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降低结构成本的基本设计方法

时间:2023-06-27 理论教育 版权反馈
【摘要】:在设计过程中进行成本估算的目的是对产品经济性进行评价并寻求降低成本的依据与方向。其依据是:据统计,每类产品的材料成本Cm相当于其生产成本C的百分比(称为材料成本率均有一定范围,如表6-17所示。根据大量统计资料,各批相似产品的生产准备成本比不仅与批量n、n0有关,而且是长度比φl的0.5次方,即则生产准备成本为④求加工成本比和加工成本Cf。

降低结构成本的基本设计方法

产品的价值V是产品功能F产品成本C的结合,即V=F/C。因此,为了提高产品价值,必须在提高功能的同时,尽力降低其成本。这也是结构设计中要高度重视的问题之一。

1.产品成本的构成与成本估算方法

(1)产品成本的构成 产品的总成本包括生产成本、运行成本和维修保养成本。生产成本又分为设计成本、生产准备成本、材料成本、加工成本和装配成本。产品从设计到使用寿命结束的整个过程为产品的生命周期。产品的总成本也就是其生命周期成本。产品的成本结构见图6-148。

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图6-148 产品的成本结构

(2)成本估算方法有以下三种:

1)按质量估算成本法。在设计过程中进行成本估算的目的是对产品经济性进行评价并寻求降低成本的依据与方向。以下是成本估算的常用方法:

①基本公式。根据产品生产成本是质量的函数进行成本估算,即

C=fW×W (6-4)

式中 C——生产成本(元);

W——产品质量(kg);

fW——质量成本系数(元/kg)。

②求质量成本系数fW。质量成本系数fW是质量W的函数,可通过统计用最小二乘法和正交回归曲线求得fW,还可以用作图法或解析法来求fW

【案例6-5】图6-149所示为盘类零件,不同质量下的生产成本,见表6-15,试求W=145kg的此类零件的成本。

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图6-149 盘类零件

表6-15 盘类零件不同质量下的生产成本

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解 1:求不同质量下的质量成本系数,计算结果见表6-16。

表6-16 不同质量下的质量成本系数

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解 2:求此类零件的平均质量成本系数。由表6-16可知,质量成本系数随质量增加的变化不大,可近似可看为常数。取各个零件fWi的平均值作为该类零件的重量成本系数,即

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解 3:求零件成本。由式(6-4)可得:C=fW×W=3.95×145元=572.75元

2)材料成本折算法。材料成本折算法即通过产品的材料成本来估算生产成本。其依据是:据统计,每类产品的材料成本Cm相当于其生产成本C百分比(称为材料成本率978-7-111-38990-3-Part02-308.jpg978-7-111-38990-3-Part02-309.jpg均有一定范围,如表6-17所示。

表6-17 各类产品的材料成本率

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因此,可按式(6-5)估算产品的生产成本:

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在具体运用式(6-5)时,可通过与其同类产品的类比法来求新产品的生产成本,计算式如下:

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式中 C0——同类产品的生产成本;

Cm0——同类产品的材料成本;

Cm——新产品的材料成本,可按式(6-17)估算:

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式中 W——自制件成本(元);

vi——某种自制件体积(cm3);

ri——某种材料单位体积重量(kg/cm3);

ki——某种材料单位重量价格(元/kg);

n——自制件种类数;

Z——外购件成本(元);

Zi——某种外购件成本(元);

p——外购件种类数。

【案例6-6】一台中型铣床与一台起重机的材料成本皆为15000元左右,试估算两者的生产成本是否相同。

解 1)从表6-17查得中型铣床与起重机的材料成本率分别m1=34%m2=78%

解 2:根据式(6-5)即可求得两者的生产成本如下:

铣床的生产成本为

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起重机的生产成本为

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3)相似产品成本估算法。对于几何相似的产品,可以按照其相似关系进行生产成本的估算。其成本估算思路是先由长度相似比求得有关各类成本的相似比,再通过相似计算求得相似产品的各类成本,进而求得总生产成本。其计算过程如下:

①一般单件产品的生产成本C可按式(6-8)计算:

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式中 Cr——生产准备成本;

Cf——加工成本;

Cm——材料成本。

②求产品长度尺寸相似比ϕl,即ϕl=l/l0

式中的ll0分别为所求产品和已知产品的相应长度尺寸。

③求生产准备成本比978-7-111-38990-3-Part02-317.jpg和生产准备成本Cr。根据大量统计资料,各批相似产品的生产准备成本比978-7-111-38990-3-Part02-318.jpg不仅与批量nn0有关,而且是长度比φl的0.5次方,即

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则生产准备成本为

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④求加工成本比978-7-111-38990-3-Part02-321.jpg和加工成本Cf。加工成本与加工面积有关,根据相似理论,面积比与长度比成平方关系,故加工成本比978-7-111-38990-3-Part02-322.jpg为长度比的平方,即

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则其加工成本为

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⑤求材料的成本比978-7-111-38990-3-Part02-325.jpg和材料成本Cm。材料成本决定于产品体积,而相似产品的体积比与长度比成立方关系,故材料成本比为产品长度比的立方,即

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则材料成本为

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将式(6-9)、式(6-10)和式(6-11)代入,即得与已知产品相似的产品的成本估算公式:

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式中 978-7-111-38990-3-Part02-329.jpg978-7-111-38990-3-Part02-330.jpg978-7-111-38990-3-Part02-331.jpg——已知产品的生产准备成本、加工成本和材料成本;

ϕl——所求产品与已知产品的长度相似比,ϕl=l/l0

nn0——所求产品与已知产品的批量。

【案例6-7】标准渐开线齿轮A与B几何相似,齿数相同,模数分别为mA=3,mB=8。已知齿轮B每批生产200件,每件生产成本CB=300元(其中材料成本978-7-111-38990-3-Part02-332.jpg=100元,加工成本978-7-111-38990-3-Part02-333.jpg=150元)。若齿轮A每批生产120件,求产品A的每件生产成本。

解 1:求两齿轮的尺寸相似比:

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解 2:求齿轮B的生产准备成本:

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解 3:求齿轮A的生产成本:

通过相似关系求齿轮A的生产成本CA,由式(6-12)可得

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2.通过设计环节降低成本的方法

设计环节对于成本的影响是很明显的,如图6-150所示产品中各项成本的比例。其中,设计与开发在整个生产过程中所占时间虽然只有6%,但对于成本的影响却占70%。设计不仅决定了产品的工作原理、零件的种类与数量、结构形状与尺寸、材料选用等;而且设计直接影响加工方法和产品的使用性能。由于设计对于产品总成本影响最大并起决定性作用,因此从设计环节降低成本的作用也最大。

(1)设计方案对于成本的影响 图6-151为不同齿轮传动方案的成本比较。其传动比i=10,生产批量10件,齿轮材料为16MnCr15。图中共示出了四种方案,比较其单位成本和单位质量。

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图6-150 产品中各项成本的比例

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图6-151 不同齿轮传动方案的成本比较

由图6-151可知,其中单级齿轮传动方案虽然结构简单,却因尺寸过大,导致质量及成本均为最大,成为最不可取的方案。中间两种方案分别为两级和三级齿轮传动,其复杂程度及其单位成本与单位质量均处于中间状态。当传递转矩超过2500Nm时,第四种方案,即三路分流的双级传动方案虽然结构最复杂,却因其齿轮尺寸最小、质量最轻、加工工时最少等原因,致使单位成本最低和单位质量最轻,故应成为优选的最佳方案。所以,设计中要特别注意原理方案对成本的影响,不能仅从表面上观察结构简与繁而决定方案的取舍,应进行全面经济分析,力求实现功能与成本最佳结合的方案。

(2)结构尺寸对于成本的影响 图6-152为零件生产成本与尺寸关系。图示为单件生产齿轮随尺寸增大,其相对成本增加的统计曲线。其材料与加工方法相同。由图可知,尺寸大的零件其材料及热处理成本所占比例大;而小零件的生产准备及加工成本所占的比例小,故大零件的成本增加更为显著。

据统计资料分析,当两种零件尺寸比为ϕl时,其材料及热处理成本比为尺寸比的立方(978-7-111-38990-3-Part02-339.jpg),而其加工成本比为尺寸比的平方(978-7-111-38990-3-Part02-340.jpg),准备工作成本比为尺寸比的0.5次方(978-7-111-38990-3-Part02-341.jpg)。

(3)零件数目对于成本的影响 一般零件数目越多,从加工、运输、装配、资金等方面都会使成本提高,并使得供货时间延长。经135种产品统计,减少零件数目,可以降低生产成本约10%。

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图6-152 零件生产成本与尺寸关系

如表6-18为德国某公司生产的推土机驱动装置的方案变化,近20年内,设计方案经过三次变化,使零件数目减少了30%,成本降了1/3。

表6-18 推土机驱动装置的方案变化(www.xing528.com)

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3.降低生产成本的结构设计方法

着眼于产品生产的全过程,可以从下述五个方面采取措施来降低产品成本。

(1)降低设计成本 这里主要从提高设计效率和减少、节约设计时间的角度来降低设计成本,具体措施有以下几点:

1)系列设计。首先设计出一种典型方案,然后利用相似原理以及模块化设计原理较快地得到不同参数尺寸的多个系列方案。系列方案的变形越多,节约设计时间的效果越显著(详见有关相似系数产品的设计文献)。

2)一图多用。即采用剪贴复印制图或一图多用方法,以节省制图时间。

3)计算机辅助设计CAD与计算机辅助工程(CAE)。如在设计中充分利用计算机进行情报检索、绘图、计算和方案评价等。现代产品设计不仅把计算机辅助设计(CAD)作为设计的主要手段,而且越来越多地通过计算机辅助工程(CAE)将计算机辅助设计(CAD)与计算机辅助制造(CAM)联接起来,构筑设计加工一体化系统,以进一步提高产品设计与制造的效率和质量。

(2)减少材料成本的结构设计

1)在满足功能前提下,尽量简化结构、减少零件数目、尺寸、体积和质量。这是一条节省材料费用的根本办法。例如在传递同样功率和速比条件下,采用行星齿轮传动方案比采用平行轴类圆柱齿轮传动的结构与质量都小很多。

2)采用新工艺或廉价材料。例如以铸代锻、以铁代钢,或用粉末冶金材料取代贵重的有色金属或直接制造齿轮、凸轮,或用含油轴承代替滑动轴承的铜套等。

【案例6-8】采用稀土镁钼超高强度球墨铸铁代替20CrMnTi合金钢制造拖拉机末端传动大齿轮。

我国稀土资源丰富而铬和镍资源相对稀缺,且生产稀土镁钼超高强度球墨铸铁比较普及,具有一定的工艺基础并积累了比较丰富的生产经验。例如某厂采用“稀土镁钼超高强度球墨铸铁”代替20CrMnTi合金钢锻造毛坯,制造拖拉机末端传动大齿轮就是比较成功的案例之一。它不但能够大幅度地降低生产成本,而且通过1500h的田间使用耐久试验,完全证明了,经过等温淬火热处理的该稀土镁钼超高强度球墨铸铁末端传动大齿轮与20CrMnTi合金钢制造的小齿轮达到了同样的使用寿命,从而基本实现了大、小齿轮的等强度和等寿命(包括对该齿轮副采取合理的修正)。

表6-19是该厂两台拖拉机样机1500h的田间耐久试验后测得的大、小齿轮磨损量的记录数据。由于在汽车、拖拉机、火车、工程机械交通、冶金、机械、化工等行业中,各种变速器传动装置中,采用多级(末端)传动的情况十分广泛,因此本案例具有一定的适用性。

表6-19a 拖拉机耐久试验一号样机大小齿轮磨损量实测值的比较

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表6-19b 拖拉机二号样机大小齿轮磨损量实测值的比较

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工程塑料代替钢材是一种发展趋势,它不但质量轻、强度好;而且可以制作成各种复杂形状。并且具有许多优良特性。它广泛用于绝缘零件(如聚四氟乙烯有机玻璃),耐酸、碱腐蚀零件(如软聚氯乙烯聚乙烯),低摩擦零件(如酚醛树脂等)以及透明壳罩类零件(聚氯乙烯等),以及采用全塑车身的汽车、船舶等。

3)采用能节约材料的结构。图6-153为薄壳肋板结构,用它取代厚板实心结构,既减轻了质量、节约了材料,又增加了刚度

图6-154为各种类型的夹心结构,也属于一种既轻又节省材料的结构。

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图6-153 薄壳肋板结构

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图6-154 各种类型的夹心结构

(3)降低生产准备成本 生产准备包括机床设备以及刀具、夹具和量具等。降低生产准备成本的主要途径在于增加零件批量。批量越大,则分摊到单件的生产准备成本就越低。图6-155是齿轮联轴器的生产批量与成本的关系曲线。

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图6-155 齿轮联轴器的生产批量与成本的关系曲线

由图6-155可知,增加批量主要是通过生产准备与加工环节来降低生产成本,所以对于小零件的影响更为显著。增加批量的措施如下:

1)尽量使类似零件的尺寸相同,或在不同产品上采用相同的零件。如某减速器中间齿轮轴两端的轴承盖原结构相似但尺寸不同,改为相同尺寸后成本降低了45%。

2)建立相似零件的零件族,采用成组加工工艺。据统计,约有70%的机械零件属于几何形状类似的相似零件,建立相似零件的零件族后,可大大提高其标准化程度,并按成组加工工艺组织生产。

3)尽量采用标准件或批量生产的外购件。既能降低成本,又能方便维修。

4)采用模块化组合结构,将零件模块化,可大量生产并多次使用。例如德国马克公式(DEMAG)生产的桥式系列吊车在采用模块化组合结构设计后,不仅将设计费用降低12%,而且使生产成本降低为45%。

(4)降低加工成本 降低加工成本的途径如下:

1)以整体结构取代组合结构或采用多功能结构。图6-156a所示为链轮与齿轮的组合结构,其零件数目多、加工面多、并需进行组装,故加工成本高;改为图6-156b所示的粉末冶金整体结构后,既降低了成本,又提高了精度,其精度可达0.05mm。

图6-157所示为将开瓶器、螺钉旋具和圆珠笔三者合一的多功能结构,既降低了成本,又方便外出或旅行携带。

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图6-156 两种链轮与齿轮结构的比较

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图6-157 多功能结构 1—圆珠笔 2—开瓶器 3—螺钉旋具

2)根据加工条件合理设计结构。图6-158所示为不同螺纹孔结构对成本的影响,以通孔的加工成本最低。

图6-159所示为不同结构销钉的相对成本比较。

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图6-158 不同螺纹孔结构对成本的影响

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图6-159 不同结构销钉的相对成本比较

3)采用无屑加工取代机械加工。无屑加工包括压铸、粉末冶金、注塑、冲压等项工艺,以其取代有屑机械加工工艺可以大大节约材料和加工工时,是现代机械加工的发展趋势之一。

如以冲压的V带轮取代铸造及机加工的V带轮,其质量、加工工时以及成本都能大约减少一半。

前面已经提及的图6-156b所示为采用粉末冶金整体结构取代组合结构可以大为降低成本的无屑加工实例之一。

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图6-160 双稳态闭合门

注塑成型工艺可将多个元件塑为一个整体,省料又省工时,可大大降低成本。例如图6-160所示为通用汽车公司设计的一种双稳态闭合门,其中的弹簧压紧装置就是采用聚丙烯注塑成型的。

4)以焊接件取代铸件。焊接件比铸件质量轻、生产周期短,在单件或小批量条件下,“以焊带铸”对降低成本效果十分显著。例如美国某公司生产10件泵座,采用铸件的原成本为546美分/件;改为焊件后,成本降为160美分/件,仅为原成本的30%。

5)合理制订公差要求。关于零件公差与成本关系的一般规律是当公差缩小10倍时,则成本相应增加10倍或更多。因此,结构设计中应避免提出过高的精度要求,并避免出现“双重配合”的设计。如图6-161所示为避免出现“双重配合”的设计实例。图6-162所示为尺寸公差对相对成本的影响。其中,点Ⅰ所示的五级精度(平均公差5μm)比点Ⅱ所示的八级精度(平均公差20μm)的相对成本要高出一倍多。

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图6-161 避免出现“双重配合”的设计实例

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图6-162 尺寸公差对相对成本的影响

(5)降低装配成本 降低装配成本的主要措施有以下几点:

1)选用便于装卸的结构。图6-163所示为采用快动联接结构取代螺钉联接。此类结构

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图6-163 采用快动联接结构取代螺钉联接

a)螺钉联接 b)快动联接结构

利用塑料零件或薄钢板的弹性变形达到快速联接的目的。

2)采用便于自动装配的结构。某些结构要求便于自动运输和符合机械手自动装配的要求。如图6-164所示为便于自动运输的结构;图6-165是符合机械手自动装配要求和便于自动定位的结构。

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图6-164 便于自动运输的结构

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图6-165 便于自动定位的结构

3)采用组合结构。组合结构包括整体结构和集成结构。可以是零件的组合,也可以是功能的组合。组合结构既减少零件数目,又能降低成本。

如前述图6-16所示为用整体结构支架取代多个(11个)零件完成同一功能。该支架采用精密铸造,节约工时61%,成本降低72%。

集成结构是指由相同或不同的功能元件集成为一个共同的结构元件。例如内燃机将多个进气凸轮和排气凸轮集成为一根共同的凸轮轴上,如图6-166所示,图6-167所示为螺钉的集成结构。

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图6-166 凸轮集成结构

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图6-167 螺钉的集成结构

4.降低产品使用成本的结构设计方法

降低产品使用成本包括以下三个方面:

(1)降低产品运行成本 主要采取以下措施:

1)减少输入能量的设计。减小能耗是降低产品运行成本的主要途径,对于那些高能耗产品尤为重要。例如汽车应设法选用比油耗较低的发动机,还要注意发动机与驱动装置的合理匹配。又如空调器、电冰箱、洗衣机、电饭煲等家电产品应尽量探讨新的工作原理,设计节能的新产品,又如各种节能灯具的出现,使得能耗大幅度降低等。

2)提高机械效率的设计。提高机械效率是降低产品运行成本的重要方面之一。例如柴油机的摩擦损失若能减少10%,则其燃油消耗能够降低5%。因此,减少活塞环的道数成为发动机发展的趋势。如20世纪30年代汽车柴油机有5~6道活塞环;20世纪40年代减少为4道活塞环;20世纪60年代减少为3道活塞环,以后又出现了双环活塞,它不仅能减小摩擦和降低能耗,还能减少材料、降低加工与装配成本。当然,前提是活塞环的道数必须保证发动机性能可靠。

3)回收剩余能量的设计。例如现代混合动力节能汽车,只在起动、加速和爬坡等大负荷工况下使用汽油机工作,而在中、小负荷工况下,靠电池供电的电动机工作。而电池充电则全靠回收汽车的剩余动能。由此可见,如能充分利用或回收作无用功的那部分能量,就能大幅降低运行成本

4)降低润滑油消耗的设计。降低润滑油损失,不仅能够降低使用成本,而且可确保产品安全可靠地工作。设计中除了采用可靠的密封装置外,还应注意改进结构。如图6-168所示为导轨润滑表面的结构设计,其中,图b结构的储油效果就比图a结构为佳。

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图6-168 导轨润滑表面的结构设计

(2)降低产品维修成本 维修是指对于一个已经出现了故障的产品,从诊断、拆卸、更换、调整,直至故障排除和恢复常态为止的全过程。产品的可维修性反映了维修的难易程度和维修时间的长短,是一项衡量产品质量的重要指标。降低产品维修成本主要采取以下措施:

1)提高产品可维修性的结构设计。主要考虑下列因素:

①结构的可达性。即接近产品维修部位的难易程度。对于产品内部的某些需要检修的零件,应设计提供操作者检查的通道或开设检查窗口。结构设计中,尤其应为易损件的更换与拆装,提供良好的可达性。对于摩擦表面的定期润滑,应保证在不拆卸零件的条件下完成。

②拆装的方便性。保证拆装方便性的常用措施有:设计便于装配的整体式安装单元,如内燃机的油泵总成,汽油机的分电器总成等。设计便于拆装的联接结构。设置必要的定位装置和识别标志,如刻线、定位销等,以保证装配时迅速找正。设计必要的专用拆装工具,如专用套筒扳手等。

③修理的简易性。设计中尽量简化结构,尽量采用标准件和通用件,提高零件可更换性。注意设计可调结构,以便通过调整来补偿磨损造成的间隙变化。此外,注意设置便于快速诊断故障的检测点和监测装置。

2)提高产品可维修性的软件设计。即维修文件的编制,包括以下内容:

①编写使用说明书。它是使用和维护产品的指导性文件,应该详尽说明产品的使用条件、使用方法、润滑、调试、保养等内容。

②编写维修技术指南和维修技术指标。它提供最合理的维修工艺和方法、保证维修质量的技术规范和配合间隙、位置精度标准,以及某些组件的试验规范等。

③确定维修备件的储备指标。应依据零件寿命制订备件储备指标,易损件应随产品配备,大修中需要更换的配件应有一定储备,以保证及时供应。

(3)重复利用原则 为了控制和减少环境污染和提高材料利用率,应从以下设计开始考虑产品重复利用的措施:

1)通过修理与配件更换进行重复利用的设计。将易损元件标准化。采用插入式结构使其便于修理和更新,损坏设备中的某些零件可以作为功能件再次利用。

2)通过功能转换另做他用。如利用薄金属冲压件的下脚料制作金属屏风;从汽车旧蓄电池中回收铅;利用旧的船体制成钢筋用于钢筋混凝土构件;从冲洗照片的废液中回收银等。

3)使产品易于解体和便于材料分类。采用积木式组件,便于拆卸和快动联接;使得失效零件便于解体和不同材料能够分别回收。如将汽车的铜线均集中到电缆里,便于拆卸和统一处理等。

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