Grundlagen der Konstruktionslehre Methoden und Beispiele für den Maschinenbau und die Gerontik

Transkript

1 Klaus-Jörg Conrad Grundlagen der Konstruktionslehre Methoden und Beispiele für den Maschinenbau und die Gerontik 6., aktualisierte und erweiterte Auflage

2 Fachkenntnisse Inhaltsverzeichnis Konstruktionslehre und Konstruktion Grundlagen des systema tischen Konstruierens Integrierte Produkt entwicklung Konstruktionsphase Planen Konstruktionsphase Konzipieren Konstruktionsphase Entwerfen Konstruktionsphase Ausarbeiten Konstruktion und Kosten Rechnerunterstütztes Konstruieren Anwendungsübungen 10 Übungsaufgaben Aufgabenstellungen Lösungen Grundlagenkenntnisse 11 Werkstoffe Maschinenelemente Literaturverzeichnis Sachwortverzeichnis

3 Paten erter Drehgriff Robuster Kapselschneider Kronkorkenheber

4 Klaus-Jörg Conrad Grundlagen der Konstruktionslehre Methoden und Beispiele für den Maschinenbau und die Gerontik 6., aktualisierte und erweiterte Auflage mit 264 Bildern, 107 Tabellen, zahlreichen Kenntnisfragen und Aufgabenstellungen mit Lösungen

5 Prof. Dipl.-Ing. Klaus-Jörg Conrad Burgdorf Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. ISBN E-Book-ISBN Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung, des Nachdrucks und der Vervielfältigung des Buches oder Teilen daraus, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form (Fotokopie, Mikrofilm oder ein anderes Verfahren), auch nicht für Zwecke der Unterrichtsgestaltung, reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. Einbandbild/Bild Seite2: Autor/Screwpull by Le Creuset, Schutzvermerke: Gerontik : Prof. Klaus-Jörg Conrad Gerontotechnik : GGT Deutsche Gesellschaft für Gerontotechnik mbh Iserlohn Mindjet MindManager : Dagmar Herzog 2013 Carl Hanser Verlag München Lektorat: Jochen Horn Herstellung: Katrin Wulst Satz: Kösel, Krugzell Druck und Bindung: Friedrich Pustet KG, Regensburg Printed in Germany

6 Vorwort Die 6., aktualisierte und erweiterte Auflage enthält die bewährten Grundlagen, Methoden und Anwendungen der branchenunabhängigen Konstruktionsmethodik. Der Einstieg beginnt mit der Erklärung der üblichen Begriffe im Konstruktionsbereich, die für das Verständnis und in der Praxis erforderlich sind. Es folgt ein Vergleich der Tätigkeiten der Konstruktionsübungen mit denen des methodischen Konstruierens, um zu zeigen, wie vorhandene Kenntnisse zu erweitern sind. Ein bekanntes Beispiel zeigt die Bedeutung des methodischen Konstruierens, bevor die Grundlagen des systematischen Konstruierens behandelt werden. Die notwendigen Grundlagen zum methodischen Konstruieren sind in den ersten Kapiteln enthalten. Die Behandlung der vier Konstruktionsphasen erfolgt nach den bewährten Regeln und Richtlinien mit einigen neuen Hilfsmitteln, die aus den praktischen Anwendungen entwickelt wurden. Die besondere Bedeutung der Stücklisten, der Nummernsysteme, der Sachmerkmale, der Kostenfestlegung in der Konstruktion und der Qualitätssicherung während der Produktentwicklung wird beschrieben und mit Beispielen erklärt. Die Beschreibung der Grundlagen der Gerontik in der Konstruktionslehre soll das Interesse auf dieses besondere Fachgebiet lenken, da einer der Schwerpunkte darin besteht, die Technik für alle Menschen zu nutzen. Das neue Fachgebiet Gerontik ist Fachleuten unter anderen Bezeichnungen mit anderen Schwerpunkten seit einigen Jahren bekannt, hat aber bisher in der Gesellschaft nicht die notwendige Beachtung gefunden. Die Gerontik stellt die Menschen in den Mittelpunkt und liefert die Kenntnisse für Produkteigenschaften, die den Erfahrungen, Fähigkeiten und Fertigkeiten der Menschen entsprechen. Dabei wird keine altersabhängige Verbrauchergruppe bevorzugt, sondern eine Produktentwicklung angestrebt, die sowohl älteren als auch jüngeren Menschen gefällt, weil Funktionen, Benutzung und gutes Aussehen die Produkte auszeichnen. Die Kapitel der Konstruktionslehre werden deshalb so erweitert, dass die erforderlichen Kenntnisse der Gerontik für die Konstruktion enthalten sind. Das umfasst neben den Begriffsklärungen auch die notwendigen Erläuterungen der Erkenntnisse und Hinweise auf bewährte Anwendungen sowie Beispiele. Dazu gehört natürlich auch die interdisziplinäre Zusammenarbeit von Konstrukteuren, Designern, Ergonomen und weiteren Fachexperten je nach den Anforderungen an neue Gerontik-Produkte. Damit sind zum ersten Mal die Grundlagen für die Konstruktion von Gerontik-Produkten in einem Konstruktionslehre-Lehrbuch enthalten. Sie sind sowohl für die Ingenieuraus bildung als auch für die Konstruktionspraxis geeignet. Die Erfahrungen des Autors in der Praxis im Werkzeugmaschinenbau vor den 25 Jahren Lehre an der Fachhochschule Hannover und Aktivitäten in der Industrie bei der Betreuung von Projekten und Diplomarbeiten haben ebenfalls bewirkt, sehr gute Erkenntnisse und

7 6 Vorwort Anregungen für die ständige Aktualisierung der Konstruktionslehre sowie eine praxisgerechte Darstellung des Stoffes umzusetzen. Auch die vielen guten Hinweise und Anregungen der Fachkollegen, die eine Stellungnahme zu diesem Buch abgegeben haben, konnten berücksichtigt werden. Für diese Unterstützung möchte ich mich besonders bedanken. Die bewährte Gliederung wurde beibehalten, aber an einigen Stellen so angepasst, dass die Themen der Abschnitte im Inhaltsverzeichnis besser zu finden sind. Außerdem hat jedes Kapitel jetzt eine Zusammenfassung. Das Durcharbeiten kann damit unterschiedlich erfolgen. Leser mit Vorkenntnissen sind nach dem Nachschlagen und Lesen der Zusammenfassung soweit informiert, dass sie nur die Kapitel durcharbeiten, die von Interesse sind. Andere Leser schauen sich nur die vier Konstruktionsphasen an und lösen die Übungs aufga ben. Das Literaturverzeichnis wurde anwendergerecht nach Sachgebieten dargestellt. Das wesentliche Ziel dieses Buches ist die Vermittlung einer systematischen und methodischen Arbeitsweise in einem Umfang, die es jedem Konstrukteur ermöglicht, seinen persönlichen Arbeitsstil zu entwickeln oder zu verbessern. Damit ist es sowohl für Studierende in der Ingenieurausbildung an Fachhochschulen und Universitäten als auch für Kon strukteure in der Wirtschaft sinnvoll nutzbar. Das Lehrbuch wurde selbstverständlich für Konstrukteurinnen und für Konstrukteure geschrieben. Wegen der Übersichtlichkeit wurde auf Doppelangaben im Text verzichtet. 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 die Bedeutung des Methodischen Konstruierens gelernt habe. Die Ergebnisse seiner wissenschaftlichen Arbeiten werden besonders häufig zitiert. Herrn Dr. Lutz vom VDMA danke ich für die zur Verfügung gestellten aktuellen VDMA-Kennzahlen. Herrn Erik Liebermann danke ich für seine auflockernden Darstellungen der Teamarbeit und der Kommunikation. Für die sehr gute Unterstützung bedanke ich mich bei Herrn Jochen Horn vom Carl Hanser Verlag. Mein besonderer Dank gilt meiner Frau Marlies und meiner Tochter Cathrin für Verständnis, Geduld und Zeit, die eine neue Auflage erfordert. Burgdorf, im Februar 2013 Klaus-Jörg Conrad

8 Inhalt Vorwort Konstruktionslehre und Konstruktion Einführung und Erfahrungen Konstruktion im Betrieb Gerontik Einordnung und Begriff Begriff Gerontik Zukunft-Technologien Erfahrung und Alter Demografischer Wandel Bedürfnisse der Menschen Bedeutung der Gerontik Fachgebiete mit dem Wortbildungselement Geronto Konstruktionsmethodik Konstruktionsarten Konstruktionsmethodik Erwartungen Zusammenfassung Grundlagen des systema tischen Konstruierens Technische Systeme Grundlagen und Begriffe Energie-, Stoff- und Informationsumsatz Black-Box-Methode Funktionsbeschreibung Wirkprinzipien für Teilfunktionen Entwicklungsschritte technischer Systeme Grundlegende Arbeitsmethoden Informationsverarbeitung in der Konstruktion Zusammenfassung Integrierte Produktentwicklung Der Entwicklungsprozess Der Lösungsprozess... 83

9 8 Inhalt 3.3 Bearbeiten von Ingenieuraufgaben Ablauf bei der Lösungssuche Ablauf des Konstruktionsprozesses Interdisziplinäre Zusammenarbeit Grundlagen der Kommunikation Grundlagen der Teamarbeit Ablauf des Designprozesses Ablauf von Ergonomieprozessen Useware Entwicklungsprozess Kennzahlen Entwicklung und Konstruktion Aufgaben und Tätigkeiten Konstruktionsarten Durchlaufzeiten Produktprogramm und zugekaufte Leistungen Aufgaben und organisatorische Regelungen Zusammenfassung Konstruktionsphase Planen Planen der Produkte Klären der Aufgabenstellung Anforderungslisten Anforderungsarten Anforderungskataloge Formblatt für Anforderungslisten Aufstellen der Anforderungsliste Ergonomische Anforderungen Designanforderungen Anforderungen an Produkte der Gerontik Qualitätssicherung beim Planen Quality Function Deployment (QFD) Zusammenfassung Konstruktionsphase Konzipieren Abstrahieren und Problem formulieren Funktionsstruktur und Funktionsanalyse Lösungen finden mit merkmalorientierten Methoden Lösungen finden durch Analogien Lösungen finden durch Variation Lösungen finden durch Kombination Lösungsprinzipien suchen Analyse von Veröffentlichungen Analyse bekannter technischer Systeme Anregungen durch Analogien Erkenntnisse aus Versuchen Kreativität und Intuition

10 Inhalt Brainstorming Brainwriting Methode Mind Mapping Methode Morphologischer Kasten Methode der Ordnenden Gesichtspunkte Methode Konstruktionskatalog-Einsatz Methode Problemlösungsbaum Konstruieren mit Zulieferkomponenten Zulieferkomponenten und Eigenentwicklungen im Vergleich Produktentwicklung mit Zulieferkomponenten Zulieferorientiertes Konstruieren Lösungen entwickeln mit Bionik Technische Biologie und Bionik Bionischer Denk- und Handlungsprozess Ausblick und Hinweise Lösungen entwickeln mit Mechatronik Übersicht und Einführung Grundlagen mechatronischer Systeme Aktoren Sensoren Ausblick und Hinweise Lösungen entwickeln mit Gerontik Nutzung von Prinzipien Anzahl der Prinzipien Sieben Prinzipien der Gerontik Grundbegriffe des Design Die Prinzipien des Universal Design Grundbegriffe der Ergonomie Bewerten von Lösungsvarianten Grundlagen der Bewertung Vorteil-Nachteil-Vergleich Dominanzmatrix Paarweiser Vergleich Erkennen von Bewertungskriterien Bewertung mit Punkten Bewertungspraxis in der Konzeptphase Qualitätssicherung beim Konzipieren Zusammenfassung Konstruktionsphase Entwerfen Allgemeine Forderungen an technische Produkte Arbeitsschritte beim Entwerfen Anwendung der Arbeitsschritte beim Entwerfen Gelenkige Aufhängung entwerfen und gestalten Entwerfen mit 3D-CAD/CAM-Systemen

11 10 Inhalt 6.4 Grundsätze für das Entwerfen Gestaltungsgrundregeln Grundregel Eindeutig Grundregel Einfach Grundregel Sicher Gestaltungsprinzipien Prinzipien der Kraftleitung Regeln zur kraftflussgerechten Gestaltung Gestaltungsrichtlinien Fertigungsgerechte Gestaltung Montagegerechte Gestaltung Lärmarm konstruieren Recyclinggerechte Gestaltung Konstruktionsablauf mit Recyclingorientierung Entsorgungsgerechte Gestaltung Bewerten von Entwürfen Qualitätssicherung beim Entwerfen Fehler-Möglichkeits- und Einfluss-Analyse (FMEA) Zusammenfassung Konstruktionsphase Ausarbeiten Erzeugnisgliederung Zeichnungen Stücklisten Stücklistenaufbau Stücklistenarten Gliederung der Stücklistenarten Verwendung von Stücklisten Nummernsysteme Nummerungstechnik Grundlagen Arten und Eigenschaften von Nummern Ziele der Nummerung Identnummern Klassifizierungsnummern Nummernsysteme Sachnummern Sachnummernsystem Sachmerkmale Sachmerkmalleisten Anzahl und Wertigkeit der Sachmerkmale Sachnummernsystem durch Klassifizierung über Sachmerkmale Methode zum Erarbeiten von Sachmerkmalen Qualitätssicherung beim Ausarbeiten Qualitätsdenken Zusammenfassung

12 Inhalt 11 8 Konstruktion und Kosten Kostenbegriffe Kosteneigenschaften Einflussgrößen auf die Herstellkosten Anforderungen Lösungsprinzip Baugröße Stückzahl Kostengünstig Konstruieren Kostenermittlungsverfahren Relativkosten Vorteile und Nachteile Erarbeiten und Aktualisieren Darstellung und Beispiel Gültigkeit der Relativkosten Einsatz der Methode ABC-Analyse Vorgehen und Beispiele Wertanalyse Entwicklung der Wertanalyse Grundbegriffe der Wertanalyse Auswahlkriterien für Wertanalyseprojekte System Wertanalyse Methode zur Kostenanalyse Herstellkostenermittlung durch Kalkulation Zusammenfassung Rechnerunterstütztes Konstruieren CAD/CAM Begriffe und Systeme CAD Computer Aided Design CAP Computer Aided Planning CAM Computer Aided Manufacturing CAQ Computer Aided Quality Assurance PPS Produktionsplanung und -steuerung CAD/CAM CAID Computer Aided Industrial Design Konstruieren mit 3D-CAD/CAM-Systemen Baugruppenkonstruktion mit Skeletttechnik Informationstechnik und Konstruktionsprozess Zusammenfassung Übungsaufgaben Aufgabenstellungen Aufgabenstellungen zu Abschnitt Aufgabenstellungen zu Abschnitt

13 12 Inhalt Aufgabenstellungen zu Abschnitt Aufgabenstellungen zu Abschnitt Aufgabenstellungen zu Abschnitt Aufgabenstellungen zu Abschnitt Aufgabenstellungen zu Abschnitt Aufgabenstellungen zu Abschnitt Aufgabenstellungen zu Abschnitt Lösungen Lösungen zu Abschnitt Lösungen zu Abschnitt Lösungen zu Abschnitt Lösungen zu Abschnitt Lösungen zu Abschnitt Lösungen zu Abschnitt Lösungen zu Abschnitt Lösungen zu Abschnitt Lösungen zu Abschnitt Werkstoffe Werkstoffauswahl Werkstoffbezeichnungen und Anwendungen Maschinenelemente Systematik und Einteilung Informationsblätter Maschinenelemente Literaturverzeichnis Quellen und weiterführende Literatur Konstruktionslehre und Konstruktionsmethodik Integrierte Produktentwicklung Qualität in der Konstruktion Konzepte und Lösungsprinzipien Gerontik Entwerfen Ausarbeiten Konstruktion und Kosten Rechnerunterstütztes Konstruieren Werkstoffe Maschinenelemente Sachwortverzeichnis

14 1 Konstruktionslehre und Konstruktion Konstruktionslehre ist die Lehre vom Konstruieren. Zu klären ist, was Konstruieren eigentlich für eine Tätigkeit ist und welche Vorgehensweisen sinnvoll sind, um das Konstruieren lehr- und lernbar darzustellen. Die Grundlagen der Konstruktionslehre zu behandeln bedeutet, nicht den Anspruch zu erheben das gesamte Wissen und alle Erkenntnisse zu beschreiben, sondern nur das Basiswissen zu vermitteln. Die Konstruktionslehre ist ein Fachgebiet, das schon seit mehreren Jahren zur Ingenieurausbildung gehört. Da aus Erfahrungen bekannt ist, dass ca. 50 % der Ingenieure in konstruktiven Bereichen der Betriebe tätig sind, hat die Konstruktionslehre eine besondere Bedeutung. Für das Konstruieren sollten gewisse Fähigkeiten und Neigungen vorhanden sein, die im Bild 1.1 als Übersicht angegeben sind. Bei entsprechendem Interesse sind gewisse Lücken ohne weiteres durch Lernen zu schließen. Es ist auch schon erkennbar, dass zum Konstruieren von technischen Produkten mehr zu beachten ist, als das einfache Kombinieren von Elementen. Das zeigt sich insbesondere an den automatisierten Maschinen und Anlagen, die heute als Ergebnisse guter Konstruktionsarbeit in vielen Firmen vorhanden sind und im täglichen Leben genutzt werden, wie z. B. Werkzeugmaschinen, Haushaltsgeräte, Büroeinrichtungen, Automobile, Schienenfahrzeuge usw. Neugier, Kreativität, Offenheit Beobachten, Nachdenken, Unruhe Beharrliche Lösungssuche für Probleme und Aufgaben Zielgerichtet gedanklich untersuchen Räumliches Denken, Skizzieren von Ideen Gestalten von Lösungen, Spaß am Kombinieren Fähigkeiten und Neigungen für das Konstruieren Analysieren von Lösungen aus Technik und Natur Funktionen hinterfragen, Zusammenhänge erkennen Geometrie darstellen, Technisches Zeichnen Elemente für technische Lösungen kennen Technikinteresse, Technikwissen, Grundlagen- Kenntnisse Systematisches Arbeiten, Erkenntnisse aus Versuchen Bild 1.1: Wissensbasis für das Konstruieren

15 14 1 Konstruktionslehre und Konstruktion Die im Bild 1.1 angegebene Wissensbasis ist für alle konstruktiven Tätigkeiten wichtig. Eine Wissensbasis enthält das notwendige Wissen und die Fähigkeiten, um das im Kern angegebene Thema umfassend zu behandeln. Konstruktion von lat. constructio bedeutet Zusammenfügung oder Verbindung und umfasst im logischen Sinn den Ablauf, der erforderlich ist, um einfache Elemente zu komplexen Gegenständen zusammenzusetzen. Konstruktion bezeichnet also den Prozess und das Ergebnis, um Produkte durch menschliche Fähigkeiten, Fertigkeiten und Ideenfindung zu planen und herzustellen. Durch eine Konstruktion entsteht nach Erlhoff/Marshall eine eindeutige Beziehung von Funktion und Form. Der Begriff wird häufig, zuweilen irreführend, synonym mit Design verwendet. Die Herstellung von Konstruktionen erfolgt in Konstruktionsprozessen, nach Arbeitsschritten, Verfahren, Rechenvorschriften und Regeln. Die Konstruktionswissenschaft beschäftigt sich mit Konstruktionen und Konstruktionsprozessen sowie mit den wissenschaftlich-technischen Grundlagen der Konstruktionslehre. Konstruktionstechnik, als Bereich der Technikwissenschaften, untersucht nach Müller den Prozess des Konstruierens technischer Gebilde sowie allgemeine Strukturgesetze technischer Systeme mit den Zielen Gesetzmäßigkeiten konstruktiver Prozesse zu erkennen, Verfahren, Technologien bzw. Methoden des Konstruierens zu entwerfen, Überführung dieser Erkenntnisse in die praktische Tätigkeit bzw. in die Ausbildung der Konstrukteure sowie die Verbesserung der Effektivität der Prozesse und der Qualität der Ergebnisse im Konstruktionsbereich. Konstruktion ist als Wortbildungselement sehr weit verbreitet. Das folgende Bild 1.2 enthält eine Übersicht häufig verwendeter Begriffe, die hier und in den folgenden Kapiteln erklärt werden. Lehre Methodik Systematik Technik Prozess Wissenschaft Bereich Abteilung Konstruktion Phasen Arten Produkt Zeichnung Grundsätze Richtlinien Kataloge Prinzipien Bild 1.2:Konstruktionsbegriffe