(Microsoft Word - MOGAN, GH. Proiectarea sistemelor mecanice ale produselor \205)

Transcriere

1 UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAOV Catedra Design de Produs *i Robotic) Simpozionul naional cu participare internaional PRoiectarea ASIstat de Calculator P R A S I C ' 02 Vol. III Design de Produs 7-8 Noiembrie Braov, România ISBN PROIECTAREA SISTEMELOR MECANICE ALE PRODUSELOR TEHNICE. PARTEA a II-a. SINTEZA CONCEPTUAL, FUNCIONAL I CONSTRUCTIV Gheorghe MOGAN Universitatea Transilvania din Braov Abstract: The purpose of this paper is to present the steps of product design algorithms. The conceptual and functionality synthesis imply to find physics processes that are on basses of different technical solutions. The adequate solution is obtained using technical and economics evaluation. The constructive assembly design of elements imply shape design and calculate the dimensions. Also, it is chosen the optimum solution after economics evaluation. The detailed constructive design imply to finalize the technological shapes and manufacture information. Cuvinte cheie: product design, product conception, product functionality, product construction. 1. Proiectarea conceptual) *i func,ional) a produselor Formularea temei de proiectare a unui produs tehnic este precedat de documentarea profund asupra nivelului realizrilor mondiale în domeniu privind cerinele asupra soluiilor tehnice posibile i constrângerile practice existente. În urma acestei analize se întocmete lista de cerin,e cu menionarea clar a performanelor la nivel calitativ i/sau cantitativ indicând valori concrete pentru noii indicatori specifici. În general, în lista de cerine se introduc informaii privind urmtoarele caracteristici ale produsului: numrul de exemplare necesar; geometria (dimensiunile de gabarit impuse); cinematice (viteze, acceleraii, direcii de micare); fore (de greutate, de încrcare, direcii, frecvene de aplicare); energia (puteri, randamente); sigurana (muncii i/sau a mediului); condiii de lucru (zgomot, confort, ergonomie); calitatea (fiabilitatea, mentenana, standardele ce trebuie respectate); condiii de montaj, de exploatare i de întreinere; economice (costurile maxime admise, posibiliti de reciclare); fabricaia (procedee de fabricie disponibile); mediul de lucru (temperatura de lucru, variaiile de temperatur, altitudinea, tip atmosfer). Soluia final adoptat la proiectare va fi determinat de obiectivele generale i restriciile impuse care se obin consecin a cerinelor i condiiilor din lista de cerine, ca document care st la baza dezvoltrii de produs. Obiectivele generale pentru produsele materiale tehnice [1] sunt: îndeplinirea funciei principale i a funciilor auxiliare; fiabilitatea i sigurana în funncionare; ergonomicitate mrit; asigur securitatea omului i a mediului; execuie simpl i montare uoar; asigur intreinere eficient; minimizare costuri; posibiliti de reciclare etc. Proiectarea propiu-zis este o procedur algoritmizat în care pornind de la funciile i obiectivele impuse se caut soluii principiale (proiectarea conceptual)), funcionale (proiectarea func,ional)) i constructive (proiectarea constructiv)). Fiecare etap, de obicei, este caracterizat de variante multiple care stau la baza modelelor de optimizare în vederea obinerii soluiei optime. Proiectarea unui produs, în general, impune, dup o definire preliminar a problemelor eseniale

2 de soluionat i divizarea acestora în probleme pariale, cutarea soluiilor pariale i uneori a celor individuale, evaluarea acestora, modelarea, adoptarea soluiilor pariale optime i stabilirea soluiei globale. Aceast procedur st i la baza algoritmilor de proiectare a produselor asistai de calculator care permit cu uurin conversaia cu sistemele expert de soluii pariale. În cazul existenei unei schie globale privitoare la designul exterior (estetic) divizarea în probleme pariale se face luând în considerare i aceast schi. În schema din fig. 1 se prezint etapele principale de parcurs la proiectarea conceptual) a unui produs. Pornind de la lista de cerine se întocmete stuctura sarcinilor ca reprezentând definirea în forma explicit a sarciilor global i pariale. Implementarea în practic a sarcinilor pariale prin soluii concrete se face prin intermediul unuia sau mai multor principii fizico-tehnice posibile. Prin combinarea diverselor principii fizicotehnice posibile se obin mai multe variante de soluionare care în urma procesului de evaluare tehnico-economic) conduc la soluia de principiu care se sintetizeaz în schema bloc conceptual). Operaiile specifice de raionament uzual întâlnite la conceperea produselor pot fi [6, 7]: analogia, care permite transferul unui principiu i/sau soluii testate din alt domeniu; de logic) (negare, însumarea, excluderea), care prermit eliminarea i/sau adugarea de aspecte noi la elaborarea soluiei; euristice (generalizare, abstractizare, sintetizare, combinare, ordonare, schematizare, detaliere, comparare). Soluiile pariale i global se recomand a fi caracterizate de univocitate, pentru asigurarea comportrii sigure fr ambiguiti; simplitate, care implicit conduce la soluii economice; siguran,) privind existena (rezisten, durabilitate, fiabilitate), securitatea operrii i protecia mediului. Pentru exemplificare, sarcina global de transformare a energiei electrice în energie mecanic cu parametri variabili - asociat motovariatorului din [2] este posibil a fi implementat având la baz i schema bloc conceptual din fig. 2 în care pentru Lista de cerin,e Structura sarcinilor Principii fizico-tehnice asociate subsarcinilor Variante de solu,ionare Solu,ia de principiu Fig. 1 obinerea energiei mecanice la ieire cu parametrii variabili se folosete motor un electric sincron alimentat cu energie electric cu parametrii variabili generat de modulele redresor i invertor. În cadrul aceastei soluii de principiu, transformarea energiei de la parametrii constani la parametrii variabili se face la nivel electric spre deosebire de cealalt soluie, prezentat în [2] cu aceast transformare la nivel mecanic. Adoptarea soluiei de principiu (baz) optime în urma calculelor de evaluare tehnico-economice este un proces complex care implic evaluri i cuantificri considerând experiene tehnice anterioare. În cadrul proiectrii func,ionale, pornind de la schema bloc conceptual se poate extinde structura sarcinilor cu alte subfuncii de nivel inferior i, având la baz principii fizico-tehnice asociate, se dezvolt scheme structural-func,ionale (fig. 3). De exemplu, pentru cazul motovariatorului din [2] schema structural-funcional are la baz, pentru subsarcina de modificare a turaiei, principiul fizicotehnic de transmitere a puterii prin friciune. Pe de alt parte, se pot întocmi i alte scheme structuralfuncionale având la baz i alte principii fizicotehnice (ex. transmiterea puterii prin form). Selectarea schemei structural-funcionale optime pentru anumite condiii date se face prin evaluare tehnico-economic (fig. 3). Pentru sinteza produselor mecanice la nivel Energie electric Semnal de reglare Motor electric Redresor Invertor sincron Redresor Energie Invertor Energie Motor electric electric electric sincron Fig. Semnal 2 de indicare Fig. 2 Energie mecanic

3 conceptual i funcional se pot face: analiza critic a Schema bloc conceptual) Structura sarcinilor extins) Principii fizico-tehnice asociate sarcinilor Variante de solu,ionare Schema structural-func,ional) Fig. 3 realizrilor în domeniu, apelând la surse bibliografice diverse (cri, reviste, brevete, prospecte) în form tiprit sau electronic (Internet); analiza sistemelor naturale (biomecanic, bionic), pentru identificarea de structuri, de forme i de procese care se pot utiliza în tehnic; analiza sistemelor tehnice existente; testri pe modele simplificate sau reduse dimensional care, prin similitudine, ofer concluzii deosebit de utile pentru proiectare. În unele cazuri practice sinteza funcional se realizeaz împreun cu cea conceptual realizânduse evaluarile tehnico-economice direct pe schemele structural-funcionale. 2. Proiectarea constructiv) de ansamblu a sistemelor mecanice Pornind de la schema structural-funcional se întocmete (concepe) schema structuralconstructiv) care st la baza schemei ansamblelor [2] în care se impune definirea ansamblelor componente precum i a interaciunilor (legturilor) interne i externe asociate. În cadrul schemei structural-constructive se evideniaz prin simboluri subansamblele i elementele active i de rezemare, precum i schemele de lgruire. Pentru fiecare ansamblu definit, în continuare, se concepe schema bloc asociat în care se evideniaz subansamble i elementele constructive componente, precum i legturile dintre acestea i ale acestora cu exteriorul. Mai departe, pentru fiecare, primar sau de nivel inferior, se întocmete schemele bloc asociate i shemele structural-constructive cu marcarea forelor de interaciune. Toate informaiile privind subansamblele i elementele constructive componente precum i legturile dintre acestea se sintetizeaz tabelar. În urma scrierii ecuaiilor de echilibru static ale subansamblelor respectiv elementelor componente se pot determina valorile din legturile acestora, considerând cunoscute valorile forelor din legturile externe de ieire. Pentru elementele constructive specifice se impune proiectarea constructiv conform algoritmului din fig. 4, iar pentru elementele i/sau subansamblele specializate se impune adoptarea, alegerea i verificarea urmând algoritmul din fig. 5. Procesul de proiectare a unui element constructiv, de obicei, începe cu proiectarea formei care urmrete cu precdere uniformizarea tensiunilor interne i optimizarea suprafeelor de contact în sensul portanei, distribuiei tensiunilor i uzurilor. Stabilirea formei trebuie s fie corelat cu materialul i procesul tehnologic de realizare, pe de-o parte, i cu principiile ergonomice i ale designului exterior, pe de alt parte. Schema structural-constructiv) de Proiectarea formei Model de calcul Dimensionare (Predimensionare) Adoptare forme *i dimensiuni standardizate Verific)ri Reprezentare grafic) Fig. 4 Schema structural-constructiv) de Alegerea tipului elementului sau lui Model de calcul Dimensionarea Verific)ri Reprezentare grafic) în Fig. 5

4 Adoptarea materialului i a caracteristicilor de rezisten i durabilitate pentru un element constructiv este o operaie complex care implic cunotine despre tehnologiile de obinere i de prelucrare a materialelor precum i despre tratamentelor termice aplicate acestora. Forma final a unui element constructiv se obine pornind de formele geometrice func,ionale (impuse de condiii de funcionare) completate cu forme geometrice constructive (impuse din alte condiii tehnologice, de montaj, ergonomice, estetice etc.). Formele geometrice utilizate pentru realizarea oricrui element constructiv se impune s fie cât mai simple pentru ca execuia acestora s fie cât mai ieftin. Determinarea dimensiunilor unui element constructiv se face cu relaiile de dimensionare (uneori predimensionare), corelate cu modelul de calcul în care se evideniaz încrcrile i diagramele de eforturi asociate diverselor seciuni i suprafee ale acestuia. Pentru realizarea interschimbabilitii la proiectarea elementelor constructive specifice se adopt i se recomand forme i dimensiuni standardizate sau tipizate. În cazul alegerii unui element sau specific etapele de proiectare (fig. 5) sunt diferite de cele de mai sus prin faptul c proiectarea formei i dimensional sunt cu precdere impuse de productor prin cataloage de firm. Proiectarea formei unui element constructiv poate avea la baz una sau mai multe din urmtoarele funcii scop: costurile minime de manufacturare, spaiul minim necesar, greutatea minim, pierderi minime etc. Calculele de dimensionare (predimensionare) i verificrile în funcie de situaiile concrete pot urmri aspecte de [5,6,7]: rezisten,) prin asigurarea unui raport bine definit între valorile efective i cele admisibile ale tensiunilor; deformare prin limitarea deplasrilor sau a rigiditilor (flexibilitilor) efective la valorile admisibile, de obicei, dictate de condiii de bun funcionalitate; stabilitate prin evitarea condiiilor de apariie a flambajului elastic (plastic); rezonan,) prin nesuprapunerea frecvenelor excitaiilor interne sau externe peste frecvenele proprii ale structurii; vibra,ii *i zgomote prin studii legate de analize asupra rspunsului în frecven i spectrelor de zgomote; durabilitate prin evaluarea duratei de funcionare în condiii impuse sau determinarea unor parametrii funcionali pentru o durat de funcionare dat; termice prin evitrea dilataiilor datorate variaiilor de temperatur care apar în timpul funcionrii; uzare prin evitarea efectelor fenomenelor de uzare adeziv, abraziv, de oboseal, prin gripare sau prin coroziune; fiabilitate prin evaluarea previzional prin indicatori cantitativi a funcionrii. În plus, proiectarea formei elementelor constructive specifice ale unui sau ansamblu presupune i asigurarea urmtoarelor cerine [3, 4, 6, 7]: siguran,a utilizatorului pentru protejarea acestuia de efectele duntoare; ergonomia participant direct la confortul de munc al operatorului uman; u*urin,a fabrica,iei *i inspec,iei utilizând principiile proiectrii difereniale, prin divizarea unui element constructiv în mai multe pri, proiectrii integrale, prin combinarea unor repere constructive în unul singur sau proiectrii mixte, prin combinarea unor semifabricate realizate prin procedee diferite într-un reper care, în continuare, se va prelucra în condiii mult mai avantajoase din punct de vedere tehnologic; u*urin,a montajului prin adaptarea formelor la tehnologii de asamblare automat în paralel cu operaii minime i simple; asigurarea operabilit),ii *i mentenabilit),ii inând cont de cerinele de operare i întreinere la punerea în funciune precum i în timpul exploatrii produsului; u*urin,a recicl)rii urmrind dezmembrarea, gruparea i marcarea materialelor compatibile. Pentru proiectarea formei i întocmirea modelelor de calcul a elementelor i a subansamblelor structurilor sistemelor mecanice se aplic principiile proiectrii constructive [3]; diviz)rii sarcinilor prin repartizarea acestora pe mai multe elemente, prin construcii difereniate care asigur pentru fiecare sarcin un nivel de utilizare mai ridicat datorit lipsei de ambiguitate în calcule, printr-o performan mai ridicat datorit atingerii limitelor absolute, o comportare sigur în operare i prin tehnologii mai simple de fabricaie i asamblare; autoprotec,iei care face ca sistemul s se "suporte" pe sine pentru realizarea sarcinii mai eficient i pentru evitarea distrugerilor în cazul suprasolicitrilor prin autoamplificare i/sau autoechilibrare care presupun alegerea i dispunerea adecvat a componentelor în structura constructiv astfel încât s se diminueze efectele

5 care conduc la apropierea valorilor unor parametrii de limitele admisibile; transmiterii for,ei *i energiei prin fluxuri, de bicei, închise pe ci cât mai scurte posibil, evitând-se deviaiile brute i variaiile neateptate în intensitate; pe de alt parte se impune echilibrarea intern a forelor folosind elemente de compensare sau prin folosirea simetriei; egalei rezisten,e a structurii prin adoptarea adecvat a materialelor, a formelor i prin calcule raionale; deforma,iilor corelate între elementele participante la transmiterea forei pentru obinerea unei funcionri corespuztoare i evitarea cedrilor datorit deformaiilor peste limitele admisibile; safe-life (siguran în funcionare) prin care toate componentele i legturile lor trebuie s reziste perioadei preconizate de utilizare în toate condiiile posibile i probabile fr a se defecta sau deteriora; fail-safe (cedrii sigure) care urmrete deteriorarea controlat prin evitarea consecinelor grave; structurii redundante care asigur o siguran sporit în cazul în care un element cedeaz exist alte elemente care preiau sarcina total sau parial; siguran,a indirect) prin includerea de sisteme i dispozitive de protecie care pot opri automat sistemul principal, pot întrerupe transmiterea puterii sau pot împiedica pornirea. Deoarece multe din elementele constructive ale sistemelor mecanice sunt în interaciune cu ale elemente formând cuple cinematice (legturi directe mobile), pentru determinarea parametrilor dimensionali ai suprafeelor elementelor constructive în contact se impune proiectarea separat a acestor legturi cu algoritmi (fig. 6) care implic etape specifice. Formele suprafeelor elementelor în contact se stabilesc, de asemenea, pornind de la condiiiile funcionale impuse precu i de la posibilitile tehnologice disponibile. Modelele de calcul i relaiile de dimensionare (predimensionare) i de verificare au un pronunat caracter de specificitate dat de tipul materializrii contactului (de ex.: angrenaj, filet, pivot etc.). La proiectarea, dezvoltarea i realizarea produselor pentru eficien se urmrete generarea de structuri constructive incluse în serii tipodimensionale i/sau în configuraii modulare care conduc la tehnologii de fabricaie mai eficiente din punct de vedere economic. Seriile tipodimensionale sunt grupe de produse tehnice cu aceleai sarcini globale, cu aceeai soluie constructiv i cu cvasiaceeai tehnologie de fabricie dezvoltate pentru mai multe trepte Schema structural-constructiv) de Proiectarea formelor suprafe,elor în contact Model de calcul Dimensionarea (predimensionarea) Verific)ri Reprezentare grafic) în desenul de Fig. 6 dimensionale. Dezvoltarea seriei tipodimensionale pornete de la un proiect de referin din care se determin proiecte corespunztoare diverselor trepte dimensionale având la baz similitudinea geometric. Produsele tehnice în construcie modular au structura divizat în mai multe module (blocuri), adesea de tipuri diferite care prin alte combinri i, eventual, prin adugiri de alte module conduc la noi structuri funcionale de produse cu sarcini globale diferite. În toate fazele dezvoltrii i proiectrii unui produs, ansamblu,, element constructiv sau cupl cinematic evalu)rile economice prin identificarea cheltuielilor i studiile de analiza valorii, pentru minimizarea costurilor, sunt de importan deosebit în atingerea costului int. În general, se pot identifica urmtoarele costuri: de material (individual, general), de fabricaie (individuale, generale, speciale), de administrare, de desfacere i pentru alte activiti (cercetare, asigurri, licene etc.). Pe de alt parte costurile de producie sunt compuse din costuri fixe, care rmân neschimbate o perioad de timp, i costuri variabile, dependente de cantitatea comandat i mrimea lotului. Pentru fazele de început al proiectrii (conceptual i/sau funcional), având în vedere numrul mare de necunoscute, identifcarea costurilor se face prin estimri pe baza raportului dintre costurile materialelor i costurile de producie ale unor produse similare, pe baza unor parametrii caracteristici (putere, mas, dimensiuni de gabarit etc) sau prin calcule de similitudine când se cunosc costurile anumitor serii tipodimensionale. În plus,

6 pentru a avea o vedere de ansamblu a costurilor este necesar i evaluarea costurilor (de exploatare, de întrinere) de la beneficiar. Pentru alegerea unei variante de soluionare pe baz economic se impune determinarea costurilor asociate sarcinilor globale i pariale agreându-se varainta cu costul de producie minim dar i cu numr mic de funcii pariale. Soluia constructiv obinut se materializeaz în desenele de ansamblu care conin necesarul de vederi i seciuni pentru a se permite identificarea formelor tuturor elementelor constructive. 3. Proiectarea constructiv) de detaliu Proiectarea de detaliu este partea complementar a procesului de proiectare constructiv de ansamblu în care se definitiveaz definirea constructiv i tehnologic a elementelor constructive prin specificaii privind materialul, tratamentele termice, forma tehnologic, dimensiunile i abaterile acestora, calitatea suprafeelor etc. Etapele principale ale procesului de proiectare de detaliu se prezint în fig. 7. Rezultatele în cadrul acestei etape se materializeaz prin documentaia tehnic a produsului de fabricaie i asamblare, în special a desenelor de execuie, de montaj, lista de repere etc. În vederea fabricrii produsului pornind de la documentaia tehnic, se impune proiectarea tehnologic conform algoritmului din fig. 8 care conduce la documentaia de fabricaie i de asamblare Desen de ansamblu Proiectarea formei tehnologice Desen de execu,ie Documenta,ia tehnic) de produs Fig. 7 subansamblelor specializate la proiectarea de detaliu a elementelor constructive urmrete cu precdere definitivarea formei tehnologice i întocmirea desenelor de execuie. Algoritmi prezentai pot sta la baza unor programe specializate de sintez a produselor asistete de calculator. 5. Bibliografie Desen de ansamblu Desene de subansamble Desene de execu,ie Plane de opera,ii *i/sau fi*e tehnologice Doumenta,ie scule, dispozitive *i verificatoare Documenta,ie ttehnologic) produs Fig Hatamara, Y. The Practice of Machine Design. Oxford University Press, Mogan, Gh. Proiectarea sistemelor mecanice ale produselor. Partea I-a: Analiza concepiei, funcionrii %i construciei produselor. În lucrrile Simpozionului naional cu participare internaional PRASIC Orlov, P. Fundamentals of Machine Design. MIR Publishers, Moscow, Pahl, G., Beitz, W. Engineering Design: A Systemic Approach. Springer-Verlag, Shigley, J. E. Mechanical Engineering Design. McGraw-Hill book Company, *** Dubbel Manualul inginerului mecanic Fundamente. Ed. Tehnic, Bucureti, *** Hute Manualul inginerului Fundamente. Ed. Tehnic, Concluzii Proiectarea conceptual i funcional a produselor mecanice are la baz algoritmul care presupun identificarea de mai multe soluii tehnice posibile i adaptarea uneia dinte acestea în urma unor studii tehnico-economice. Proiectarea constructiv de ansamblu presupune proiectarea individual, prin sinteze ale formei i dimensiunile, a elementelor conglomerate sau adoptarea, dimensionarea i verificarea elementelor i