Проектирование изделий с использованием современных методов инжиниринга

Игорь Колчин

Этап 1. Сбор информации

Этап 2. Проектирование цифрового макета

Этап 3. Оценка параметров и их оптимизация при моделировании работы механизма

Результаты проекта

В данной статье речь пойдет о проекте по модернизации счетного устройства счетчика расхода воды, который выполнялся фирмой «Делкам-Урал» по заказу «Уфимского приборостроительного объединения» (рис. 1). Мы рассмотрим последовательность работ и основные этапы проекта, которые могут служить рекомендациями и для других разработок с использованием CAD/CAE-технологий.

Задачей проекта являлась проверка работоспособности счетчика расхода воды и выработка рекомендаций по его улучшению с целью исключения заеданий счетного механизма и остановок при малом входном моменте.

Для выполнения проекта была принята последовательность этапов, представленная на рис. 2.

Этап 1. Сбор информации

В качестве источников информации о счетчике и его функционировании были использованы:

• рабочие чертежи деталей;
• сведения о видах брака при изготовлении;
• сведения о видах неисправностей при эксплуатации;
• консультации со специалистами предприятия.

Полученная информация сгруппирована и представлена в виде диаграммы родства. Часть диаграммы представлена на рис. 3.

Этап 2. Проектирование цифрового макета

Для построения эвольвентных профилей зубчатых колес были использованы величины параметров с чертежей зубчатых колес: модуль, число зубьев, размер по роликам. Дополнительный расчет таких параметров, как коэффициент смещения, основной диаметр, толщина зуба, выполнялся в программе Excel (рис. 4).

Модели зубчатых колес были построены посредством встроенного в SolidWorks приложения для расчета зубчатых передач GearTrax (рис. 5).

Точная форма переходной кривой была получена путем моделирования процесса нарезания зубчатого колеса зубчатой рейкой в пакете SolidWorks (рис. 6).

Построение остальных деталей счетчика выполнялось непосредственно в пакете SolidWorks по чертежам. Созданные детали собирались в сборку, при этом задавалось их взаимное расположение (концентричность, касательность, совпадение) в соответствии со сборочным чертежом (рис. 7).

Затем сборка автоматически преобразовывалась в модель для кинематического анализа при передаче в пакет Working Model. Взаимное расположение деталей (концентричность, касательность, совпадение) было автоматически преобразовано в кинематические связи. Далее были заданы свойства материала деталей (коэффициенты трения, упругости), а также величина момента, приложенного к входному валу.

В процессе моделирования движения механизма проводилось измерение параметров: силы трения между соприкасающимися деталями, положение, скорость, ускорение и др. Полученные данные представлялись в виде графиков (рис. 8).

Уже при моделировании счетного устройства выявлена следующая ошибка конструктора: расстояние между соседними стойками барабана определяется выполнением размеров Ж 1,15, 18°, Ж 16,5 (с верхним отклонением +0,05 и нижним отклонением –0,18) и фактически равно 1,22 мм. Ответная деталь — ролик — имеет больший размер (1,3 мм), что может приводить к затиранию (рис. 9).

Этап 3. Оценка параметров и их оптимизация при моделировании работы механизма

Большое количество параметров современных изделий обусловливает необходимость их классификации и определения тех параметров, которые оказывают наибольшее влияние на задачи проектирования/улучшения. Для этого используется древовидная диаграмма, пример которой для параметров, влияющих на заедание в зубчатых передачах счетного механизма, приведен на рис. 10.

Для получения точных результатов в короткие сроки необходимо выполнять планирование эксперимента. При проектировании счетного устройства использовалась матрица QFD (Quality Function Deployment), позволяющая наглядно представить параметры, осуществить планирование эксперимента и оценку. Помимо этого были использованы принципы доктора Тагучи для экспериментального проектирования с целью подбора оптимальных величин параметров конструкции. Подробнее об этих методах можно узнать в литературе по созданию качества изделий в процессе проектирования (Designing For Quality). Часть матрицы QFD для моделирования параметров, влияющих на зазоры в зубчатых передачах, приведена на рис. 11.

В общем случае анализ производится следующим образом:

• в крайний левый столбец таблицы вносятся названия исходных параметров. Для оценки параметров зубчатых колес это боковой и радиальный зазоры в зубчатой передаче;
• в верхнюю строку таблицы вносятся названия параметров, обеспечивающих исходные параметры.

  В случае рассматриваемого примера это будут параметры, влияющие на боковой и радиальный зазоры: межцентровое расстояние, диаметр окружности выступов, диаметр окружности впадин, размер по роликам, биение зубчатого венца относительно вала;

• определяются степень и характер влияния обеспечивающих параметров на исходные требования посредством моделирования, расчета или оценки специалиста. На пересечениях строк исходных параметров и столбцов обеспечивающих параметров ставятся значки, соответствующие характеру и степени зависимости. На рис. 12 окружностями и звездами отмечены соответственно сильные и очень сильные связи между параметрами. Стрелки обозначают прямое или обратное влияние параметров друг на друга;
• обеспечивающие параметры делятся на контролируемые параметры и параметры-шумы. Параметры-шумы — это те параметры, которые трудно контролировать и которые всегда вызывают отклонения в исходных параметрах. При наличии параметров-шумов целью проектирования становится подбор таких значений контролируемых параметров, которые могут снизить влияние параметров-шумов на характеристики конструкции (на исходные параметры). В рассматриваемом примере параметром-шумом является биение зубчатого венца относительно вала. Биение вызвано технологическим процессом, и его трудно устранить или снизить его величину. Для снижения влияния биения на характеристики механизма требовалось подобрать оптимальные управляемые параметры (межцентровое расстояние, диаметр окружности выступов, диаметр окружности впадин);
• определяется план проведения моделирования. Форма связи между обеспечивающими и исходными параметрами в счетном механизме полагалась линейной, поэтому в процессе моделирования их величины поддерживались последовательно на двух уровнях — минимальном и максимальном. Максимальные и минимальные величины параметров равнялись соответствующим величинам в первоначальном варианте конструкции счетного механизма;
• осуществляется моделирование работы изделия. При моделировании движений счетного механизма проводились два эксперимента: в первом величины обеспечивающих параметров поддерживались на уровнях, при которых зазоры в механизме минимальны, а во втором эксперименте — максимальны. Величины параметров изменялись в пакете SolidWorks, после чего проводилось моделирование движений механизма в пакете Working Model;
• определяются величины параметров, при которых изделие надежно работает. В счетном устройстве определялись допустимые величины производственных отклонений: биение зубчатых венцов шестерен и червяка относительно валов, заусенец на зубе шестерни, биение торцов барабанчиков, выступ от вставки пресс-формы. Для этого дополнительно было проведено несколько экспериментов, в которых изменялись величины данных производственных отклонений. Значения отклонений, при которых механизм продолжал работать, считались допустимыми;
• записываются полученные в результате моделирования величины исходных параметров. При необходимости корректируются величины обеспечивающих параметров, если их начальные значения не обеспечили надежную работу изделия. Полученные допустимые величины производственных отклонений были уже текущих значений, достигаемых при изготовлении счетного механизма, поэтому влияние производственных отклонений было снижено за счет подбора управляемых обеспечивающих параметров (межцентровое расстояние, диаметр окружности выступов, диаметр окружности впадин и т.п.).

Моделирование движений счетного механизма показало, что при номинальных значениях параметров отказов не возникает. Для выявления причин отказов изделия исследовалось влияние производственных отклонений на характеристики механизма. Счетный механизм был разделен на независимые подузлы — зубчатая передача Z10-Z27, зубчатая передача Z8-Z32, зубчатая передача Z30-Z15, червячная передача, передача «валик-барабан». Это позволило снизить сложность анализа.

Результаты проекта

Влияние производственного отклонения (биение зубчатого венца относительно вала) на допустимые зазоры в передачах было снижено путем оптимизации величин управляемых параметров — диаметров окружностей выступов и диаметров окружностей впадин (рис. 12). На рисунке синим цветом обозначена геометрия при наскакивании колеса Z27 на шестерню Z10, красным — шестерня Z10 с увеличенным диаметром окружности выступов, зеленым — геометрия при отсутствии биений.

Анализ показал, что значительные величины отклонений радиального и бокового зазоров в передаче Z8-Z32 вызваны большими отклонениями межосевого расстояния этой передачи из-за неоптимальной схемы назначения размеров. Эти отклонения были устранены заданием межосевого расстояния как задающего вместо замыкающего.

Кроме того, анализ выявил, что в передаче «валик-барабан» при минимальных зазорах и биении по торцу барабана обеспечиваемый сборкой осевой зазор по оси барабанов выбирается и происходит остановка счетного механизма. Этот дефект может не проявляться в течение длительного периода времени, пока не возникнет ситуация наихудшего расположения торцевых биений барабанов. В качестве одного из решений этой проблемы было предложено уменьшить номинальный размер 2.4 на ролике при одновременном увеличении номинального размера высоты стоек барабанов, что снизит влияние осевого зазора на зазоры между барабанами и роликами, позволит увеличить осевой зазор и обеспечит более надежную работу счетного механизма (рис. 13).

«САПР и графика» 4'2001