"Метод конструирования машин, приборов и аппаратов"

Р. Коллер

1976

"Введение, представление о методе. Синтез функций"
"Разработка структур функций и операций"
"Вывод основных физических операций"
"Качественный процесс конструирования"
"Комбинирование принципиальных решений элементов конструкций в комплексные системы"
"Специальные правила проектирования"
"Ограничения при конструировании"

IV. ПРИМЕРЫ

15. Разработка принципиальных решений

Пример "Устройство регулирования опережения зажигания"

Как известно, момент зажигания у скоростных двигателей внутреннего сгорания с возрастающим числом оборотов двигателя устанавливается с опережением, то есть воспламенение газовой смеси в камере сгорания, в соответствии с полотенцем коленчатого вала двигателя, по мере увеличения числа оборотов, происходит раньше. Для этой цели у двигателей внутреннего сгорания, в так называемом распределителе зажигания, разрешается подсистема устройства регулирования опережения зажигания. Распределитель зажигания состоит, в основном, из вала, приведение во вращение которого осуществляется, в свою очередь, посредством кулачкового вала двигателя. На этом валу находится вращающийся электрический контакт /штифт распределителя зажигания/ и кулачек распределителя, соответственно числу цилиндров двигателя, для регулирования контакта прерывателя. Таким образом, контакта распределителя и прерывателя синхронно регулируется благодаря общему валу. Следовательно, момент зажигания двигателя, который определяется положением фазы штифта распределителя зажигания и кулачка прерывателя, может регулироваться благодаря одновременному вращению этих обоих элементов по отношению к приводному валу /кулачковому валу/.

Обобщая подсистему "Устройство регулирования опережения зажигания", мысленно получается "черный ящик" /рисунок 15.1/ с входными величинами: углом поворота ψ и угловой скоростью φ`,а также с выходной величиной Δ=φ+ψ.

/При этом под символом φ следует понижать определенный угол, пропорциональный угловой скорости φ`, который должен накладываться па угол двигателя φ/. Если эту общую функцию системы "Устройства регулирования опережения зажигания" заменяют структурой основной операцией или элементарной функцией, то для ее изображения необходимы две основные операции, a именно, операция "Преобразование", в ходе которой происходит преобразование угловой скорости φ` в угловое отклонение ψ, и операция "Суммирование", при которой происходит сложение углов φ и ψ для получения желаемой выходной величины. Структура элементарной функции, вытекающая из этого, показана на рисунке 15.2. Если удаётся указать все существующие физические эффекты для операций " Преобразование" и "Суммирование", то в результате систематического комбинирования альтернативных решений получаются все черновые наброски /эскизы/ для устройства регулирования опережения зажигания. Если предположить, что систему, реализующую операцию "Преобразование", в любом случае удается установить на вращающийся вал, то от реализация операции "Суммирование" можно отказаться, так как в этом случае сложение углов φ и ψ дается автоматически. Тогда на пути дальнейшей реализации системы устройства регулирования опережения зажигания будет еще существовать только частная задача "Преобразования угловой скорости φ в пропорциональный угол ψ". Эту задачу можно систематически разрабатывать вручную, при помощи систематики "Преобразование энергии или сигналов" /приложение, Таблица 1/.

Этот поиск к подбор надлежащих эффектов может также производиться при помощи соответствующей программ в устройстве обработки данных. В данном случае вывод структур цепей эффектов происходил благодаря использованию быстропечатающего устройства. Вычислитель в данном случае, соответственно, для одной цепи эффектов, при наличии двух эффектов, разрабатывал 12 различных структур эффектов, для цепей с тремя эффектами - 118, а для цепей с четырьмя эффектами - 1872. Однако при более детальном рассмотрении решений очень быстро выясняют, что весьма различные решения возникают лишь в результате изменения первого эффекта цепи, а также в результате изменения эффекта на входе или сенсорного эффекта. С учетом этих условий для данной задачи поручается 21 различное принципиальное решение. Из этого на рисунке 15.3. показан выбор решений. Отдельные решения основываются на центробежном эффекте /a/, на эффекте импульса /b/, на эффекте подъемной силы профиля /с/, на эффекте вязкости /d/, на эффекте Био-Савара /e/ и на эффекте вихревого тока /f/; в верхних частях рисунков находятся соответствующие структуры эффектов.

Применительно к функциональному конструированию следует еще, указать на то, что большинство систем, показанных на рисунке 15.3, будут являться чувствительными к угловому ускорению в том случае, если не будет предпринята соответствующая меры по устранении данного недостатка. То есть эти системы реагируют не только на изменение угловой скорости, а прежде всего, производят изменение угловой скорости. Поэтому, для того, чтобы соответствующие системы сконструировать нечувствительными к ускорению, необходимо еще произвести соответствующее уравновешивание масс, как это, в принципе, показано на рисунке 15.4.

Параметры длин рычагов и масс должны выбираться таким образом, чтобы рычажная система /2/ при ускорении вращения вала /1/ оставалась в равновесии.

16. Поиск формы.

Пример "Клапан управления".

Для торможения определенных типов автомобилей тормозное усилие или давление, создающее тормозное усилие, необходимо регулировать в зависимости от двух величин сигналов /параметров/. Для этой цели требуется, соответственно, управляемый нагнетательный клапан, как это, в принципе, показано на рисунке 16.1.

Эта система состоит из двух поршней 1 и 2, уравновешивающего рычага 3, непосредственного клапана 4, установочного поршня 5 и системы переводных рычагов 6. Основной задачей этой системы является снижение полного давления R на давление торможения С, соответствующее двум величинам сигналов /давлениям/ Сv и Т.

Вкратце принцип действия клапана управления следующий: давление сигнала /Т/ давит на установочный поршень 5 /поршень - Т/ против усилия пружины влево и этим самым устанавливает передаточное отношение у рычага 3, соответствующее этой величине. Если теперь на поршень 2 оказывается определенное давление /Сv/, то он будет двигаться вниз и приведет в действие клапан 4. При этом верхняя часть клапана сначала перекроет от атмосферы пространство С , которое первоначально было связано с ней, а затем соединит пространство R с пространством С. Из напорного резервуара R воздух устремится в магистраль С и создаст там соответствующее тормозное давление. Как только это давление станет достаточно большим, то оно, передаваясь на поршень 2 и рычаг 3, оттеснит назад поршень 2 и прервет связь между пространствами R и С. Если давление в пространстве С понизится, то поршень 2 снова откроет клапан между пространствами R и С, и воздух будет поступать до тех пор, пока поршень 1 снова не прервет этот процесс.

Таким образом, давление, возникающее в пространстве С, пропорционально величинам Сv и Т. Если давление в магистрали Сv будет

сбрасываться, то клапан 4 вернется в свое исходное положение, магистраль С снова соединится с окружающей средой /атмосферой/ и тормозное давление, или тормозное усилие снова исчезнет.

Конструктивная задача заключается в том, чтобы эту систему, состоящую из двух поршней 1,2, уравновешивающего рычага 3 и клапана 4,

установочного поршня 5 и исполнительного механизма 6, сконструировать; таким образом, чтобы при минимальном общем объеме не завышать определенные параметры основной поверхности /длину, ширину/. Разумеется, при этом еще следует обращать внимание на то, чтобы число необходимых элементов конструкции, по возможности, было малым и их изготовление, по возможности, являлось простым.

Если исходят из того, что существуют физические принципы, подобные принципам указанным на рисунке 16.1, то эту задачу, в основном, оказывается возможным, свести в разработке проекта вышеназванной системы, строго соответствующего масштабу. Далее, если исходят из того, что конструирование отдельных узлов, рассматриваемое само по себе, не будет представлять никаких принципиальных трудностей, и если оно при создании первого проекта проводилось один раз и, в основном, может сохраняться, то эту задачу, в данном случае, по причинам объемности можно cвести к проблеме взаимного соответствия положения отдельных узлов.

При взаимном соответствии положения узлов или элементов конструкции, или при проектировании системы из нескольких узлов будут начинать не с какого-нибудь узла, а с одного из центральных узлов, а все остальные будут располагать вокруг этого узла. Точнее говоря, компоновку отдельных узлов представляет собой проблему очередности. В общем при конструировании существуют узлы, которые могут включаться в общую систему с трудом или значительно проще. Поскольку при проектировании технических, устройств трудности возрастают с числом узлов, которые будут составлять систему, то в проект будут включать, в первую очередь, узлы с трудом поддающиеся компоновке, а более простые узлы - позднее, поскольку проблема размещения в начале еще сравнительно проста. В общем, генеральным узлом всегда является тот, который реализует главную функцию, следовательно, основную желаемую функцию системы.

В данном случае клапан представляет собой центральный узел, который, в конечном счете, осуществляет регулирование тормозного давления. Последующими важными узлами являются оба поршня 1 и 2, установочный поршень 5 и, наконец, исполнительный механизм 6, который можно легче всего привести в соответствие с пространственной ситуацией, заданной положением остальных узлов. С целью достижения возможных соответствий положения, как схематически показано на рисунке 16.2, не имеет значения, представлять ли себе мысленно деталь 1 закрепленной, а деталь 2 - расположенной за деталью 1, или наоборот. Поэтому оба поршня /до известной степени/ можно также рассматривать в качестве центрального узла и начинать с них вариацию положения, как это произошло в данном примере.

Как схематически показано на рисунке 16.2, возможные соответствия положения двух узлов по отношению друг к другу получают в результате параллельного переноса /а/, в результате вращения /b/ и в результате вращения + параллельный перенос /с/. На практике в большинстве случаев интерес представляют лишь особые положения /90, 180, 270 и т.д./, как они, например, показаны на рисунке 16.3, строка 1, для двух поршней 1 и 2. При этом, с целью экономии времени на вычерчивание, отдельные элементы целесообразно зaмeнять условными обозначениями в соответствующем масштабе, которые примерно изображают контуры соответствующих элементов или узлов. В этом случае на рисунке 16.3, строка 2, для каждого соответствия положения поршня, соответственно, приведены два соответствия положения клапана управления. При этом клапан управления изображен стрелкой в виде символа. В последующих строках 3, 4, и 5 при постоянном соответствии положения названных узлов еще указаны различные соответствия положения поршня Т. Наконец, в строках 6,7 и 8 показаны варианты форм узлов, которые в строках 3, 4 и 5 изображены с согласованным исполнительным механизмом 6.

На рисунке 16.3 показана лишь небольшая часть вариантов из общего количества теоретически возможных вариантов положения; несмотря на это, эта систематика дает довольно хорошее представление о возможностях конструирования, приведенных с существующим изменением положения узлов. Малый объем работ по конструированию, в частности, варианты форм узлов со сравнительно малой поверхностью завинчивания /фланцевая поверхность/, обещают дать "взаимные расположения" узлов, обведенные более жирной чертой. Разумеется, это схематическое изменение формы или положения не может дать достоверного суждения о том, является ли один из вариантов форм, отмеченных здесь, самым лучшим или нет, а они только примерно указывают путь, где он мог бы находиться.

В данном случае на основании систематики, показанной, на рисунке 16.3, было разработано несколько проектов. При этом оказалось возможным подтвердить предположение, что варианты форм, самые благоприятные для данного случая применения, вытекает из вариантов положений, обведенных жирной чертой, как покарано на рисунке 16.3. На рисунке 16.4 показан первым проект решения, согласно рисунку 16.3, столбец 10.

В этом проекте обращает на себя внимание то, что у клапана и у одного из двух поршней имеются пространства, которые в эксплуатации всегда играют одно и то же давление /давление С/. Поэтому оказывается возможным объединить их в пространственном отношении пространствами /пространствами С/ в клапане и поршне 1, соединенными одной магистралью, или "интегрировать" /раздел 12.3/.

В результате "интегрирования" двух пространств С , вследствие отсутствия связи 7 /рисунок 16.4/, возникает еще более упрощенное решение, как показано на рисунке 16.5.

...продолжение следует