Konstruieren, Gestalten, Entwerfen

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1 Ulrich Kurz Hans Hintzen Hans Laufenberg Konstruieren, Gestalten, Entwerfen Ein Lehr- und Arbeitsbuch für das Studium der Konstruktionstechnik 4., erweiterte Auflage Mit 454 Abbildungen STUDIUM VIEWEG+ TEUBNER

2 VII Inhaltsverzeichnis 1 Grundlagen des methodischen Konstruierens 1.1 Einführung Das Problem Das Funktionendenken Die Arbeitsschritte des methodischen Konstruierens Der Vorgehensplan Das Analysieren der Aufgabe Das Konzipieren Das Entwerfen und Ausarbeiten Die Aufbauübersicht- Stammbaum Beispiele Abstraktion der Gesamtfunktion Umsatzgrößen Erstellen der Anforderungsliste Lösungsfindung Handhabungssystem für Hülse Lagerbock für axial verstellbare Seilrolle Vorschubgetriebe einer Waagerecht-Kreissäge Technische Bewertung Wirtschaftliche Bewertung Stärkediagramm Aufgaben Einführung in das methodische Konstruieren Das Analysieren der Aufgabe Das Konzipieren Das Entwerfen und Ausarbeiten Literatur Zum Konzipieren und Entwerfen Zum Ausarbeiten 56 2 Das werkstoffgerechte Gestalten 2.1 Die Festigkeitseigenschaften der Werkstoffe Die Werkstoffkosten und die Wirtschaftlichkeit Die Werkstoffwahl und die Fertigung Die Werkstoffwahl und die Lebensdauer Die Werkstoffwahl und der Leichtbau Beispiele Ermittlung der Brutto-Werkstoffkosten Werkstoffkenngröße für Kostenvergleich 62

3 Inhaltsverzeichnis Werkstoffausnutzung beim Schneiden Fertigungsverfahren, Werkstoffwahl, Formgebung in Abhängigkeit von der Stückzahl Kenngröße für den Werkstoff-Leichtbau bei Knickung Gewichtsvergleich eines Freiträgers als Schweiß- und Gusskonstruktion Schneckengetriebegehäuse für Hängekran in Schweiß- und Gussausführung Revolvereinheit für Kunststoff-Spritzgießmaschine als Montage- und Gusskonstruktion Ölpumpenzahnrad für Lkw-Dieselmotor durch Zerspanen, Sintern hergestellt Werkstoffeinsparung durch Querschnittsoptimierung Aufgaben Literatur 70 3 Das festigkeitsgerechte Gestalten 3.1 Das Prinzip der direkten Kraftleitung Das Prinzip der konstanten Gestaltfestigkeit Das Prinzip der minimalen Kerbwirkung Das Prinzip der ausreichenden Steifigkeit Das Prinzip der abgestimmten Verformung Das Prinzip des Kraftausgleichs Beispiele Träger gleicher Biegespannung Aufgaben Literatur 94 4 Das fertigungsgerechte Gestalten 4.1 Das Gestalten von Gussteilen Grundlagen Allgemeintoleranzen und Bearbeitungszugaben für Gussteile Spezifische Eigenschaften der verschiedenen Gusswerkstoffe Die Gefügebildung von Gussteilen Werkstoffbedingte Gestaltungsregeln Verfahrensbedingte Gestaltungsregeln Nachbehandlungsbedingte Gestaltungsregeln Literatur Das Gestalten von Sinterteilen Allgemeines, Verfahren nach DIN EN ISO Theoretische Grundlagen Werkstoffe Nachbehandlung Anwendungsbeispiele, Formgestaltung I Literatur 122

4 Inhaltsverzeichnis IX 4.3 Das Gestalten von Schmiede- und Fließpressteilen Grundlagen Allgemeine Gestaltungsregeln Richtwerte für die Gestaltung von Gesenkschmiedestücken Toleranzen und Oberflächengüte Ermittlung der Toleranzen für Gesenkschmiedestücke Gesenkschmiedestücke aus Stahl Vergleich von Schmiede- und Gussstücken Das Gestalten von Fließpressteilen Literatur Das Gestalten von Löt- und Schweißverbindungen Lötverbindungen Schweißverbindungen Literatur Das Gestalten von Blechteilen Allgemeines Schneiden Umformen Schneiden und Umformen Fügen durch Umformen Literatur Das Gestalten von Kunststoffteilen Allgemeines Gestaltungsrichtlinien Verarbeitungsverfahren Fügen Literatur Beispiele Verschiedene Verfahren mit den erforderlichen Fertigungsstufen beim Gesenkschmieden Fertigungsfolge beim Gesenkschmieden eines Hebels Tellerrad für den Achsantrieb eines Lkw Gebogener Hebel Schalthebel für die Ventilsteuerung einer Entstaubungsanlage Pneumatikventilteil Fließgerechte Flanschbuchse Streifenbildgestaltung, Blechformteil Lasche Aufgaben Das Gestalten von Gussteilen Das Gestalten von Schmiede- und Fließpressteilen Das Gestalten von Löt-und Schweißverbindungen Das Gestalten von Blechteilen Das Gestalten von Kunststoffteilen Das montagegerechte Gestalten 5.1 Einführung Montageoperationen 228

5 X Inhaltsverzeichnis Montagesysteme Montageablaufanalyse Produktaufbau und Fügesituation Fügerangfolge Produktgestaltung Montagevermeidung Integralbauweise Fügeart Literatur Das recyclinggerechte Gestalten 6.1 Grundlagen, Definitionen Recyclingkreisläufe Nachwachsende Rohstoffe Recyclinggerechte Produktgestaltung Gestaltungsrichtlinien Gestaltungsbeispiele Recycling bei der Produktion Produktionsrücklaufmaterial Beispiele für die Verwertung von Produktionsabfallen Recycling während des Produktgebrauchs Demontage und Zerlegung Aufarbeitungsbeispiele Recycling nach Produktgebrauch Materialaufbereitung Beispiele für das Materialrecycling Literatur Das formgebungsgerechte Gestalten 7.1 Einleitung Ergonomie Grundlagen, Definition Ergonomiegerechte Arbeitsplatzgestaltung Ergonomische Produktgestaltung Industriedesign Designgeschichte, Designbegriff Corporate Design Arbeitsgebiete, Gestaltungsansätze Gestalterische Mittel Techniken und Arbeitsmittel Designbeispiele Literatur 305

6 Inhaltsverzeichnis XI 8 Anhang 1 Grundlagen des methodischen Konstruierens A-l Grundoperationen und Elementarfunktionen von Maschinen, Apparaten und Geräten 307 A-2 Physikalische Effekte für die Elementarfunktion Energie wandeln" A-3 Physikalische Effekte für die Elementarfunktion Elektrische Energie in mechanische Energie wandeln" 311 A-4 Phasen des methodischen Konstruierens 312 A-5 Checkliste technischer Eigenschaften für das Sammeln von Informationen für die Erstellung der Anforderungsliste und für die technische Bewertung von Konstruktionen 314 A-6 Formblatt zum Erstellen von Anforderungslisten 315 A-7 Wichtige Elementarfunktionen für den Umsatz von Energie, Stoffen und Signalen 315 A-8 Lösungskatalog für die Funktion Kraft einstufig mechanisch vervielfältigen" 316 A-9 Maßnahmen gegen Bedienungsfehler 318 A-10 Empfehlungen für die Formgebung technischer Produkte 318 A-ll Beispiele für Störgrößen 319 A-l2 Konstruktionsvorschriften Das werkstoffgerechte Gestalten Technische und wirtschaftliche Kenngrößen für die Werkstoffwahl A-13 Allgemeine Baustähle - DIN EN für Halbzeug und Schmiedestücke 320 A-14 Vergütungsstähle und vergütbare Automatenstähle für Schmiedestücke und Halbzeug 321 A-l 5 Einsatzstähle - DIN EN und Nitrierstähle - DIN für Schmiedestücke und Halbzeug 322 A-16 Feinbleche kaltgewalzt 323 A-l 7 Warmgewalztes Blech von 3 bis 250 mm Dicke - Formnorm DIN EN A-18 Geschweißte und nahtlose Rohre aus Stahl 325 A-19 k* -Werte für Gussteile aus Eisenwerkstoffen 326 A-20 kl -Werte für Gesenkschmiedestücke aus Stahl 327 A-21 NE-Schwermetalle für Bleche, Bänder, Stangen und Rohre 328 A-22 k v -Werte für Gussteile aus NE-Schwermetallen 329 A-23 Al-Knetlegierungen für Bleche, Bänder, Rohre und Stangen 330 A-24 k v -Werte für Gussteile aus NE-Leichtmetallen 331 A-25 Kenngrößen bei Zug/Druck, Biegung und Torsion 333 A-26 Prozentuale Materialkosten-Anteile 334 A-27 Wichtige Werkstoffeigenschaften für oft angewendete Fertigungsverfahren 335 A-28 Übliche Betriebslebensdauer wichtiger technischer Produkte 336

7 XII Inhaltsverzeichnis 3 Das festigkeitsgerechte Gestalten A-29 Gestaltungsbeispiele zur Kleinhaltung von Biegespannungen 337 A-30 Gestaltungsbeispiele für Entlastungskerben an Achsen und Wellen 338 A-31 Vergleich von im Leicht- und Stahlbau oft verwendeten geschlossenen bzw. offenen Profilen 339 A-32 Beispiele für den Ausgleich von nicht funktionsbedingten Nebenkräften Das fertigungsgerechte Gestalten A-33 Guss-Allgemeintoleranz-Gruppe GTB nach DIN 1680 T2 (Auszug) 341 A-34 Bearbeitungszugaben BZ bei Gussstücken (GJL und GJS) bis 1000 kg Gewicht und bis 50 mm Wanddicke nach DIN 1685 Tl und DIN 1686 Tl 342 A-35 Formschrägen an Modellen nach DIN A-36 Wanddickeneinfluss bei Gusseisen mit Lamellengraphit (GJL) 342 A-37 Werkstoffgerechte Gestaltungsbeispiele von Gussteilen 343 A-38 Verfahrensgerechte Gestaltungsbeispiele von Gussteilen 344 A-39 Bearbeitungsgerechte Gestaltungsbeispiele von Gussteilen 345 A-40 Werkstoff- und verfahrensgerechte Gestaltungsbeispiele von Feingussteilen 346 A-41 Werkzeug- und verfahrensgerechte Gestaltungsbeispiele von Sinterteilen 347 A-42 Sintermetalle für Formteile; Auszug aus der DIN T4 349 A-43 Werkzeug-, fertigungs- und bearbeitungsgerechte Gestaltungsbeispiele von Gesenkschmiedeteilen 350 A-44 Werte für Seitenschrägen von Innen- und Außenflächen; nach DIN 7523, T2 351 A-45 Bearbeitungszugabe z für Innen- und Außenflächen an Gesenkschmiedeteilen 352 A-46 Kantenrundlingen, innere und äußere Hohlkehlen an Gesenkschmiedeteilen 352 A-47 Toleranzen und zul. Abweichungen für Längen-, Breiten- und Höhenmaße (Durchmesser), Versatz, Außermittigkeit, Gratansatz und Anschnitttiefe nach DIN 7526 (Schmiedegüte F) 353 A-48 Toleranzen und zul. Abweichungen für Dickenmaße und Auswerfermarken nach DIN 7526 (Schmiedegüte F) 354 A-49 Gestaltung von Gesenkschmiedeteilen; Bearbeitungszugaben, Rundungen und Seitenschrägen 355 A-50 Gestaltungsbeispiele von Fließpressteilen 356 A-51 Geschweißte Eckverbindungen 357 A-S2 Steg-und Randbreiten nach VDI-Richtlinie A-53 Gestaltungsbeispiele von Blechteilen; Fertigung durch Zerteilen 360 A-54 Randabstände, Abstände von Innenformen bei Schnittteilen 361 A-55 Kleinste zulässige Biegeradien rj m; n für Bleche und dgl. aus Stahl für 90 -Biegung 362 A-56 Kleinste zulässige Biegeradien für 90 -Biegung 363

8 Inhaltsverzeichnis XIII A-57 Kleinste zulässige Biegeradien r; m; n für 90 -Biegung für Bleche und Bänder aus NE-Metallen 363 A-58 Gestaltungsbeispiele von Blechteilen; Fertigungsverfahren Biegen 364 A-59 Gestaltungsbeispiele für das festigkeitsgerechte Anbringen von Sicken an Blechteilen 366 A-60 Werkstoffe zum Tiefziehen, erreichbares Ziehverhältnis 367 A-61 Gebräuchliche Falzarten 367 A-62 Gestaltungsbeispiele von Spritzguss- und Formpressteilen 368 A-63 Gestaltungsbeispiele von Bauteilen aus glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) 371 A-64 Gestaltungsbeispiele von Kleb- und Schweißverbindungen an Kunststoffteilen 373 A-65 Schwindung verschiedener Kunststoffe 374 A-66 Kurzzeichen für Polymerwerkstoffe Das montagegerechte Gestalten A-67 Gestaltungsbeispiele zur Verbesserung der Montageoperationen Das recyclinggerechte Gestalten A-68 Demontagegerechte Gestaltungsbeispiele von Fügestellen 378 A-69 Aufarbeitung im Vergleich zur Instandsetzung 379 Sachwortverzeichnis 381 r