ISBN: 3540671420
TITLE: Konstruieren mit Konstruktionskatalogen
AUTHOR: Roth, Karlheinz
TOC:

1 Vorteile Konstruktionsmethodischen Vorgehens 1
1.1 Zielsetzung (S) (note) 1
1.2 Die Methode der Effektvariation bei erkannten Teilfunktionen (S) 2
1.2.1 Durchfhrung der Abstraktion 5
1.2.2 Durchfhrung der Konkretisierung 5
1.2.3 Methode der Variation aller Teilfunktionen mit dem Morphologischen Kasten 5
1.3 Lsungssammlungen und Konstruktionskataloge fr das methodische Konstruieren (S) 12
1.4 Rationelles Arbeiten mit dem Morphologischen Kasten 12
1.5 Schrifttum 15
2 Allgemeine Grundlagen der Konstruktionslehre 17
2.1 Die drei Allgemeinen Gren der Konstruktionslehre (S) 17
2.2 Ablaufplan fr das methodische Konstruieren 23
2.2.1 Ablaufplan fr das Algorithmische Auswahlverfahren zur Konstruktion mit Katalogen (S) 24
2.2.1.1 Aufgabenformulierungsphase 25
2.2.1.2 Funktionelle Phase 26
2.2.1.3 Prinzipielle Phase 26
2.2.1.4 Gestaltende Phase 29
2.2.1.5 Auswirkung von Entscheidungen in einzelnen Phasen 30
2.2.1.6 berspringen von Konstruktionsphasen 32
2.2.1.7 Einfgen des Konstruktionsablaufs in ein bergeordnetes Vorgehenssystem 32
2.2.1.8 Unterteilung des Ablaufplanes in die Arbeitsabschnitte 1-7: 33
Arbeitsabschnitt 1 (Aufgabenstellung) 33
Arbeitsabschnitt 2 (Funktionen) 33
Arbeitsabschnitt 3.1 (Prinziplsungen mit Effekten) 35
Arbeitsabschnitt 3.2 (Prinziplsungen mit Gestaltelementen) 35
Arbeitsabschnitt 4 (Gestalt-Module) 36
Arbeitsabschnitt 5 (Gestalten magebender Module) 36
Arbeitsabschnitt 6 (Gesamtentwurf) 36
Arbeitsabschnitt 7 Detaillierung, Produktdokumentation) 36
2.2.2 Variabler Ablaufplan 37
2.2.2.1 Konstruktionsarten 39
2.2.2.2 Beispiel fr die Lsungsmglichkeiten beim Einstieg in verschiedene Konstruktionsphasen 40
2.2.2.3 Vergleich mit anderen Ablaufplnen 42
2.2.3 Einflu der Vernetzung von Funktions- und Baustrukturen auf die Vorgehensweise 45
2.2.4 Mgliche Vorgehensweisen bei Vereinigung mehrerer Arbeitsabschnitte, Vorgehens-Strategien I-VI (S) 47
2.2.5 Eine effektive Variantenerzeugungs- und Variantenauswahl-Methode fr verschiedene Vorgehens-Strategien (S) 49
2.3 Schrifttum 50
3 Methodisches Formulieren der Aufgabenstellung 53
3.1 Produktdarstellende Modelle fr die Phasenabschnitte des Ablaufplans (S) 54
3.2 Hilfen zur Aufgabenformulierung (S) 57
3.2.1 Die Aufgabenstellung (S) 58
3.2.2 Der Hauptaufgabensatz (S) 59
3.2.3 Die Anforderungsliste (S) 64
3.2.4 Verfahren zur Aufstellung von Anforderungslisten 66
3.2.4.1 Produktfrageliste (Anforderungsliste I) 66
3.2.4.2 Analyse der Produktumgebung (Anforderungsliste II) 67
3.2.4.3 Analyse der Lebenslauf-Phasen des Produkts (Anforderungsliste IB) 69
3.3 Schrifttum 80
4 Methodisches Ermitteln der Funktionen und der Funktionsstrukturen 81
4.1 Soll-Funktionen und Funktionsstrukturen 81
4.2 Gesamtfunktions-Modell 81
4.3 Die Allgemeinen Funktionen, die Allgemeine Funktionsstruktur AFS 81
4.3.1 Darstellungsmglichkeit aller technischen Systeme mit Allgemeinen Funktionen(S) 83
4.3.2 Elementare Funktionseinheit (S) 85
4.3.3 Beziehungen der Allgemeinen Gren 88
4.3.3.1 Trgerfunktion 88
4.3.3.2 Allgemeine Gren als Ein- und Ausgangsgren des Systems 88
4.3.3.3 Allgemeine Gren als aktive Gren zur Erzeugung technischer Gebilde 88
4.3.4 Arbeiten mit Allgemeinen Funktionen (S) 88
4.3.5 Erweiterter Gltigkeitsbereich der Allgemeinen Funktionsstruktur fr alle Funktionseinheiten mit hnlichen Aufgaben 90
4.3.6 Variationsmglichkeiten der Allgemeinen Funktionsstruktur 92
4.4 Verschiedene Funktionsstrukturen 92
4.4.1 Das Allgemeine Flubild fr Stoff, Energie und Information 92
4.4.2 Die Intensitts-, Quantittsgren-Funktionsstruktur IQF (S) 94
4.4.3 Gesamtfunktions-Element 94
4.5 Verschiedene Funktionsstrukturen, bergang der Soll-Funktionen 94
4.6 Das Logische Getriebe-Modell, Logische Funktionsstrukturen (S) 96
4.6.1 Allgemeine Einsatzvoraussetzungen (S) 96
4.6.2 Logische kombinatorische Funktionen und Getriebe 97
4.6.2.1 Logische kombinatorische Funktionen (S) 98
4.6.2.2 Logische kombinatorische Getriebe 99
4.6.3 Logische sequentielle Funktionen und Getriebe (S) 100
4.7 Beispiele fr logische Gesetzmigkeiten und Funktionsstrukturen 102
4.8 Schrifttum 106
5 Physikalische Realisierung der Funktionen und methodisches Entwerfen der Lsungsprinzipien 107
5.1 Das "Funktions-Effektgesetz" 107
5.2 Mgliches Vorgehen in der Prinzipiellen Phase (S ) 107
5.3 Entwickeln des Lsungsprinzips von der Allgemeinen Funktionsstruktur ausgehend 111
5.4 Entwickeln des Lsungsprinzips, von Quantittsgren ausgehend (S) 111
5.5 Realisieren des Lsungsprinzips mit der Speziellen Funktionsstruktur (S) 113
5.5.1 Die Funktionsgren-Matrix (S) 114
5.5.2 Sammlung physikalischer funktioneller Zusammenhnge 117
5.5.3 Schrifttum zu den physikalischen Gleichungen im Bild 5.8 135
5.6 Entwickeln von Lsungsprinzipen mit der Logischen Funktionsstruktur 136
5.6.1 Mechanische Prinzipien zur Realisierung Logischer Funktionen 136
5.6.2 Logische, mechanische Getriebeprinzipien (S) 136
5.6.3 Mechanische RS-Kippglieder (RS-Flipflops) 138
5.6.4 Mechanische bistabile T-Kippglieder (T-Flipflops) 139
5.6.5 Mechanismen fr Logische Funktionen (S) 140
5.6.6 Beispiel fr die Entwicklung eines mechanischen logischen Getriebes (Autotr-Kindersicherung) 144
5.7 Schriftum 149
6 Methodisches Konstruieren der Gestalt 150
6.1 Von der Wirkstruktur zur Krperkontur 150
6.1.1 Mgliche Vernderungen 150
6.1.2 Konturausbildung 150
6.1.3 Querschnittsausbildung 152
6.1.4 Regeln fr die Querschnittsdimensionierung 154
6.1.5 Prinzipien gnstiger Kraftleitung (S) 154
6.1.5.1 Kraftversetzung 154
6.1.5.2 Kraft versetzen beim Stabwerk 157
6.1.5.3 Krfte beim virtuellen "Stabwerk" innerhalb der Teilekontur 158
6.1.5.4 Leichte Konstruktionen durch Vermeiden von Biegebeanspruchungen 164
6.1.5.5 Starrheit bei Netzen, Stabkrpern und Sttzkrften 164
6.1.5.6 Kraftfluverdichtung 164
6.2 Struktur- und Gestaltoptimierung mit Hilfe verschiedener Vorgehensmethoden 166
6.2.1 Variieren (S) 166
6.2.1.1 Definition 166
6.2.1.2 Erluterung 166
6.2.1.3 Variationen der Krperausbildung 167
6.2.1.4 Variation der Anordnung 167
6.2.2 Abstrahieren und Konkretisieren (S) 170
6.2.2.1 Definition 170
6.2.2.2 Theoretisches Beispiel mit Venn-Diagramm 170
6.2.2.3 Praktisches Beispiel fr feste Verbindungen 170
6.2.2.4 Konkretisieren 171
6.2.2.5 Methode; Abstrahieren und Konkretisieren 171
6.2.3 Iterieren (S) 171
6.2.3.1 Anwenden beim Konstruieren 171
6.2.3.2 Definition 171
6.2.3.3 Beispiel 172
6.2.4 Betrachtungsfeld ndern 174
6.2.4.1 Begrndung 174
6.2.4.2 Definition 174
6.2.4.3 Beispiel 174
6.2.5 Gliedern in Bauteile (S) 175
6.2.5.1 Notwendigkeit 175
6.2.5.2 Beispiel 176
6.2.6 Symmetrische Bauweisen (S) 176
6.2.6.1 Zweck der Ausfhrungen 176
6.2.6.2 Symmetrie, Symmetrielage, Symmetrieoperation 177
6.2.6.3 Ausfhrung von Symmetrieoperationen 177
6.2.6.4 Inverse Symmetrieoperationen 180
6.2.6.5 Symmetrieanwendung beim methodischen Konstruieren 180
6.2.6.6 Symmetrie und Redundanz 180
6.2.6.7 Symmetrie bei Kraftbertragungen 182
6.2.6.8 Symmetrien bei wichtigen Elementenpaarungen 182
6.2.6.9 Symmetrien bei festen Verbindungen 182
6.2.6.10 Symmetrie. Asymmetrie 182
6.2.6.11 Stab-, Streifen-und Netzsymmetrien 183
6.2.6.12 Symmetrien durch Streckung 183
6.2.6.13 Symmetriegruppen 183
6.2.6.14 Gruppentafel, konjugierte Klassen 185
6.2.6.15 Symmetrie und Komplexitt (S) 185
1. Die Komplexitt der geometrischen Form von Teilen 186
2. Maangaben und Operationen zur Darstellung technischer Teile 187
3. Symmetrie als Ma fr die Regelmigkeiten von Krpern 190
4. Verhltnis von Symmetrie und Komplexitt 190
6.2.7 Beachtung von Konstruktionsregeln 195
6.2.7.1 Einordnung in den Konstruktionsablauf 195
6.2.7.2 Gebrauch der Regeln 195
6.2.7.3 Gltigkeit der Regeln 196
6.3 Funktions- und gestaltungsgerechtes Konstruieren (S) 196
6.3.1 "Gerechtes" Konstruieren 196
6.3.2 Funktionsgerechtes Konstruieren 196
6.3.3 Gestalt- und designgerechtes Konstruieren (S) 198
6.3.3.1 Designgerecht 198
6.3.3.2 Ergonomiegerecht 198
6.3.3.3 Regeln fr das gestaltgerechte Konstruieren im Bereich des Industrial Design 200
6.3.4 Wirkanordnungs- und Gestaltanordnungsgerechtes Konstruieren 201
6.3.4.1 Wirkstruktur-Anordnung 201
6.3.4.2 Anbindung der Wirkflchen 202
6.3.4.3 bergangsformen, Wirkflche, Wirkraum (S) 203
6.3.4.4 Beurteilung der Wirkflchenanbindungsformen 203
6.3.4.5 Wirkraumgestaltung (S) 205
6.3.5 Gestaltungsgerecht Konstruieren fr Montierbarkeit (S) 205
6.3.6 Gestaltungsgerecht Konstruieren bezglich der menschlichen Sicherheit (S) 206
6.3.7 Fertigungs- und toleranzgerecht Konstruieren 206
6.3.7.1 Giegerechtes Konstruieren 209
6.3.7.2 Umformgerechtes Konstruieren 212
1. Allgemein 212
2. Die Verfahren der Untergruppen des Umformens 214
3. Konstruktionsregeln fr Schneiden und Fliepressen 216
4. Konstruktionsregeln fr Blechumformen 216
6.3.7.3 Konstruktionsregeln fr spannungsgerechtes Konstruieren 216
1. Konstruktionsregeln fr Bohren, Drehen, Frsen 220
2. Konstruktionsregeln fr schleifgerechte Werkstckgestaltung 220
6.3.7.4 Fgegerechtes Konstruieren 220
1. Allgemeines 220
2. Die Verfahren der Untergruppen des Fgens (Auflegen, Schweien, Weben usw.) (S) 221
3. Auswahl fgegnstiger Verbindungen 226
6.3.7.5 Recyclinggerecht Konstruieren (S) 226
1. Zunehmende Bedeutung geschlossener Wiederverwertungs-Kreislufe 226
2. Ein Recyclingmodell 227
3. Demontagefreundliche Verbindungen 230
4. Wichtige Recyclingverfahren 230
5. Recyclingformen 232
6. Wichtige Verfahren zur Aufbereitung von Abfall- bzw. Altstoffrecycling 232
7. Regeln zum recyclinggerechten Konstruieren 233
6.4 Funktionsintegration und Funktionstrennung (S) 234
6.4.1 Mgliche Arten der Funktionsintegration 237
6.4.2 Beispiele fr die verschiedenen Arten der Funktionsintegration 242
6.4.3 Systematisches Vorgehen bei der Funktionsintegration (S) 245
6.4.4 Funktionstrennung (S) 247
6.5 Schrifttum 249
7 Aufbau von Maschinen, Gerten und Apparaten 252
7.1 Die besonderen Aufgaben der drei Allgemeinen Gren, Stoff, Energie, Information bei technischen Systemen 252
7.2 Zusammensetzung aus Funktionsteilen und Funktionseinheiten 253
7.3 Die Maschinenelemente (S) 253
7.3.1 Vielfachfunktionen der einteiligen Maschinenelemente 253
7.3.2 Funktionen mehrteiliger Maschinenelemente 255
7.3.3 Fhrungen(S ) 255
7.3.4 Die Zusammensetzung von Maschinen aus Wirkelementen, Maschinenelementen und Funktionseinheiten 259
7.3.5 Der grundstzliche Funktionsaufbau von Maschinen 259
7.3.5.1 Aktive, passive Maschinensysteme 259
7.3.5.2 Aufbau der Stoff, Energie und Information umsetzenden technischen Systeme (S) 260
7.3.5.3 Aufgliedern komplexer Einheiten (Maschinen) in einfache Einheiten 263
7.4 Grennderung von Teilen und Maschinen, Auswirkung der Modellgesetze (S) 265
7.4.1 Bedeutung der Grennderung 265
7.4.2 Modellgesetze 265
7.4.2.1 Statische hnlichkeit (Beispiel: Knicklast der Hauptausfhrung) 267
7.4.2.2 Dynamische hnlichkeit (Newton, Froude, Cauchy) 268
7.4.3 Physikalisch-technische Zusammenhnge bei Vernderung der absoluten Lngenmae (S) 270
7.4.3.1 Lngen-, Rauminhalt- und Massenverhltnis 270
7.4.3.2 Oberflchen-Rauminhaltsverhltnis, allgemein (S) 272
1. Auswirkungen von Abmessungsnderungen bei Maschinen und Lebewesen 272
2. Auswirkungen von Abmessungsnderungen auf Einzelteile (bezglich Oberflche, Volumen, Trgheitsmoment usw.) 274
7.4.3.3 Das Oberflchen-Rauminhaltverhltnis von Quader, Zylinder und Kugel (S) 277
1. Bei gleichen Magren fr die Vergleichskrper 277
2. Bei gleichgroen Rauminhalten der Vergleichskrper 280
7.4.3.4 Oberflchen-Rauminhaltverhltnis bei vernderlichen Krpermaen von Quader, Zylinder und Kugel 280
1. Oberflchen-Rauminhaltverhltnis A/V, abhngig von den Krpermaen, konstanten Rauminhalten der Oberflchen bei Quader und Zylinder 280
2. Oberflchen-Rauminhaltverhltnis A/V bei konstanten Rauminhalten 281
3. Oberflchen-Rauminhaltverhltnis A/V bei konstanten Oberflchen 283
7.4.3.5 Durchbiegeverhltnis von Teilen bei partieller Verkleinerung der Abmessungen 285
7.4.3.6 Das Toleranz-Lngenverhltnis bei Abmessungsnderungen(S) 289
7.4.3.7 Ermitteln der Laufgeschwindigkeit von Dinosauriern mit Hilfe der Froudeschen hnlichkeitsbetrachtungen 292
7.5 Aufbau von Gerten mit zentraler Steuerung (S) 295
7.5.1 Oberflchen von Gerten 295
7.5.2 Einteilung der Gertetypen 296
7.5.3 Mechanische Anzeigeelemente und Sensoren 297
7.5.4 Besondere Bedeutung mechanischer Bedienelemente 298
7.5.5 Sondergetriebe in mechanischen Aktoren 300
7.6 Schrifttum 300
8 Neue Modelle zur rechneruntersttzten und zur methodischen Vorgehensweise 301
8.1 Gegenberstellung der Elemente fr Funktionsstrukturen 301
8.2 Die Vektorielle Funktionsstruktur 303
8.2.1 Festlegungen fr Vektorielle Funktionselemente 304
8.2.2 Verknpfungen Vektorieller Funktionselemente 306
8.2.2.1 Verknpfung von Krften und Momenten 306
8.2.2.2 Verknpfung von Geschwindigkeiten 306
8.2.3 Verknpfungen von kombinierten Ein- und Zweipunktgren 310
8.3 Erzeugen von Spannungsringen, Spannungssegmenten und Kraftfeldanordnungen (S) 312
8.3.1 Das Erzeugen und Aufrechterhalten von Kraftwirkungen 312
8.3.2 Der Spannungsring und seine fr die Konstruktion wichtigen Eigenschaften (Stze)(S) 315
8.3.3 Spannungsringe und Spannungssegmente 317
8.3.3.1 Aufbau der Spannungsringe und Spannungssegmente 317
8.3.3.2 Arten von Spannungsringen und Spannungssegmenten 319
8.3.3.3 Drei Betriebszustnde von Getriebeketten (S) 325
8.3.3.4 Praktische Beispiele fr Getriebeanordnungen 326
8.3.4 Statische elastische Spannungsringe 327
8.3.5 Laden, Geladenhalten und Entladen der Spannungsringspeicher 334
8.4 Die Geometrische Funktionsstruktur 336
8.4.1 Eigenart und Zweck (S) 336
8.4.2 Die Elemente der Geometrischen Funktionsstruktur 337
8.4.2.1 Wirkraum-Funktionen (S) 337
8.4.2.2 Wirkflchenpaar-Funktionen 339
8.4.2.3 Quellenelemente 343
8.4.2.4 Feldelemente 343
8.4.3 Operationen mit Struktur-Funktions-Elementen 344
8.4.3.1 Das Variieren 344
8.4.3.2 Das Verbinden (S) 344
8.4.3.3 Das Trennen (S) 344
8.4.3.4 Das Zusammenfassen 348
8.4.3.5 Das Unterteilen 348
8.4.3.6 Beispiele fr Operationen (S) 348
8.4.3.7 Zusammensetzen mit Elementenpaarungen bzw. Gelenken 350
8.4.4 Zusammensetzen der Elemente zu technischen Gebilden und Maschinen-Elementen (S) 352
8.4.4.1 Rckgriff auf funktionelle Gestaltstrukturen (S) 355
8.4.4.2 Geschlossene ebene Ketten 258
8.4.5 bergang von der Struktur- zur Konturdarstellung statischer Gebilde mit Struktur-Funktions-Elementen (S) 363
8.4.6 Konstruieren mit Vektoriellen und Geometrischen Funktionsstruktur 367
8.5 Konstruieren mit Schaltsymbolen (Vorgehens-Strategien) (S) 370
8.5.1 Anwendung fr bestimmte Konstruktionsarten 370
8.5.2 Festlegung der Konstruktions-Strategie durch Anwendung bestimmter Schaltsymbole 371
8.5.2.1 Schaltzeichen 371
8.5.2.2 Informationsumsetzung 371
8.5.2.3 Energieumsetzung 372
8.5.24 Gleichzeitiger Stoff- und Energieumsatz 374
8.5.2.5 Vorgehens-Strategien und Produktarten (S) 375
8.5.3 bergang von Vorgehens-Strategie IV zu Strategie I 375
8.5.3.1 Festlegen der Funktion 375
8.5.3.2 Finden der Effekte 375
8.5.3.3 Suche nach Gestalt-Lsungsprinzipien 376
8.5.3.4 Endgltige Gestaltfindung 376
8.5.4 Die Schaltzeichen als Produkt-Modelle fr den Konstruktionsablauf 378
8.6 Beispiele fr den Einsatz verschiedener Vorgehens-Strategien(S) 378
8.6.1 Beispiel: Entwickeln eines neuen Wagenhebers (Vorgehens-Strategie 1) 380
8.6.2 Entwickeln von Produkten mit Vorgehens-Strategien II bis VI 383
8.6.2.1 Vorgeben nach Strategie II (Maschinenbau) (S) 383
8.6.2.2 Vorgehen nach Strategie III (Elektrotechnik) 384
8.6.2.3 Vorgehen nach Strategie IV (Fluidtechnik) 384
8.6.2.4 Vorgehen nach Strategie V (Mikrotechnik, Makrotechnik, Maschinenbau) 384
8.6.2.5 Vorgehen nach Strategie VI (alle Techniken) 385
8.6.2.6 Wahl der Vorgehens-Strategie (S) 385
8.7 Schrifttum 385
9 Die Theorie der Logischen Schlu-Matrix 387
9.1 Aufbau der logischen Schlu-Matrix (S) 387
9.2 Belegungsmglichkeiten der Schlu-Matrix,Transformationen 388
9.3 Sttzpunkte, Gestaltbestimmung 391
9.4 Bewegungssperrtrug und Bewegungsfreiheit durch Berhrung und Nichtberhrung, Boolesche Kategorien 397
9.5 Logische Operationen mit Schlu-Matrizen 398
9.5.1 Erfllung der Huntingtonschen Axiome durch Elementenpaare 398
9.5.1.1 Kommutativgesetz 398
9.5.1.2 Zwei distributive Gesetze 398
9.5.1.3 Neutrale Elemente 398
9.5.1.4 Existenz eines inversen Elements 400
9.5.2 Die allgemeinen Regeln zur Festlegung "konjunktiver" und "disjunktiver" Verknpfung von Elementenpaarungen 402
9.5.3 Anschauliche Darstellung der Gltigkeit von Booleschen Operationen fr Elementenpaare (S) 403
9.5.4 Logische Verknpfung und Zerlegung von Schlu-Matrizen (S) 404
9.6 Logische Operationen mit Schlu-Matrizen bei groer Teilezahl (S) 406
9.7 Schlu-Matrizen fr gekoppelte Bewegungen 408
9.7.1 Interpretation der Kopplungsschreibweise (S) 408
9.7.2 Die Neigungskopplung 409
9.7.3 Die Schraubkopplung 411
9.7.4 Die Wlzkopplung 412
9.7.5 Die Kopplung der zwanglufig gefhrten Rotation 413
9.8 Verknpfung von Schlu-Matrizen, welche Kopplungsbedingungen enthalten 414
9.8.1 Verknpfung bei den verschiedenen Kopplungsarten 415
9.8.1.1 Verknpfen von Neigungskopplungen 415
9.8.1.2 Verknpfen von Schraubkopplungen 419
9.8.1.3 Verknpfen von Wlzkopplungen 420
9.8.1.4 Verknpfen von Rotationskopplungen 420
9.8.2 Zwanglufige Bewegungen durch Verknpfen gekoppelter Elementenpaarungen 421
9.9 Die Schluarten-Matrix (S) 423
9.9.1 Montage und Sicherung 423
9.9.2 Eigenschaff der Schluarten 424
9.9.3 Die Sicherung der Verbindungen durch Berhrungsschlu (S) 426
9.9.4 Sicherung gegen Demontage durch Kraftschlu 426
9.10 Schrifttum 430
Sachverzeichnis 433
(note) (S): Zur Schnelldurchsicht
END
