Для того, чтобы проектируемое изделие было надежно в работе и экономически целесообразно, необходимо рассчитать его конструкцию, то есть дать оценку прочности. Этот процесс обычно осуществляется в такой последовательности.
1. Реальную конструкцию приводят к так называемой расчетной схеме. Для одной и той же конструкции может быть предложено несколько расчетных схем, в зависимости оттого, что именно в каждом конкретном случае интересует конструктора.
Основной упрощающий прием — приведение геометрической формы тела, рассчитываемого на прочность, к одному из следующих простейших видов: брус, оболочка, пластина и массив.
К форме бруса. Под брусом понимают всякое тело, одно из измерений которого (длина) много больше двух других. Брус с прямолинейной осью часто называют стержнем.
К форме оболочки — тела, ограниченного двумя криволинейными поверхностями, расстояние между которыми мало по сравнению с другими размерами.
К форме пластины. Под пластиной понимают тело, ограниченное двумя плоскими поверхностями, когда одно из измерений тела (толщина) намного меньше двух других.
К форме массива — тело, у которого все три размера, его составляющие, одного порядка.
2. Пользуясь законами механики, определяют нагрузки, действующие на детали и характер их изменения. Затем по этим усилиям рассчитывают детали на прочность, жесткость, вибрацию, долговечность и т. д. Таким образом, обосновывают наивыгоднейшие режимы работы машины, размеры и формы деталей.
С расчетной точки зрения все детали любой машины подразделяются на: нагруженные детали, размеры основных элементов которых определяют расчетным путем (например, валы, оси, зубчатые колеса, звездочки, ответственные крепежные детали, пружины и др.);
нагруженные детали, размеры основных элементов которых нельзя или весьма трудно рассчитать. Размеры таких деталей устанавливаются на основании компоновочных и конструктивно-технологических соображений. К данной категории деталей можно отнести корпус и крышку редуктора, главным критерием работоспособности которых является их жесткость;
детали, практически не испытывающие нагрузок, все размеры которых устанавливают исходя из конструктивных соображений. К этой категории деталей относятся крышки смотровых отверстий, распорные втулки, стаканы, кольца и др.
Таким образом, расчетным путем определяют размеры только основных элементов первой категории деталей.
3. Выбирают материал для изготовления изделия. При выборе материала всегда учитывают следующие основные требования: материал должен обеспечивать необходимую прочность и надежность конструкции в работе, ее минимальную стоимость, обладать оптимальными технологическими свойствами.
Сведения о материалах обычно берут из справочников, где приведены различные характеристики материалов, полученные при испытании стандартных образцов в стандартных условиях.
4. Предварительно рассчитывают некоторые наиболее характерные размеры изделия по тем критериям работоспособности, которые являются в данном случае наиболее важными, и согласовывают эти размеры с действующими стандартами.
Надежный расчет возможен тогда, когда известны форма и абсолютные размеры детали, а также другие данные, характеризующие ее работу в сборочной единице. Предварительные расчеты позволяют определить лишь исходные размеры для проектирования детали и сборочной единицы.
5. На общем виде сборочной единицы прорабатывают все детали, а затем производят деталировку, то есть подробную конструктивную разработку деталей с указанием на рабочем чертеже всех ее размеров, допусков и посадок, классов шероховатости поверхностей, специальных технологических требований (термообработки, покрытий и др.).
6. На заключительном этапе производят проверочные расчеты по основным критериям работоспособности, то есть определяют запасы прочности в расчетных сечениях, деформации (прогибы, углы закручивания), критические скорости и т. д., и сопоставляют их величины с допустимыми значениями. В тех случаях, когда требуемое соответствие между этими величинами не обеспечивается, в конструкцию вводят изменения, после чего вновь производят проверочные расчеты.
Последовательным приближением удается обеспечить требуемое соответствие между расчетными и допустимыми значениями запасов прочности, прогибов и т. д.
В процессе проектирования всегда стремятся найти оптимальное решение, для чего разрабатывают несколько вариантов конструкции, затем их сопоставляют, оценивают и выбирают из них наиболее подходящий.