Техническая эстетика и эргономика

Функциональная целесообразность и конструктивная преемственность

роцесс конструирования многогранен. Его целью является наиболее полное решение поставленной функциональной задачи. Разработку проекта начинают с понимания функций будущего изделия и представления в общих чертах возможного решения. При этом следует учитывать исторические тенденции, уровень развития материалов и технологий. Для решения такой задачи одинаково важны конструкция, материалы и технология изготовления (рисунок 2.1,а).

а) б)

Рисунок 2.1 – Конструирование технических объектов

Функциональная целесообразность – это принцип соответствия выбранного решения поставленной задаче, которая должна быть выполнена с минимальными затратами. В частности, она предусматривает обеспечение минимально допустимых прочности и жесткости материалов конструкции, поскольку их повышение сопряжено с увеличением массы, удорожанием изготовления и эксплуатации машин и механизмов. Вместе с тем, решение функциональной задачи должно базироваться на возможности выбора оптимального варианта из широкого спектра схем и конструкций.

Как отмечалось, выбор оптимального конструктивного решения должен учитывать особенности материалов и технологий, а также условия эксплуатации деталей и узлов машин. Так, для деталей привода систем управления и трансмиссий машин целесообразно использовать углеродистые стали, улучшенные термической или химико-термической обработкой, а также углеродистые стали с тонкослойными покрытиями из сплавов, обеспечивающих увеличение их износостойкости и коррозионной стойкости, взамен дорогостоящих легированных сталей. В качестве конструкционных материалов несиловых и малонагруженных конструкций следует более широко применять пластмассы и композиты на основе полимеров.

Штампованные и штампованно-сварные детали предпочитают литым деталям. Блочные конструкции, составленные из неразборных и неремонтируемых узлов, целесообразно использовать вместо конструкций из отдельных последовательно присоединяемых деталей.

Неразъемные, автоматически изготавливаемые соединения следует использовать вместо разъемных соединений, в частности соединения на основе термоактивных полимерных клеев предпочитают болтовым соединениям. Уплотнение неподвижных стыков целесообразно осуществлять с помощью анаэробных герметиков на основе термореактивных полимеров, а не с помощью упругих прокладок. В качестве уплотнения подвижных соединений имеет смысл использовать разделительные уплотнения при ограниченных перемещениях или торцовые (осевые) при неограниченных перемещениях вместо соответственно скользящих или окружных скользящих уплотнениях.

При возможности выбора механизмов, их привода и узлов следует стремиться к упрощению структурных и кинематических схем и повышению эффективности работы механизмов, опираясь на принципы материало- и энергосбережения.

Например, механизмы и приводы вращательного движения предпочитают устройствам, в которых присутствует возвратно-вращательное движение, а индивидуальный привод каждого исполнительного звена – общему приводу с разветвленной трансмиссией. Целесообразно также использовать быстроходные малогабаритные приводы и механизмы из высококачественных материалов вместо громоздких тихоходных приводов из материалов с мало стабильными прочностными характеристиками. Планетарные передачи с высоким КПД, как правило, предпочитают червячным передачам. Вместо колодочных и ленточных тормозов и муфт используют дисковые и многодисковые фрикционные тормоза и муфты.

Многопоточные системы с параллельным соединением приводов и механизмов значительно эффективнее однопоточных последовательных систем. Кинематические схемы с разделением функций целесообразно использовать вместо совместной реализации различного вида движения или нагружения. Следует отдавать предпочтение схемам с независимой передачей движения или распределения нагрузки. Динамические или статические системы с самым коротким путем замыкания силовых линий (по количеству последовательно нагружаемых стыков, подвижных соединений и деформируемых звеньев) предпочитают системам с более длинным путем замыкания силовых линий, системы с плавным изменением плотности или градиента плотности силовых линий – системам с резким изменением упомянутых параметров.

Системы, требующие регулировки или подгонки взаимного расположения звеньев, являются менее эффективными, чем системы звеньев, опор и подвески агрегатов, обеспечивающие их самоустановку. При этом самоустанавливаемость целесообразно решать за счет конструкции механизма, а не за счет системы управления.

Компоновку и размещение деталей и узлов в пространстве с совмещением их функций предпочитают компоновке с раздельной реализацией функций.

Одним из наиболее важных аспектов конструирования является преемственность технических решений. Применение персональных компьютеров позволяет конструктору не вычерчивать деталь или сборочную единицу вручную, а использовать прототип из компьютерной базы. Укрупненно схема процесса конструирования представлена на рисунке 2.1,б. Кроме баз конструкций и комплексных решений, существуют базы материалов и технологий, а также базы данных об испытаниях и эксплуатации разработанных ранее конструкций. Эффективность конструирования значительно повышается за счет оперативного и грамотного выбора прототипа и апробированных эффективных решений, а также совершенствования конструкций элементов узлов и системы в целом с учетом накопленного опыта и анализа перспективных технических решений.

Крупнейшие производители машин обладают обширной интеллектуальной собственностью, сосредоточенной в закрытых компьютерных базах данных, что позволяет им оперативно модернизировать продукцию и осваивать новые поколения машин. Дальнейшее развитие отечественного машиностроения также связано с совершенствованием подобных систематизированных баз данных на основе патентной, научно-технической и справочной литературы.

Техническая эстетика и эргономика

При конструировании технических объектов очень важно установить связь между конструкцией и внешним видом, между технологией изготовления и эффективностью эксплуатации, между красотой и комфортом. Взаимосвязь формы, функций и содержания технического объекта является основным критерием технической эстетики. Если изделие способно выполнять заданные функции, то его форма должна соответствовать этим функциям. Поэтому любой технический объект, в том числе строительная или дорожная машина, воспринимается как композиция, обладающая рядом характеристик и свойств, которые обеспечивают не только его необходимый технический уровень, но и эстетическое восприятие объекта.

Композицией (применительно к техническим объектам) можно считать совокупность функционально связанных между собой элементов, которые визуально воспринимаются как единое целое. При создании подобной композиции следует опираться на ряд основных положений и правил.

Во-первых, следует обеспечить целостность формы объекта так, чтобы взаимное расположение и геометрические характеристики элементов (их должно быть не более 5–7) не препятствовали зрительному восприятию единой структуры композиции.

Для создания цельной формы в структуре машины следует зрительно выделить центральный элемент или группу элементов, вокруг которых скомпонованы менее значимые узлы машины. Часто роль ведущего звена в формообразовании машины может играть явно выраженная ось симметрии. Как правило, сложно добиться целостности восприятия объекта, если каждый из составляющих элементов воспринимается как самостоятельное изделие. Если же элементы и узлы, взятые по отдельности, выглядят незавершенными, то в составе машины они могут органично сформировать композицию, обладающую целостностью формы. В этом состоит требование сопряженности основных элементов, которое обеспечивает достижение единства структуры композиции в целом.

Во-вторых, следует учитывать пропорции и соразмерность элементов композиции, т.е. пропорциональность размеров машины и составляющих ее узлов. Давно замечено, что между пропорциональностью и художественной выразительностью существует глубокая связь. Это относится не только к размерам элементов, но и к их форме, рельефу, цвету и т.п.

Для машины как сложной системы разнообразных функциональных элементов пропорциональность проявляется как закономерное соотношение размеров между различными составными элементами, а также между ними и машиной в целом. Известны многие гармонические пропорции, на основе которых составляются ряды размеров геометрически подобных элементов конструкций, но не существует универсальной пропорции, поскольку в основном размеры элементов машины определяются их функциональным назначением. Между тем наличие классических закономерностей в соотношении размеров является непременным условием целостности формы. При этом различные пропорции могут дать различный визуальный эффект: одни пропорции могут подчеркнуть статичность конструкции, другие – усилить впечатление динамичности.

В-третьих, необходимо учитывать масштабность, которая должна отражать соизмеримость входных параметров машины с человеком, непосредственно контактирующим с машиной, например, соотношение размеров кабины, элементов системы управления машины и оператора. При этом машины различных габаритов не могут иметь одни и те же пропорции, что необходимо учитывать при конструировании.

В-четвертых, не менее важным аспектом художественного конструирования является тектоничность, т. е. выразительность формы машины, которая отражает ее функциональные характеристики, а также взаимосвязь ее узлов и элементов. Если форма машины обладает тектоничностью, то это обеспечивает такие визуальные параметры машины как устойчивость, уравновешенность и др.

Характерной особенностью строительных, дорожных, подъемно-транспортных машин является реализация больших усилий на их рабочих органах и конструкциях. Это, как правило, отражается на их форме, которая выражает силовую составляющую динамичности машины в расположении и размерах несущих конструкций, в виде визуально логического распределения нагрузок между агрегатами машины.

Следует отметить, что перечисленными положениями не ограничивается спектр средств отображения выразительности, в главе 7 закономерности художественного конструирования будут рассмотрены более детально.

Значительную роль в обеспечении эффективной эксплуатации технических объектов играет соответствие условий труда функциональным возможностям человека. Создание оптимальной системы взаимодействия человека с машиной является важным фактором повышения производительности работ. Этому способствует эргономика, которая использует наработки биомеханики и биофизики, анатомии и антропологии. С учетом эргономических норм и требований разрабатываются рабочие места и конструируются органы управления, создаются оптимальные условия труда. Взаимодействие человека с машиной имеет три основных направления, характеризующие соответствие параметров машины функциональным возможностям человека.

Во-первых, физическое или антропометрическое соответствие, которое зависит от того, насколько элементы системы управления, их расположение, геометрические характеристики и нагрузки приспособлены к физическим возможностям человека. Как правило, для достижения соответствия при проектировании учитываются усредненные антропометрические характеристики, которые включают более 30 характерных параметров. Их учет позволяет обеспечить достаточно высокий комфорт для 90 % предполагаемых операторов.

Во-вторых, физиологическое соответствие, которое зависит от органолептических свойств человека, т. е. от особенностей его органов чувств. Учет этих особенностей необходим для создания оптимальной физической среды на производстве, в частности комфортных условий в кабине машиниста, за счет снабжения ее системой кондиционирования воздуха, снижения уровня шума и др.

В-третьих, эстетическое соответствие, которое достигается балансом эмоционального воздействия машины на человека и созданием у него оптимального психологического состояния.

Эргономика (с греч. еrgon – работа, nomos – закон) – это наука, комплексно изучающая функциональные возможности человека в трудовых процессах в производственной среде, во взаимодействии с машиной и при проектировании механизмов, рабочих мест, наиболее удобных для работника. Целью эргономики является создание условий, способствующих повышению надежности и производительности труда при сохранении здоровья и работоспособности человека и открывающих возможности для интеллектуального и физического развития. Термин "эргономика" появился в Англии в 1949 году, где было организовано эргономическое исследовательское общество.

Важная часть эргономики – инженерная психология, которая ставит своей задачей согласование возможностей человека и техники в рамках единой системы "человек–машина". Эргономика также основывается на таких науках как медицина, физиология, гигиена труда, социология, промышленный дизайн, антропометрия, биомеханика (изучение мускульных усилий) и т. д.

Эргономика занимается следующими проблемами: оптимизацией физической среды на производстве; конструированием средств индикации (световая, цветовая, звуковая сигнализация, лицевые части приборов, шкал, символические изображения управляемых объектов на панелях информации и т.п.); конструированием органов управления, компоновкой постов управления; организацией рабочих мест.

Различные параметры окружающей среды, характеризующие гигиенические требования, представлены на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 – Параметры окружающей среды

Невыносимая для человека зона имеет место, если одно из условий выходит за физиологическую границу (работа допустима в скафандрах, в герметичных костюмах и помещениях). Некомфортная зона – это среда, один из параметров которой выходит за психологическую границу. К этой зоне относятся горячие цехи, цехи лакокрасочных покрытий, некоторые дробильно-сортировочные установки.

Комфортная зона и зона высшего комфорта – это среды, параметры которых обеспечивают достаточные и наилучшие условия трудовой деятельности человека.

В процессе выполнения работы функциональное состояние человека меняется и зависит от ряда факторов: физических усилий, напряжения внимания, интенсивности работы, рабочего положения, монотонности в работе, состояния внешней среды. На работоспособность оператора влияют факторы микроклимата (температура, влажность, содержание углекислого газа и т. д.); факторы, связанные с использованием техники (шум, вибрация, загазованность, освещение и т. д.) и связанные с нарушением режима труда и отдыха (недостаток времени на отдых и восстановление сил, неправильное использование перерывов в работе и т. д.).

К эргономическим показателям, определяющим удобство и легкость управления машиной, относятся следующие показатели: физиологические (силовые и скоростные возможности человека), психофизиологические (возможности слуха и зрения), антропометрические (компоновка рабочего места водителя) и гигиенические (условия жизнедеятельности и работоспособность человека).

Физиологические показатели учитывают, что энергетические ресурсы человека расходуются на себя (кровообращение, дыхание, поддержание тела в нормальном состоянии) и на производительную работу. Человек в среднем за смену расходует 8400 кДж. Работа считается легкой, если за смену затрачивается 2100 кДж, средней трудности – при затратах 2100–4200 кДж, выше средней трудности – 4200–6300 кДж, тяжелой – 6300 – 8400 кДж, особо тяжелой – 8400–10500 кДж.

На большинстве дорожных и строительных машин прежних лет выпуска условия работы, как правило, превышали вышесреднюю трудность. Например, на экскаваторе приходилось выполнять до 4300, на самоходном скрепере – более 2600, на автогрейдере – 600 включений в час. Современные машины, оборудованные с учетом достижений компьютерной техники и электроники, позволили значительно улучшить условия труда оператора.

Психофизиологические требования определяют соответствие машины особенностям функционирования органам чувств человека (порогу слуха, зрения, осязания и т. п.). Без реализации психофизиологических требований оперативная информация об объекте управления не может быть получена оператором или в лучшем случае может быть получена с искажениями.

Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 519; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 4 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!