LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Interdisziplinäre Entwicklung verläßlicher

LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIKFriedrich-Alexander-Universität Erlangen-NürnbergProf. Dr.-Ing. Harald Meerkamm

Interdisziplinäre Entwicklung verläßlicher Multitechnologiesysteme

Bedeutung der Produktentwicklung für den

gesamten Produktentstehungsprozeß

• Die Rolle der Produktentwicklung im Gesamtprozeß

• Struktur Technischer Systeme

• Der Konstruktionsprozeß

• Beispiel

Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm

Schön 00.03.001


Aufgaben und Auswirkungen der Konstruktion in der Produktentwicklung




• Beispiel

Schön 00.03.002


Informationsflüsse im ProduktlebenszyklusRösch 04.01.016

Entwicklung undKonstruktion

Kunde Markt

Vertrieb, Ver-kauf, Werbung

Produkt-planung

Labor, Versuch

Werknormung,Archiv,Pauserei

Arbeitsvorbereitung

- Fertigungsplanung,Kalkulation

- Fertigungssteuerung

Einkauf, Lager

Betriebsmittel-konstruktion

Qualitätswesen

Fertigprodukte-lager

Teilefertigung

Montage

Prüfung, Abnahme

Versand

Kunde, Verkaufggf. Montage

Gebrauch

Entsorgung

Legende:InformationProduktentstehung

Quelle: Pahl/Beitz



Meerkamm 07.03.001

Produktentwicklung im Produktlebenszyklus

ArbeitsplanungProduktplanung

Konstruktion

Entsorgung/Recycling

Nutzung

Vertrieb

Herstellung

Planen

Konzipieren Entwerfen

Ausarbeiten

Produktentwicklung


Finkenwirth 02.01.008

Kostenverantwortung und Kostenfestlegung

100%

80

60

40

20

0

EntwicklungKonstruktion

Arbeits-vorbereitung

Fertigung

EinkaufMaterial-wirtschaft

VerwaltungVertrieb

Wer

ksto

ffO

berfl

äche

ngüt

e

Tole

ranz

enK

onst

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stun

den

Ferti

gung

sver

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swah

l

Term

ine Lief

eran

ten

Mat

eria

lkos

ten

Pro

jekt

ieru

ng

Geh

älte

r

Sel

bst

kost

en

70%

6%

20%

36%

7%

40%

3%

18%

Kostenfestlegung

Kostenverursachung

Quelle: aus VDMA



Meerkamm 04.01.015

Rule of TenKosten fürFehlerbehebung

10.000

1.000

100

10

1

So

ny

Co

rpo

ratio

n

Entwick

lung

Produkti

onsplanung

Prototyp

Vorserie

Markteinführu

ngZeitpunkt der Fehlerentdeckung


Rösch 04.01.020

Fachwissen eines Konstrukteurs

• Erstellen und Lesen von Technischen Zeichnungen

• Überblick über Maschinenelemente, Zukaufteile, vorhandene Lösungen

• Dimensionierungs- und Auswahlberechnungen

• (Grund)Kenntnisse über Fertigungsverfahren

• Kenntnisse über Norm- und Prüfvorschriften

• Anwenden einer methodischen Vorgehensweise

• Nutzen von Hilfsmitteln der Konstruktionsmethodik

• Berücksichtigen von Produktentsorgungs- und -wiederverwendungs-verwertungsrichtlinien

•

•


Meerkamm 02.01.030

2D-Zeichnung - 3D-CAD

2D-Schnitt-Zeichnung einesPrüfstandes

Zusammenbau

Schattiertes 3D-Modell des gleichenPrüfstandes

Zusammenbau

Quelle: Roland Spieler


Vom Maschinenelement zum fertigen ProduktFinkenwirth 02.01.016

Element

Aggregat

Fahrwerk

Karosserie

Fahrzeug

Komplexität


Löffel 06.05.011

Dimensionierungsberechnungen

Schweißverbindungen

z.B. Wälzlager/Gleitlager, Federn, Schrauben,Zahnräder, Riemen,

Beanspruchung von Achsen und Wellen,- biege- und torsionskritische Drehzahlen

- Drehzahl-Moment- Biegung

- Kerbspannung- Welle-Nabe-Verbindungetc.

Beanspruchung stabförmiger Bauteile- Zug- und Druckbeanspruchung- Scherbeanspruchung- Flächenpressung und Lochleibung- Biegebeanspruchung- Torsionsbeanspruchung

Hertz’sche Pressung (Flächenpressung) Dimensionierung von Maschinenelementen


Meerkamm 07.01.006

Methodische Aspekte der Integrierten Produktentwicklung

MarktBedürfnis

transportgerecht

? ...? ...

werkstoffgerecht

? ...? ...

montagegerecht

? ...? ...

kostengerecht

? ...

? ...

normgerecht

? ...? ...

fertigungsgerecht? Herstellbarkeit? Bauteilgestaltung

funktionsgerecht? Anforderungen aus

Pflichtenheft? Funktionssimulation

beanspruchungs-gerecht? Festigkeit, Verformung? Gestaltungsregeln

recyclinggerecht? Demontierbarkeit? Werkstoffverträglichkeit

ergonomiegerecht? Bedienbarkeit? Belastung des Bedieners

Konstruktion



Schweißen

Kleben

Montieren

Schmieden(Druckumformen)

Umformen

Stoffeigen-schaftändern

Meerkamm 03.01.022

Design for X - GesamtstrukturSandguß

Druckguß

Lichtbogen

Laser

Gießen

Biegeum-formen

Drehen

Fräsen

Bohren

Schleifen

Urformen

Fügen

Trennen

Beschichten

Design for

DfX

function

stress

safety

ergonomy

DfP

controlling

assembly

disassembly

quality

transport

use

cost

service

environment

....

....

....

....

....

....

..

....

....






• Beispiel

Schön 00.03.003


Rösch 04.09.021

Allgemeiner Systembegriff

Umwelt

System ASystem B

Elementrelation

Umweltbeziehung

Systemelement / Objekt:- Vorgänge- Technische Gebilde- Programme

Definition "System":

- Ein System ist ein bestimmter Teil der Wirklichkeit.

- Es hat Beziehungen zu seiner Umwelt.

- Es hat eine Struktur.

- Es hat eine Funktion.Quelle: Hansen


Meerkamm 04.09.017

Montageorientierte Erzeugnisgliederung

Anlage

Maschine

Aggregat

Baugruppe

Bauteil

Bauelement

Ma

sch

ine

n-

ele

me

nte


Meerkamm 04.07.026

Allgemeine Black-Box Darstellung technischer Systeme

TechnischesSYSTEM

(Gesamtfunktion)

Restriktionen(Menge, Qualität)

Störgrößen(Stoff, Energie, Signal)

STOFF (e)ENERGIE (e)SIGNAL (e)

STOFF (a)ENERGIE (a)SIGNAL (a)

OUTPUTINPUT


Meerkamm 04.07.026a

Allgemeine Black-Box Darstellung technischer Systeme

Bohrerantreiben

Störgrößen:

Materialhärtestumpfer Bohrerunsachgemäße Handhabung

INPUT:

stillstehendes Werkzeugelektrische Energiemechanische EnergieWerkstück

Randbedingungen:

LochtiefeDrehzahl einstellbarSchlagwerk ein/ausGewicht, Größe, Farbe

Störgrößen:

OUTPUT:

stillstehendes Werkzeugelektrische Energiemechanische EnergieWerkstück

rundes Lochdurch Energie-wandlung undübertragung bohren

rundes Loch erzeugen


Meerkamm 04.07.006

Bildung einer Funktionsstruktur durch Aufgliederung

Gesamt-funktion

Eingang AusgangFunktionsgrad n

n - 1

n - 2

n - 3

n - 4

Quelle: Pahl/Beitz; VDI 2221


Adunka 04.07.158

Allgemeine Funktionen und typische Beispiele

Quelle: VDI 2222


Meerkamm 04.07.038

Funktionsaufgliederung für die Gesamtfunktion „Wäsche waschen“

Quelle: VDI 2222

Wäsche waschen

Wäschespeichern

Wasserzuführen

Waschmittelund Wasser

mischen

Laugespeichern

Laugeerhitzen

Wäschein Laugebewegen

Laugeablassen

Wäschespülen

Vorgangsteuernregeln

Wasserzuführen

Wäschein Wasserbewegen

Wasserablassen

Vorgangsteuern


Meerkamm 04.07.007

Funktionsaufgliederung einer Bettfräsmaschine

Quelle:Baatz

Funktionsträger4. Grades

(Funktionsgruppen)


(Funktionskomplexe)


(Funktionselemente)


(Element. Funktionsträger)


(Einzelmaschinen)


(Funktionshauptgruppen)

Schnittgetriebe

Übersetzungskomplex

Verzahnungselement

Evolventenfläche

Bettfräsmaschine

Steuerung Schmierung Werkzeugantrieb Werkstückantrieb Bett Ständer Querbalken






• Beispiel

Schön 00.03.004


Adunka 04.02.008

Konstruktionsphasen

Planen

Konzipieren

Entwerfen

Ausarbeiten


Rösch 04.06.007

Vorgehen bei der Produktplanung

nach Ehrlenspiel, VDI 2220

Unternehmens- und Produktpotential ermittelnUnternehmens- und Produktpotential ermitteln

Unternehmensziel definierenUnternehmensziel definieren

Produktbereiche (Suchfelder) finden und auswählenProduktbereiche (Suchfelder) finden und auswählen

Produktideen finden und auswählenProduktideen finden und auswählen

Anforderungen für die Produktidee definieren,Entwicklungsantrag formulieren

Anforderungen für die Produktidee definieren,Entwicklungsantrag formulieren

EntwicklungsauftragEntwicklungsauftrag

Neues Produkt?Neues Produkt?

OK?nein

Was will dasUnternehmen?

Was kann dasUnternehmen?

Was brauchtder Markt?

Was könnte der Kundeim einzelnen brauchen?

Was muß insPflichtenheft?

Entscheidung durchdie Geschäftsleitung


Meerkamm 04.01.002

Produkt-Lebensdauerkurve

VerlustKosten

Umsatz

Zeit

Gewinn

Umsatz,Gewinn

VerfallphaseSättigungs-

phaseWachstumund Reifephase

Einführungs-phase

Pro

duk

tpla

nung

Pro

duk

ten

twic

klun

g

Vor

ber

eitu

ng z

urP

rod

ukte

infü

hrun

g

evtl.Wieder-anstieg

Quelle: Pahl/Beitz


FF = FestforderungTF = Tolerierte Forderung

Meerkamm 04.06.001

Formblatt einer Anforderungsliste

Firma: Anforderungsliste

Verantw.AnforderungFFTF

Änder.

Ersetzt Ausgabe vom

Identifikation,Klassifikation

für: Projekt, Produkt

Ausgabe:

Änd

erun

gsda

tum

Ver

antw

ortli

cher


Bachschuster 04.06.006

Hauptmerkmale einer Anforderungsliste

Geometrie Größe, Höhe, Breite, Länge, Durchmesser, Raumbedarf, Anzahl, Anordnung, Anschluß, Ausbau und Erweiterung

Bewegungsart, Bewegungsrichtung, Geschwindigkeit, Beschleunigung

Kraftgröße, Kraftrichtung, Krafthäufigkeit, Gewicht, Last, Verformung, Steifigkeit, Federeigenschaften, Stabilität, Resonanzen

Leistung, Wirkungsgrad, Verlust, Reibung, Ventilation, Zustandsgrößen wie Druck, Temperatur, Feuchtigkeit, Erwärmung, Kühlung, Anschlußenergie, Speicherung, Arbeitsaufnahme, Energieumformung

Physikalische und chemische Eigenschaften des Eingangs- und Ausgangsprodukts, Hilfsstoffe, vorgeschriebene Werkstoffe (Nahrungsmittelgesetz u.ä.), Materialfluß und Materialtransport

Eingangs- und Ausgangssignale, Anzeigeart, Betriebs- und Überwachungsgeräte, Signalform

Unmittelbare Sicherheitstechnik, Schutzsysteme, Betriebs-, Arbeits- und Umweltsicherheit

Mensch-Maschine-Beziehung: Bedienung, Bedienungsart, Übersichtlichkeit, Beleuchtung, Formgestaltung

Einschränkung durch Produktionsstätte, größte herstellbare Abmessung, bevorzugtes Fertigungsverfahren, Fertigungsmittel, mögliche Qualität und Toleranzen

Meß- und Prüfmöglichkeit, besondere Vorschriften (TÜV, ASME, DIN, ISO, AD-Merkblätter)

Besondere Montagevorschriften, Zusammenbau, Einbau, Baustellenmontage, Fundamentierung

Begrenzung durch Hebezeuge, Bahnprofil, Transportwege nach Größe und Gewicht, Versandart und -bedingungen

Geräuscharmut, Verschleißrate, Anwendung und Absatzgebiet, Einsatzort (z.B. schweflige Atmosphäre, Tropen, ...)

Wartungsfrei bzw. Anzahl und Zeitbedarf der Wartung, Inspektion, Austausch und Instandsetzung, Anstrich, Säuberung

Wiederverwendung, Wiederverwertung, Endlagerung, Beseitigung

Max. zulässige Herstellkosten, Werkzeugkosten, Investition und Amortisation

Ende der Entwicklung, Netzplan für Zwischenschritte, Lieferzeit

Kinematik

Kräfte

Energie

Stoff

Signal

Sicherheit

Ergonomie

Fertigung

Kontrolle

Montage

Transport

Gebrauch

Instandhaltung

Recycling

Kosten

Termin

Hauptmerkmal Beispiele

Quelle: Pahl/Beitz


Hennig 04.06.008

Beispiel einer Anforderungsliste

1. Geometrie: Maße des PrüflingsLeiterplatte:Länge = 80 - 650 mmBreite = 50 - 570 mmHöhe = 0,1 - 10 mmHauptsächlich verlangte Höhe:Haupthöhe = 1,6 - 2 mmTunnelhöhe zwischen Grundrasterplatten 120 mm„Spannbereich“ 2 mm (3seitig am Plattenrand)

2. Kinematik:genaueste Positionierung des Prüflingspositionierte Prüflinge müssen in Prüfrichtung (Plattennor-male mind. 2 mm verschiebbar seinRückführung des Prüflings in Transportlageräumlich getrennte Zu- und AbführungTunnelaufbauminimale Handhabungszeit (so schnell wie möglich)

6. Sicherheit:Schutz des Bedienpersonals

7. Fertigung:Toleranzaddition berücksichtigen

8. Gebrauch:Keine Verunreinigung im Inneren des PrüfsystemsEinsatzort: Halle

9. Instandhaltung:Wartungsintervalle > 106 Prüfvorgänge

10. Termin:Abgabe der Entwürfe: spätest. Juli 1988

SIEMENSMeßgerätewerk

Anforderungslistefür Leiterplatten-Positioniereinrichtung Blatt: 1 Seite:1

Änder. FW

Anforderungen Verantw.

FFW

FWF

FF

FWF

F

FF

W

F

27.4.8827.4.88

27.4.88

GruppeLangner

Ersetzt 1. Ausgabe vom 21.4.1998


Meerkamm 04.02.002

Struktur des Konstruktionsprozesses I (VDI 2222)Gestellte Aufgabe

Geklärte Aufgabe, Anforderungsliste

Gesamtfunktion

Teilfunktionen, Funktionsstruktur

Physikalische Wirkprinzipien

Konstruktive Anordnungen bzw. Lösungsprinzipien und/oder Bausteine

Ausgewählte Lösungsprinzipienund/oder Bausteine

Prinzipkombinationen

Ausgewählte Prinzipkombinationen

KonzeptvariantenLösungskonzept

Erster (maßstäblicher Entwurf)

Erster Entwurf mit Bewertung

Verbesserter Entwurf

Ausgewählte Gestaltungszonen

Varianten der Gestaltungszonen

Optimierte Gestaltungszonen

Bereinigter Entwurf

Optimierte Einzelteile

Ausführungsunterlagen

Hauptschritte Ergebnisse der Tätigkeiten Ablaufdiagramm

KONZIPIEREN(Aufgabenklärung,Funktionsfindung,Prinziperarbeitung)

AUSARBEITEN(Detaillieren)

ENTWERFEN(Gestaltung)

Quelle: VDI 2222


Festlegen der prinzipiellen Lösung (Konzept)Freigabe zum Entwerfen

Festlegen der AnforderungslisteFreigabe zum Konzipieren

Hennig 04.07.122

Arbeitsschritte beim Konzipieren

Kon

zipi

eren

Information

Definition

Kreation

Beurteilung

Entscheidung

Quelle: Pahl/Beitz

Aufstellen von Funktionsstrukturen (Gesamtfunktion - Teilfunktion)

Abstrahieren zum Erkennen der wesentlichen Probleme

Suchen von Wirkprinzipien zum Erfüllen der Teilfunktionen

Kombinieren der Wirkprinzipien zur Wirkstruktur

Auswählen geeigneter Kombinationen

Konkretisieren zu prinzipiellen Lösungsvarianten

Bewerten nach technischen und wirtschaftlichen Kriterien


Rösch 04.07.105

Aufgliederung der Gesamtfunktion in Teilfunktionen

3 Löcherbohren

Stoff: Werkstück

Energie: elektr./mech. Energie

Signal: - 120° Teilung für 3 Löcher - Tiefe der Löcher

bearbeitetes Werkstück, Späne

Wärmeenergie

Werkstückpositionieren

Werkstückspannen

Lochbohren

Bohrtiefebegrenzen

120°Drehung

ausführen

Ges

amtf

un

ktio

nT

eilf

un

ktio

n


Hennig 04.07.106

Methoden der LösungsfindungMethoden der Lösungsfindung

Lösungen

Konventionell

- Literatur- recherchen- Analyse bekannter od. natürlicher Systeme- Messungen, Modellversuche- ...

Auswahl undBewertung

- ABC-Analyse- technisch-wirtschaftliche Bewertung- ökologische Bewertung- Nutzwertanalyse- ...

Intuitiv

- Brainstorming- Methode 635- Delphi-Methode- Synektik- Galerie-Methode- ...

- Ordnungs- schemata- Morphologischer Kasten- Kataloge- ...

Diskursiv Innovations-techniken

- WOIS- Szenario Technik- ...

Wertanalyse


Hennig 04.07.124

Suche von Wirkprinzipien

Quelle: Pahl/Beitz


Meerkamm 04.07.043

Funktion: „Energie speichern“ - Unterschiedl. Wirkprinzipien

Quelle: Pahl/Beitz

EnergieartWirkprinzip

mechanisch hydraulisch elektrisch thermisch

1

2AufgeheizteFlüssigkeit

3StrömendeFlüssigkeit

Magnet(magn. Feld)

ÜberhitzterDampf

4

5

6

Pot.Energie

Batterie Masse

Schwung-masse

Schwung-rad

Kondensator(elektr. Feld)

Flüssig-keitssp.(Pot.Energie)

Sonstige Federn(Kompr. v. Fl.+Gas)

(rot. + trans. + pot.)

Rad aufschieferEbene

Metallfeder

Hydrospeichera. Blasensp.b. Kolbensp.c. Membransp.(Druckenergie)


galva-nischesElement

Quarz

keinRegler

Synchron-motor

Digital

s, min,Std.,

Datum

s, min,Std.

Bewegl.Zeiger

Zifferblatt

Zahnrad

Federhaus

mecha-nische

Hemmung

Feder

Hand-aufzug

Meerkamm 04.07.012

Morphologischer Kasten für Uhren

Funktionen

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

1

2

3

4

5

6

7

8

ZeitNormal

Getriebe

Lösungselemente

Energie-quelle

Energie-speicher

Regler

Motor

Anzeige

Einheit

NetzRadio-

ele-ment

Gravita-tion

Photo-element

galva-nischesElement

hydrau-lische

Energie

Tempe-ratur-

schwan-kung

Druck-schwan-

kung

Wärme-aus-

dehnung

Pendel-aufzug

Hand-aufzug

BimetallDruck-gefäß

Akkukein

SpeicherGewicht-speicher

usw.

mecha-nische

Hemmung

Schritt-Schaltwerk

Fliehkraft-regler

Wirbel-strom-bremse

keinRegler

usw.

Netz Quarz

Feder

pneum-atischerMotor

hydrau-lischerMotor

elektro-nischerMotor

Synchron-motor

keinMotor

Bewegl.Zeiger

Zifferblatt

FederhausElektro-motor

s s, mins, min,

Std., Tag

s, min,Std.,

Datum

s, min,Std.

usw.

Zifferblattbewegl.

festeMarke

RollenFenster

Schieberfeste

Marke

Wende-blätter

Projektion Digital

usw.

usw.Flüssig-

keitMagnetSchneckeKettenZahnrad Rollen

usw.

usw.

usw.

nach Boesch


Hennig 04.07.127

Bewerten der prinzipiellen Lösung

Quelle: Pahl/Beitz

Technische Bewertung Wirtschaftliche Bewertung


Hennig 04.07.125

Prinzipielle Lösung

Quelle: Pahl/Beitz


Hennig 04.08.021Arbeitsschritte Entwerfen

Gro

bge

sta

lten

Fe

ing

est

alte

n

Erkennen gestaltungsbestimmender Anforderungen

Klären der räumlichen Bedingungen

Strukturieren in gestaltungsbestimmende Hauptfunktionsträger

Auswählen geeigneter Entwürfe

Grobgestalten weiterer Hauptfunktionsträger

Suchen von Lösungen für Nebenfunktionen

Feingestalten der Hauptfunktionsträger und Vervollständigen dervorläufigen Entwürfe

Feingestalten der Nebenfunktionsträger und Vervollständigen dervorläufigen Entwürfe

Bewerten nach technischen und wirtschaftlichen Kriterien

Optim ierendes und abschließendes Gestalten

Kontrollieren auf Fehler und Störgrößeneinfluß

Vervollständigen durch vorläufige Stückliste, Fertigungs- undMontageanweisungen

Grobgestalten der gestaltungsbestimmenden Hauptfunktionsträger

Festlegen der prinzipiellen Lösung (Konzept)Freigabe zum Gestalten

Information

Definition

Kreation

Beurteilung

Entscheidung

Kreation

Beurteilung

Entscheidung

Ve

rvo

llstä

nd

ige

nu

nd

Ko

ntro

llier

en

En

twer

fen

Festlegen des vorläufigen GesamtentwurfsFreigabe zum abschließenden Gestalten

Festlegen des GesamtentwurfsFreigabe zum Ausarbeiten



Grundregel: Eindeutig Konstruieren

Quelle: Pahl/Beitz

a b c



Grundregel: Einfach Konstruieren

Quelle: Pahl/Beitz



Grundregel: Sicher Konstruieren

Quelle: Pahl/Beitz

schlecht sicherer



Leitlinien des Gestaltens

Funktion Wird die vorgesehene Funktion erfüllt? Welche Nebenfunktionen sind erforderlich?

Hauptmerkmal Beispiele

Quelle: Pahl/Beitz

Wirkprinzip Bringen die gewählten Wirkprinzipien den gewünschten Effekt, Wirkungsgrad und Nutzen? Welche Störungen sind aus dem Prinzip zu erwarten?

Auslegung Garantieren die gewählten Formen und Abmessungen mit dem vorgesehenen Werkstoff bei der festgelegten Gebrauchszeit und unter der auftretenden Belastung ausreichende Haltbarkeit, zulässige Formänderung, genügend Stabilität, genügende Resonanzfreiheit, störungsfreie Ausdehnung, annehmbares Korrosions- und Verschleißverhalten?

Sicherheit Sind die Betriebs-, Arbeits- und Umweltsicherheit beeinflussenden Faktoren berücksichtigt?

Ergonomie Sind die Mensch-Maschine-Beziehungen beachtet? Sind Belastungen, Beanspruchungen und Ermüdung berücksichtigt? Wurde auf gut Formgebung (Design) geachtet?

Fertigung Sind Fertigungsgesichtspunkte in technologischer und wirtschaftlicher Hinsicht berücksichtigt?

Kontrolle Sind die notwendigen Kontrollen während und nach der Fertigung oder zu einem sonst erforderlichen Zeitpunkt möglich und als solche veranlaßt?

Montage Können alle inner- und außerbetrieblichen Montagevorgänge einfach und eindeutig vorgenommen werde?

Transport Sind inner- und außerbetrieblichen Transportbedingungen und -risiken überprüft und berücksichtigt?

Gebrauch Sind alle beim Gebrauch oder Betrieb auftretenden Erscheinungen, wie z.B. Geräsch, Erschütterung, Handhabung in ausreichendem Maße beachtet?

Instandhaltung Sind die für die Wartung, Inspektion und Instandsetzung erforderlichen Maßnahmen in sicherer Weise durchführ- und kontrollierbar?

Recycling Ist Wiederverwendung oder -verwertung ermöglicht worden?

Kosten Sind vorgegebene Kostengrenzen einzuhalten? Entstehen zusätzliche Betriebs- oder Nebenkosten?

Termin Sind die Termine einhaltbar? Gibt es Gestaltungsmöglichkeiten, die die Terminsituation verbessern können?


Meerkamm 04.02.004

Struktur des Konstruktionsprozesses III (VDI 2222)

Optimierte Einzelteile

Gestellte Aufgabe

Geklärte Aufgabe, Anforderungsliste

Gesamtfunktion

Physikalische Wirkprinzipien

Konstruktive Anord-nungen bzw. Lösungsprinzipien und/ oder Bausteine

Teilfunktionen,Funktionsstruktur

Ausgewählte Lösungs-prinzipien und/oder Bausteine

Erster (maßstäblicher Entwurf)

Lösungskonzept

Konzeptvarianten

Ausgewählte Prinzipkombinationen

Prinzipkombinationen

Erster Entwurf mit Bewertung

Verbesserter Entwurf

Ausgewählte Gestaltungszonen

Varianten derGestaltungszonen

Optimierte Gestaltungszonen

Bereinigter Entwurf

Ausführungsunterlagen

Klären der Aufgabenstellung und Ausarbeiten der Anforderungsliste

Abstrahieren der geforderten Gesamtfunktion

Aufgliedern der Gesamtfunktion in Teilfunktionen und Aufstellen der Funktionsstruktur

a) Suche nach bekannten Lösungsprinzipien und/oder Bausteinen

b1) Suche nach physikalischen Wirkprinzipien (Effekte und Effektketten)

b2) Suche nach konstruktiven Anordnungen (Wirkflächen und Wirkbewegungen)

Auswählen geeigneter Lösungsprinzipien und/oder Bausteine

Kombinieren von Lösungsprinzipien/Bausteinen zum Erfüllen der Gesamtfunktion

Auswählen geeignter Prinzipkombinationen

Erarbeitung von Konzeptvarianten für Prinzipkombinationen

Auswählen des Lösungskonzepts

Erstellen eines ersten(maßstäblichen) Entwurfs

Technisch-wirtschaftliches Bewerten des Entwurfs

Ausmerzen der Schwachstellen und Erstellen eines verbesserten Entwurfs

Auswählen der Gestaltungszonen

Variieren und Optimieren der Gestaltungszonen

Auswählen der günstigen Lösungen für die Gestaltungszonen

Festlegen des bereinigten Entwurfs

Gestalten und Optimieren der Einzelteile

Ausarbeiten und Prüfen der Ausführungsunterlagen (Zeichnungen, Stücklisten)

Suche nach bekannten Lösungsprinzipien und/oder Bausteinen zum Erfüllen der Teilfunktionen:

Ausführungs.-unterlagen

Einzelteile

BereinigterEntwurf

VerbesserterEntwurf

Erster Entwurf

Konzeptvarianten undLösungskonzept

Prinzip-kombinationen

Lösungs-prinzipien

Funktionsstruktur

Aufgaben-stellung

KONZIPIEREN(Aufgabenklärung,Funktionsfindung,Prinziperarbeitung)

ENTWERFEN(Gestaltung)

AUSARBEITUNG(Detailierung)

Hauptschritte Ergebnisse der Tätigkeit Ablaufdiagram Einzelschritte und Tätigkeiten des Konstruierens Arbeitsschritte


Hennig 04.09.022

Vorgehensplan Ausarbeiten

Quelle: Pahl/Beitz

Detaillieren und Festlegen von EinzelheitenErarbeiten der Einzelteil-Zeichnungen

Zusammenfassen durch Erarbeiten von Gruppen-Zeichnungenund einer Gesamt-Zeichnung sowie von Stücklisten

Vervollständigen der Fertigungsunterlagen durch Fertigungs-, Montage- und Transportvorschriften sowie Betriebsanleitungen

Kreation

Kontrolle

Entscheidung

Aus

arb

eite

n

Festlegen des endgültigen EntwurfsFreigabe zum Ausarbeiten

Festlegen ProduktdokumentationFreigabe zum Feritgen

Prüfen der Fertigungsunterlagen auf Normenanwendung,Vollständigkeit, Richtigkeit Kontrolle






• Beispiel

Schön 00.03.005


Anforderungsliste für Positioniergerät

Rasten des Gerätes beiden Positionen bis

Anschlussfläche immer parallel zur y-z-Ebene

Durchlaufen des Zyklusses - -

ca. 200 mal pro Stunde

ausreichende Positioniergenauigkeit muss erreichbar sein

geplante Stückzahl: 2

Abschluss der gesamten Konstruktion innerhalb von 4 (Mann-)Monaten

M. Koch 40.01.001

Bohrmuster für Flansch

Rastpunkte

Winkel am Antriebfür Rastposition

Erforderliche Kraftaufnahme


Momentleiten

Winkel-informationenaufnehmen

Richtungs-informationenaufnehmen

Moment inKraft

wandeln

Kraft teilenin zwei

Komponenten

transitorischeBewegungen

erzeugen

Bewegungengetrennt

leiten

Bewegungenüberlagern

Rastenausführen

Rastenaufheben

Signalaufnehmen

Signalwandeln

Signal-zustand

speichern

Signaleverknüpfen

Entwicklung der Teilfunktionen

Produkte auf definiertePosition bringen

Energie undInformationen

aufnehmen

rotatorische Energiein translatorischeEnergie wandeln

Energie inBewegungwandeln

System beierreichter Position

festsetzen

Momentund Winkel

„aufnehmen“

Moment inKraft

wandeln

Kräfte inBewegungwandeln

Bewegungüberlagern

Rastenausführen

Rastenaufheben

Signaleverarbeiten

M. Koch 40.01.002


M. Koch 40.01.003

Funktionsstruktur

Moment/Winkel

aufnehmen

Richtung(vorzeichen)feststellen

Rasten

Signalwandeln

Signalaufnehmen

Produktbearbeiten

Produktbearbeiten

Rastenaufheben

Produktwird

bewegt

Signalaufnehmen

Signal-zustand

speichern

ST

E

E

EMomentin Kraftwandeln

translat.Bewegungerzeugen

Kraftteilen

translat.Bewegungerzeugen

Bewegungleiten

Wirkflächebewegen

Produktbewegen

Signaleverknüpfen

Signal-zustand

speichernBewegungleiten

ST

E

ST ST

ST ST

Si

Si Signal

E Energie

ST Stoff


Morphologischer Kasten I

Winkelaufnehmen

Richtung(Vorzeichen)

feststellen

Moment inKraft wandeln

Kraft teilen in zweiKomponenten

(X und Y)

translatorischeBewegungerzeugen

Bewegungengetrennt

leiten

2

3

4

5

6

7

Moment leiten154321

Lösungen

Tei

lfunk

tione

n

Welle

elektr.Sensor

optischerSensor

elektr.Sensor

RechnerSteuereinheit Getriebe

Druck-leitungs-system

Knie-hebel

magnetischer Sensor induktiver Sensor optischer Sensor

induktiver Sensormagnetischer Sensor

Effekt: Momentensatz Effekt: Reibung Effekt: Keileffekt

Kurbel Hülltrieb Gewinde Zahnrad /Zahnstange

Effekt: Hebel

Druckteiler

Effekt: Hydraulik Effekt: Mechanik

Kolben

Effekt: Kontinuitäts-gleichung Effekt: Mechanik Effekt: Mechanik

Kurvengetriebe Kurbelgetriebe Linearmotor

Getriebe

Effekt: Hebelgesetz Effekt: Hydraulik Effekt: Mechanik

M. Koch 40.01.004


Morphologischer Kasten II

9

10

11

12

13

14

Bewegungenüberlagern(Wirkflächebewegen)

8

54321Lösungen

Tei

lfunk

tione

nRasten

Rasten aufheben

Signal aufnehmen

Signal wandeln

Signalzustandspeichern

Signaleverknüpfen

Getriebe

Effekt: Hebelgesetz

Achse

Verbindungselement

Permanent-magnet

Elektromagnet

lösen / aktivieren

Bolzen

Energie-niveaumini-

mierenGleichgewichtslage

Rastsperre

Effekt: Mechanik

Bolzenentfernen

Rast-sperre

entfernen

kinetischeEnergiezuführen

mecha-nischeKraft

elektrischerImpuls

elektr.Impuls

Stoffstrom

Flip-Flop

Prinzip Mechanik

Stoffstrom BewegungEffekt: Hydraulik Effekt: Pneumatik Effekt: Mechanik

Rechner(Speicher)

Druck-speicher

elektr.Schaltung

Effekt: Hydraulik

Rechner(I/O)

Getriebe

Druck-überla-gerung

Druck-überla-gerung

Effekt: Hydraulik Effekt: Pneumatik

Elektromagnet

lösen / archivieren

M. Koch 40.01.005


Bewertung und Auswahl

Konflikt mit der Anforderungsliste

M. Koch 40.01.006


Kinematik- und KinetiksimulationM. Koch 40.01.007


Entwurf einzelner Teile

Grundgestell Wagen mit Flanschfläche

M. Koch 40.01.008


Getriebeauslegung

- Standardsteigung derAntriebsspindel von 50mmpro Umdrehung gewählt

- Entfernung zwischen denPositionen: 194,5 mm

- Laut Anforderung sollendie Positionen über denAntrieb durch 35 GradUmdrehungen erreichtwerden (0,097 Umdrehungen)

- Damit wird ein Übersetzungs-verhältnis von 1:40 benötigt

M. Koch 40.01.009


Detaillierung des AntriebsstrangsM. Koch 40.01.010


Drehmomentberechnung

)tan(2

2 d

FT

Formel für Drehmomentbei Schraubenlinien

2d

p

F

2

arctand

p

2cos

arctan

Flankendurchmesser

Steigungswinkel

Steigung

Reibwert

Flankenwinkel

Kraft aus MKS

27 mm

Reibungswinkel

30,52°

50 mm

6,587°

0,1

60°

340 N

4 Nm

Getriebestufe ÜbersetzungMoment

I

II

III

IV

4:1

2,5:1

4:1

40 Nm

160 Nm

16 Nm

Laut Herstellerangaben ist dasGetriebe für diese Belastungenausgelegt

M. Koch 40.01.011


DetailentwurfM. Koch 40.01.012


FEM-Analyse VernetzungM. Koch 40.01.013


FEM-Analyse WagenunterteilM. Koch 40.01.014


FEM-Analyse Formänderung der SchieneM. Koch 40.01.015

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LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Interdisziplinäre Entwicklung verläßlicher