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

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1 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. 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

2 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Aufgaben und Auswirkungen der Konstruktion in der Produktentwicklung Die Rolle der Produktentwicklung im Gesamtprozeß Struktur Technischer Systeme Der Konstruktionsprozeß Beispiel Schön

3 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Informationsflüsse im Produktlebenszyklus Rösch Quelle: Pahl/Beitz

4 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Meerkamm Produktentwicklung im Produktlebenszyklus Arbeitsplanung Produktplanung Konstruktion Entsorgung/ Recycling Nutzung Vertrieb Herstellung Planen KonzipierenEntwerfen Ausarbeiten Produktentwicklung

5 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Finkenwirth Kostenverantwortung und Kostenfestlegung 100 % Entwicklung Konstruktion Arbeits- vorbereitung Fertigung Einkauf Material- wirtschaft Verwaltung Vertrieb Werkstoff Oberflächengüte Toleranzen Konstruktionsstunden Fertigungsverfahren Löhne Maschinenauswahl Termine Lieferanten Materialkosten Projektierung Gehälter Selbstkosten 70% 6% 20% 36% 7% 40% 3% 18% Kostenfestlegung Kostenverursachung Quelle: aus VDMA

6 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Meerkamm Rule of Ten Kosten für Fehlerbehebung Sony Corporation Entwicklung Produktionsplanung Prototyp Vorserie Markteinführung Zeitpunkt der Fehlerentdeckung

7 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Rösch 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

8 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Meerkamm D-Zeichnung - 3D-CAD 2D-Schnitt-Zeichnung eines Prüfstandes Zusammenbau Schattiertes 3D-Modell des gleichen Prüfstandes Zusammenbau Quelle: Roland Spieler

9 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Vom Maschinenelement zum fertigen Produkt Finkenwirth Element Aggregat Fahrwerk Karosserie Fahrzeug Komplexität

10 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Löffel 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-Verbindung etc. Beanspruchung stabförmiger Bauteile -Zug- und Druckbeanspruchung -Scherbeanspruchung -Flächenpressung und Lochleibung -Biegebeanspruchung -Torsionsbeanspruchung Hertzsche Pressung (Flächenpressung) Dimensionierung von Maschinenelementen

11 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Meerkamm Methodische Aspekte der Integrierten Produktentwicklung Markt Bedürfnis LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm

12 Schweißen Kleben Montieren Schmieden (Druckumformen) Umformen Stoffeigen- schaft ändern Meerkamm Design for X - Gesamtstruktur Sandguß 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

13 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Aufgaben und Auswirkungen der Konstruktion in der Produktentwicklung Die Rolle der Produktentwicklung im Gesamtprozeß Struktur Technischer Systeme Der Konstruktionsprozeß Beispiel Schön

14 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Rösch Allgemeiner Systembegriff Umwelt System A System 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

15 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Meerkamm Montageorientierte Erzeugnisgliederung Anlage Maschine Aggregat Baugruppe Bauteil Bauelement Maschinen- elemente

16 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Meerkamm Allgemeine Black-Box Darstellung technischer Systeme Technisches SYSTEM (Gesamtfunktion) Restriktionen (Menge, Qualität) Störgrößen (Stoff, Energie, Signal) STOFF (e) ENERGIE (e) SIGNAL (e) STOFF (a) ENERGIE (a) SIGNAL (a) OUTPUTINPUT

17 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Meerkamm a Allgemeine Black-Box Darstellung technischer Systeme Bohrer antreiben Störgrößen: Materialhärte stumpfer Bohrer unsachgemäße Handhabung INPUT: stillstehendes Werkzeug elektrische Energie mechanische Energie Werkstück Randbedingungen: Lochtiefe Drehzahl einstellbar Schlagwerk ein/aus Gewicht, Größe, Farbe Störgrößen: OUTPUT: stillstehendes Werkzeug elektrische Energie mechanische Energie Werkstück rundes Loch durch Energie- wandlung und übertragung bohren rundes Loch erzeugen

18 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Meerkamm Bildung einer Funktionsstruktur durch Aufgliederung Gesamt- funktion EingangAusgang Funktionsgrad n n - 1 n - 2 n - 3 n - 4 Quelle: Pahl/Beitz; VDI 2221

19 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Adunka Allgemeine Funktionen und typische Beispiele Quelle: VDI 2222

20 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Meerkamm Funktionsaufgliederung für die Gesamtfunktion Wäsche waschen Quelle: VDI 2222 Wäsche waschen Wäsche speichern Wasser zuführen Waschmittel und Wasser mischen Lauge speichern Lauge erhitzen Wäsche in Lauge bewegen Lauge ablassen Wäsche spülen Vorgang steuern regeln Wasser zuführen Wäsche in Wasser bewegen Wasser ablassen Vorgang steuern

21 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Meerkamm Funktionsaufgliederung einer Bettfräsmaschine Quelle:Baatz Funktionsträger 4. Grades (Funktionsgruppen) Funktionsträger 3. Grades (Funktionskomplexe) Funktionsträger 2. Grades (Funktionselemente) Funktionsträger 1. Grades (Element. Funktionsträger) Funktionsträger 6. Grades (Einzelmaschinen) Funktionsträger 5. Grades (Funktionshauptgruppen) Schnittgetriebe Übersetzungskomplex Verzahnungselement Evolventenfläche Bettfräsmaschine SteuerungSchmierungWerkzeugantriebWerkstückantriebBettStänderQuerbalken

22 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Aufgaben und Auswirkungen der Konstruktion in der Produktentwicklung Die Rolle der Produktentwicklung im Gesamtprozeß Struktur Technischer Systeme Der Konstruktionsprozeß Beispiel Schön

23 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Adunka Konstruktionsphasen PlanenKonzipieren Entwerfen Ausarbeiten

24 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Rösch Vorgehen bei der Produktplanung nach Ehrlenspiel, VDI 2220 Unternehmens- und Produktpotential ermitteln Unternehmensziel definieren Produktbereiche (Suchfelder) finden und auswählen Produktideen finden und auswählen Anforderungen für die Produktidee definieren, Entwicklungsantrag formulieren Entwicklungsauftrag Neues Produkt? OK? nein Was will das Unternehmen? Was kann das Unternehmen? Was braucht der Markt? Was könnte der Kunde im einzelnen brauchen? Was muß ins Pflichtenheft? Entscheidung durch die Geschäftsleitung

25 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Meerkamm Produkt-Lebensdauerkurve VerlustKosten Umsatz Zeit Gewinn Umsatz, Gewinn Verfallphase Sättigungs- phase Wachstum und Reifephase Einführungs- phase Produktplanung Produktentwicklung Vorbereitung zur Produkteinführung evtl. Wieder- anstieg Quelle: Pahl/Beitz

26 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm FF = Festforderung TF = Tolerierte Forderung Meerkamm Formblatt einer Anforderungsliste Firma: Anforderungsliste Verantw.Anforderung FF TF Änder. Ersetzt Ausgabe vom Identifikation, Klassifikation für: Projekt, Produkt Ausgabe: Änderungsdatum Verantwortlicher

27 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Bachschuster Hauptmerkmale einer Anforderungsliste GeometrieGröße, 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 HauptmerkmalBeispiele Quelle: Pahl/Beitz

28 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Hennig Beispiel einer Anforderungsliste 1. Geometrie: Maße des Prüflings Leiterplatte: Länge = mm Breite = mm Höhe = 0, mm Hauptsächlich verlangte Höhe: Haupthöhe = 1,6 - 2 mm Tunnelhöhe zwischen Grundrasterplatten 120 mm Spannbereich 2 mm (3seitig am Plattenrand) 2. Kinematik: genaueste Positionierung des Prüflings positionierte Prüflinge müssen in Prüfrichtung (Plattennor- male mind. 2 mm verschiebbar sein Rückführung des Prüflings in Transportlage räumlich getrennte Zu- und Abführung Tunnelaufbau minimale Handhabungszeit (so schnell wie möglich) 6. Sicherheit: Schutz des Bedienpersonals 7. Fertigung: Toleranzaddition berücksichtigen 8. Gebrauch: Keine Verunreinigung im Inneren des Prüfsystems Einsatzort: Halle 9. Instandhaltung: Wartungsintervalle > 10 6 Prüfvorgänge 10. Termin: Abgabe der Entwürfe: spätest. Juli 1988 SIEMENS Meßgerätewerk Anforderungsliste für Leiterplatten-PositioniereinrichtungBlatt: 1 Seite:1 Änder.FWFW AnforderungenVerantw. FFWFWFFFFWFFFFWFFFWFWFFFFWFFFFWF Gruppe Langner Ersetzt 1. Ausgabe vom

29 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Meerkamm Struktur des Konstruktionsprozesses I (VDI 2222) HauptschritteErgebnisse der TätigkeitenAblaufdiagramm KONZIPIEREN (Aufgabenklärung, Funktionsfindung, Prinziperarbeitung) AUSARBEITEN (Detaillieren) ENTWERFEN (Gestaltung) Quelle: VDI 2222

30 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Festlegen der prinzipiellen Lösung (Konzept) Freigabe zum Entwerfen Festlegen der Anforderungsliste Freigabe zum Konzipieren Hennig Arbeitsschritte beim Konzipieren Konzipieren 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

31 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Rösch Aufgliederung der Gesamtfunktion in Teilfunktionen 3 Löcher bohren Stoff: Werkstück Energie: elektr./mech. Energie Signal: -120° Teilung für 3 Löcher -Tiefe der Löcher bearbeitetes Werkstück, Späne Wärmeenergie Werkstück positionieren Werkstück spannen Loch bohren Bohrtiefe begrenzen 120° Drehung ausführen Gesamtfunktion Teilfunktion

32 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Hennig Methoden der Lösungsfindung Lösungen Konventionell - Literatur- recherchen - Analyse bekannter od. natürlicher Systeme - Messungen, Modellversuche -... Auswahl und Bewertung - ABC-Analyse - technisch-wirt- schaftliche Bewertung - ökologische Bewertung - Nutzwertanalyse -... Intuitiv - Brainstorming - Methode Delphi-Methode - Synektik - Galerie-Methode Ordnungs- schemata - Morphologischer Kasten - Kataloge -... Diskursiv Innovations- techniken - WOIS - Szenario Technik -... Wertanalyse

33 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Hennig Suche von Wirkprinzipien Quelle: Pahl/Beitz

34 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Meerkamm Funktion: Energie speichern - Unterschiedl. Wirkprinzipien Quelle: Pahl/Beitz Energieart Wirkprinzip mechanischhydraulischelektrischthermisch 1 2 Aufgeheizte Flüssigkeit 3 Strömende Flüssigkeit Magnet (magn. Feld) Überhitzter Dampf 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 auf schiefer Ebene Metallfeder Hydrospeicher a. Blasensp. b. Kolbensp. c. Membransp. (Druckenergie)

35 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm galva- nisches Element Quarz kein Regler Synchron- motor Digital s, min, Std., Datum s, min, Std. Bewegl. Zeiger Zifferblatt Zahnrad Federhaus mecha- nische Hemmung Feder Hand- aufzug Meerkamm Morphologischer Kasten für Uhren Funktionen Zeit Normal Getriebe Lösungselemente Energie- quelle Energie- speicher Regler Motor Anzeige Einheit Netz Radio- ele- ment Gravita- tion Photo- element galva- nisches Element hydrau- lische Energie Tempe- ratur- schwan- kung Druck- schwan- kung Wärme- aus- dehnung Pendel- aufzug Hand- aufzug Bimetall Druck- gefäß Akku kein Speicher Gewicht- speicher usw. mecha- nische Hemmung Schritt- Schaltwerk Fliehkraft- regler Wirbel- strom- bremse kein Regler usw. NetzQuarz Feder pneum- atischer Motor hydrau- lischer Motor elektro- nischer Motor Synchron- motor kein Motor Bewegl. Zeiger Zifferblatt Federhaus Elektro- motor ss, min s, min, Std., Tag s, min, Std., Datum s, min, Std. usw. Zifferblatt bewegl. feste Marke Rollen Fenster Schieber feste Marke Wende- blätter ProjektionDigital usw. Flüssig- keit MagnetSchneckeKettenZahnradRollen usw. nach Boesch

36 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Hennig Bewerten der prinzipiellen Lösung Quelle: Pahl/Beitz Technische BewertungWirtschaftliche Bewertung

37 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Hennig Prinzipielle Lösung Quelle: Pahl/Beitz

38 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Hennig Arbeitsschritte Entwerfen

39 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Bachschuster Grundregel: Eindeutig Konstruieren Quelle: Pahl/Beitz a b c

40 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Bachschuster Grundregel: Einfach Konstruieren Quelle: Pahl/Beitz

41 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Bachschuster Grundregel: Sicher Konstruieren Quelle: Pahl/Beitz schlecht sicherer

42 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Bachschuster Leitlinien des Gestaltens FunktionWird die vorgesehene Funktion erfüllt? Welche Nebenfunktionen sind erforderlich? HauptmerkmalBeispiele Quelle: Pahl/Beitz WirkprinzipBringen die gewählten Wirkprinzipien den gewünschten Effekt, Wirkungsgrad und Nutzen? Welche Störungen sind aus dem Prinzip zu erwarten? AuslegungGarantieren 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? SicherheitSind die Betriebs-, Arbeits- und Umweltsicherheit beeinflussenden Faktoren berücksichtigt? ErgonomieSind die Mensch-Maschine-Beziehungen beachtet? Sind Belastungen, Beanspruchungen und Ermüdung berücksichtigt? Wurde auf gut Formgebung (Design) geachtet? FertigungSind Fertigungsgesichtspunkte in technologischer und wirtschaftlicher Hinsicht berücksichtigt? KontrolleSind die notwendigen Kontrollen während und nach der Fertigung oder zu einem sonst erforderlichen Zeitpunkt möglich und als solche veranlaßt? MontageKönnen alle inner- und außerbetrieblichen Montagevorgänge einfach und eindeutig vorgenommen werde? TransportSind inner- und außerbetrieblichen Transportbedingungen und -risiken überprüft und berücksichtigt? GebrauchSind alle beim Gebrauch oder Betrieb auftretenden Erscheinungen, wie z.B. Geräsch, Erschütterung, Handhabung in ausreichendem Maße beachtet? InstandhaltungSind die für die Wartung, Inspektion und Instandsetzung erforderlichen Maßnahmen in sicherer Weise durchführ- und kontrollierbar? RecyclingIst Wiederverwendung oder -verwertung ermöglicht worden? KostenSind vorgegebene Kostengrenzen einzuhalten? Entstehen zusätzliche Betriebs- oder Nebenkosten? TerminSind die Termine einhaltbar? Gibt es Gestaltungsmöglichkeiten, die die Terminsituation verbessern können?

43 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Meerkamm 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 der Gestaltungszonen 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 b 1 ) Suche nach physikalischen Wirkprinzipien (Effekte und Effektketten) b 2 ) 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 Bereinigter Entwurf Verbesserter Entwurf Erster Entwurf Konzeptvarianten und Lösungskonzept Prinzip- kombinationen Lösungs- prinzipien Funktionsstruktur Aufgaben- stellung KONZIPIEREN (Aufgabenklärung, Funktionsfindung, Prinziperarbeitung) ENTWERFEN (Gestaltung) AUSARBEITUNG (Detailierung) HauptschritteErgebnisse der TätigkeitAblaufdiagramEinzelschritte und Tätigkeiten des KonstruierensArbeitsschritte

44 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Hennig Vorgehensplan Ausarbeiten Quelle: Pahl/Beitz Detaillieren und Festlegen von Einzelheiten Erarbeiten der Einzelteil-Zeichnungen Zusammenfassen durch Erarbeiten von Gruppen-Zeichnungen und einer Gesamt-Zeichnung sowie von Stücklisten Vervollständigen der Fertigungsunterlagen durch Fertigungs-, Montage- und Transportvorschriften sowie Betriebsanleitungen Kreation Kontrolle Entscheidung Ausarbeiten Festlegen des endgültigen Entwurfs Freigabe zum Ausarbeiten Festlegen Produktdokumentation Freigabe zum Feritgen Prüfen der Fertigungsunterlagen auf Normenanwendung, Vollständigkeit, Richtigkeit Kontrolle

45 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Aufgaben und Auswirkungen der Konstruktion in der Produktentwicklung Die Rolle der Produktentwicklung im Gesamtprozeß Struktur Technischer Systeme Der Konstruktionsprozeß Beispiel Schön

46 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Anforderungsliste für Positioniergerät Rasten des Gerätes bei den 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 Bohrmuster für Flansch Rastpunkte Winkel am Antrieb für Rastposition Erforderliche Kraftaufnahme

47 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Moment leiten Winkel- informationen aufnehmen Richtungs- informationen aufnehmen Moment in Kraft wandeln Kraft teilen in zwei Komponenten transitorische Bewegungen erzeugen Bewegungen getrennt leiten Bewegungen überlagern Rasten ausführen Rasten aufheben Signal aufnehmen Signal wandeln Signal- zustand speichern Signale verknüpfen Entwicklung der Teilfunktionen Produkte auf definierte Position bringen Energie und Informationen aufnehmen rotatorische Energie in translatorische Energie wandeln Energie in Bewegung wandeln System bei erreichter Position festsetzen Moment und Winkel aufnehmen Moment in Kraft wandeln Kräfte in Bewegung wandeln Bewegung überlagern Rasten ausführen Rasten aufheben Signale verarbeiten M. Koch

48 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm M. Koch Funktionsstruktur Moment/ Winkel aufnehmen Richtung (vorzeichen) feststellen Rasten Signal wandeln Signal aufnehmen Produkt bearbeiten Rasten aufheben Produkt wird bewegt Signal aufnehmen Signal- zustand speichern ST E E E Moment in Kraft wandeln translat. Bewegung erzeugen Kraft teilen translat. Bewegung erzeugen Bewegung leiten Wirkfläche bewegen Produkt bewegen Signale verknüpfen Signal- zustand speichern Bewegung leiten ST E Si Signal E Energie STStoff

49 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Morphologischer Kasten I Winkel aufnehmen Richtung (Vorzeichen) feststellen Moment in Kraft wandeln Kraft teilen in zwei Komponenten (X und Y) translatorische Bewegung erzeugen Bewegungen getrennt leiten Moment leiten Lösungen Teilfunktionen Welle elektr. Sensor optischer Sensor elektr. Sensor Rechner Steuereinheit Getriebe Druck- leitungs- system Knie- hebel magnetischer Sensor induktiver Sensor optischer Sensor induktiver Sensor magnetischer Sensor Effekt: MomentensatzEffekt: ReibungEffekt: Keileffekt KurbelHülltriebGewindeZahnrad / Zahnstange Effekt: Hebel Druckteiler Effekt: HydraulikEffekt: Mechanik Kolben Effekt: Kontinuitäts- gleichung Effekt: Mechanik Kurvengetriebe Kurbelgetriebe Linearmotor Getriebe Effekt: HebelgesetzEffekt: HydraulikEffekt: Mechanik M. Koch

50 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Morphologischer Kasten II Bewegungen überlagern (Wirkfläche bewegen) Lösungen Teilfunktionen Rasten Rasten aufheben Signal aufnehmen Signal wandeln Signalzustand speichern Signale verknüpfen Getriebe Effekt: Hebelgesetz Achse Verbindungselement Permanent- magnet Elektromagnet lösen / aktivieren Bolzen Energie- niveau mini- mieren Gleichgewichtslage Rastsperre Effekt: Mechanik Bolzen entfernen Rast- sperre entfernen kinetische Energie zuführen mecha- nische Kraft elektrischer Impuls elektr. Impuls Stoffstrom Flip-Flop Prinzip Mechanik Stoffstrom Bewegung Effekt: HydraulikEffekt: PneumatikEffekt: Mechanik Rechner (Speicher) Druck- speicher elektr. Schaltung Effekt: Hydraulik Rechner (I/O) Getriebe Druck- überla- gerung Druck- überla- gerung Effekt: HydraulikEffekt: Pneumatik Elektromagnet lösen / archivieren M. Koch

51 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Bewertung und Auswahl Konflikt mit der Anforderungsliste M. Koch

52 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Kinematik- und Kinetiksimulation M. Koch

53 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Entwurf einzelner Teile Grundgestell Wagen mit Flanschfläche M. Koch

54 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Getriebeauslegung - Standardsteigung der Antriebsspindel von 50mm pro Umdrehung gewählt - Entfernung zwischen den Positionen: 194,5 mm - Laut Anforderung sollen die Positionen über den Antrieb durch 35 Grad Umdrehungen erreicht werden (0,097 Umdrehungen) - Damit wird ein Übersetzungs- verhältnis von 1:40 benötigt M. Koch

55 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Detaillierung des Antriebsstrangs M. Koch

56 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Drehmomentberechnung Formel für Drehmoment bei Schraubenlinien Flankendurchmesser Steigungswinkel Steigung Reibwert Flankenwinkel Kraft aus MKS 27 mm Reibungswinkel 30,52° 50 mm 6,587° 0,1 60° 340 N 4 Nm GetriebestufeÜbersetzungMoment I II III IV 4:1 2,5:1 4:1 40Nm 160Nm 16Nm Laut Herstellerangaben ist das Getriebe für diese Belastungen ausgelegt M. Koch

57 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm Detailentwurf M. Koch

58 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm FEM-Analyse Vernetzung M. Koch

59 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm FEM-Analyse Wagenunterteil M. Koch

60 LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm FEM-Analyse Formänderung der Schiene M. Koch


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