Особенности проектирования узлов и деталей из полимерных композиционных материалов автомобильных конструкций

Оценка эффективности полимерных композиционных материалов при проектировании колесной машины

При использовании новых конструкционных материалов, свойства которых значительно отличаются от свойств традиционных, необходим иной подход ко многим вопросам проектирования изделий: выбору силовой схемы изделия, оформлению сборочных единиц, определению толщины стенок, соединению деталей и т. д.

В связи с многообразием конструктивных решений, существенной разницей их стоимости решение о выборе того или иного варианта конструкции должно базироваться на объективной количественной оценке. Для оценки возможных вариантов и выбора наилучшего в настоящее время широко используются методы исследований операций. При этом предусмотрен системный подход к решению задачи. В настоящее время он получил довольно широкое распространение. Его главная положительная особенность и состоит в том, что решения частных задач увязываются с решениями более общих.

При проектировании элемента колесной машины из ПКМ необходимо его конструктивное решение согласовывать с сопряженными элементами. Таким образом, колесная машина может быть представлена как некая система, для успешного функционирования которой необходимо отыскать наилучшее сочетание составляющих ее элементов. Практически это можно осуществить только в том случае, если все элементы проектируются одновременно и согласованно.

Если элемент из ПКМ встраивается в уже существующую колесную машину, то обычно возникают многочисленные трудности при его проектировании. Не всегда удается, например, вписаться в габарит изделия, изготовленного из традиционных материалов, без изменения «обстановки» (под термином «обстановка» будем понимать условия, в которых должно функционировать изделие, т. е. положение соседних элементов, их перемещения и деформации, нагрев и т. д.). Если и удается создать изделие из ПКМ при неизменной «обстановке», то эффект от него всегда меньше, чем при проектировании всей машины с учетом выполнения элементов из ПКМ. В результате, как правило, требуется существенно изменять соседние сборочные единицы (узлы) и детали, т. е. «обстановку», так как все элементы машины взаимосвязаны.

Наиболее важный вопрос, который необходимо решить при создании изделия из ПКМ, - определение эффективности применения нового конструкционного материала.

Проектирование вообще направлено на создание нового изделия и модернизацию существующего.

В первом случае особенность проектирования заключается в том, что на одном из первых этапов необходимо определить, какой элемент колесной машины должен быть (или может быть) вынолнен из ПКМ с целью получения максимального эффекта. ПКМ имеет смысл внедрять только в том случае, если при этом появляется возможность существенно улучшить эксплуатационные характеристики колесной машины.

Во втором случае на одном из первых этапов проектирования оценивается эффективность применения ПКМ для конкретного объекта. Если эффект невелик, то целесообразно отказаться от применения нового материала.

Часто эффективность отождествляют с целесообразностью, ибо результативными являются мероприятия, которые приводят к желаемому результату, называемому целью. Однако степень соответствия полученных результатов заданной цели не может служить критерием эффективности, так как остается неизвестным соотношение заданной цели к требуемой предельной величине. Заданная цель может быть значительно ниже предельной величины, тогда оценка эффективности сводится к показателям выполнения плана.

Эффективность применения ПКМ в колесных машинах следует оценивать комплексно, в единстве всех положительных качеств: технических, организационно-производственных, социальных и экономических показателей изделия.

Цель применения ПКМ в колесных машинах - это улучшение эксплуатационных характеристик машин или выполнение технического задания при минимальных затратах. Для оценки эффективности применения ПКМ введем понятие эффективности как степени достижения заданной цели.

В настоящее время из Г1КМ можно изготовить практически любой элемент колесной машины. Выбор объекта, который целесообразно выполнять из ПКМ, является задачей, часто решаемой интуитивно или на основании накопленного опыта, что может привести к существенным потерям эффективности. Чтобы этого не произошло, необходимо прежде всего выявить, за счет каких факторов достигается эффективность, кроме того, учитывать показатели, отражающие не только технические стороны объекта и машины в целом, но и организационно-производственные, экономические и социальные.

Технический фактор объединяет отдельные группы конструкционных, технологических и эксплуатационных показателей. Группа конструкционных показателей, в свою очередь, состоит из частных показателей, влияющих на выбор объекта, который целесообразно выполнять из ПКМ. К ним относятся: масса изделия, количество конструктивных единиц в изделии и функций, выполняемых рассматриваемым объектом (без дополнительных мероприятий).

К частным показателям технического фактора, характеризующим технологическую группу, относятся показатели, оценивающие способы и средства изготовления объекта из ПКМ: коэффициент операций, необходимых для изготовления рассматриваемого объекта из ПКМ; сложность требуемого оборудования для данного технологического процесса; оснастка и реализация самого технологического процесса (т. е. необходимая квалификация рабочих, выполняющих технологический процесс).

Следующей, относящейся к техническому фактору, является эксплуатационная группа, состоящая из таких частных показателей: надежность изделия в эксплуатации; эксплуатационные затраты на защиту от коррозии; простота обслуживания при эксплуатации и выполнении функций специального назначения (дегазация, дезактивация и т. д.).

Организационно-производственный фактор можно условно разделить на четыре группы показателей.

Первую группу, характеризующую производственный процесс изготовления изделия, составляют; длительность производственного цикла; интенсивность использования производственных мощностей (съем продукции с 1 м² производственной площади); концентрация производственного процесса; число рабочих, занятых в производственном цикле.

Ко второй группе относятся частные показатели, оценивающие возможности быстрой организации производственного процесса и скорейшего перехода на новый производственный процесс (новую продукцию), т. е. гибкость организации производства.

Производственное оборудование характеризуют показатели третьей группы организационно-производственного фактора, представленные следующими частными показателями: количеством единиц оборудования; сложностью оборудования; дефицитностью; производительностью; степенью автоматизации оборудования; коэффициентом загрузки оборудования.

Четвертую группу составляют показатели, определяющие оснастку, необходимую для изготовления изделия из ПКМ. Частными показателями эффективности являются количество единиц оснастки, дефицитность и стойкость.

При оценке эффективности необходимо учитывать социальный фактор, имеющий большое народнохозяйственное значение. Он включает в себя гигиенические, экологические, эксплуатационные и общественно-политические группы показателей.

К группе гигиенических следует отнести показатели, которые влияют потенциально либо непосредственно на здоровье людей (их работоспособность), либо через окружающую среду. В группу гигиенических показателей входят токсичность материала при производстве и эксплуатации изделий и условия труда.

Экологические показатели направлены прежде всего на предотвращение ущерба от загрязнения окружающей среды отходами производства и изношенными изделиями из ПКМ. В нашем случае экологические аспекты учитываются двумя частными показателями: утилизацией отходов и их токсичностью.

Социальная группа показателей рассматривает объект из ПКМ при его эксплуатации и направлена на предотвращение ущерба здоровью либо состоянию людей, эксплуатирующих колесные машины. В число этих показателей входят: безопасность экипажа или пассажиров и водителя; снижение уровня шума и вибраций; комфортабел ь ность.

Особую группу составляют общественно-политические показатели (конкурентоспособность, обороноспособность, материальные ресурсы), с учетом которых решаются важные вопросы, имеющие государственное, народнохозяйственное значение.

И, наконец, последний фактор в рассматриваемой системе эффективности - экономический. В народном хозяйстве широко используют понятие экономической эффективности, которая оценивается по экономии затрат общественного труда. Показатели экономической эффективности применения ПКМ могут быть непосредственно измерены по существующим методикам. Их можно условно разделить на три основных группы, каждая из которых включает в себя известные и наиболее специфические частные показатели эффективности, получаемые в результате применения ПКМ. К частным показателям относятся: капитальные вложения с учетом оборудования, оснастки и производственных площадей; себестоимость материалов; трудоемкость; затраты на энергию при производстве изделий из ПКМ; затраты на эксплуатацию (например, экономию топлива, износа шин и т. д.).