Gestaltungsrichtlinien

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1 Gestaltungsrichtlinien Fachhochschule Vorarlberg Johannes Steinschaden SS 2001 Neben den Grundregeln der Gestaltung,,eindeutig,,,einfach und,,sicher sowie den Gestaltungsprinzipien sind ganz allgemein die Gestaltungsrichtlinien zu beachten. Sie helfen den unterschiedlichen Bedingungen gerecht zu werden. 1 Ausdehnung Die Gestaltung von ausdehnungsgerechten Strukturen berücksichtigt die im laufenden Betrieb auftretenden Verformungen. Besonders zu beachten sind thermische Ausdehnungen. Werden unterschiedliche Werkstoffe eingesetzt, muß auf das unterschiedliche Dehnungsverhalten Rücksicht genommen werden. Aber auch die elastischen Verformungen, die durch Kräfte und Momente auftreten, sind zu beachten. Vor allem bei schnelllaufende Maschinen können beachtliche Fliehkräfte entstehen, die die Struktur verformen. Werden Verformungen im System behindert, so können dadurch sehr große innere Beanspruchungen entstehen. Die eindeutige Zuordnung der Belastungen und Beanspruchungen geht verloren, die Systeme werden statisch unbestimmt. Während der Anwärm- und Abkühlphase sind Temperaturverteilungen innerhalb von Bauteilen unumgänglich. Ebenso können unterschiedliche Bauteile unterschiedliche Temperatur aufweisen. Dies führt zu ungleichmäßigen Dehnungen. Es muß daher neben der Bauteildehnung auch immer die Relativdehnung zwischen den Bauteilen beachtet werden. 1.1 Längenänderung Bei stationärer Ausdehnung ist die Längenänderung gleich l = β l ϑ m (1) ϑ m = 1 l l 0 ϑ(x) dx (2) Die Längenänderung zufolge Temperaturbelastung ist also von der Längenausdehnungszahl β, der Länge l und der mittleren Temperaturänderung ϑ m abhängig. 1.2 Relativausdehnung Zwischen zwei Bauteilen beträgt die Relativausdehnung δ rel = β 1 l 1 ϑ m1(t) β 2 l 2 ϑ m2(t) (3) 1

2 1.2.1 Stationär Im stationären Fall ist die mittlere Temperaturdifferenz zeitlich unabhängig. Zur Minimierung der Relativausdehnung müssen entweder die Werkstoffe so gewählt werden, daß die Wärmeausdehnungskoeffizienten angepaßt werden, oder es müssen die Temperaturen angeglichen werden. Beispiel Schraubenverbindung In der dargestellten Schraubenverbindung wird ein Aluminiumflansch mittels Stahlschraube verspannt. Im Falle einer Temperaturänderung wird durch die unterschiedlich großen Längenausdehnungen von Stahl und Aluminium die Schraube zusätzlich belastet. Um diese Zusatzbelastung zu verhindern wird eine Dehnhülse aus Invarstahl eingesetzt. Die Relativdehnung kann vermieden werden, wenn δ rel = 0 = β 1 l 1 ϑ m1 β 2 l 2 ϑ m2 β 3 l 3 ϑ m3 (4) gesetzt wird. Dabei gilt l 1 = l 2 + l 3 und λ = l 2 /l 3. Somit kann das Längenverhältnis λ λ = β 3 ϑ m3 β 1 ϑ m1 β 1 ϑ m1 β 2 ϑ m2 (5) berechnet werden. Für den stationären Fall gilt ϑ m1 = ϑ m2 = ϑ m3. (6) Mit den Temperaturausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe errechnet sich das Längenverhältnis zu Instationär Stahl: β 1 = (7) Invarstahl: β 2 = (8) Aluminium: β 3 = (9) λ = l 2 l 3 = 0.9 (10) Beim Aufheizen oder Abkühlen kann es zu Relativausdehnungen kommen, da häufig große Temperaturdifferenz auftreten. Zum leichteren Verständnis wird von gleich langen Bauteilen l = l 1 = l 2 mit gleichen Ausdehnungszahlen β = β 1 = β 2 ausgegangen. δ rel = β l ( ) ϑ m1(t) ϑ m2(t) (11) Werden dünne Bleche mit relativ hoher Wärmeleitzahl durch einen plötzlichen Temperaturanstieg ϑ des aufheizenden Mediums belastet, so wird die mittlere Bauteiltemperatur zu ϑ m = ϑ ( 1 e t/t ) (12) In dieser Gleichung bezeichnet t die Zeit und T die Zeitkonstante T = c m α A wobei (13) c... spezifische Wärme des Bauteilwerkstoffs, (14) m... Masse des Bauteils, (15) α... Wärmeübergangszahl an der beheizten Oberfläche und (16) A... beheizte Oberfläche des Bauteils (17) 2

3 ist. Für unterschiedliche Zeitkonstanten T i ergeben sich unterschiedliche Kurvenverläufe für die mittlere Bauteiltemperatur ϑ mi. Somit gibt es einen Zeitpunkt t krit zu dem die Temperaturdifferenz ein Maximum wird. Um diese Temperaturdifferenz zu verringern, kann versucht werden, die beiden Temperaturkonstanten anzugleichen. Durch Umformen der Gleichung 13 wird ersichtlich, dass T = c α ϱv A vom Verhältnis V/A und der Wärmeübergangszahl α bestimmt wird. Durch konstruktive Massnahmen kann das Verhältnis des Volumens zur Oberfläche gegebenfalls beeinflusst werden. Beispiel Ventilabdichtung In der dargestellten Spindelabdichtung von Dampfventilen ist die linke Seite nicht ausdehnungsgerecht ausgeführt. Unter der näherungsweisen Annahme, dass die vorherigen Aussagen auch auf diese Konstruktion anwendbar sind, wurde keine Rücksicht auf das unterschiedliche Ausdehnungsverhalten der Bauteile Ventilspindel und Büchse genommen. Ausserdem bewirkt die nur radiale Einpassung und Abdichtung der Bauteile eine Verspannung. (18) Alternativ dazu wird in der rechten Darstellung auf die Ausdehnung Rücksicht genommen. Spindel und Büchse sollen sich gemeinsam ausdehnen und sind gegenüber dem Gehäuse axial gedichtet. Volumen und Oberflächen sind angepasst. (V/A) Spindel = r/2 (19) (V/A) Buchse = r2 a r 2 2r i (20) Da r r i gilt und (V/A) Spindel = (V/A) Buchse sein soll, muss gesetzt werden. 2 Kriechen und Relaxation 2.1 Kriechen r/2 = r2 a r 2 (21) 2r r a = 2 r (22) Jedes Bauteil, daß über längere Zeit während hoher Temperatur oder nahe der Fließgrenze beansprucht wird, erleidet zusätzlich zur elastischen Dehnung eine plastische Verformung. Man spricht vom Kriechen eines Werkstoffes, wenn bei konstanter Belastung die Dehnung zunimmt. Bei Kunststoffen tritt kriechen auch schon bei niedrigen Temperaturen auf. 2.2 Relaxation In verspannten Systemen nimmt im Laufe der Zeit der plastische Verformungsanteil gegenüber dem elastischen Anteil zu. Man spricht in diesem Fall von Relaxation. Besonders zu beachten ist dabei, daß bei vorgespannten Schraubenverbindungen die Vorspannkraft vermindert wird, ohne daß sich bei der Verbindung die Länge ändert. Die Verbindung hat dann ein geändertes Verhalten. Verspannte Federn verlieren durch Relaxation einen Teil ihrer elastischen Verformbarkeit und haben dadurch geringere Federwege. 3

4 3 Korrosion Grundsätzlich läßt sich Korrosion kaum vermeiden, sondern nur vermindern. Man spricht von korrosionsgerechter Gestaltung, wenn der Einfluß der Korrosion auf die Konstruktion berücksichtigt wird. Durch entsprechende Gestaltung läßt sich die Gefahr der Korrosion vermindern und ihre Auswirkungen bewußt steuern. 3.1 Ursachen Unterhalb des Taupunktes bilden sich saure oder basische Elektrolyte, die zur elektrochemischen Korrosion führen. Entsprechend ihrem Auftreten können verschiedene Korrosionsarten unterschieden werden. Korrosion freier Oberflächen Berührungsabhängige Korrosion Beanspruchungsabhängige Korrosion Selektive Korrosion im Werkstoff 3.2 Freie Oberflächen Korrosion tritt sowohl als gleichmäßige Flächenkorrosion als auch als örtlich begrenzte Korrosion in Form der Mulden- und Spaltkorrosion auf. Tritt Feuchtigkeit gleichzeitig mit Sauerstoff aus der Luft oder dem Medium auf, so tritt Korrosion auf. In normaler Atmosphäre korrodiert Stahl ca. 0.1 mm/jahr großflächig. Durch lokal unterschiedliche Bedingungen tritt Mulden- oder Lochkorrosion auf. In Spalten kann es vor allem bei rost- und säurebeständigen Stählen infolge von Sauerstoffverarmung zum Abbau der Passivität kommen. Es entsteht Entlüftungsmangelkorrosion. Konstruktive Gestaltung Wanddickenzuschlag Kleine und glatte Oberflächen anstreben Vermeiden von Feuchtigkeitssammelstellen Vermeiden von Taupunktsunterschreitungen Vermeiden hoher Strömungsgeschwindigkeiten Vermeiden von Zonen mit unterschiedlicher Wärmebelastung Korrosionsschutzüberzug, kathodischer Schutz Spalte vermeiden Schweißnähte ohne Wurzelspalt Spalte so groß machen, daß sie belüftet sind 4

5 3.3 Berührung Kontakt Beim Kontakt von Metallen, die an unterschiedlichen Stellen der elektrochemischen Reihe stehen, wird bei Anwesenheit eines Elktrolyten Korrosion auftreten. Vermeiden läßt sich diese Art der Korrosion durch die Verwendung von Metallen gleichen Potenzials, Isolation der Kontaktstellen, Vermeidung des Elektrolyten oder durch bewußt gesteuerte Korrosion durch eine sogenannte Opferanode Ablagerung Verschiedenste Ablagerungen führen zu Potenzialdifferenzen und damit zu Korrosion. Vermeiden läßt sich die Ablagerungskorrosion grundsätzlich durch Vermeidung der Ablagerungen und notfalls durch Entfernen der Ablagerungen Phasengrenzen Im Bereich des Phasenüberganges eines Mediums an einer metallischen Fläche entsteht Korrosion. Vermindern läßt sich die Phasengrenzenkorrosion durch Beeinflussung des Phasenüberganges, sich ständig ändernden Ort des Phasenüberganges oder Korrosionsschutz. 3.4 Beanspruchung Grundsätzlich wird bei den beanspruchungsabhängigen Korrosionsarten durch die Korrosion und deren Produkte die Festigkeit massiv herabgesetzt. Durch Dehnungen an den Oberflächen wird der Korrosionsschutz lokal gestört. Kritisch ist auch die selektive Korrosion bei nichtrostenden Stählen und bestimmten Aluminiumlegierungen, die interkristallin auftritt und nur begrenzte Bereiche betrifft. Sie wird durch die Vermeidung von bestimmten Gefügen vermindert. Schwingungsriß Spannungsriß Dehnungsinduziert Erosion, Kavitation, Reibung Selektiv 4 Ergonomie Mittelpunkt der Betrachtung ist der Mensch im Umgang mit dem technischen System. Dies umfaßt unterschiedliche Aspekte. 4.1 Biomechanische Aspekte In diesem Zusammenhang sind Körperhaltung, Bewegungen, Körpermaße und -kräfte zu sehen. 5

6 4.2 Physiologische Aspekte Die Belastungen, Beanspruchungen und Ermüdung sind zu berücksichtigen. Einfluß der Monotonie von Arbeitsabläufen ist zu bedenken. Weiters sind die Bedingungen wie Wärme- und Kälteeinwirkungen zu beachten.die Bedingungen für sehen und hören sind ebenfalls zu berücksichtigen. 4.3 Psychologische Aspekte Bei der Konstruktion von Systemen ist bereits darauf zu achten, daß die Wahrnehmung nicht durch optische Täuschungen, Überflutung durch unwichtige Reize etc. gestört wird. 5 Formgebung 5.1 Funktions- und Kennzeichnungsgestalt Die geforderte Funktion legt zu einem großen Teil die Form der Lösung fest. Dies kann als Funktionsgestalt bezeichnet werden. Davon unterschieden wird die Kennzeichnungsgestalt, die sich in verschiedene Kennzeichen unterteilen läßt: Markt- und benutzungsorientierte Kennzeichen Zweckorientierte Kennzeichen Bedienungsorientierte Kennzeichen Hersteller-, händler- oder markenorientierte Kennzeichen 5.2 Mögliches Vorgehen zur Formgebung 1. Wählen eines bestimmten Ausdrucks (stabil, leicht, kompakt) 2. Strukturieren der gesamten Form 3. Vereinheitlichen der Form 4. Unterstützen durch Farben 5. Ergänzen durch Grafik 6 Fertigung Einer der wichtigsten Punkte ist die rechtzeitige Einbeziehung der Fertigung in den Entwicklungsprozess. 6.1 Baustruktur Grundsätzlich verschiedene Bauweisen beeinflussen massiv die Kosten. Differentialbauweise Integralbauweise Verbundbauweise Bausteinbauweise 6

7 6.2 Gestaltung Die Berücksichtigung der Fertigungsverfahren in der Konstruktion ist von entscheidender Bedeutung. Urformen Umformen Trennen Werkzeuge Spanen Fügen 6.3 Werkstoffe, Halbzeuge Die Festlegung der Werkstoffe beeinflusst einerseits direkte Kosten, wie sie etwa durch den Preis der Werkstoffe gegeben sind, aber natürlich werden die weiteren Kosten durch Bearbeitung etc. ebenfalls durch die Auswahl massiv beeinflusst. 6.4 Standard-, Fremdteile Abhängig von der Stückzahl, Marktlage und anderen Einflussfaktoren kann der Einsatz von Fremdteilen günstiger als eigengefertigte Teile sein. Grundsätzlich wird versucht über Standardteile Kosten zu sparen. Es müssen aber die Vor- und Nachteile einander gegenüber gestellt werden. In diesem Zusammenhang sei beispielhaft auf Qualität und Termintreue hingewiesen. Selbstverständlich müssen aber auch Entscheidungen getroffen werden, was nach aussen gegeben werden darf und was im Sinne von Kernkompetenzen des Unternehmens nur intern gemacht werden darf. 6.5 Fertigungsunterlagen Hier soll nur auf die Vollständigkeit und Qualität der Fertigungsunterlagen hingewiesen werden. In der Praxis ergeben sich vielfach Probleme durch die Änderungsverwaltung der Unterlagen. Eindeutig muss auch geklärt sein, wer Änderungen vornehmen darf und wie diese kommuniziert werden müssen. Das Bemühen weg von der technischen Zeichnung hin zu virtuellen Modellen der Produkte zu kommen, schafft vielfach neue Probleme. Hingewiesen wird in diesem Zusammenhang auf die Unterschiedlichkeit der Softwaretools, Vorhandensein der notwendigen Infrastruktur und auch Qualifikationsniveau der Mitarbeiter. 7 Montage Montageoperationen Montagegerechte Baustruktur Montagegerechte Gestaltung der Fügestellen Montagegerechte Gestaltung der Fügeteile 7

8 8 Norm Grundsätzlich sind Normen nicht gesetzlich verpflichtend. Nur wenn in einem Gesetz eine Norm explizit verbindlich gemacht wird, dann ist diese in der genannten Ausgabe verpflichtend einzuhalten. Normgerechte Gestaltung zielt vor allem auf Sicherheitsaspekte ab. Allen Normen liegt aber auch der Wunsch nach Vereinfachung und Standardisierung zur Kostenreduktion zugrunde. 9 Instandhaltung Entsprechend der DIN versteht man unter Instandhaltung:,,Maßnahmen zur Bewahrung und Wiederherstellung des Sollzustandes sowie zur Feststellung und Beurteilung des Istzustandes von technischen Mitteln eines Systems. Wartung Inspektion Instandsetzung Die Konstruktion beeinflusst die Instandhaltung nachhaltig. Das geht von der Gestaltung der Verschleißbereiche bis zur Zugänglichkeit. 10 Recycling An dieser Stelle sei nur darauf hingewiesen, dass die Sensibilität der Konstruktion für die Auswirkungen ihrer Festlegungen gegeben sein muss. Zu beachten sind dabei alle Auswirkungen über den gesamten Lebenszyklus eines Produktes. Neben Herstellung, Gebrauch und Möglichkeiten nach dem Gebrauch ist natürlich auch zu bedenken, welche Ressourcen die verwendeten Rohstoffe, Halbzeuge und Zukaufteile bereits verbraucht haben. 11 Risiko Hier sei auf Verfahren wie die FMEA hingewiesen. 12 Verschleiß Vor allem die Gestaltung hinsichtlich der tribologischen Gegebenheiten spielt eine entscheidende Rolle. Großer Einfluss ist durch die konstruktive Gestaltung der Tragstrukturen gegeben. Von besonderer Bedeutung sind auch Schmierung und Umwelteinflüsse. In diesem Zusammenhang sei auch auf die Bedeutung der Auswirkungen auf die Umwelt von Betriebsmitteln ebenso wie von Verschleissprodukten, wie Abrieb etc., hingewiesen. 8