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Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Einführung

Frontmatter

1. Allgemeine Bemerkungen und Bedeutung der Konstruktion

Zusammenfassung
Betrachtet man das Erscheinen neuer technischer Produkte auf dem Markt sei es ein relativ einfacher technischer Gebrauchsgegenstand oder eine komplizierte elektronische Rechenanlage so stellt man fest, daß diesen eine Fülle von Ideen vorangegangen sein muß, um sie in dieser Vollkommenheit entstehen zu lassen. Bei dem heutigen hohen Perfektionsgrad technischer Produkte sind es in deren Wettstreit auf dem Markt oft nur wenige „Kleinigkeiten“, welche den Erfolg eines Produktes ausmachen. Das Wachstum des Sozialproduktes eines Industriestaates sowie der Erfolg eines Unternehmens hängen unter anderem wesentlich von der Qualität und Konkurrenzfähigkeit der erzeugten Produkte ab. Voraussetzung dafür ist die Leistungsfähigkeit der Forschung, der Konstruktion und der Fertigung des betreffenden Landes bzw. Betriebes. Daran mag man die Bedeutung der Konstruktion für die Wirtschaft eines Landes und die Menschheit insgesamt ermessen.
Rudolf Koller

2. Zielsetzung und Zweck der Konstruktionslehre

Zusammenfassung
In neuerer Zeit bemüht man sich, die Tätigkeiten des Konstruierens und Entwickelns technischer Produkte zu rationalisieren, zu automatisieren und einfacher lehr- sowie erlernbar zu machen. Konstruktionsmethodeforschung ist wesentliche Voraussetzung für die Entwicklung einer systematischen Konstruktionslehre und zukunftssicherer Konstruktionsprogrammentwicklungen. Das Bewußtmachen von Konstruktionsund Entwicklungsprozessen ist auch ein „Werkzeug“ zur Entwicklung qualitativ besserer Produkte. Schließlich ist die Konstruktionslehre ein Mittel, das sich ständig vergrößernde und sich in Spezialgebiete verzweigende Wissensgebiet „Maschinenwesen“ generell zu betrachten und besser zu überblicken.
Rudolf Koller

3. Geltungsbereich der Konstruktionslehre

Zusammenfassung
In der Praxis haben sich aus dem umfangreichen Fachgebiet Maschinenwesen im Laufe der Entwicklung die drei großen Teilbereiche Energie-, Kommunikationsund Verfahrens- bzw. Stofftechnik gebildet. Die technischen Systeme dieser Bereiche werden üblicherweise als Maschinen, Geräte bzw. Apparate bezeichnet. Leider haben sich im üblichen Sprachgebrauch auch viele Bezeichnungen für technische Produkte eingebürgert, die einer konsequenten Begriffsbestimmung entgegenstehen. Da eine Normung aufgrund dieser Problematik noch aussteht, sollen diese Begriffe hier wie folgt vorschlagsweise definiert werden:
  • Maschinen sind technische Systeme, deren primärer Zweck es ist, Energie in irgendeiner Weise umzusetzen und/oder einen Energiefluß zu ermöglichen.
  • Geräte sind technische Systeme, deren primärer Zweck es ist, Informationen in irgendeiner Weise umzusetzen und/oder einen Informationsfluß zu ermöglichen.
  • Apparate sind technische Systeme, deren primärer Zweck es ist, Stoffe in irgendeiner Weise umzusetzen und/oder einen Stofffluß zu ermöglichen.
Rudolf Koller

4. Entstehungsursachen und Produktwerdegang

Zusammenfassung
Anlaß für die Entwicklung technischer Produkte sind die Bedürfnisse und Wünsche der Menschen hinsichtlich Ernährung, Kleidung, Gesundheit, Wohnen, Reisen, Information und Unterhaltung ; kurzum das Bestreben „zivilisiert zu leben“. Zur Befriedigung dieser Bedürfnisse und Wünsche bedarf es der Erledigung verschiedener Arbeiten. Um diese möglichst bequem erledigen zu können oder besser erledigen zu lassen, besteht der Wunsch nach Werkzeugen und Automaten, die die Durchführung der notwendigen Arbeiten erleichtern oder weitgehend selbständig erledigen können. Die Folge dieser Wünsche sind die Land- und Lebensmitteltechnik, die Textil-, Bau- und Verkehrstechnik, medizinische Technik und Kommunikationstechnik, wie Presse, Rundfunk, Fernsehen usw. Die Herstellung dieser primär notwendigen technischen Systeme erzeugt das Bedürfnis nach sekundären technischen Systemen und Einrichtungen wie Werkzeugmaschinen, Vorrichtungen, Anlagen zur Stahlerzeugung u. a. zur wirtschaftlichen Herstellung der Primärsysteme.
Rudolf Koller

5. Aufgabenstellung (Pflichtenheft, Spezifikation)

Zusammenfassung
Vor Beginn einer jeden Entwicklung eines Produktes bzw. jeder konstruktiven Tätigkeit ist es notwendig, sich über die Ziele der Konstruktion in Form einer Aufgabenstellung Rechenschaft zu geben. Das Erarbeiten einer Aufgabenstellung ist in vielen Fällen sehr schwierig, ist diese doch für den späteren Markterfolg oder -mißerfolg mitentscheidend; es zwingt aber zum gründlichen Nachdenken über Ziel und Zweck des beabsichtigten Produktes und hilft so in vielen Fällen, Fehlentwicklungen zu vermeiden. In Streitfällen zwischen Auftraggeber und Auftragnehmer kann eine sorgfältig ausgearbeitete Aufgabenstellung auch als wichtiges Dokument dienen. In der Praxis wird das, was im folgenden als Aufgabenstellung bezeichnet werden soll, häufig auch als Pflichtenheft, Spezifikation oder Anforderungsliste bezeichnet.
Rudolf Koller

Der Konstruktions- oder Entwicklungsprozess

Frontmatter

Die Funktionssynthese

6. Überblick über die Vorgehensweise

Zusammenfassung
Der Konstruktions- oder Entwicklungsprozeß eines technischen Produktes besteht im wesentlichen aus einem Synthese- und einem Selektions- sowie einem Analyseprozeß. Einem Analyseprozeß dann, wenn an dem zu entwickelnden System Fragenstellungen der Geräuschentwicklung, des Verschleißverhaltens, des dynamischen Verhaltens, u. a. zu klären sind, die nur durch experimentelle Untersuchungen hinreichend genau geklärt werden können (s. Bild 6.1 und 12.1).
Rudolf Koller

7. Entwickeln von Funktionsstrukturen

Zusammenfassung
Der Konstruktionsprozeß gliedert sich in die drei Phasen Funktionssynthese, qualitative und quantitative Maschinensynthese. Sie werden bei der Neuentwicklung eines technischen Gebildes bewußt oder unbewußt immer durchlaufen. Je nachdem wie weit bei der Lösung einer Aufgabe auf bereits Bekanntes zurückgegriffen werden kann, kann die Ausführung einzelner Arbeitsschritte oder ganzer Entwicklungsphasen überflüssig und übersprungen werden. Die folgenden Betrachtungen gehen der Vollständigkeit halber davon aus, daß jeder Realisierungsgrad einer Lösung neu entwickelt und folglich jeder Arbeitsschritt des Konstruktionsprozesses durchlaufen werden muß.
Rudolf Koller

Der qualitative Konstruktionsprozeß — Konzipieren, Entwerfen, Gestalten

8. Effektvariation und Effektstrukturen

Zusammenfassung
Liegt die zu lösende Aufgabe infolge der vorangegangenen Arbeitsschritte bereits in Form einer Elementarfunktionsstruktur vor, sind also die Ein- und Ausgangsgrößen der einzelnen Grundoperationen vorgegeben, so ist bekannt, “was” in “was” umgesetzt bzw. welche Eigenschaft oder Zustandsgröße eines Flusses verändert werden soll. Durch Zuordnen von geeigneten Effekten, die in Bezug auf ihre Ursache-Wirkung-Beziehung den in der Elementarfunktionsstruktur geforderten Bedingungen entsprechen, lassen sich die einzelnen Elementarfunktionen einer Verwirklichung um einen Schritt näherbringen.
Rudolf Koller

9. Effektträgervariation

Zusammenfassung
Ausgehend von einer bestimmten Aufgabenstellung schloß der vorangegangene Arbeitsschritt mit einer entsprechenden Effektstruktur ab. Das bedeutet, daß für jede zu realisierende Elementarfunktion eine Vorstellung existiert, mit welchem physikalischen Effekt oder mit welchen Effekten diese verwirklicht werden können. Auf dem Wege der weiteren Realisierung muß jedem Effekt ein Effektträger (Stoff) zugeordnet werden. Im allgemeinen kann man jedem Effekt verschiedene Stoffe zuordnen und so alternative Lösungsvarianten finden.
Rudolf Koller

10. Darstellung der Prinzip- oder Basislösung

Zusammenfassung
In den beiden vorangegangenen Arbeitsschritten wurden Effekt und Effektträger für eine bestimmte Elementarfunktion festgelegt. Mit der Wahl des Effektes liegt die prinzipielle Verwirklichung für die betreffende Funktion fest. Trotzdem kann die sog. Prinziplösung noch nicht dargestellt werden, da diese im allgemeinen nicht nur vom Effekt, sondern auch vom gewählten Effektträger mitbestimmt wird. Die Prinziplösung ist eine Funktion des Effektes und des Effektträgers:
Prinziplösung = f(Effekt, Effektträger).
Rudolf Koller

11. Kombinieren von Prinziplösungen, Bauelementen oder Baugruppen zu komplexeren Systemen

Zusammenfassung
Der vorangegangene Arbeitsschritt schloß mit der Erstellung der Prinzip- oder Basislösung ab. Diese beschränkte sich auf die qualitative Darstellung des betreffenden Ursache-Wirkung-Zusammenhanges und enthielt im wesentlichen nur die durch das betreffende physikalische Gesetz vorgegebenen Parameter. In dem folgenden Arbeitsschritt „Kombinieren“ sind die den einzelnen Elementarfunktionen entsprechenden Prinziplösungen gemäß der Elementarfunktionsstruktur zu komplexeren Systemen zu kombinieren. Dieser Arbeitsschritt muß notwendigerweise vor dem Gestalten erfolgen, da die einzelnen Elemente wegen des starken gegenseitigen Einflusses nicht losgelöst von ihren Nachbarelementen sinnvoll gestaltet werden können.
Rudolf Koller

12. Entwerfen und Gestalten

Zusammenfassung
Die vorangegangenen Arbeitsschritte schlossen mit der Erstellung eines Konzeptes für das zu entwickelnde System ab. Der bis dahin erreichte konstruktive Realisierungsgrad ist durch Prinziplösungen für die einzelnen technischen Funktionen gegeben. Diese Lösungen für die späteren Baugruppen sind in Form von Prinzipskizzen vorhanden, wobei die einzelnen späteren geometrischen Elemente noch als ein- oder zweidimensionale Gebilde dargestellt sein können. Ein reales technisches Gebilde besteht demgegenüber aus einer Vielzahl dreidimensionaler Einzelteile bzw. Körper, welche in irgendeiner Weise miteinander in Verbindung stehen. Die Tätigkeiten, welche notwendig sind, um eine Prinziplösung in ein herstellbares technisches Gebilde zu überführen, sollen mit „Gestalten oder Entwerfen“ bezeichnet werden. Mit Gestalten oder Entwerfen soll im wesentlichen das Überführen der ein- oder zweidimensionalen Prinziplösung einer bestimmten Funktionseinheit in ein dreidimensionales (körperliches) technisch herstellbares Gebilde bzw. eine Baugruppe verstanden werden. Zur Gestaltung einer Baugruppe müssen im einzelnen Wirkflächen festgelegt werden; diese sind zu Bauteilen zusammenzufügen, die Bauteile sind des weiteren zu Baugruppen zu fügen und diese wiederum zu Maschinen, Geräten oder noch umfassenderen Systemen. Liegen Bauteile oder Baugruppen bereits vor (Norm-, Kaufteile und/oder Standardbaugruppen) können die entsprechenden Konstruktionsschritte entfallen. Das Ergebnis dieser Arbeitsschritte ist in jedem Fall eine erste Skizze oder ein erster maßstäblicher Entwurf, der im Verlauf des weiteren Entwicklungsprozesses u. U. mehrmals überarbeitet, untersucht und verbessert wird und zu einem zweiten, dritten, vierten usw. Entwurf führt, um so schließlich in Form eines sogenannten endgültigen Entwurfes einen Perfektionsgrad zu erreichen, der es vertretbar erscheinen läßt, dieses durch Zeichnungen festgelegte System fertigen zu lassen.
Rudolf Koller

Selektion von Lösungen

13. Restriktionsgerechtes Konstruieren

Zusammenfassung
Technische Produkte sind das Ergebnis eines Syntheseprozesses und eines Prüf- oder Selektionsprozesses. Unter dem Syntheseprozeß sind jene Tätigkeiten zu verstehen, die notwendig sind, alle existenten Lösungen für eine bestimmte Aufgabe oder Teilaufgabe zu liefern. Unter dem Prüf- oder Selektionsprozeß sind hingegen alle Tätigkeiten zu verstehen, die erforderlich sind, um aus der Vielfalt der Lösungsmöglichkeiten die für den betreffenden Fall beste auszuwählen oder/und Mängel an Lösungen rechtzeitig zu erkennen und Verbesserungsmaßnahmen einzuleiten.
Rudolf Koller

14. Entwerfen und Ordnen von Funktionseinheiten

Zusammenfassung
Unter dieser Rubrik sollen einige im Maschinenbau häufig angewandte Funktionseinheiten — wie Verbindungen und einfache Getriebe — entworfen und geordnet werden. Hierbei soll das methodische Vorgehen nochmals deutlich gemacht werden.
Rudolf Koller

Beispiele

15. Entwicklung von Prinziplösungen; Beispiel Zündzeitpunktversteller

Zusammenfassung
Der Zündzeitpunkt bei schnellaufenden Verbrennungsmotoren wird bekanntlich mit zunehmender Drehzahl des Motors vorverlegt, d. h. die Zündung des Gasgemisches im Brennraum erfolgt bezogen auf die Kurbelstellung des Motortriebwerkes mit zunehmender Drehzahl früher. Zu diesem Zweck befindet sich an Verbrennungsmotoren im sog. Zündverteiler das Subsystem des Zündzeitpunktverstellers. Der Zündverteiler besteht im wesentlichen aus einer Welle, welche über die Motornockenwelle angetrieben wird. Auf dieser Welle befindet sich ein rotierender elektrischer Kontakt (Verteilerfinger) und ein Mehrfachnocken — entsprechend der Motorzylinderzahl — zur Steuerung des Unterbrecherkontaktes. Verteiler- und Unterbrecherkontakt werden also durch eine gemeinsame Welle synchron gesteuert. Der Zündzeitpunkt des Motors, der durch die Phasenlage des Verteilerfingers und des Unterbrechernockens bestimmt wird, kann also durch gemeinsames Verdrehen dieser beiden Elemente gegenüber der Antriebswelle (Nockenwelle) verstellt werden.
Rudolf Koller

16. Gestaltvariation; Beispiel Steuerventil

Zusammenfassung
Zur Bremsung bestimmter Fahrzeuge ist es notwendig, die Bremskraft bzw. den die Bremskraft erzeugenden Druck abhängig von zwei Signalgrößen (Parametern) zu steuern. Zu diesem Zweck braucht man ein entsprechend steuerbares Druckventil, wie es Bild 16.1 im Prinzip zeigt. Dieses System besteht aus zwei Kolben 1 und 2, einem Gleichgewichtshebel 3, dem eigentlichen Ventil 4, einem Stellkolben 5 und einem Stellhebelsystem 6. Die wesentliche Aufgabe dieses Systems ist die Reduzierung des Kesseldruckes R auf einen den beiden Signalgrößen (Drücken) Cv und T entsprechenden Bremsdruck C.
Rudolf Koller

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