Перспективи використання САПР для конструювання деталей сучасних технічних засобів

Загальною тенденцією розвитку транспортних технічних засобів є зростання потужності їх енергетичних установок і підвищення рівнів основних параметрів робочих процесів. Наприклад, за останні 50 років циліндрова потужність тепловозних дизелів зросла від 90 до 350 кВт (середній ефективний тиск газів у циліндрі з 1,0 до 2,5 МПа). При цьому тиск наддування зріс з 0,2 до 0,5 МПа, найбільший тиск у циліндрі при згорянні – з 9 до 15 МПа, температура газів, що відпрацювали у циліндрах, – з 550 до 750° С.

Тому сучасні вимоги до рівня досконалості нової техніки, складності конструкції ТЗ, жорсткі терміни виконання проектно-конструкторських робіт і складні технології виробництва визначають необхідність переходу до нових концепцій і технологій проектування – автоматизованого проектування з використанням відповідних САПР. Вказаний напрямок отримав розвиток за кордоном на основі використання інтегрованих систем автоматизації проектування і технологічної підготовки виробництва – CAD/CAM – system. При цьому поняття CAD змістовно відповідає САПР, бо інтегрується в двох значеннях – Computer Aided Design (проектування і конструювання за допомогою ЕОМ) та Computer Aided Drafting (автоматизоване креслення). Під CAM ототожнюють автоматизовану систему технологічної підготовки виробництва або автоматизовану систему управління виробництвом, технологічною підготовкою.

Фахівці вважають, що світова історія САПР починається від створення діалогової системи конструювання SKETCHPAD, описання якої було опубліковано Сатерлендом у 1963 році. Приблизно протягом 10 років роботи у цьому напрямку були в основному орієнтовані на автоматизацію проектування складених з довільних поверхонь корпусів кораблів, літаків, кузовів легкових автомобілів і вантажівок та ін. Тільки з другої половини 70-х років отримало розвиток автоматизоване проектування деталей машин. Це пояснюється труднощами реалізації системного підходу в САПР об’єктів машинобудування і створення необхідного програмного забезпечення при відносній дефіцитності в той час комп’ютерної техніки. Дійсно, з ускладненням конструкції ТЗ збільшується кількість деталей і їх типів. Тому приходиться мати справу з дуже великими обсягами необхідної для їх описання інформації, яка в більшості випадків не може розглядатися у якості загальних даних (на відзнаку від описання елементів корпусних об’єктів автоматизованого проектування). Це суттєво ускладнювало побудову відповідних САПР.

Бурхливий розвиток комп’ютерної техніки і технологій дозволив вже на початку 80-х років розробити апаратні і програмні засоби для автоматизованого розв’язання складних проектно-конструкторських задач, створення САПР різних ТЗ.

Діючими в Україні державними стандартами регламентуються усі питання (визначення, термінологія, структура, класифікація та ін.), пов’язані зі створенням і використанням сучасних САПР. У відповідності до них САПР розглядається як організаційно-технічна система, яка має комплекс засобів автоматизації проектування , що взаємодіє з відповідними підрозділами проектної організації, колективами фахівців і виконує автоматизоване проектування визначених ТЗ.

Такі системи розгортаються в провідних проектних, конструкторських, технологічних та інших організаціях, а також на підприємствах, де створені відповідні умови (є сучасна обчислювальна техніка з розвинутою мережею термінальних пристроїв, каналів передачі інформації; методичне і програмне забезпечення автоматизованого проектування; кваліфіковані кадри) [4].

Наведені в навчальному посібнику [4] рекомендації вказують на доцільність проведення автоматизованого конструювання ДМ в активних діалогових режимах (ДР) взаємодії конструктора з обчислювальною системою (ОБС) відповідної САПР у масштабі реального часу. При цьому забезпечується двостороння ініціатива початку діалогу – можливості переривання процесу автоматизованого проектування мають і ЕОМ, і конструктор. У спрощеному уявленні діалог (сеанс взаємодії) відбувається на двох рівнях. На першому (верхньому) рівні конструктор вводить до ОБС завдання на виконання певної проектної процедури чи операції. На другому рівні ОБС, отримавши завдання, надсилає запити до конструктора з метою отримання необхідних даних, після чого реалізує відповідні проектні модулі та інформує замовника про отримані результати.

Активні ДР забезпечують найбільш ефективну взаємодію конструктора з ОБС, особливо при розв’язанні складних задач оптимізаційного проектування і конструювання ТЗ. Важко переоцінити роль активних ДР у розробленні й автоматизованому оформленні графічної конструкторської документації (КД). Особливо це стосується креслярської КД(компонувальні іта складальні креслення вузлів і агрегатів, робочі креслення деталей ТЗ), яка може оформлюватися на різних носіях (паперових, магнітних та ін.) за допомогою сучасних технічних засобів машинної графіки у відповідності до вимог ЄСКД.

При розробленні в ДР оригінальних конструкцій конструктор має можливість багатопрофільного використання типових графічних зображень стандартних деталей і елементів на складальних і деталізованих кресленнях ТЗ, що проектується. Для скорочення обсягів графічних робіт і підвищення продуктивності оформлення КД діалогові програмні системи передбачають використання методів креслення-заготівкиі надлишкового (комплексного) креслення.

Метод креслення-заготівки передбачає отримання робочих креслень деталей на основі використання відповідних креслень-заготівок, що розроблені для визначених класів деталей і включені до баз даних підсистеми інтерактивної машинної графіки. Кожне з таких креслень має відповідне графічне зображення геометричних форм деталі, а також зображення головних конструктивних елементів, розмірів і технічних умов, які уточнюються і задаються конструктором при розробленні конкретної деталі. В якості прикладу на рисунку 1.4 показаний фрагмент креслення-заготівки циліндричного зубчастого колеса, на якому наведено його типове креслення, показані усі розмірні лінії, задані основні технічні умови на виготовлення. Для конкретного зубчастого колеса можна проставити значення вказаних розмірів, додати таблицю стандартних параметрів (модуль, число зубців, ділильний діаметр, коефіцієнт зміщення, ступінь точності та ін.) і одразу отримати в масштабі й оформити на потрібному носієві робоче креслення. Розглянутий метод дозволяє суттєво підвищити продуктивність оформлення КД при розробленні конструкцій з великою кількістю стандартних деталей. До недоліків слід віднести жорстку фіксацію конструкційної структури деталі в кресленні-заготівці.

Більшу гнучкість забезпечує метод надлишкового креслення (метод комплексного креслення, комплексної деталі), який передбачає описання певного класу деталей у вигляді сукупного геометричного об’єкта з надлишковими конструкційними елементами, розмірами, технічними умовами на виготовлення. При цьому для отримання робочого креслення конкретної деталі конструктор задає перелік необхідних конструктивних елементів і значення стандартних параметрів, що визначають її розміри.

Разом з тим більш економічним є складання робочих креслень деталей з окремих фрагментів типових графічних зображень, що належать сукупності різних комплексних креслень. Наприклад, креслення черв’ячного колеса може складатися з типових елементів комплексних креслень “фланець” і “зубчастий вінець”. Використання такого підходу в САПР агрегатних верстатів забезпечує автоматизоване оформлення робочих креслень більш як 85% усіх деталей.

У наш час розроблені і можуть бути рекомендовані для автоматизованого конструювання ДМ відповідні пакети прикладних програм (ППП). Наприклад, основою для створення проектуючих підсистем САПР різних ТЗ (об’єктів енергетичного і транспортного машинобудування та ін.) є пакети “ГТД”, “ЦПГ”, “ПІМГ”, “АРМ WinMachin”.

Пакет прикладних програм бібліотечного типу (без монітора) “ГТД”призначений для розв’язанні окремих задач автоматизованого проектування сучасних газотурбінних двигунів. Він об’єднує програмні модулі для проектування й оптимізації конструкції основних елементів ГТД (вхідного дифузора, компресора, камери змішування, перехідного каналу та ін.).

Пакет прикладних програм з монітором “ЦПГ”призначений для використання в проектуючих підсистемах САПР КДВЗ при розв’язанні найскладніших задач з математичного моделювання й аналізу полів температур, напружень і деформацій у деталях циліндро-поршневої групи форсованих дизелів.

До пакета “ПІМГ” належать достатньо розвинуті ППП для виконання різних процедур машинної графіки (наприклад, ППП “ФАП-КФ”, “ГРАФОР” та ін.), використання яких в САПР розглянуто в посібнику [4].

Пакет “АРМ WinMachin”розроблено науково-технічним центром “Автоматизированное проектирование машин” (Росія) і являє собою програмну версію системи розрахунків і проектування механічних конструкцій і обладнання в області машинобудування і будівництва. Він містить програми для автоматизованого проектування різних деталей машин, елементів конструкції, вузлів механізмів і машин, вбудовані бази даних, необхідну інформаційну базу знань (фундаментальний елементний підручник “Основы проектирования машин”).

До складу ППП “АРМ WinMachin”входять програмні модулі для різноманітних ППП, наприклад:

· WinJoint – модуль розрахунку і проектування з’єднань деталей машин і елементів конструкцій, що дозволяє виконувати комплексний розрахунок усіх типів різьбових, зварних, заклепкових з’єднань і з’єднань деталей обертання;

· WinTrans – модуль проектування передач обертання. Ця підсистема призначена для розрахунків усіх типів зубчастих передач, а також черв’ячних, ремінних і ланцюгових передач, і виконання креслень елементів цих передач в автоматизованому режимі;

· WinScrew – модуль для розрахунку передач поступального руху. Може розраховувати гвинтові передачі ковзання, кульково-гвинтові і планетарні гвинтові передачі;

· WinBear – модуль розрахунку підшипників кочення. Виконує комплексний аналіз опор кочення всіх відомих типів;

· WinPlain – модуль розрахунку й аналізу радіальних і упорних підшипників ковзання, що працюють в умовах рідинного і піврідинного тертя;

· WinShaft –модульрозрахунку, аналізу та проектування валів і осей;

· WinDrive – модуль розрахунку та проектування приводу довільної структури і планетарних передач;

· Winspring – модуль розрахунку та проектування пружин і інших пружних елементів машин. Розраховуються та викреслюються пружини стискання, розтягнення та кручення, плоскі пружини, а також тарільчаті пружини та торсіони;

· WinCam – модуль розрахунку та проектування кулачкових і мальтійських механізмів з автоматизованим генератором креслень;

· WinSlider –модуль розрахунку та проектування важільних механізмів довільної структури;

· WinBeam –модуль розрахунку та проектування балочних елементів конструкцій;

· WinStructure3D –модуль розрахунку та проектування пластинчатих, оболонкових і стержньових конструкцій та їх довільних комбінацій;

· WinGraph – модуль оформлення графічної документації;

· WinData – модуль зберігання та редагування стандартних і інформаційних даних, необхідних для функціонування кожної з наведених вище підсистем.

Кожний програмний модуль надає конструктору відповідне інтегроване середовище, яке містить: спеціалізований графічний редактор; повний цикл необхідних обчислювань; вбудовані бази даних і різноманітні засоби представлення і документування результатів.

На завершення до розглядуваних питань слід зазнати, що в світовій практиці автоматизованого рішення проектно конструкторських задач поряд з аналогічним до САПР поняттям CAD– Computer Aided Design найчастіше використовуються: CAM– Computer Aided Manufacturing; CAQ– Computer Aided Quality Assurance; CAP –Computer Aided Planning; CIM– Computer Integrated Manufacturing; CAE– Computer Aided Engineering. При цьому під CAM розуміють автоматизовану систему технологічної підготовки виробництва (як виділену окремо частину CAD – системи), а іноді – систему управління виробництвом і технологічними процесами на підприємстві із застосуванням ЕОМ. Під CAQ – систему підтриманого комп’ютером забезпечення якості. Під CAP – систему автоматизованого проектування технологічних процесів при підготовці виробництва. Під CIM– автоматизовану систему управління процесом проектування ТЗ. Особливе місце займає поняття CAE(КІТ – комп’ютеризована інженерна праця), яке іноді пов’язується з інженерними розрахунками та конструюванням за допомогою ЕОМ, а в деяких випадках – розглядається як інтеграція усіх видів інженерної діяльності з використанням комп’ютера.

2 З’єднання деталей машин

Деталі, що складають конструкцію технічного засобу, пов’язуються між собою відповідними способами, які отримали назву зв’язки.Вонирозділяються на рухоміі нерухомі. Наявність рухомих зв’язків у механізмах і машинах (кінематичні пари – наприклад, різні шарніри, зубчасте зачеплення) обумовлена їх кінематичними схемами. Формування нерухомих зв’язків визначається необхідністю розділення загальної конструкції технічного засобу на вузли і деталі для спрощення виробництва, полегшення складання, ремонту та транспортування. Нерухомі зв’язки мають назву з’єднання.

З’єднання є важливими елементами машинобудівних конструкцій. Досвід експлуатації транспортних технічних засобів виявив, що велика кількість відмов у їх роботі пов’язана з незадовільною якістю з’єднань. Тому основним критерієм працездатності з’єднань (а також відповідних розрахунків) є міцність.

За ознакою роз’ємності всі види з’єднань можна розділити на роз’ємні і нероз’ємні.

До роз’ємних з’єднань, які можуть розбиратися без руйнування деталей, що їх складають, належать: різьбові з’єднання; шпонкові з’єднання; шліцьові з’єднання; профільні з’єднання; штифтові з’єднання; клинові з’єднання.

До нероз’ємних з’єднань, які не можуть розбиратися без руйнування деталей, що з’єднуються, або їх поверхонь, належать: зварні з’єднання; заклепкові з’єднання; з’єднання з натягом; паяні з’єднання; клейові з’єднання.

Нижче наводиться огляд конструкції різних видів роз’ємних і нероз’ємних з’єднань, а також висвітлюються основні методи їх розрахунків (численні уточнені методи розрахунків з’єднань наведені в джерелах [3–5].

Роз’ємні з’єднання

Різьбові з’єднання

Різьба(рисунок 2.1) – це виступи, утворені на основній поверхні гвинтів або гайок і розташовані за гвинтовою лінією.

Різьбові з’єднання є одними з найбільш поширених роз’ємних з’єднань, які здійснюються за допомогою деталей, що мають зовнішню (болти, гвинти, шпильки та ін.) і внутрішню (гайки, різьбові отвори в корпусних деталях) різьбу.

До перевагрізьбових з’єднань слід віднести високу надійність, зручність складання та розбирання, можливість утворення великих осьових навантажень, відносно невелику вартість, що обумовлюється стандартизацією та масовим виробництвом кріпильних різьбових деталей. Недоліком слід вважати концентратори напружень у западинах різьби, що знижує втомлену міцність різьбового з’єднання, а також необхідність застосування в багатьох випадках засобів стопоріння (для запобігання саморозгвинчування з’єднання).

За формою основної поверхні розрізняють циліндричні та конічні різьби. У машинобудуванні найбільш поширені циліндричні різьби. Конічну різьбу застосовують для щільних з’єднань труб, пробок тощо.

За напрямком гвинтової лінії розрізняють праву (найбільш поширену) і ліву різьби.

За числом заходів відрізняють однозахідну (найбільш поширену), двохзахідну та інші різьби. Багатозахідні різьби застосовуються в гвинтових механізмах.

До основних геометричних параметрів різьби (рисунок 2.1, б) належать d – зовнішній діаметр; d₁ – внутрішній діаметр; d₂ – середній діаметр; h – робоча висота профілю; р – крок різьби; р₁ – хід різьби (р₁= рn, де n – число заходів); a - кут профілю; y - кут підйому гвинтової лінії за середнім діаметром,

(2.1)

Усі геометричні параметри різьб і допуски на їх розміри регламентуються відповідними стандартами.

За призначеннямрозрізняють різьби кріпильні і різьби ходові (для гвинтових механізмів). До кріпильних різьб належать різьба метричназ трикутним профілем (a=60⁰) – основна кріпильна різьба; трубна(a=55⁰) – із округленими вершинами і западинами (ГОСТ 6357-73); кругла (ГОСТ 6042-71) та ін. До ходових різьбналежать трапецеїдальна симетрична (ГОСТ 9484-73) і упорна (ГОСТ 10177-62), прямокутна різьби.

Різьбові з’єднання здійснюються з застосуванням кріпильних деталей, до яких належать болти та шпильки з гайками, гвинти. При необхідності різьба нарізується на сполучених поверхнях деталей, що з’єднуються.

Механічні властивості кріпильних деталей нормуються. Відповідно до ГОСТ 1759-70 на болти, гвинти і шпильки встановлено 12 класів міцності, кожний з яких позначається двома числами. При цьому перше число, перемножене на 100, означає границю міцності необхідного матеріалу s_В (МПа), а друге, перемножене на 10 (у відсотках), – відношення границі текучості до границі міцності (s_Т /s_В). На гайки встановлено 7 класів міцності при позначенні кожного одним числом, яке перемножене на 100 дає значення механічних напружень від дослідного навантаження F.

Під дією сил тертя між витками різьби та на опорній поверхні гвинта або гайки, зовнішніх осьових сил Q, зусилля попереднього затягування з’єднання Q_П (приймається Q_П = 1,3Q) стержень гвинта підлягає деформаціям кручення та розтягування, а витки різьби – деформаціям зсуву та згинання.

При статичному навантаженні характерними є два типи руйнування різьбових з’єднань – обрив стержня гвинта (частіше) та зрізання витків різьби.

З урахуванням зусилля попереднього затягування діаметр стержня (внутрішній діаметр різьби) визначається за формулою

(2.2)

де [s] – допустиме напруження, яке визначається за формулою

(2.3)

де n – коефіцієнт запасу міцності (для гвинтів середніх діаметрів n = 1,5...3, для гвинтів малих діаметрів n = 4...5).

Перевірка міцності різьби на зрізання виконується за формулою

(2.4)

де H – висота гайки;

k – коефіцієнт повноти різьби, який залежить від типу різьби (наприклад, для трикутної різьби k = 0,75);

m – коефіцієнт нерівномірності розподілу навантаження;

[t_ЗР] – допустиме напруження зрізання, [t_ЗР]=(0,2...0,3)s_Т.

Шпонкові з’єднання

Шпонкове з’єднання (рисунок 2.2) здійснюється за допомогою спеціальної деталі – шпонки, яка закладається у відповідні пази, що виконані на сполучених поверхнях деталей, що з’єднуються. Воно забезпечує нерухоме скріплення деталей для передачі крутного моменту.

До перевагшпонкових з’єднань слід віднести простоту і надійність конструкції, зручність складання і розбирання, невисоку вартість. Недолікиз’єднання визначаються ослабленням суцільних перерізів сполучених деталей і наявністю концентраторів напружень.

Найбільш поширені в машинобудівних конструкціях такі типи шпонок(рисунок 2.3):

– клинова врізна (ГОСТ 8791-68), створює напружений стан за верхньою та нижньою гранями шпонки і передає крутний момент за рахунок сил тертя на них (рисунок 2.3, а);

– призматична звичайна з округленими кінцями (ГОСТ 8789-68), сприймає навантаження бічними гранями (рисунок 2.3, б);

– призматична напрямна врізна із закріпленням на валу (ГОСТ 8790-68), допускає переміщення маточини вздовж осі валу (рисунок 2.3, в);

– сегментна (ГОСТ 8794-68) (рисунок 2.3, г);

– кругла (не стандартизована) (рисунок 2.3, д).

- за умови попередження зминання, (2.5)

- за умови попередження зрізання, (2.6)

де [s_ЗМ], [t_ЗР] – допустимі напруження зминання і зрізання.

З двох значень довжини шпонки потрібно задати більше. Якщо. розміри поперечного перерізу шпонки (b ´ h) вибираються з таблиць стандарту залежно від діаметра вала d, то довжина шпонки визначаються з умов попередження тільки зминання.

Для виготовлення шпонок застосовується чистотягнутий прокат для шпонок зі сталей за ГОСТ 380-71 та ГОСТ 1050-74 з границею міцності не нижче 500 МПа. При стальній маточині приймається [s_ЗМ] =80…100 МПа, при чавунній маточині приймається [s_ЗМ] =45…55 МПа. Значення [t_ЗР] приймається в залежності від характеру навантаження – для спокійного навантаження [t_ЗР]=120 МПа, для помірних поштовхів [t_ЗР]=85 МПа, для ударного навантаження [t_ЗР]=50 МПа.

Шліцьові з’єднання

Шліцьове з’єднання (рисунок 2.4) можна умовно уявити як багатошпонкове, у якого шпонки виготовлені безпосередньо на валу. Призначається для передачі значних крутних моментів. За допомогою шліцьового з’єднання забезпечується як нерухоме, так і рухоме (з відносним осьовим переміщенням сполучених поверхонь) скріплення деталей.

До переваг шліцьових з’єднань слід віднести більшу міцність шліцьових валів у порівнянні зі шпонковими, а також краще центрування деталей. Недоліком слід вважати складність виготовлення шліцьових валів і збільшення концентраторів напружень.

Шліцьове з’єднання розраховується на зминання бокових граней шліців. Нерівномірність розподілу навантаження між шліцами ураховується через коефіцієнт y=1,2...1,3. Максимальний крутний момент визначається за формулою

, (2.7)

де z – число шліців;

h – висота поверхні контакту;

l – робоча довжина шліца, яка дорівнює довжині маточини деталі, що з’єднується з валом;

[s_ЗМ] – допустиме напруження зминання, для термообробленої сталі, для якої границя міцності не нижче 500 МПа, приймається для нерухомих з’єднань [s_ЗМ] =100...140 МПа, а для рухомих під навантаженням – [s_ЗМ] = 5...15 МПа.