CC BY
6
АНАЛИЗ И ВЫБОР РАСЧЁТНОЙ СХЕМЫ ПРИБОРНОГО УСТРОЙСТВА В КУРСОВОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ
О.В. Готальская, старший преподаватель
Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (Россия, г. Москва)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-7-1-38-42
Аннотация. В статье рассматриваются общие вопросы выбора расчётной схемы при выполнении курсового проекта по дисциплине «Основы конструирования приборов». Схематизация конструкции приборного устройства зависит от задачи, поставленной на данном этапе проектирования соединения деталей в узлы, сборочных единиц. Рассмотрены общие вопросы типовых соединений деталей. Проведён анализ алгоритма построения самостоятельной работы студента в процессе выполнения курсового проекта.
Ключевые слова: проектирование, программа дисциплины, основы конструирования приборов, курсовой проект, расчётная схема, схематизация, условное обозначение опор, конструкция, элемент, подшипник скольжения, подшипник качения.
Подготовка конструктора заключается в формировании теоретических знаний и практических навыков создания приборных устройств, отличающихся новыми техническими решениями, а также их оптимальным поиском. Систематизация и закрепление теоретических знаний является основой для практического применения. Как правило, завершающий этап конструкторской подготовки студента по дисциплине «Основы конструирования приборов» (ОКП) по направлению подготовки 24.05.06 «Системы управления летательными аппаратами (отраслевая)» - выполнение курсового проекта [1].
Курсовой проект разделяется на две основные части: расчётная и графическая. Графическая часть - это выполнение чертежей в соответствии со стандартами ЕСКД в графическом редакторе, например, Компас. Расчётная часть включает не только выбор конструктивных элементов, но и материала, формы, соединения элементов, условий работы и т.д. Поэтому для реализации эскизного проекта выполняются проектные расчёты; составляется расчётная схема для отдельных деталей, узлов, сборочных единиц и т.п.
Первая задача, которую необходимо учесть - провести расчёт параметров механических, электрических и электронных схем приборов, элементов систем управления аэродинамических и космических
летательных аппаратов. Расчёты разделяют на кинематические, проектные, силовые, проверочные и т.д.
Знания и опыт, приобретённые студентом в процессе проектирования, являются основой для дальнейшей конструкторской работы.
Проектирование приборного устройства начинают с разработки его кинематической схемы [2]. Условные графические изображения элементов приборных устройств приведены в ГОСТ 2.770-68. На схемах также указывают характер и направление движения [3].
При выполнении расчётов реальную конструкцию заменяют на расчётную схему. Рассмотрим некоторые особенности вопросов «схематизации конструкции».
Схема - это чертёж, на котором условными графическими обозначениями показаны составные части изделия (установки), соединения и связи между ними. При расчётной схематизации изделия его части и связи, не влияющие на цель и точность планируемого расчёта, отбрасываются.
Цель расчёта и его желаемая точность могут быть различными, поэтому одна и та же конструкция или её элемент может быть схематизирован по-разному. Рассматриваемые одновременно элементы конструкции, выполняющие различные функции, приводят к одной и той же расчётной схеме.
Формы элементов конструкций разнообразны, но каждый из них можно при расчётах рассматривать как стержень, пластину, оболочку, массивное тело. Названные элементы конструкций различаются геометрическим соотношением характерных размеров [4].
Массивное тело - это тело, у которого все размеры одного порядка. Расчётная схема массивного тела используется тогда, когда размеры, определяющие форму рассчитываемого элемента, одинаковы. Например, тела качения (шарики, ролики) в подшипнике качения; зуб зубчатого колеса при определении его прочности в месте контакта с зубом другого колеса; электрические контакты коммутирующих устройств автоматики и т.п.
Оболочка - это тело, ограниченное двумя криволинейными поверхностями, расстояние между которыми мало по сравнению с другими размерами. К расчётной схеме оболочки сводятся элементы, у которых один размер намного меньше двух других: кожухи приборов; упругие манометрические элементы (мембраны, силь-фоны и т.п.); вогнуто-выпуклые линзы малой кривизны и т.п.
Пластина - это тело, ограниченное двумя поверхностями, расстояние между которыми мало по сравнению с прочими. К расчётной схеме пластины можно отнести корпусные детали (платы); плоские пружины; направляющие и т.п.
Стержень (брус) - это тело, у которого два размера малы по сравнению с третьим. К расчётной схеме стержня относят элементы, у которых один размер намного превосходит два других: валы; оси; плоские винтовые пружины; элементы крепления (штифты, винты) и т.п.
Каждой из указанных схем соответствует своя методика расчёта. Основыми задачами становятся расчёт элементов конструкций на прочность, жесткость, устойчивость.
При расчётах на жёсткость и прочность большое значение имеет правильная схематизация соединения конструкции с опорными корпусными деталями. Неправильная схематизация соединения часто приводит к большим ошибкам при расчётах.
Прочность - способность материала или конструкции воспринимать различные воздействия, не разрушаясь и не претерпевая беспрепятственного деформирования. Под разрушением подразумевается полное нарушение целостности конструктивного элемента. Прочность обеспечивается не только при заданных нагрузках, но и при их увеличении, поэтому необходимо предусмотреть расчёт коэффициента запаса прочности.
Жёсткость - способность материала или конструкции сопротивляться упругим деформациям; воспринимать нагрузку без существенного изменения геометрических размеров.
Схематизация соединения проводится на основе определения подвижности конструкции или её элементов в месте расположения.
Рассмотрим в системе координат XYZ твёрдое тело (рис. 1), которое свободно движется в пространстве, следовательно, имеет шесть степеней свободы. Его возможные движения могут быть представлены как вращение вокруг трёх осей координат и поступательное движение вдоль этих же осей [5].
Рис. 1. Шесть степеней свободы в системе координат XYZ
На расчётной схеме соединение деталей обозначают условно: шарнирно-подвижная опора; шарнирно-неподвижная опора; жесткая (глухая) заделка [6].
/7^77
б
Рис. 2. Условное обозначение опор: а - шарнирно-подвижная; б - шарнирно-неподвижная; в - жесткая заделка
а
в
На рисунке 2 изображены нагрузки, возникающие в опоре (месте соединения деталей), реактивные силы и моменты: вертикальная VA; горизонтальная На; момент Ма.
Из курса теоретической механики известно, что внешние силы, дейстсвующие
на элементы конструкции делятся на активные и реактивные (реакции связей). Нагрузки рассматривают сосредоточенные и распределённые по длине указанного участка. В расчётных схемах реакции связей удобнее указывать следующим образом (рис. 3).
Рис. 3. Схематичное изображение опор: шарнирно-подвижная; шарнирно-неподвижная; жесткая заделка
В шарнирно-подвижной опоре (одно-связная) реакция всегда перпендикулярна опорной поверхности. Реакция в шарнир-но-неподвижной опоре (двухсвязная) всегда проходит через центр шарнира и её определяют по отдельным составляющим координат X и У. В жёсткой заделке (трёх-связная опора) возникает реактивная пара сил - момент [7].
Рассмотрим несколько примеров конструктивных соединений деталей и их расчётные схемы. В качестве жёсткой заделки можно рассматривать соединения стойки, установленной в плату с посадкой с натягом; винтовое соединение и т.д.
В случае крепления вала в корпус с помощью двухрядного шарикоподшипника (при сквозном отверстии в корпусе) - возникает перемещение вала в продольном направлении. Следовательно, со стороны подшипника на вал действуют только поперечные реактивные силы. Такое соединение на расчётной схеме изображается, как подвижное. Если в это соединение добавить стопорное кольцо, то соединение можно рассматривать, как неподвижное. Следовательно, необходимо изменить схематичное изображение опоры.
Довольно часто в приборных устройствах применяют соединение «вал - под-шпник скольжения» (рис. 4).
Рис. 4. Подшипник скольжения установленный в корпус: 1 - втулка; 2 - корпус
Данные соединения отличаются простотой конструкции, обладают высокой прочностью, работоспособны при больших частотах вращения, тряски, вибрации. Могут воспринимать радиальные, осевые и комбинированные нагрузки. Подшипники скольжения изготавливают в виде втулок из антифрикционного материала [8].
Данное соединение можно рассматривать, как совокупность подвижного шарнира и направляющей. При выборе расчётной схемы следует учитывать, возникновение в соединении реактивного момента, который зависит от полной длины соединяемых деталей и зазора между ними.
При составлении расчётной схемы важно правильно схематизировать внешние и реактивные нагрузки, действующие на рассчитываемый элемент. Определить место их приложения к элементу.
Силовые взаимодействия между элементами конструкции, распределены по площади контакта этих элементов. Однако, эта площадь мала по сравнению с размерами рассчитываемого элемента. В таком случае нагрузку можно считать сосредоточенной. Это допущение существенно упрощает расчёты на прочность и жесткость (рис. 5).
Рис. 5. Распределённая нагрузка, действующая по всей длине цапфы вала
Закон распределения нагрузки в подшипнике скольжения нелинеен. Поэтому в расчётной схеме подшипник скольжения рекомендуется располагать, как шарнирную опору на расстоянии (0,25...0,3) по длине цапфы от торца подшипника при условии, что длина цапфы меньше или равна половине диаметра цапфы.
При закреплении валов в подшипник качения в расчётных схемах рекомендуется располагать опору по середине длины цапфы вала. Как правило, в этом случае длина цапфы соответствует ширине подшипника качения.
Расчётная схема для одной и той же конструкции или её элемента может быть различной на разных этапах работы. Всё зависит от точности проводимого расчёта.
Например, расчёт на прочность цапфы вала рассматривают, как консольно за-
крепленную балку с равномерно распределённой нагрузкой по всей её длине (опора - жёсткая заделка). При упрощённом расчёте - распределённую нагрузку заменяют на сосредоточенную.
Составление расчётной схемы элемента конструкции (детали) с указанием системы внешних сил и реактивных нагрузок позволяет сохранить статическое равновесие, но при этом может изменить форму детали. Связь между частями деформируемого элемента обеспечивается внутренними силовыми факторами (ВСФ), которые стре-мяться сохранить форму и объём анализируемого элемента конструкции. Внутренние силы распределены по площади сечения. Применяя шесть уравнений статики, определяют характерные точки. Затем в графической форме строят характеристики
(зависимости) изменения внутренних сил них нагрузок на первом этапе учитывают-и моментов - эпюры. ся условия работы соединения двух и бо-
Из вышеизложенного можно сделать лее элементов в конструктивном узле при-вывод о том, что при выборе расчётной борного устройства. В дальнейшем прово-схемы необходимо учитывать параметры, дятся уточнённые и проверочные расчёты, которые будут рассмотрены на данном что позволяет изменять расчётные схемы. этапе проектирования. В качестве внеш-
Библиографический список
1. Готальская О.В. Рабочая программа дисциплины «Основы конструирования приборов». - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2021.
2. Атлас конструкций элементов приборных устройств: Учеб. пособие для студентов приборостроительных специальностей вузов / А.А. Буцев, А.И. Еремеев, Ю.И. Кокорев и др.: Под ред. О.Ф. Тищенко. - Машиностроение, 1982. - 116 с.
3. ГОСТ 2.770-68 Обозначения условные графические в схемах. Элементы кинематики.
4. Лукьянов А.М., Лукьянов М.А. Техническая механика: учебник. - М.: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2014. -711 с.
5. Григорьева Г.В. Механика. Теория механизмов и машин [Текст]: учеб. пособие / Г.В. Григорьева, И.М. Надырова. - Новосибирск: СГГА, 2007. - 201 с.
6. Задания на расчётно-графические работы с примерами решений / С.М. Заседателев, А.Г. Лепин, Е.М. Павлов и др.; Под ред. С.М. Заседателева. - М.: Изд-во МГТУ, 2000. -66 с.
7. Ицкович Г.М. Сопротивление материалов: Учеб. для учащихся машиностроит. техникумов. - 7-е изд., испр. - М.: Высш. шк., 1986. - 352 с.
8. Элементы приборных устройств (Основной курс): Учеб. пособие для студентов вузов. В 2-х ч. Ч. 1. Детали, соединения и передачи / Тищенко О.Ф., Киселев Л.Т., Коваленко А.П. и др.; Под ред. О.Ф. Тищенко. - М.: Высш. школа, 1982. - 304 с.
ANALYSIS AND SELECTION OF INSTRUMENT DESIGN DIAGRAM IN COURSE
DESIGN
O.V. Gotalskaya, Senior Lecturer Bauman Moscow State Technical University (Russia, Moscow)
Abstract. The article discusses the general issues of choosing a calculation scheme when performing a course project on the discipline "Fundamentals of device design". The schematization of the design of the instrument device depends on the task set at this stage of the design of connecting parts into nodes, assembly units. The general issues of typical connections of parts are considered. The analysis of the algorithm for constructing an independent student's work in the process of completing a course project is carried out.
Keywords: design, discipline program, basis of instrument design, course design, calculation scheme, schematization, reference designation of supports, design, element, sliding bearing, rolling bearing.
