные с совершенствованием машин и разработкой нового поколения. Естественно, постоянно учитывается опыт эксплуатации, тенденции спроса на рынке сбыта, мода на принципиальную схему, внешний вид, степень и характер автоматизации. Период появления новых машин и машин нового поколения не должен превышать период морального старения машин предшествующего поколения.

Конструирование тесно связано с научными исследованиями. При этом важными решениями являются не только получение и оптимизация новых схем и конструкций, обоснование правильности выбора материалов, синтез новых материалов, разработка новых более точных методов расчета на прочность и износостойкость, методов испытаний и диагностики, но и разработка методов оценки и прогнозирования технического уровня, определения требуемых потребительских качеств, экономического анализа создаваемой продукции.

Только при достаточной подготовленности науки, при соответствующих научных результатах возможно поставить и решить задачу создания машин более совершенных по своим параметрам и качествам по сравнению с известными в мире машинами.

Создание принципиально новой машины (комплекса, ряда машин) или совершенствование существующей машины начинается с четкого формулирования ее функциональных признаков, т. е. того, что должна делать машина, какую выпускать продукцию, какие осуществлять технологические процессы и т. п. Этот вопрос может быть решен только при изучении всего осуществляемого технологического процесса или комплексов процессов, возможностей совершенствования процесса, совершенствования смежного оборудования.

Например, определение функциональных признаков погрузочных машин неразрывно связано с функциональными признаками и параметрами транспортных машин, складов, приемных сооружений и т. п. Иными словами, конструируемая машина -- элемент существующей системы и определение ее эксплуатационных показателей осуществляется во взаимосвязи с окружающей средой, с интеллектуальным уровнем и потребностями человека.

Из числа задаваемых основных эксплуатационных и технико-экономических показателей в первую очередь определяют:

- производительность,

- точность воспроизведения заданного процесса,

- надежность,

- стоимость изготовления и эксплуатации (в расчете на единицу продукции),

- степень загрязнения среды,

- уровень шума и вибраций,

- приспособленность к человеку (удобство и безопасность управления и обслуживания),

- внешний вид и др.,

а также производные показатели:

- габаритные размеры,

- массу,

- использование дефицитных материалов при изготовлении,

- использование ручного труда,

- ремонтопригодность,

- энергопотребление,

- потребление дефицитных материалов при эксплуатации и др.

С учетом эксплуатационных и технико-экономических показателей определяют перечень технических параметров, в который, в частности, входят:

- грузоподъемность,

- несущая, нагрузочная и тяговая способности, устойчивость,

- долговечность,

- КПД,

- скорость перемещений,

- время разгона,

- путь торможения,

- маневренность,

- рабочее пространство,

- зона обслуживания,

- степень слежения за процессом работы и техническим состоянием машины,

- автоматизация управления и восстановления,

- живучесть и др.

Совокупность показателей принимается в зависимости от назначения, объемов тиражирования, состояния рынка сбыта.

На первом этапе определяют пределы или диапазоны показателей и параметров или формируют качественные требования. В последующем определяют в этих пределах ряды параметров, возможные типоразмеры ряда машин, возможные составные унифицированные части (модули) и основные детали. Уточнение ряда параметров, ряда типоразмеров, характера компоновки машин из модулей проводят на всех этапах конструирования машин. Наряду с чисто техническим подходом здесь имеет место экономический подход.

При переходе к этапу оптимизации конструкции приобретает первостепенную роль физическое и математическое моделирование процесса, схемы, конструкции.

К сожалению, под оптимальным проектированием зачастую понимают только процесс анализа совокупного влияния параметров на качество схемы, конструкции или поиска такого сочетания параметров, который в наиболее полной мере удовлетворяет заданным критериям оценки качества. Структура машины, схема ее несущих частей, функциональная система принимаются обычно как нечто незыблемое. Возникают ситуации, когда ученые в течение года и более с помощью ЭВМ оптимизируют параметры заданной схемы, а затем изобретатель принципиально меняет схему и процесс оптимизации приходится повторять сначала

Необходимо в этой связи изобретательству, синтезу принципиально новых решений придать научную основу. Любое направленное научное исследование в области машиноведения должно завершаться изобретением, будь то структурное решение, кинематическая схема, сочетание параметров, материал или способ измерения параметров, управления машиной, диагностики технического состояния машины, осуществления технологического процесса. Прежде чем приступать к решению какой-либо задачи, надо изучить все известное в данной области. Необходимо иметь также представление о решениях-аналогах подобных задач в смежных областях техники. Например, преобразование величины и направления скорости движения может быть решено в механической и (или) электрической системах; сравнение различных величин также осуществляют либо полностью в механизме, либо преимущественно в электронном устройстве

Аналоги тех или иных решений механизмов следует искать в гидравлике, теплотехнике, электротехнике, электронике и науках о живой природе. Направленное тепловое поле может компенсировать деформацию конструкции от механической нагрузки, а механизм для захватывания и перемещения предмета -- имитировать взаимосвязь и движение элементов кисти и руки человека. Широко распространенным приемом осуществления технологического процесса изготовления деталей является имитация взаимодействия этих деталей.

В любом случае техническое решение задачи должно осуществляться на альтернативной основе. При этом нужно иметь уверенность, что в поле зрения попали все известные решения подобных задач и все возможные решения данной задачи

Современные методы синтеза позволяют решать данную задачу с исчерпывающей полнотой. Не следует пренебрегать интуицией и опытом конструктора. Хотя зачастую приходится иметь дело с определенной склонностью, «вкусом», «привязанностью» конструктора к его излюбленному пути. Найти границу между средствами из разных областей техники при решении одной задачи -- это один из важнейших этапов математического описания и осуществления конструкции. Речь идет о распределении функций между системой управления, приводом, передачей движения и исполнительным устройством Выбор оптимального решения такой задачи, если можно в настоящее время говорить о таковом, -- это прежде всего результат творчества конструктора.

При этом следует иметь в виду, что принцип перераспределения функций широко используется и для средств из одной и той же области техники. Например, могут перераспределяться функции между несущими элементами, между несущей и функциональной частями конструкции. Например, функцию рамы машины могут выполнять соединенные друг с другом корпуса привода и исполнительных механизмов, роль корпуса или кожуха может быть придана выходному звену. Существенная экономия металла и уменьшение размеров получаются при совмещении функций -- встраивании привода и (или) механизмов в барабаны, ходовые колеса, звездочки, канатоведущие шкивы, шкивы тормозов и т. п. исполнительные устройства.

Принцип перераспределения функций предусматривает не только конструктивное совмещение элементов и упрощение схемы, но и обратное действие -- разделение функций. Иногда бывает выгодно ввести дополнительные детали и элементы конструкции, которые независимо друг от друга воспринимали бы силы разного направления, разделить функции между несущими элементами, защитными кожухами и емкостями для смазочного материала.

Разделение функций достигается выбором схемы замыкания сил в конструкции. Уменьшение длины замкнутых силовых линий приводит к уменьшению деформаций и их влияния на нормальное взаимодействие звеньев. Целесообразно, например, разгрузить выходной вал редуктора от внешних радиальных нагрузок, передавать их непосредственно на корпус, а в качестве функции выходного вала оставить только передачу вращающего момента.

Четкое разделение функций позволяет исключить влияние деформаций одной несущей части на другую или деформаций несущей конструкции на взаимодействие звеньев функциональной системы. Для исключения взаимовлияния, важное значение имеют схемы соединения частей конструкции, подвесок агрегатов. Речь идет здесь не о виброизолирующих элементах, различного рода прокладках или, точнее, не только о них, а прежде всего о статически определимой схеме соединений (схеме без избыточных связей).

В ряде случаев не следует влиять на естественный режим, естественную форму изменений конструкции под влиянием внешних воздействий, а чтобы придать этим изменениям определенный характер, необходимо направить их в нужное русло выбором схемы, коррекцией геометрии, введением различного рода компенсаторов.

Простой пример: чтобы исключить вредное влияние деформации при нагреве, можно не повышать жесткость конструкции, а ввести в определенных местах тепловую защиту и (или) тепловые компенсаторы.

Другой пример: автооператор циклового действия не нужно разгонять и тормозить с помощью привода, а целесообразно подобрать такой режим, чтобы он раскачивался подобно маятнику, и к определенные моменты подпитывать его энергией, компенсируя потери только на трение. В приводах с большим числом степеней свободы нужно так организовать движение масс звеньев, чтобы они не тормозили друг друга, не заставляли отклоняться от заданного направления и т. и.

Принцип выбора естественного режима и формы непосредственно связан с принципом самоуправляемости -- самоприсносабливаемости, адаптации к внешним условиям, взаимоприспосабливаемости.

Сюда относятся и самоустановка звеньев механизма без избыточных связей, обусловленная погрешностями изготовления и деформациями, и самоустановка движителей транспортного средства относительно неровностей дорожного полотна и самоуправление движителей в соответствии с различием пути при повороте, и прилегание пальцев кисти захватного устройства в соответствии с формой захватываемого предмета, и пропорциональное увеличение силы прижатия фрикционных элементов по мере возрастания передаваемой ими полезной нагрузки.

Выбирая схему несущей конструкции машины, стремятся прежде всего согласовать ее геометрическую форму с внешними нагрузками, включая нагрузки со стороны элементов функциональной системы. В этих случаях приходится искать компромиссные решения. С одной стороны, пространственные фермы, замкнутые коробчатые конструкции рам, замкнутые оболочки, конструкции, по форме близкие к шару или кубу, обладают высокой жесткостью, с другой стороны, не позволяют обеспечить удобство обслуживания, необходимые функциональные качества, маневренность при движении исполнительного устройства.

В противоречивой ситуации приоритет остается за функциональной целесообразностью конструктивного решения. Не следует усиливать конструкцию больше, чем это требуется из функциональных соображений, если это не сопряжено с безопасностью работы. Диагностирующие системы следует в первую очередь применять в машинах, где требуется оптимизация режимов работы, исключение загрязнения среды, гарантия безопасности эксплуатации.

Надежность машины обеспечивают, прежде всего, за счет приведения конструктивных решений в соответствие с нагрузками, характером взаимодействия звеньев, возможностями материалов и т. п. Элементы конструкции должны быть рассчитаны на одинаковый ресурс. Допускается также использование деталей, ресурс которых в целое число раз меньше срока использования машины в целом. К ним относятся только легкозаменяемые детали, например фильтры. С учетом специализированного производства машин экономически выгодно предусмотреть замену крупной сборочной единицы, чем заменять и тем более восстанавливать отдельную деталь. Хотя в некоторых ситуациях возможны и исключения из этого правила.

Выбор материалов, способов их упрочнения осуществляют в соответствии со всеми изложенными выше принципами.

Например, принцип разделения функции в несущей конструкции может быть решен за счет выполнения корпуса в виде несущего стального каркаса и пластмассовой оболочки. Принцип функциональной целесообразности диктует необходимость использования дорогих дефицитных материалов в ответственных случаях, связанных с опасностью для жизни и здоровья человека, с загрязнением окружающей среды и т. д.

Технологичность изготовления и ремонта обусловлена прежде всего экономическими соображениями.

В то же время изложенные принципы используют и с позиций физического воспроизведения тех или иных решений. Например, принцип разделения функций корпуса и маслопровода реализуется выполнением закладной детали -- трубки необходимой конфигурации в литом корпусе из легкоплавкого материала и т. п.

При выборе конструктивных решений деталей массового или серийного производства следует помнить о возможности автоматизации их изготовления и сборки. Например, целесообразно так конструировать детали сборочной единицы, чтобы их можно было собирать последовательно с одной стороны без переориентации базовой детали или оборудования.

Из условий технологичности следует максимально унифицировать детали, сборочные единицы, отдельные блоки, использовать базовые детали и машины для различных комплексов. Определяющим критерием унификации является экономичность при изготовлении и эксплуатации.

На всех этапах конструирования проводятся патентные исследования, обеспечивается патентная чистота создаваемой машины и ее частей, используемых материалов при изготовлении и эксплуатации, способов воспроизведения рабочих процессов, способов изготовления деталей, способов сборки.

Из патентных и эстетических соображений решается вопрос о внешнем виде машины в целом и обозреваемых в процессе эксплуатации ее частей. Не следует откладывать художественную проработку машины на последние этапы конструирования. Чтобы создать композиционно-целостную и визуально-завершенную конструкцию, необходима органическая связь технического и художественного замысла. Не нужно специально украшать машину, придавать ей особые, не продиктованные необходимостью формы. Только функционально-целесообразная, правильно рассчитанная конструкция красива. Но при этом конструктор все время должен учитывать известные закономерности визуального восприятия сочетания элементов формы и цветов и связанные с этим психологические нюансы. В отдельных случаях нужно определенными приемами подчеркнуть динамичность или, наоборот, статичность формы, обеспечить визуальную (воспринимаемую зрительно) устойчивость конструкции, легкость и ажурность или фундаментальность и монолитность формы. Без знаний закономерностей зрительного восприятия конструктор не может создать красивую машину. Не поможет ему и художник-конструктор, если не проникнет в физическую суть создаваемой машины и не будет участвовать в ее разработке на всем протяжении процесса конструирования.

Однако никакая форма не сделает машину красивой, если не обеспечить соответствующее качество поверхности, ее покрытий (краски), отсутствие зазоров, расчленяющих форму; если не исключить полости, в которые набивается грязь; не исключить масляные пятна в местах уплотнений и не решить так называемые «мелочи», которые в отечественном конструировании, как правило, отодвигаются на второй план.

Пожалуй, самый главный принцип, который должен соблюдаться при конструировании -- это приспособленность машины к человеку и к окружающей природе. Этот принцип предусматривает обеспечение не только безопасности для жизни и здоровья человека, но и комфортабельных условий для людей, участвующих в эксплуатации машины или каким-то образом соприкасающихся с ней или окружающей ее средой.

Например, обеспечить надежную звукоизоляцию кабины оператора еще не достаточно, чтобы решить задачу защиты людей от шума. Максимальная автоматизация управления машиной не должна притуплять внимание оператора, делать его труд монотонным и неинтересным. Не перечисляя все стороны обеспечения приспособленности машины к человеку, следует отметить, что в целом нужно стремиться создать условия для творческой деятельности людей, только в этом случае оправдано создание современных искусственных систем.

Приведенные здесь общие принципы конструирования показывают, насколько это сложный и неоднозначный процесс. Решить все проблемы в современных условиях без проведения научных исследований, без привлечения ЭВМ не под силу самому талантливому конструктору или коллективу. Процесс автоматизации исследований, проектирования, изготовления машин представляет собой исключительно сложную задачу.

Создание САПР облегчает конструирование машин будущих поколений, но оно не менее трудоемко, чем создание машины, и требует не меньшего таланта. На данном этапе ЭВМ может рассматриваться как помощник конструктора в проведении патентного поиска (если имеется соответствующий банк данных), в проведении типовых расчетов, в выполнении чертежей, разработке технологических процессов и других трудоемких работ. Ряд операций благодаря автоматизации может быть исключен, например перенесение чертежей с дисплея на бумагу. Но в целом новый замысел, идеология конструирования, решение сложных научных и технических задач немыслимо без таланта и знаний разработчика.

2. Конструирование, как процесс

Конструирование - логический мыслительный процесс (не исключающий, однако, элементов интуиции "озарение"):

от абстрактно сформированного задания А (основного принципа) через функционирующие элементы (ФЭ)(Существующие ТР [элементы решений]) к желаемому результату (Рабочие принципу)[КД].

Т.е., конструирование направлено от сущности задачи к явлению, которое желают получить (вызвать).

Основы структуры конструирования как процесса - связь между ТЗ и наилучшим его вариантом (Решением) - которая позволяет определять основные положения (они не носят характер непреложных законов) для подразделения существенных рабочих этапов конструирования:

В ТЗ содержатся (в явной или не явной форме) необходимые и достаточные данные для всех возможных решений (Основной принцип);

Каждое отдельное решение является комбинацией функционирующих элементов (ТР), характеризуемых определенным действием;

Каждое решение имеет недостатки (ошибки), число которых возможно минимизировать;

ТР с минимальным числом недостатков является оптимальным.

Эти положения определяют строгую (единственно возможную) последовательность действий при конструировании объектов: повторения (возвраты) допустимы и необходимы.

Отсюда следует основные этапы конструирования как процесса:

Проанализировать ТЗ: сформулировать Основной принцип.

Выявить ТР, целесообразные комбинации которые дают все возможные решения задачи (Рабочие принципы) ; Мыслительный образ объекта.

Содержание:

- Анализ существующих конструкций и принципов их работы - выявление ТР-это единственный путь:

В КД и действующей конструкции ТР воплощены в определенной совокупности узлов, деталей или их элементов (Вспомним пример - Шестерня), они как бы "теряются" в этой массе. В процессе анализа выявляются ТР, являющиеся основой построения детали, узла или объекта в целом.

NB. ТР - основа для сравнения и оценки разных объектов: всю разработку в целом сравнить трудно, особенно если объект сложный и включает в себя разные узлы и системы: электрические, гидравлические, мех. передачи и др. Сравнению поддаются ТР, к которым можно применить общий критерий, характеризующий Основной принцип.

Найти содержащиеся в каждом решении недостатки и принять меры к уменьшению их количества (ошибки должны быть исключены полностью) или их действия (Улучшенные рабочие принципы).

Содержание:

- Мысленные эксперименты (при недостаточном опыте - эскизная проработка): перестановка и замена элементов объекта; оценка эффективности изменений - их влияние на конечный результат.

Выявить ТР с min-min числом недостатков - путем сравнительной оценки (Оптимальный рабочий принцип).

Изготовить КД для практической реализации объекта (Как -min- Рабочий чертеж).

NB. Еще раз следует подчеркнуть, что эффективность применения методики (методик) конструирования во многом зависит как от обычной способности к мышлению, так и от ряда определенных качеств (в т.ч. и профессиональных) личности конструктора.

К сожалению подробное рассмотрение этих вопросов выходит за рамки программы курса "ОК": это - вопросы из "Психологии творчества".

Можно назвать основные:

живое человеческое мышление, управляемое диалектической логикой ^\ и включающее системный подход.

образное мышление и творческое воображение.

Все эти качества - дело наживное: они формируются и развиваются в процессе деятельности на основе трех "само...":

-самообразование (...воспитание);

-анализ;

-оценка. конструирование технологичность автоматизированный

В настоящее время в области инженерии (Инженерная Деятельность) наиболее дефицитна (престижна) третья категория инженеров: системотехник ( или "универсалист") - инженер широкого профиля, задачи которого - организация и управление инженерной деятельностью и создание сложных технических систем (1к - производственник; 2к - исследователь-разработчик).

Принципы:

-принцип первичности материального;

-принцип всеобщей взаимосвязи;

-принцип развития.

Рассмотрим более подробно основные этапы процесса конструирования.

I. Анализ ТЗ проводится на основании :

-требований к объекту конструирования;

-общих правил конструирования (см. Орлов кн.1, 1977г, стр. 63...67).

1.1. Основные требования к объекту конструирования.

Разработка (проектирование, конструирование) технических объектов связанна с конкретными требованиями,

-производственной необходимостью;

-бытовыми потребностями человека.

Подготовка производства (конструкторская ПП-часть), изготовление и эксплуатация объекта, в свою очередь, происходят в конкретных производственных и эксплуатационных условиях.

Это вносит определенные ограничения в работу конструктора, с которым он всегда должен считаться в процессе конструирования: "обуздывать фантазию".

В противном случае - без учета ограничений, приходится всегда вносить изменения в конструкцию при изготовлении и эксплуатации, а это дополнительные затраты труда и материалов.

Перечислим основные требования к объекту, которые должны обеспечивать max. его соответствие конкретным условиям применения:

соответствие своему назначению и высокая производительность; высокое качество, надежность и ремонтопригодность. Результат выполнения этих требований - обеспечение назначенного (гарантийного) ресурса;

удобство применения, функциональные свойства, необходимые для выполнения нужных операций; (специализация или универсальность)

соответствие конструкции объекта условиям изготовления его конкретными технологическими способами, на конкретном производстве в конкретном количестве (литье, штамповка, сварка и т.д.; - единичное - серийное - массовое; одно - серия (и) - много).

Это требование диктуется экономической целесообразностью;

- возможность изготовления объекта на конкретной производственной базе предприятия-изготовителя с min-min затратами, конструктор должен учитывать имеющиеся:

- оборудование, инструмент, оснастку для изготовления, сборки и контроля;

- квалификацию персонала и состояние технологической дисциплины и т.п.).

- соответствие конкретным условиям технологической подготовки производства (это - материалы, полуфабрикаты, заготовки, их наличие и дефицитность).

Основа выполнения этого требования - согласования КД со службами (Предприятиями и организациями), участвующими при изготовлении.

Для выполнения этого требования проводится входной конструкторский, технологический и норма-контроль КД, полученной из других организаций и предприятий.

- соответствие требованиям СТ (ГОСТ, ОСТ, СТП),ТУ, Правил, Инструкций, Норм, так называемые Нормативно-технические материалы,

- КД на объект должен соответствовать требованиям ЕСКД.

На что надо обратить внимание, это:

-не давать в чертежах технологических указаний (за исключением - когда технология единственная);

-не забывать указывать все Тех. Требования на изготовление, контроль (измерения) и испытания объекта.

Кроме того в процессе изучения и анализа ТЗ конструктор:

-наводит справки;

-знакомится с литературой;

-изучает чертежи, приложенные к ТЗ, и аналогов;

-уточняет ТТ к объекту и выясняет ограничения (условия, которые обязательно должны быть соблюдены при решении задачи).

Результат I этапа - уяснение цели конструирования (основного принципа работы объекта);

-Подтверждение того, что эта цель в ТЗ сформулирована правильно.

В противном случае - конструктор обязан обоснованно доказать необходимость корректировки ТЗ: ошибка разработчика ТЗ может привести, как min - к неверному направлению разработки объекта; max - к разработке негодной конструкции.

Этап II - Выявление ТР, целесообразные комбинации которые дают все возможные решения задачи (Рабочие принципы) Мыслительный образ объекта.

Содержание:

-Анализ существующих конструкций и принципов их работы - выявление ТР, - это единственный путь:

В КД и действующей конструкции ТР воплощены в определенной совокупности узлов, деталей или их элементов (вспомним пример -Шестерня...), они как бы "теряются" в этой массе. В процессе анализа выявляются ТР, являющиеся основой построения детали, узла или машины в целом.

NB. ТР - основа для сравнения и оценки разных объектов: всю разработку в целом сравнить трудно, особенно если объект сложный и включает в себя разные узлы и системы (электрические, гидравлические, мех. передачи и др.). Сравнению поддаются ТР, к которым можно применить общий критерий, характеризующий основной принцип.

При этом рекомендуется руководствоваться следующими соображениями:

- Следует идти от необходимого к желаемому, а от желаемого к допустимому.

Качество конструкции объекта зависит от качества идеи или принципа, использованного в ТР объекта. Следует находить побольше ТР для выбора наилучшего; разрабатывать варианты известных ТР;стремиться выяснить все необходимые детали, способные повлиять на конструируемый объект.

Оценивать сравнительную важность каждого варианта, чтобы облегчить выбор оптимального или создать компромиссный. Избегать поспешных решений и чрезмерного влияния авторитетных решений. Правильно оценивать результаты расчетов и рационально их использовать.

- Добиваться простоты конструкции. Например, если предполагается ввести новый узел или изменить уже существующий, надо уточнить, нельзя ли вообще обойтись без них.

Избегать сложных, многодетальных конструкций. Не использовать в конструкции объекта элементы (узлы и механизмы), работоспособность которых сомнительна и требует экспериментальной проверки.

NB - Улучшение конструкции по некоторым параметрам за счет ухудшения качества, надежности и безопасности работы ее недопустимо.

Требования, предъявляемые к конструкции обычно противоречивы. Поэтому, улучшая один параметр объекта, конструктор влияет на др., нередко ухудшая их. Важно оценить эти влияния, принимая компромиссное решение, которое в конкретном случае будет оптимальным.

При оценки требований, предъявляемых к объектам разработки, необходимо учитывать следующее:

- Уменьшение массы объекта вызывает уменьшение прочности и жесткости.

- Компактная, малогабаритная конструкция влечет за собой улучшение условий сборки, обслуживания, регулировки и ремонта.

- Применение дешевых материалов вызывает ухудшение прочности, износостойкости и долговечности.

- Создание простой конструкции объекта накладывает ограничения на технические и технологические возможности его работы.

- Увеличение скорости действия механизма приводит к росту инерционных сил и нагрузок на детали и узлы.

- Разбивка конструкции на модули (узлы) для облегчения организации их сборки (или транспортировки) ведет к уменьшению жесткости конструкции, повышает трудоемкость сборки.

- Создание конструкции для разных режимов работы и разных операций (универсальной) наносит экономический ущерб при эксплуатации объекта на одной операции.

Для нахождения лучшего конструктивного решения конструктор должен создать как можно больше вариантов конструкции, т.к. в каждом варианте возможно решение тех или иных вопросов в разной степени.

Следует заметить, что разработка принципиально различающихся вариантов дело непростое. Кроме знания большого объема различных ТР, конструктивных схем и т.д. требуются способности и навыки использование приемов и методов конструирования.

3. Опытно-конструкторские работы

Опытно-конструкторские работы (ОКР) представляют собой деятельность проектного характера, в результате которой появляется новый научно-технический продукт в виде комплекта текстовых и чертежных документов, характеризующих новый объект. Это основная, но не единственная цель таких работ, о чём в дальнейшем будет сказано более подробно.

По существу ОКР представляют собой особый вид инвестиционной активности, при которой основные затраты производятся, как правило, внутри предприятия (фирмы), где существуют специализированные подразделения - конструкторско-исследовательские центры, бюро, лаборатории и т.п. При этом масштабы этих инвестиций у ведущих фирм могут достигать нескольких процентов ежегодного объёма продаж.

Понятно, что рациональное использование таких немалых средств для достижения требуемых результатов имеет для руководителей фирмы и её специализированных подразделений особое значение. Обычно такие подразделения имеют установленный годовой бюджет и в его рамках должны обеспечивать непрерывное обновление производимых изделий в соответствии с меняющимися требованиями рынка, стремясь при этом не только сохранить завоеванную в конкурентной борьбе позицию, но и укрепить ее.

Исходя из этого, стратегическая цель каждой ОКР в конечном итоге состоит в создании нового, более совершенного объекта производства. Достижение этой цели обеспечивается правильной организацией, чётким выполнением и своевременной реализацией результатов ОКР. В свою очередь, каждое из этих понятий насыщено конкретным содержанием из последовательности определённых принципов (из них, пожалуй, не требует раскрытия только содержание термина «реализация», которое сводится к тому, что созданный объект должен использоваться в соответствии с его назначением).

Цели опытно-конструкторских работ.

Если не знаешь, куда плыть, ни один ветер не будет попутным. (Старинная поговорка).

Уже было сказано, что ОКР являются одним из видов инвестиционной деятельности. Понятно, что целью таковой является получение достаточной прибыли от вложенных средств. Но это цель из разряда общих, стратегических, и её необходимо конкретизировать. Прежде всего, можно указать, что здесь могут быть реализованы цели как на ближайшее время, так и на достаточно отдалённую перспективу.

Ближайшие цели ОКР могут быть связаны с одной единственной потребностью: разработать новый объект производства. Он нужен для того, чтобы ещё лучше удовлетворять желания потребителя и тем самым повысить конкурентоспособность своего предприятия. При этом производство нового объекта может быть как единичным (штучным), так и массовым.

Стимулов, определяющих целесообразность проведения ОКР, может быть достаточно много. В ряде случаев это прямой заказ потребителя или лица, представляющего его интересы. Такие заказы, как правило, поступают от некоторых государственных учреждений, например, оборонных, правоохранительных и других. Однако такие заказы составляют относительно небольшую долю объема ОКР, выполняемых в целом в мире или в отдельной стране, хотя для какой-то конкретной фирмы они могут быть превалирующими.

Большую же часть объёмов ОКР составляют работы, которые фирмы организуют по собственной инициативе. При этом и она появляется по вполне определённым причинам. Основной из них является непрерывный прогресс науки и техники, позволяющий своими достижениями неограниченно улучшать объекты производства по их потребительским свойствам, делая эти объекты всё более привлекательными для потребителя и тем самым укрепляя свои рыночные позиции в конкурентной борьбе. Здесь нельзя исключать и такой фактор, как изменяющуюся моду, к которой особенно чувствительны такие изделия, как автомобили и бытовая техника.

Следующая причина может быть связана с тем, что производство или эксплуатация ранее разработанного объекта выявляют определённые недостатки его конструкции, которые не удалось обнаружить в своё время. Это могут быть недостаточная надёжность, чрезмерный расход ресурсов, например, энергии, недостаточное удобство управления или обслуживания, недостаточное соответствие изменившимся в сторону ужесточения законодательным требованиям безопасности или экологии. Может обнаружиться, что выпускаемое изделие недостаточно эффективно работает в какой-то сфере применения, в которой для него существует значительная потребность, но в то же время имеются специфические требования, не в полной мере учтённые при его разработке.

Серьёзной причиной ОКР может быть необходимость снижения себестоимости производства для сохранения или расширения своей рыночной ниши или повышения рентабельности производства. Такой результат достигается совокупностью мероприятий, включая организационно-управленческие. Однако центр тяжести в этой совокупности лежит в области технологий, в которой далеко не везде можно обойтись только заменой одного процесса на другой или интенсификацией режимов. Зачастую требуются радикальные решения, при которых одновременно изменяются и конструкция изделия, и технология его производства. Например, при переходе от штампосварных конструкций к литым (или обратно) существенно меняются конфигурация, размеры и массы деталей и сборочных единиц. Другой пример связан со стремлением снизить трудоёмкость процессов сборки, для чего соединения с помощью резьбового крепежа заменяют на соединения типа защёлок. В электрических цепях соединения с помощью винтовых зажимов заменяют быстросоединяемыми разъёмами и т.д.

Сюда же относится стремление применить в производстве более дешёвые материалы (как по первичной цене, так и по стоимости расходуемого количества - здесь необходимо отметить, что переход к более дорогому по первичной цене, но более качественному материалу позволяет расходовать его в гораздо меньшем количестве и в конечном итоге сэкономить. А может быть и так, что переход к более дорогому, но лучшему по качеству материалу настолько повысит потребительские качества изделия, что потребитель без возражений согласится платить за него дороже и рентабельность производства не только не снизится, но и может повыситься) и комплектующие изделия. Часто для этого требуется не только изменить соответствующую запись в чертеже детали или сборочной единицы и в технологической инструкции производства, но и изменить саму конструкцию детали или сборочной единицы. Наиболее ярко это проявляется при замене металлов пластмассами или стальных конструкций алюминиевыми. Понятно, что здесь вместе с технологией изменяются и конфигурация, и размеры как самих изменяемых деталей и сборочных единиц, так и тех, с которыми они сопрягаются (а также допуски на эти размеры).

Бывает и так, что технологические цели не связываются с задачей снижения себестоимости, а сводятся к повышению производительности производства для увеличения его объёма. Это происходит тогда, когда изделие пользуется стабильным спросом на рынке, превосходящим достигнутые объёмы производства. Здесь, конечно, присутствует возможность экстенсивного развития при соответствующих капиталовложениях на расширение производственных мощностей (сооружение дополнительных помещений и оснащение их оборудованием). Однако более разумным может оказаться интенсификация производства на существующих мощностях за счет повышения производительности. А это по существу та же самая задача, содержащая и мероприятия конструкторско-технологического характера. Только здесь основным критерием эффективности решения будет снижение трудоёмкости и фондоёмкости производства.

Здесь стоит рассмотреть некоторые возможные особенности постановки ОКР в случае, если предполагается проектировать изделие, аналогичное выпускаемому. Оно может быть задумано как существенно отличающееся от выпускаемого по большинству особенностей. Однако возможны и такие постановки, при которых отличия нового изделия будут относительно неглубокими. Такую постановку принято называть модернизацией и она даёт некоторые преимущества по сравнению с радикальной переработкой изделия. Прежде всего переход на выпуск нового (модернизированного) изделия производится, как правило, в ходе производства без его остановки и без радикального изменения технологии, в том числе оборудования и оснастки. При этом некоторые составные части изделия просто не изменяются вообще. Минимальных изменений требует сервис модернизированного изделия, и оно легче и более охотно воспринимается потребителем.

Такая практика постоянной и частой модернизации имеет и такие преимущества, как меньшая потребность в разовых капиталовложениях, что по существу растягивает инвестиционный процесс по времени. Не случайно, что во многих отраслях производства и отдельных крупных фирмах постоянная модернизация стала основной формой ведения ОКР. Примеры такой практики могут быть показаны в военном самолётостроении, где на основе первой базовой модели принято создавать ряд модификаций для специфических применений. Можно привести примеры из практики отечественного автомобилестроения. Так, АО «Москвич» (бывший АЗЛК) в течение ряда лет последовательно переходил от модели М-402 до модели М-407, затем от модели М-408 к моделям М-412, 2138 и 2140. Так же поступал и ВАЗ. Сейчас АМО ЗИЛ на основе базовой модели грузовика 5301 («Бычок») разрабатывает и ставит на производство ряд модификаций специального назначения, вплоть до автобуса. Аналогичную стратегию имеет и ГАЗ на основе автомобиля «Газель».

Цели ОКР на более отдалённую перспективу не связываются с постановкой создаваемого объекта на производство. В этом случае объект предназначается для пополнения научно-технического задела фирмы. Он подвергается исследованиям и испытаниям, результаты которых могут быть с пользой применены в последующих разработках. Проверяются возможности новых материалов, комплектующих изделий или конструктивно-технологических решений. Ищутся неизвестные ранее закономерности, расширяются пределы допустимых режимов работы.

В самолётостроении такой вид ОКР применяется очень широко. Создаются экспериментальные летательные аппараты, предназначенные не для последующего тиражирования, а для получения информации о возможности и целесообразности использования новых схемно-параметрических решений, об особенностях поведения аппарата на ранее недоступных режимах полёта и т.п. Достаточно вспомнить первый советский самолёт с жидкостно-реактивным двигателем БИ-1 или американский экспериментальный самолёт Х-15. Без проектирования, изготовления и испытаний таких объектов самолётостроение просто не может развиваться.

В автомобилестроении также практикуется проектирование и изготовление экспериментальных машин. Они, как правило, не только демонстрируются на выставках и салонах, но и проходят испытания. Такие автомобили принято называть «концепт-карами». Правда, в них чаще всего новации связаны с художественно-конструкторскими решениями, с тем, что принято называть дизайном.

Таким постановкам ОКР не чужды и другие отрасли машиностроения. Часто при создании экспериментальных машин не совсем ясно, будет ли такая машина обеспечивать получение ожидаемых эффектов или даже работать вообще. Тем не менее такие ОКР, называемые поисковыми, достаточно распространены, например, в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении. Одним из возможных полезных результатов поисковых ОКР является появление новых технологий производства в отраслях-потребителях машин.

Практикуются ОКР по изготовлению и испытаниям экспериментальных образцов и в оборонных целях. Исследуются возможности создания новых видов вооружений и оборудования, изучается целесообразность их применения и при наличии таковой отрабатываются методы применения.

Естественно, что разные цели ОКР приводят к различиям как в организации, так и в исполнении. Эти различия будут показаны ниже при рассмотрении других вопросов.

Сформулированная таким образом цель ОКР определяет ее конечный результат - появление нового объекта производства или средства для получения новой информации. Такие цели, связанные с получением конечного результата, принято называть генеральными. Однако они не могут быть достигнуты каким-либо разовым действием. На пути к этому должны быть обязательно поставлены промежуточные цели, достижение которых является необходимыми шагами на пути к генеральной цели. Примерный состав таких промежуточных целей удобно показать на примере ОКР ближней перспективы - разработки нового объекта производства.

Для того, чтобы новый объект можно было считать разработанным и готовым к производству, необходимо получить полный комплект чертёжной и текстовой документации, который должен исчерпывающе и однозначно характеризовать этот объект и технологию его изготовления. При этом вероятность ошибки в этой документации должна быть сведена к минимуму (конечно, можно стремиться к полному исключению ошибок, но, к сожалению, в их числе возможны такие, которые выявляются только в последующем производстве или в эксплуатации). Получение такого комплекта и служит подтверждением того, что генеральная цель достигнута. Следует особо отметить, что её достижение ещё не означает готовности к самому производству. Для этого должны быть выполнены и другие мероприятия, в частности, подготовлены необходимое оборудование и запас инструмента, приобретены первые партии материалов и комплектующих изделий и оформлены договоры с их поставщиками на дальнейшие поставки и т.д. Однако эти мероприятия можно считать выходящими за рамки ОКР, хотя их выполнение может по времени совпадать с её финальными этапами.

Теперь рассмотрим, что же является содержанием этого комплекта. Во-первых, в нём присутствуют чертежи всех без исключения деталей и сборочных единиц, из которых состоит изделие. В них внесены все исправления, необходимость в которых была установлена в ходе испытаний и окончательной отработки технологии. Во-вторых, сама эта технология отработана по всем без исключения переделам производства на каждую деталь и сборочную единицу, включая методы сборки, регулировки, испытаний и контроля.

Фактически мы уже сформулировали цели, достижение которых необходимо для достижения генеральной цели и которые можно считать целями более низкого уровня по сравнению с ней. Процедура формулирования таких целей по существу может считаться декомпозицией цели более высокого уровня и она производится многократно сверху вниз от генеральной вплоть до самых элементарных. При этом, естественно, каждая цель более высокого уровня может потребовать для своего достижения двух и более целей низшего уровня. Графическое изображение такого многоуровневого набора целей принято называть деревом целей и оно позволяет наглядно представить содержание проекта в целом (в нашем случае - всей ОКР) и взаимосвязь между его составными частями - целями разного уровня. Дерево целей в общем виде показано на рисунке.

Структура дерева целей

Понятно, что полный конкретный вид дерева целей ОКР по созданию даже достаточно простого изделия слишком громоздок для представления в книге. Поэтому проиллюстрируем какую-то часть в виде примеров целей понижающегося уровня от цели выпуска полного комплекта чертежей изделия. Из сказанного выше понятно, что этому должна была предшествовать цель внесения корректировок, в том числе по результатам испытаний изделия. Но это означает, что эти испытания проведены. А для этого было необходимо изготовить в опытном производстве по меньшей мере один образец изделия.

Это было бы невозможно без полного комплекта чертежей всех деталей и сборочных единиц (оговоримся, что некоторые чертежи появляются в результате изготовления отдельных деталей «по месту» по схемам или эскизам. Так, например, делается для пространственно изогнутых металлических трубопроводов). Для проектирования некоторых деталей и сборочных единиц требуется проведение расчётов типа кинематических, прочностных, тепловых и т.п. Расчёты требуют конкретных исходных данных, которые содержатся в нормативной документации типа технического задания (подробнее о нем будем говорить ниже), в справочной литературе или отчётах о проведенных исследованиях, для чего требуется проведение определённой расчётно-аналитической работы. Таким образом мы фактически дошли до самых истоков ОКР.

Формирование набора целей, в частности, в виде дерева «сверху вниз», является по существу началом планирования ОКР. Такое планирование принято называть целевым и оно удобно тем, что здесь меньше вероятность упустить какой-нибудь компонент разработки. Это, однако, не исключает возможности формирования дерева целей «снизу вверх», начиная от целей низшего уровня. Такое планирование, которое называют нормативным, можно применять для ОКР по разработке объекта, аналогичного уже разработанному или тому, разработка которого уже планировалась.

Наличие набора целей, т.е. ожидаемых промежуточных и конечного результатов, позволяет определить действия, необходимые для получения этих результатов. Это, в свою очередь, позволяет определиться со сроками выполнения планируемой ОКР и с рядом других обстоятельств, о которых будет сказано ниже.

Стадии опытно-конструкторских работ.

Опытно-конструкторские работы и выпускаемая при этом документация включают следующие стадии:

1) Техническое задание.

2) Эскизный проект.

3) Технический проект.

4) Рабочий проект.

5) Полный комплект конструкторской документации.

6) Отчётность по испытаниям образцов изделия.

7) Сведения о патентной чистоте изделия.

Техническое задание. Разработка технического задания обычно является первой стадией ОКР. В ряде случаев выпуск этого документа предшествует официальному началу ОКР, особенно при её выполнении на договорной основе.

Порядок составления, согласования и утверждения технического задания не имеет единой регламентации и в основном соответствует принятым сторонами-участниками ОКР общим правилам. Техническое задание обычно считается действующим до момента официального признания ОКР выполненной. За срок его действия в него могут вноситься по согласованию между заинтересованными сторонами изменения и дополнения.

Если по результатам ОКР начинается производство нового изделия, техническое задание становится основой для разработки документа «Технические условия» (см. ниже).

Эскизный проект. Эскизный проект является в основном чертёжной предварительной проработкой конструкции изделия. В его состав обычно входят общий вид изделия и необходимые схемы.

В ходе эскизного проектирования выполняются необходимые расчёты, которые сводятся в расчётно-пояснительную записку. Предварительно определяется состав используемых комплектующих изделий.

В необходимых случаях по результатам эскизного проектирования изготавливается макет-муляж изделия для согласования габаритов и присоединительных размеров.

Обычно эскизный проект подвергается публичному обсуждению - защите. По результатам этой процедуры принимается решение о переходе к следующим стадиям ОКР.

Технический проект. Отличается от эскизного более подробной проработкой конструкции изделия. Часто эти стадии даже объединяют в одну - эскизно-технический проект.

Рабочий проект. Содержит полный набор чертежей и текстовых документов, необходимых для изготовления изделия в опытном производстве.

Полный комплект конструкторской документации. Состоит из рабочего проекта с дополнительным включением ряда документов, необходимых для подготовки производства. Примеры этих документов - чертежи технологической оснастки, инструкции по сборке и регулировке, чертежи тары и инструкции по консервации и упаковке, формы сопроводительных документов.

Обязательным документом комплекта являются технические условия. Они содержат перечень характеристик изделия, гарантируемых изготовителем, и описание методов, с помощью которых производится подтверждение этих характеристик. По духу закона изготовитель несёт полную ответственность за обеспечение гарантированных характеристик изделия (если, конечно, пользователь не нарушает определённых правил, которые изготовитель обязан сообщить).