Grundlagen der Konstruktionslehre

Klaus-J. Conrad Methoden und Beispiele für den Maschinenbau

ISBN 3-446-40471-6

Vorwort

Weitere Informationen oder Bestellungen unter http://www.hanser.de/3-446-40471-6 sowie im Buchhandel

Vorwort

In die neue Auflage dieses bewährten Lehrbuchs wurden die Erfahrungen eingearbeitet, die bei der Benutzung im Lehrbetrieb mit Studenten gesammelt wurden. Auch die vielen guten Hinweise und Anregungen der Fachkollegen, die eine Stellungnahme zu diesem Buch abgegeben haben, konnten fast alle berücksichtigt werden. Für diese Unterstützung möchte ich mich besonders bedanken.

Die Erweiterungen betreffen insbesondere die Qualitätssicherung in der Konstruktion durch Aufnahme der Methoden QFD und FMEA. Neue Abschnitte zur Ermittlung der Herstellkosten und über das Rechnerunterstützte Konstruieren wurden aufgenommen.

Wesentliche Verbesserungen der neuen Auflage fallen schon beim Durchblättern auf. Wichtige Zusammenhänge, Definitionen, usw. sind in Rahmen hervorgehoben. Der Wunsch nach noch mehr Beispielen wurde erfüllt und ergänzt um Kennzeichnung der Beispiele im Text. Die Anzahl der Übungsaufgaben mit Lösungen wurde ebenfalls erhöht.

Die zunehmende Verwendung der neuen Werkstoffbezeichnungen wurde in einem neuen Kapitel aufgenommen. Neben der Anwendung im Text enthält das neue Kapitel Ver-gleichstabellen für häufig eingesetzte Werkstoffe mit alten und neuen Bezeichnungen.

Neben den persönlichen Methoden, sich in ein Fachgebiet einzuarbeiten, soll hier noch ein Vorschlag zum Durcharbeiten der Kapitel folgen:

• Abschnitt lesen• Methoden und Hilfsmittel erfassen• Beispiele durcharbeiten• Kenntnisfragen beantworten• Übungsaufgaben selbständig lösen• Ergebnisse vergleichen• Anwendung auf eigene Aufgaben

Das Arbeiten mit diesem Buch setzt Kenntnisse voraus, die insbesondere in den Fachge-bieten Technisches Zeichnen, Normung und Maschinenelemente als Handwerkszeug für Konstrukteure vermittelt werden. Auch das Rechnerunterstützte Konstruieren ist nur mit diesem Wissen möglich. Es wird die systematische Lösungsentwicklung vorgestellt, zu der natürlich auch Kreativitätsmethoden und der Einsatz von Rechnern gehören.

Die Konstruktion hat in der Prozesskette der Produktentstehung eine ganz besondere Be-deutung. Hier werden die Ideen für neue Produkte umgesetzt, die wesentlichen Produktei-genschaften festgelegt und deren Realisierung geplant.

Mit dem vorliegenden Lehrbuch werden die bewährten vier Konstruktionsphasen

• Aufgabenstellung klären,• Konzept entwickeln,• Entwurfsarbeit durchführen und• Unterlagen ausarbeiten

6 Vorwort

mit Beispielen erläutert, wobei das Zusammenwirken der drei Elemente „Methoden“, „Hilfsmittel“ und „Erfahrungen“ (MHE) gezeigt wird. Diese drei Elemente der Konstruk-tionslehre werden so behandelt, dass ein schneller Einstieg möglich ist.

Die praxisgerechte Behandlung des Stoffes ist durch die jahrelangen Erfahrungen des Verfassers in der Werkzeugmaschinenkonstruktion, durch viele Diplomarbeiten und Pro-jekte in Unternehmen, sowie sehr umfangreiche Erfahrungen in der Lehre mit Studieren-den des Maschinenbaus an der Fachhochschule Hannover gewährleistet.

Die Behandlung der vier Konstruktionsphasen erfolgt nach den bewährten Regeln und Richtlinien mit einigen neuen Hilfsmitteln, die aus den praktischen Anwendungen entwi-ckelt wurden. Die besondere Bedeutung der Stücklisten, der Nummernsysteme, der Sach-merkmale, der Kosten und der Qualitätssicherung während der Produktentwicklung wird beschrieben und mit Beispielen erklärt.

Das wesentliche Ziel dieses Buches ist die Vermittlung einer systematischen und metho-dischen Arbeitsweise, in einem Umfang, die es jedem Konstrukteur ermöglicht, seinen persönlichen Arbeitsstil zu entwickeln oder zu verbessern. Damit ist es sowohl für Studie-rende in der Ingenieurausbildung an Fachhochschulen und Universitäten, als auch für Konstrukteure in der Wirtschaft sinnvoll nutzbar.

Das Lehrbuch wurde selbstverständlich für Konstrukteurinnen und für Konstrukteure ge-schrieben. Wegen der Übersichtlichkeit wurde auf Doppelangaben im Text verzichtet.

Über Anregungen, Hinweise und Stellungnahmen zur Verbesserung des Lehrbuchs würde ich mich sehr freuen.

Mein Dank gilt den Verfassern der Fachliteratur zu diesem Thema, von denen ich viele bewährte Anregungen übernehmen konnte. Insbesondere möchte ich mich bei Herrn Prof. Dr.-Ing. Ehrlenspiel bedanken, von dem ich an der Universität Hannover das Me-thodische Konstruieren gelernt habe. Die Ergebnisse seiner wissenschaftlichen Arbeiten werden besonders häufig zitiert. Herrn Dr. Bünting vom VDMA danke ich für das bereit-willig zur Verfügung gestellte Bildmaterial über Kennzahlen. Für die gute Unterstützung bei der Buchgestaltung bedanke ich mich bei Herrn Dipl.-Phys. Horn vom Carl HanserVerlag. Weiterhin bedanke ich mich bei meinen Mitarbeitern im Labor Fertigungsautoma-tisierung der Fachhochschule Hannover für die Hilfe bei der EDV-technischen Aufberei-tung der Bilder und Texte sowie für viele gute Hinweise.

Mein besonderer Dank gilt meiner Familie für Verständnis, Geduld und Zeit, ohne die ein Lehrbuch nicht entstehen kann.

Burgdorf, im Juni 2005 Klaus-Jörg Conrad

Grundlagen der Konstruktionslehre

Klaus-J. Conrad Methoden und Beispiele für den Maschinenbau

ISBN 3-446-40471-6

Leseprobe

Weitere Informationen oder Bestellungen unter http://www.hanser.de/3-446-40471-6 sowie im Buchhandel

3 Der Konstruktionsprozess

Die ständige Weiterentwicklung der Technik hat in den letzten Jahren dazu geführt, dass die klassische Funktionsorientierung mit sehr starker Arbeitsteilung immer mehr durch eine Prozessorientierung abgelöst wird. Heute wird versucht, die Aufgaben und Abläufe in den Unternehmen durch Denken und Arbeiten in Prozessen zu lösen. Man spricht von einem Paradigmawechsel, dem Wechsel von einer rationalistischen zu einer ganzheitli-chen Weltsicht. Ein Paradigma ist ein Denkmuster, das das wissenschaftliche Weltbild, die Weltsicht einer Zeit prägt.

Entsprechend ist der Konstruktionsprozess zu sehen: Konstrukteure müssen ihre Tätigkei-ten als Teil des gesamten Produktentstehungsprozesses sehen und in Prozessen denken. Deshalb werden auch die wesentlichen Tätigkeiten als Abläufe dargestellt, wobei die Lö-sung von Teilaufgaben durch Systembetrachtungen, Methoden und Informationsumset-zung unterstützt werden. Diese bereits im vorherigen Abschnitt behandelten Grundlagen sollten den Konstrukteuren bekannt sein, da sie die konstruktive Arbeit beeinflussen. Da-mit dies sinnvoll realisierbar ist, muss daraus ein allgemein anwendbares methodisches Vorgehen erarbeitet werden, das in allen Bereichen der Konstruktion eingesetzt werden kann, unabhängig von der Art des Produkts. Da in der Praxis nur Methoden angenommen und eingesetzt werden, die für die jeweilige Aufgabe und für den jeweiligen Arbeitsschritt am wirksamsten sind, sollen hier auch nur schwerpunktmäßig diese Methoden und Hilfs-mittel als Auswahl vorgestellt werden.

3.1 Der Lösungsprozess

Das Lösen von Aufgaben ist von der Schule und aus dem täglichen Leben eigentlich aus-reichend bekannt, da abhängig von Art und Umfang der Aufgaben im Laufe der Zeit eine gewisse Vorgehensweise eingeübt und angewendet wird. Durch umfangreiche Untersu-chungen haben sich die Erkenntnisse zu einem Grundschema verdichtet, das in der Regel unbewusst gedanklich abläuft. Erst bei Schwierigkeiten oder neuen Aufgaben, wie der Anwendung dieser Vorgehensweise auf den Konstruktionsprozess, wird der Lösungspro-zess wieder interessant.

Unsere Arbeitsweise beim Lösen von konstruktiven Aufgaben besteht darin, zu analysie-ren was durch die Aufgabenstellung gegeben ist, und anschließend durch eine Synthese die bekannten Lösungselemente schrittweise einzusetzen, um eine Lösung für die Aufga-be festzulegen. Nach jeder Teillösung muss entschieden werden, ob das Teilergebnis sinnvoll ist und weitergearbeitet werden soll, oder ob eine Überprüfung erforderlich ist. Diese Gliederung in Arbeits- und Entscheidungsschritte stellt sicher, dass der notwendige Zusammenhang zwischen den Zielen der Aufgabe, der Planung, der Durchführung und der Prüfung der Ergebnisse besteht. Vor der Übernahme des Ergebnisses als Lösung der Aufgabe ist noch einmal zu klären, ob diese Lösung plausibel und wirtschaftlich realisier-bar ist. Die grundsätzliche Vorgehensweise lässt sich als Grundschema für den Lösungs-prozess in Form eines Ablaufs darstellen und ist dem Bild 3.1 zu entnehmen, das in An-lehnung an Pahl/Beitz erläutert wird.

54 3 Der Konstruktionsprozess

Aufgabe

Konfrontation

mit der Aufgabe

Informationen

beschaffen

Erkennen

des wesentlichen

Aufgabenkerns

Lösungsideen

entwickeln

Entscheidung

fällen

Beurteilung

Ergebnis

i.o.

Lösung

Ja

Nein

Aufgabe

Konfrontation

mit der Aufgabe

Informationen

beschaffen

Erkennen

des wesentlichen

Aufgabenkerns

Lösungsideen

entwickeln

Entscheidung

fällen

Beurteilung

Ergebnis

i.o.

Lösung

Ja

Nein

Bild 3.1: Ablauf von Lösungsprozessen

• Jede Aufgabe bewirkt zunächst eine Konfrontation, eine Gegenüberstellung von Prob-

lemen und bekannten oder (noch) nicht bekannten Realisierungsmöglichkeiten. Die

Stärke der Konfrontation hängt ab von Wissen, Können und Erfahrung des Konstruk-

teurs.

• Informationen beschaffen über die nähere Aufgabenstellung, Bedingungen, Lösungs-

prinzipien und bekannte ähnliche Lösungen sind nützlich. (Abschwächung der Kon-

frontation, Erhöhung der Motivation)

• Erkennen des wesentlichen Aufgabenkerns ermöglicht Ziele festzulegen und die we-

sentlichen Bedingungen zu beschreiben. (Abstrahierende Definition öffnet denkbare

Lösungswege).

3.1 Der Lösungsprozess 55

• Entwickeln der Lösungsideen nach verschiedenen Lösungsmethoden als kreative Pha-se, um durch Kombinieren und Anpassen an Randbedingungen gute Lösungen zu ent-wickeln.

• Eine Beurteilung wird erforderlich, wenn mehrere Ergebnisse vorliegen, um festzustel-len, wie die Lösungen die Aufgabe erfüllen.

• Die Entscheidung legt die optimale Lösungsvariante fest.

Konstruktionstätigkeiten setzen schrittweise Überlegungen zur Lösungsfindung durch grafische Darstellungen, Auslegungsberechnungen oder Beschreibungen um. Nach der Ausführung wird beurteilt und entschieden, ob das Ergebnis die Anforderungen erfüllt, oder der Arbeitsschritt wiederholt werden muss. Dieser allgemeine Entscheidungsprozesskann für jeden Arbeitsschritt beim Lösen von Konstruktionsaufgaben in der im Bild 3.2angegebenen Form erfolgen.

Ergebnis

erfüllt

Forderungen

Aufwand

zur Wiederholung

des n. Arbeitsschrittes

zu hoch

n. Arbeitsschritt

durchführen

Aufgabe

Informationsstand

verbessern

n + 1. ArbeitsschrittAufgabe

abbrechen

Ja Ja

Nein Nein

Bild 3.2: Ablauf von Entscheidungsprozessen

Das Entscheiden, ob ein Ergebnis akzeptiert wird oder nicht, fällt mit zunehmender Erfah-rung leichter. Es setzt aber auch das Entscheiden können voraus, das nicht nur von fachli-chen Kenntnissen abhängig ist, sondern von der Bereitschaft des Konstrukteurs, Verant-wortung zu übernehmen. Die Verbesserung eines Ergebnisses durch Wiederholung von davor liegenden Arbeitsschritten ist ebenfalls eine Entscheidung, die gut überlegt werden sollte. Im Regelfall wird der Konstrukteur durch erneutes Nachdenken und durch die Be-schaffung von zusätzlichen Informationen Lösungen durch Überarbeiten verbessern kön-nen. Es zeigt sich leider erst in einer späteren Produktentstehungsphase, ob es nicht besser

56 3 Der Konstruktionsprozess

gewesen wäre, eine Entwicklung abzubrechen, statt durch Selbstüberschätzung und Ver-trauen auf die möglichen Leistungen der Folgeabteilungen einfach weiter zu arbeiten.

Der gesamte Ablauf von der Konfrontation über die kreative Lösungsfindung bis zur Ent-scheidung wiederholt sich mehrfach an den verschiedenen Stellen des Konstruktionspro-zesses für ein zu entwickelndes Produkt.

3.2 Bearbeiten von Ingenieuraufgaben

Die Tätigkeit von Ingenieuren hat sich schon immer an einer Vorgehensweise orientiert, die die Verknüpfung von Wissenschaft und Praxis als wesentliches Merkmal hatte. Dabei wurden die Ingenieuraufgaben jemandem zugeordnet, der entsprechend der Übersetzung aus dem Französischen „sinnreiche Vorrichtungen baut“ und dafür natürliche Begabung, Erfindungskraft, Genie und Erfahrung mitbringt.

Im Laufe der Jahre wurde mit der Entwicklung der Technik eine etwas differenziertere Betrachtungsweise entwickelt, die Bild 3.3 zeigt.

Ingenieuraufgaben

Aufgabeformulieren+analysieren

TheoretischesModell

aufstellen,einsetzen

Methoden,Daten,

Hilfsmittelanwenden

TheoretischeLösung

(Zeichnungen, Stücklisten,

Dokumentation)

Ergebnis,Lösung

.

.

Überprüfender Ergebnisse:- Funktion- Qualität- Verbesserungen- Änderungen- .............

Realisierungin der Praxis:- Beschaffen- Fertigen- Montieren- Versuchedurchführen

- .............

Praxis

Theorie

Bild 3.3: Vorgehen beim Bearbeiten von Ingenieuraufgaben

Die Lösung von Ingenieuraufgaben ist gekennzeichnet durch die Verknüpfung von Pra-xiswissen mit theoretischen Kenntnissen und der schrittweisen Entwicklung von Lösungs-ideen zu Produkten oder Verfahren. Gleichzeitig stellte sich immer häufiger heraus, dass erst durch die Realisierung der theoretischen Lösung in der Praxis und durch Überprüfen

3.2 Bearbeiten von Ingenieuraufgaben 57

der geforderten Ergebnisse die Anforderungen an die Aufgabe als erfüllt bestätigt werden konnten oder nicht. Daraus ergibt sich der wesentliche Kreislauf zwischen Theorie und Praxis, der insbesondere auch für Konstrukteure sehr wichtig ist. Konstrukteure müssen stets das von ihnen entwickelte Produkt in den folgenden Produktentstehungsphasen be-gutachten, um Erfahrungen in der Praxis zu sammeln. Außerdem ist es sehr erkenntnis-fördernd, wenn sie das entwickelte Produkt im Einsatz beim Kunden beobachten können.

Beispiel: Das Vorgehen soll anhand einer einfachen Aufgabe erläutert werden: Eine Kraft F soll im Abstand L an eine Wand angeschlossen werden, entsprechend der Skizze in Bild3.4, unter Beachtung der Bedingungen möglichst leicht, möglichst kostengünstig und möglichst verformungsarm.

F

L

F

I-Träger I-geschweißt Kasten Rohr Rechteckrohr

Bild 3.4: Ingenieuraufgabe „Kraft in eine Wand übertragen“

Jeder Konstrukteur wird sich für die Lösung an die Festigkeitslehre erinnern und an die dort mit Hilfe der Biegetheorie entwickelte Gleichung für die Berechnung der Durchbie-gung eines einseitig fest eingespannten Trägers. Um die Bedingungen der Aufgabe zu erfüllen, werden die Größen der Gleichung mit den Forderungen verglichen. Daraus er-gibt sich die Überlegung, welches Profil für den Träger vorgesehen werden könnte und welche Materialart in Frage kommt. In Abhängigkeit von den Werten für F und L wird ein Profil ausgewählt und die Verformung berechnet. Die Kosten richten sich nach der Profilform und nach der Materialart. Durch mehrere Optimierungsrechnungen wird eine theoretische Lösung gefunden. Nach den auf einer Zeichnung festgelegten Daten wird in der Praxis die Herstellung und die Montage durchgeführt. Damit ist in der Regel die Auf-gabe beendet. Bei den genannten Bedingungen ist nur dann eine Überprüfung der Ver-formung in der Praxis erforderlich, wenn besondere Sicherheitsbedingungen gelten, die sonst eine Gefährdung ergeben könnten, oder wenn der Nachweis der berechneten Ver-formung verlangt wird.

Ingenieuraufgaben enthalten natürlich auch alle Arbeitsschritte des allgemeinen Lösungs-prozesses und erfordern häufig Entscheidungen während der Entwicklung.

58 3 Der Konstruktionsprozess

3.3 Ablauf bei der Lösungssuche

Die Entwicklung der Konstruktionslehre wurde stets durch die Arbeitsweise guter Kon-strukteure beeinflusst, indem man versucht hat, möglichst umfangreiche Erkenntnisse über deren Vorgehen beim Entwickeln konstruktiver Lösungen zu erhalten. Während frü-her erste Konstruktionsregeln aus der Praxis entstanden und als Erfahrungen weiter ver-mittelt wurden, versucht heute die Konstruktionswissenschaft mit Testverfahren im Kon-struktionsbüro gezielter die Denkvorgänge beim Konstruieren zu untersuchen.

Das bekannte Wechselspiel von Entwerfen und Verwerfen beim Konstruieren entstand aus der alten Regel von Irrtenkauf: „Has’t nicht radiert, has’t nicht konstruiert“. Dieses Darstellen von Lösungsideen durch Bleistift-Entwurfszeichnungen und deren Änderung durch Radieren, weil das technische Gebilde nicht den Vorstellungen entspricht, kennt jeder Konstrukteur. Ehrlenspiel hat daraus durch umfangreiche Untersuchungen eine Strategie der Lösungssuche entwickelt, deren Ergebnisse hier vorgestellt werden sollen:

Konstrukteure entwickeln erste Lösungen aus dem Gedächtnis und skizzieren diese Ideen Freihand, um sich anschließend mit dieser Darstellung auseinander zusetzen, sie zu analy-sieren und anzupassen, bevor sie aufgezeichnet wird. Wenn dann Varianten erzeugt wer-den sollen, empfiehlt die Konstruktionsmethodik bisher, mehrere zunächst gleichberech-tigte Lösungen zu suchen und daraus die beste zu wählen. Dieses generierende Vorgehenbei der Lösungssuche wird jedoch nur zu 20 % der Bearbeitungszeit angewandt.

1) Start: eine gute Lösung gefunden

2) Zusätzlich: zwei gleich- berechtigte Lösungen gefunden

3) Eine Lösung ausgewählt

Weiterverwenden

Bild 3.5: Beispiel für generierendes Vorgehen bei der Lösungssuche (nach Ehrlenspiel)

3.3 Ablauf bei der Lösungssuche 59

In den meisten Fällen (also in den restlichen 80 % der Zeit) wird mit dem korrigierenden

Vorgehen bei der Lösungssuche zunächst nur eine Lösung angegeben. Diese wird gleich

oder im Verlauf der weiteren Bearbeitung auf Schwachstellen analysiert und entsprechend

abgeändert oder ersetzt.

1) Entwurf gezeichnet(Synthese)

2) .....als unzureichend erkannt(z.B. Schwierig zu fertigen),deshalb wegradiert (Analyseund Bewertung)

3) .....2.Entwurf gezeichnet (Synthese) weiterverwenden !

Bild 3.6: Beispiel für korrigierendes Vorgehen bei der Lösungssuche (nach Ehrlenspiel)

In Tabelle 3.1 werden noch einmal die Vorteile und die Nachteile beider Vorgehenswei-

sen gegenübergestellt.

Tabelle 3.1: Vergleich des generierenden und korrigierenden Vorgehens zur Lösungssuche (nach Ehrlenspiel)

Generierendes Vorgehen Korrigierendes Vorgehen

Vorteile:

• führt eher zu neuen, interessantenLösungen

Vorteile:

• geht schneller

• weniger geistige Belastung

• tiefergehende Analyse möglich

• einfachere Austauschbarkeitsprüfung

Nachteile:

• mehr Erzeugungsaufwand

• größere geistige Belastung durch höhere Komplexität und längeres Aushalten in einer ungewissen Lösungssituation

• Genauigkeit der Analyse schwieriger

• Austauschbarkeitsprüfung aufwendiger

Nachteile:

• eher Verharren bei bekannten Lösungen

60 3 Der Konstruktionsprozess

Das generierende Vorgehen ist bei der Lösungssuche, dem Konzipieren, gut einzusetzen,

weil der Aufwand für die Darstellung noch gering ist bei großer Auswirkung auf die Lö-

sung.

Das korrigierende Vorgehen geht schneller und vermindert den Druck, weitere Lösungs-

elemente zu finden. Man verlässt jedoch nicht das gefundene Lösungsprinzip. Das korri-

gierende Vorgehen ist deshalb besser beim Gestalten, dem Entwerfen, einzusetzen.

3.4 Arbeitsschritte beim Konstruieren

Als Konstruktionsprozess bezeichnet man den Ablauf aller Tätigkeiten unter Beachtung

von Regeln, die zur Konstruktion technischer Produkte geeignet sind. Der Konstruktions-

prozess ist produktneutral oder allgemein, wenn er für alle Arten von technischen Produk-

ten gilt, sonst ist es ein produktspezifischer Konstruktionsprozess, der nach Regeln für

bestimmte Produktarten abläuft.

Alle wesentlichen Zusammenhänge für die Methodik beim Konstruieren sind branchen-

und produktunabhängig mit den VDI-Richtlinien 2221 und 2222 erarbeitet worden. Eine

allgemein anwendbare Methodik zum Entwickeln und Konstruieren technischer Systeme

und Produkte nach der VDI 2221 enthält die Erkenntnisse aus den bereits vorgestellten

Grundlagen technischer Systeme, über den Einsatz allgemeiner Arbeitsmethoden und der

Informationsverarbeitung.

Vorgehen beim Entwickeln und Konstruieren nach einem Ablaufplan mit Arbeitsschrit-

ten:

• Das Klären und Präzisieren der Aufgabenstellung umfasst das Zusammenstellen aller

Forderungen und Wünsche auf einem Formular als Anforderungsliste.

• Das Ermitteln der Funktionen und deren Strukturen erfolgt aus den Anforderungen,

um eine lösungsneutrale Aufgabenbeschreibung der wesentlichen Zusammenhänge

als Funktionsstruktur zu erhalten.

• Das Suchen nach Lösungsprinzipien und deren Strukturen führt über Prinziplösungen

für Teilfunktionen durch Kombinieren zu Konzepten oder prinzipiellen Lösungen.

• Das Gliedern in realisierbare Module ist eine Aufteilung in kleinere Einheiten des

Gesamtsystems. Modul nennt man eine sich aus mehreren Elementen zusammenset-

zende Einheit innerhalb eines Gesamtsystems, die ausgetauscht werden kann.

• Das Gestalten der maßgebenden Module führt zu Vorentwürfen, aus denen im Ma-

schinenbau bei entsprechendem Umfang Baugruppen festgelegt werden können.

• Das Gestalten des gesamten Produkts umfasst die Berücksichtigung der Vorentwürfe

in einem Gesamtentwurf, der alle Angaben für Baugruppen, Bauteile und Stücklisten

enthält.

• Das Ausarbeiten der Ausführungs- und Nutzungsangaben für die Produktdokumenta-

tion besteht aus dem Erstellen von Zeichnungen, Stücklisten und technischen Be-

schreibungen.

3.4 Arbeitsschritte beim Konstruieren 61

Der Ablauf aller Tätigkeiten von der Aufgabe bis zur konstruktiven Lösung wird durch

die in diesem Abschnitt vorgestellten Abläufe für Teilaufgaben mit den Arbeitsergebnis-

sen und den Konstruktionsphasen in Bild 3.7 dargestellt.

Aufgabe

Klären und präzisieren

der Aufgabenstellung

Ermitteln von Funktionen

und deren Strukturen

Konstruktive Lösung

Ausarbeiten der Ausführungs-

und Nutzungsangaben

Suchen nach Lösungsprinzipien

und deren Strukturen

Gliedern in

realisierbare Module

Gestalten der

maßgebenden Module

Gestalten des gesamten

Produkts

Sch

ritt

we

ises A

ba

rbeite

n m

it W

ied

erh

olu

nge

n f

ür

Ve

rbesse

run

ge

n

Erf

ülle

n u

nd

Anp

asse

n d

er

An

ford

eru

ngslis

te

Anforderungs-

liste

Funktions-

strukturen

Prinzipielle

Lösungen

Modulare

Strukturen

Vorentwürfe

Gesamt-

entwurf

Produkt-

dokumentation

ArbeitsergebnisseKonstruktionsphasen

A

usa

rbeite

n /

E

ntw

erf

en

/

K

onzip

iere

n

/

P

lan

en

Bild 3.7: Allgemeines Vorgehen beim Entwickeln und Konstruieren (nach VDI 2221)

62 3 Der Konstruktionsprozess

Außerdem wird auf das schrittweise Abarbeiten mit Wiederholungen für alle Arbeits-

schritte hingewiesen, das erforderlich ist, um alle Anforderungen anzupassen und zu er-

füllen. Mit diesem Vorgehen wird sichergestellt, dass alle Arbeitsschritte nach Durchfüh-

rung und Kontrolle durch Entscheidungen abgeschlossen werden.

Den vier Konstruktionsphasen werden Tätigkeiten und Festlegungen zugeordnet:

• Planen: Aufgabenstellung klären (informative Festlegung)

• Konzipieren: Konzept entwickeln (prinzipielle Festlegung)

• Entwerfen: Entwurfsarbeit durchführen (gestalterische Festlegung)

• Ausarbeiten: Unterlagen ausarbeiten (herstellungstechnische Festlegung)

Diese Aufteilung stellt eine Zusammenfassung der wichtigsten Tätigkeiten dar, die sich

als wesentliche Gliederung für das Vorgehen beim Konstruieren im Maschinenbau be-

währt hat. Deshalb werden in den folgenden Abschnitten diese vier Konstruktionsphasen

ausführlich mit den notwendigen Methoden, Hilfsmitteln und Anwendungen erklärt.

Ein Beispiel für die vier Konstruktionsphasen mit den Aufgaben und Ergebnissen einer

Teilaufgabe für die Konstruktion einer Reitstockpinole enthält Bild 3.8:

• Das Planen klärt die Aufgabe durch Erfassen der Anforderungen, die in einer Anfor-

derungsliste festgelegt werden.

• Das Konzipieren erfolgt in drei Arbeitsschritten:

– Funktionen festlegen und Funktionsstruktur aufstellen.

– Physikalische Prinzipien für das Wirkprinzip festlegen.

– Geometrie, Bewegungen und Stoffarten als Lösungsprinzip festlegen.

• Das Entwerfen besteht aus dem Gestalten von Teilen, Baugruppen und Verbindun-

gen.

• Das Ausarbeiten bedeutet, alle Fertigungs- und Montageangaben in Zeichnungen

und Stücklisten festzulegen.

Der Auszug aus der Anforderungsliste enthält hier nur zwei Forderungen, die maßgeblich

für die Reitstockpinole sind. Aus der Gesamtfunktion des Reitstocks sind zwei Funktio-

nen für die Umwandlung des eingeleiteten Drehmomentes in die Längsbewegung der Pi-

nole, also der Pinolenantrieb, angegeben. Da für diese Teilfunktion als Beispiel die Um-

wandlung mit Hilfe eines Gewindes als physikalisches Prinzip möglich ist, sind die

entsprechenden Größen als Wirkprinzip mit Skizzen dargestellt.

Das Lösungsprinzip für den Pinolenantrieb ist nur als Strichskizze ohne geometrische

Gestaltung als Ergebnis des Konzipierens gezeichnet. Es besteht aus einer einseitig gela-

gerten Spindel, die durch ein Handrad bewegt wird.

Beim Entwerfen werden Teile, Baugruppen und Verbindungen festgelegt. Die vereinfach-

te Zeichnung enthält alle wesentlichen Elemente, die jedoch nicht normgerecht als techni-

sche Zeichnung dargestellt wurden.

Aus diesem Entwurf werden dann in der letzten Phase durch das Ausarbeiten alle Zeich-

nungen und Stücklisten abgeleitet, die die Fertigungs- und Montageangaben enthalten.

3.4 Arbeitsschritte beim Konstruieren 63

Konstruktions-phasen

Aufgaben und Ergebnisse

Beispiel: Reitstockpinole

Planen

Anforderungenfestlegen

...

Anforderungsliste

Funktion festlegen...

Funktionsstruktur

Drehmoment

in Axialkraft

umwandeln

Drehbewegung

in Längsbewegung

umwandeln

s

Fax

Fh;rh

Konzipieren

PhysikalischePrinzipien festlegen

.

.

.

Wirkprinzip

R = Fu

R = Fu = µ *

Reibung:FN

FN

FN

FN

Gewinde

Selbsthemmung:

Reibbeiwert:

Geometrie,Bewegungen,

Stoffarten festlegen

...

Lösungsprinzip

Fax

s

Entwerfen

Teile, Baugruppen,Verbindungen

festlegen

.

.

.

Entwurf90 ° versetzt gezeichnet

Ausarbeiten

Fertigungs- und Montageangaben

festlegen...

Zeichnungen,Stücklisten Spindel Mutter

Bild 3.8: Aufgaben und Ergebnisse der Konstruktionsphasen

Anforderungsliste

F F

Handkraft FHAxialkraft für Werkstückgewicht zwischen den Spitzen von

200 N

5000 kg

Handrad

Spindel / Mutterin Reitstockpinole

64 3 Der Konstruktionsprozess

Ablaufpläne für das Vorgehen beim Konstruieren wurden in verschiedenen Varianten veröffentlicht und werden in der Regel firmenspezifisch angepasst, da dafür in jedem Un-ternehmen eine Organisation vorhanden ist. Wichtig ist nicht ein starres Einhalten aller Vorgaben, sondern eine flexible Handhabung zur Unterstützung der Konstrukteure.

Der Ablaufplan mit Angaben der Tätigkeiten beim Bearbeiten konstruktiver Aufgaben in Bild 3.9 zeigt im mittleren Bereich die Teilaufgaben pro Arbeitsschritt mit dem jeweils zugeordneten Entscheidungsschritt.

Jeder Entscheidungsschritt dient dazu, Ergebnisse festzulegen und den weiteren Fortgang im Sinne des Ablaufs freizugeben, oder aber ein erneutes Durchlaufen der jeweils engsten Schleife zu veranlassen, wenn das Arbeitsergebnis unbefriedigend erscheint und verbes-sert werden muss. Dies umfasst auch die Überprüfung der Anforderungen. Ein Durchlau-fen bis zum Ende kann Mängel erst zu spät zeigen und deren Abhilfe unnötig erschweren.

Der gegebenenfalls notwendige Abbruch einer Entwicklung, weil diese sich als nicht mehr lohnend erweist, wurde nicht eingezeichnet. Eine Überprüfung und frühzeitiges, konsequentes Aufhören in aussichtslosen Situationen bringt jedoch die geringsten Enttäu-schungen und Kosten!

Wie bei allen Vorgehensplänen ist flexible Handhabung je nach Problemlage erforderlich. Es können weitgehende Überschneidungen auftreten, da z. B. Fertigungsgesichtspunkte, Werkstoffe, gestalterische Merkmale usw. bereits das Lösungsprinzip beeinflussen kön-nen.

In dem Ablauf der Arbeitsschritte fehlen Angaben über einige im Konstruktionsalltagorganisierte Maßnahmen, die von Konstrukteuren beachtet werden müssen:

• Herstellung von Modellen und Prototypen• Durchführung von Versuchen zur Prinzipfindung• Erstmuster-Fertigung von Zulieferern• Projektgespräche im Unternehmen und mit dem Kunden• Zeitpunkte für Bestellangaben (Lange Lieferfristen von Steuerungen, Rohteilen usw.

erfordern Vorabbestellungen)• Auftragsabwicklungshinweise (EDV-Abwicklung, Angebotszeichnungen, Montage-

und Aufstellpläne, Vorschriften, CAD-Einsatz)

Diese und weitere unternehmensspezifische Organisationsanweisungen müssen zwar un-bedingt eingehalten werden, würden aber als Ergänzung zu den im Ablaufplan angegebe-nen Arbeitsschritten diesen nur unnötig überfrachten. Außerdem wurden die nach jedem Arbeitsschritt erforderlichen Entscheidungen nur als Texthinweis angegeben.

Die für jeden Arbeitsschritt einsetzbaren Methoden und Hilfsmittel werden hier nur in Bild 3.9 dargestellt, um erforderliches Grundlagenwissen und in der Praxis häufig ange-wendete Methoden, die in den folgenden Abschnitten behandelt werden, schon jetzt rich-tig zuordnen zu können.

3.4 Arbeitsschritte beim Konstruieren 65

Aufgabe

Lösung

Aufgabe klären

Anforderungsliste erarbeiten

Wesentliche Probleme erkennen

Funktionen überlegen

Funktionszusammenhang aufstellen

und als Struktur festlegen

Physikalische Prinzipien, Geometrie, Beweg-

ungen, Stoffarten in Skizzen kombinieren

Lösungsprinzipien festlegen

Konzepte vergleichen durch

Auswählen und Bewerten

Konzepte entwickeln und festlegen

Konzept grobgestalten mit Berechnung der

Entwurfsdaten und Werkstoffwahl

Entwurfszeichnungen erstellen

Baugruppen, Teile, Verbindungen feingestalten

Fertigung, Montage, Kosten prüfen

Varianten überlegen und bewerten

Zeichnungen und Stücklisten erarbeiten

Nachrechnen und Kontrollieren, Prüfen

ob alle Anforderungen erfüllt sind,

Versuche durchführen

Gesamtzeichnung aus Teilzeichnungen erstellen

An

ford

eru

nge

n ü

berp

rüfe

n,

Arb

eitserg

eb

nis

se v

erb

essern

Methoden / Hilfsmittel

Anforderungskatalog,

Kenntnisse, Erfahrungen,

Informationen aus Unterlagen,

Datenbanken, Normen

Anforderungslisten-Formular

Abstrahieren,Vereinfachen,

Gesamtfunktion in

Teilfunktion zerlegen,

Funktionsstrukturen aufstellen

Black-Box-Methode

Konstruktionskataloge

physikalischer Prinzipien,

Fachliteratur einsehen,

naturwissenschaftliche Gesetze

anwenden, Handskizzen,

schematische Darstellungen,

Morphologische Matrix,

Ideenfindungsmethoden

Auswahl nach Erfahrung

durch Abschätzen,

Bewertungskriterien aufstellen,

Bewertungsverfahren mit

Punkten in Bewertungslisten

Technisches Grundwissen aus

Mathematik, Mechanik,

Werkstoffkunde, Fertigung,

Maschinenelemente usw.,

Alle Angaben zur Erstellung von

Einzelteilzeichnungen und

Stücklisten eintragen

Teilearten festlegen, Teile gestalten,

Verbindungen gestalten,

Fertigungs- und Montageverfahren

klären, Berechnungsprogramme

einsetzen, Baugruppenstruktur

mit Zeichnungs- und

Stücklistensatz festlegen

Herstellkosten kalkulieren

Funktion, Ausführung, Berechnung

nach Anforderungsliste prüfen,

Versuchsergebnisse umsetzen,

Montage- und Betriebsanweisungen

erstellen

Bild 3.9: Ablaufplan für das Bearbeiten konstruktiver Aufgaben

66 3 Der Konstruktionsprozess

Konstrukteure in der Praxis sind häufig sehr skeptisch, wenn ihnen die Arbeitsweise nach diesen Ablaufplänen erklärt wird, weil sie dieses Vorgehen als viel zu aufwendig und zeit-intensiv empfinden. Dabei sollte jedoch beachtet werden, dass es sich eigentlich nur um die Darstellung von Abläufen handelt, die von guten Konstrukteuren übernommen wurden.

• Konstrukteure durchlaufen diesen Ablauf unbewusst im Kopf, fassen aber oft zu stark zusammen, zum Nachteil für das Ergebnis.

• Bei Neukonstruktionen sollte der Konstrukteur unbedingt methodisch vorgehen, wenn Art und Umfang der Aufgabe dafür geeignet sind. Das bewusste, schrittweise Vorge-hen verleiht Sicherheit, nichts Wesentliches vergessen oder unberücksichtigt gelassen zu haben und ergibt einen guten Überblick möglicher Lösungswege.

• Bei Anpassungskonstruktionen wird man vorhandene Baugruppen von Produkten durch zusätzliche Konstruktionsarbeiten verändern, entsprechend den neuen Anforde-rungen, und nur dort methodisch vorgehen, wo es sich als notwendig und zweckmäßig erweist (Anforderungsliste ausarbeiten, systematische Lösungssuche für Teilaufgaben).

• Bessere Konstruktionen durch methodisches Vorgehen erfordern angemessene Zeit, die den Konstrukteuren bewilligt werden muss. Sie lässt sich auch für einzelne Arbeits-schritte besser überschauen und abschätzen. Der geringfügig höhere Zeitaufwand im Vergleich zu konventionellen Methoden wird durch die Nachvollziehbarkeit und die größere Wahrscheinlichkeit gute Lösungen zu konstruieren mehr als ausgeglichen.

• Die zunehmende Komplexität der zu entwickelnden Produkte und die kundenorientier-ten Märkte haben heute in den Unternehmen für klare und straffe Organisationen ge-sorgt mit prozessorientierten Abläufen und Qualitätsmanagementsystemen nach DIN EN ISO 9001. Auch unter diesen Bedingungen ist das methodische Konstruieren zwin-gend erforderlich.

Der Konstruktionsprozess wird häufig auch durch ein praxisorientiertes Vorgehen ohne strikte Einhaltung der Ablaufpläne durch Beantwortung einfacher Fragen realisiert:• Welche Eigenschaften sind gefordert?• Wie soll es funktionieren?• Welche ähnlichen Lösungen gibt es?• Was kann gekauft werden?• Wie wird es beansprucht?• Welche Festigkeit ist notwendig?• Welche Werkstoffe sind geeignet? • Welches Rohmaterial wird eingesetzt?• Wie wird es hergestellt?• Welche Kosten entstehen?• Welche Lösung ist wirtschaftlicher?• Wie wird es einfacher?• Wie wird es sicherer?• Wie wird es montiert?• Welche Schnittstellen müssen beachtet werden?• Wie wird die Qualität erreicht?