Table Of ContentRoth, Konstruieren mit Konstruktionskatalogen, Band 2, 3. Aufl.
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
Karlheinz Roth
Konstruieren mit
Konstruktionskatalogen
Band 2: Kataloge
3. Auflage,
mit wesentlichen Ergänzungen
Mit 210 Abbildungen in ca. 2400 Einzeldarstellungen,
41 Konstruktionskatalogen
und 516 Begriffserläuterungen und Definitionen von Fachbegriffen
, Springer
o. Professor em. Dr.-Ing. Dr. h.c. KARLHEINZ ROTH
Beckurtsstraße 20
D-38116 Braunschweig
Bis 1989 Direktor des Instituts für Konstruktionslehre,
Maschinen-und Feinwerkelemente
der Technischen Universität Braunschweig
ISBN 978-3-642-62100-0 ISBN 978-3-642-17467-4 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-17467-4
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Roth, Karlheinz:
Konstruieren mit Konstruktionskatalogen 1 Karlheinz Roth. - Berlin ; Heidelberg ; New York ;
Barcelona; Hongkong ; London ; Mailand ; Paris; Singapur ; Tokyo : Springer.
Bd. 2. Kataloge. - 3. Aufl. - 2001
ISBN 978-3-642-62100-0
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2001
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 2001
Softcover reprint of the hardcover 3rd edition 2001
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Satz: Fotosatz-Service Köhler GmbH, Würzburg
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SPIN: 10731441 Gedruckt auf säurefreiem Papier 68/3020 hu - 5 4 3 2 I 0
Vorwort zur 3. Auflage
Auch in dieser Auflage wurden alle bewährten Konstruktionskataloge beibehalten,
Kapitel 11, ebenso wie das Kapitel 10 über die Handhabung der Konstruktions
kataloge. Ebenso die zahlreichen, zum Teil neuen Aussagen über die Bewertung
und Auswahl von Lösungen (Kapitel 12) mit dem modemen Stand der Bewertung
von Produkten aufg rund der Meßskala, die ihrem numerischen Modell entspricht,
blieb erhalten. Immer aktuell ist heute noch die Ermittlung der Freiheiten aufg rund
der Stützpunkttheorie (Kapitel 13) und die Frage, ob der Rechner dem Menschen
Teile des Konstruierens abnehmen kann (Kapitel 14).
Dank möchte ich an dieser Stelle Herrn Dr.-Ing. Ulrich Haupt aussprechen für
seine vorzüglichen Arbeiten an Kapitell1.13, Frau Ursula Gent für ihre Mitarbeit
an Kapitel 14, Frau Renate Metj e für ihre zahlreichen exakten Schreibarbeiten und
dem Springer-Verlag für seine gewohnt vorbildliche Ausstattung des Buches.
Braunschweig, August 2000 Karlheinz Roth
Vorwort zur 2. Auflage
Die zweite Auflage dieses Werks sieht eine Teilung in zwei Bände vor, und zwar
den Band I mit dem Gesamtstoff der Konstruktionslehre und den vorliegenden
Band 11 mit den Schwerpunkten der Konstruktionskataloge und der Formulierung
der Konstruktionsinhalte für die Rechneranwendung. Daher gliedert er sich in
einen Katalogteil mit den Kapiteln 10, 11, 12 und einen rechnerorientierten Teil
mit den Kapiteln 13, 14, sowie für beide Bände geltend, in den Begriffsteil des
Kapitels 15.
Kapitel 10 über Konstruktionskataloge und ihre Handhabung sowie Kapitel 11 mit
der Sammlung von Konstruktionskatalogen, entsprechen bis auf einige Ergänzun
gen weitgehend den Kapiteln 3 und 4 der ersten Auflage. Neu sind die Kapite112,
Bewertung und Auswahl von Lösungen, Kapitel 13, Stützpunktanordnungen und
Kapitel 14, Konstruieren mit dem Rechner. KapitellS, Begriffe, Definitionen und
Übersichten, wurde dem zusätzlichen Stoff entsprechend ergänzt.
Im ersten Teil von Band 11 werden die Konstruktionskataloge und Methoden zur
Lösungsauswahl behandelt.
Kapitel 10 bringt den Aufbau, die Unterteilung, Handhabung und Erstellung von
Konstruktionskatalogen, die dem Konstrukteur und Entwickler das Arbeiten sehr
erleichtern, da sie annähernd vollständige Lösungsspektren enthalten und den
Inhalt anwendungsfreundlich wiedergeben. Neu gegenüber der ersten Auflage ist
der Abschnitt: Erstellen und Auswerten von Konstruktionskatalogen mit Hilfe des
Rechners.
In Kapitel 11 sind 39 Konstruktionskataloge aufgenommen (zwei in Kapitel 10),
welche den ganzen Konstruktionsbereich überstreichen. Sie sind zum Teil so allge
mein gehalten, daß mit ihnen die unterschiedlichsten Konstruktionsfälle behandelt
werden können, zum anderen Teil aber so konkret, daß sie auch Lösungen für spe
zielle Fälle enthalten. Neu gegenüber der ersten Auflage sind die Kataloge über
Gerad[ührungen mit Wälzlagern und Klebeverbindungen, ebenso ein ausführliches
Beispiel für die praktische Anwendung von Konstruktionskatalogen.
Kapitel 11 enthält u. a. im Zusammenhang mit denjeweiligen Konstruktionskatalo
gen eine neuartige Betrachtungsweise wichtiger Maschinenelemente und Funkti
onsgruppen, so z. B. der linearen und nicht linearen Reibsysteme, der Kraftmulti
plikatoren, der mechanischen Rücklaufsperren, der festen Verbindungen sowie der
Berechnung von Toleranzsummierungen. Diese Abschnitte sind im Inhaltsver
zeichnis durch fette Beschriftung gekennzeichnet. Zur Schnellinformation können
die mit (S) bezeichneten Abschnitte vorgezogen werden.
Kapitel 12 über Bewerten und Auswählen von Lösungen wurde vollkommen neu
aufgenommen. Bekannte und weniger bekannte Bewertungsmethoden sind alle
Vorwort zur 2. Auflage VII
unter dem Gesichtspunkt der ihnen zugrunde liegenden Skalen betrachtet und
beschrieben worden. Ihre Eignung zur Auswahl von Lösungen beim Arbeiten mit
Konstruktionskatalogen und einige Beispiele sind Gegenstand der weiteren Aus
führungen.
Der zweite Teil von Band 11 widmet sich vornehmlich dem Konstruieren mit
Hilfe des Rechners. Eine Grundlage daftir ist die in Kapitel 9 (Band I) schon
behandelte in Abschnitt 11.3 und Kapitel 13 (Band 11) wieder aufgenommene
Logische Schluß-Matrix. Mit ihr können die wichtigen Funktionen der freien oder
gefiihrten Beweglichkeit sowie der Bewegungssperrung dem Rechner "mitgeteilt",
sowie ftir eine Art "automatischer Konstruktion" eingesetzt werden.
In Kapitel 13 erfolgt eine Erweiterung der Allgemeingültigkeit der Logischen
Schluß-Matrix, da nicht mehr von Stützjlächen, sondern von Stützpunkten ausge
gangen wird. Nun lassen sich alle auftretenden Fälle mathematisch korrekt behan
deln und daher der Verarbeitung durch den Rechner übergeben. Andererseits erlau
ben die beschriebenen Verfahren (auch ohne Rechnereinsatz) auf einfache Weise
festzustellen, ob beliebige orthogonale Anordnungen von Stützpunkten die Bewe
gungsmöglichkeit eines Körpers eindeutig oder mehrdeutig sperren oder ob er
sogar in bestimmten Richtungssinnen frei ist. Da es 12 orthogonale und 40 kom
binierte Bewegungssinne gibt sowie mehrere hunderttausend Anordnungsmöglich
keiten der Stützpunkte, ist es in vielen Fällen ohne Prüfung nicht möglich, die Ein
deutigkeit einer Lagerung oder die Anordnung der Mindestanzahl von Stützpunk
ten zu ermitteln.
Kapitel 14 behandelt verschiedene Möglichkeiten der rechnerunterstützten Kon
struktion. Es wird gezeigt, welche Voraussetzungen notwendig sind, um bestimm
te Tätigkeiten oder die gesamte Konstruktionsarbeit (innerhalb bestimmter
Grenzen) dem Rechner zu übertragen. Beispiele für solche "Rechnerkonstruk
tionen" mit Hilfe der Logischen Schluß-Matrix werden ausfiihrlich entwickelt. Sie
betreffen nur den algorithmisierten, nicht den programmtechnischen Aspekt.
Zahlreiche und notwendige Hinweise aus konstruktionstechnischer Sicht ftir die
Software-Entwicklung ergänzen die Ausführungen.
Kapitel 15 enthält, alphabetisch geordnet, zahlreiche Begriffserläuterungen und
Definitionen sowie Übersichten. Diese dienen zur gezielten, schnellen Information
des Lesers, aber auch zur Erleichterung des Verständnisses der neu auftretenden
Begriffe in der Konstruktionslehre. Der Leser kann ohne langes Textstudium er
fahren, was der Begriff in Konstruktionsmethodischer Hinsicht ausdrückt. Die
Definition ist keine Voraussetzung, sondern eine Ergänzung für das Verständnis des
Inhalts. Es schließt sich eine Übersicht der dargestellten Konstruktionskataloge
sowie der im Schrifttum verfügbaren Kataloge und Lösungssammlungen an.
Besonderer Dank gebührt Frau Ursula Gent für die ausgezeichnete Gestaltung und
Ausfiihrung der Bilder, für die Wiedergabe des Textes, insbesondere der zahl
reichen Gleichungen, Frau Renate Metj e, und meiner lieben Frau für ihre uner
müdliche Unterstützung.
Mit bestem Dank an den Springer-Verlag ftir die vorbildliche Ausführung auch des
Bandes 11 dieses Werks hoffe ich, daß es zur weiten Verbreitung und häufigen
Anwendung der Konstruktionskataloge beiträgt.
Braunschweig, Dezember 1993 Karlheinz Roth
Inhaltsverzeichnis
Die Bezeichnung (8) steht für die Auswahl der Abschnitte zur 8chnellinformation. Unterabschnitt
wenn angezeichnet.
Fettgedruckte Abschnittsüberschriften zeigen neuartige Eigenschaftsbetrachtungen von Maschi
nenelementen und Funktionseinheiten an.
Konstruktionskataloge . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10 Handhabung von Konstruktionskatalogen . 1
10.1 Einsatz von Konstruktionskatalogen während des Konstruktionsablaufs (S) 1
10.2 Anforderungen an Konstruktionskataloge (S) . . . . . 2
10.3 Einheitlicher Aufbau von Konstruktionskatalogen (S) . 2
10.3.1 Kataloge mit "eindimensionalem" Gliederungsteil .. 5
i0.3.2 Kataloge mit "zweidimensionalem" Gliederungsteil . . 6
10.3.3 Kataloge mit "dreidimensionalem" Gliederungsteil und
weitere Kombinationsformen . . . . . . . . . . . . . . . 6
10.3.4 Übersichts-und Detailkataloge . . . . . . . . . . . . . . 6
10.4 Einteilung der Konstruktionskataloge nach ihrem Inhalt (S) . 7
10.4.1 Objektkataloge .. 7
10.4.2 Operationskataloge . 10
10.4.3 Lösungskataloge . . 10
10.4.4 Beziehungskataloge . 10
10.4.4 Vergleich der Katalogarten 10
10.5 Darstellung des Kataloginhalts (S) 11
10.6 Praktische Handhabung von Konstruktionskatalogen 12
10.6.1 Anwendung von Lösungskatalogen (S). . . . . . . . 12
1. Fallbeispiel 1: Bolzensetzwerkzeug . . . . . . . 13
2. Fallbeispiel 2: Kupplungs-Schaltstellungs-Getriebe 15
10.6.2 Anwendung von Objektkatalogen (S). . . . . . . . . . 18
1. Fallbeispiel3: Handnietmaschine ........ . 19
2. Fallbeispiel4: Sicherung einer lösbaren Verbindung 20
10.6.3 Anwendung von Operationskatalogen (S) . . 21
1. Fallbeispiel5: Lüfterrad an einem Motor 22
10.7 Erstellen von Konstruktionskatalogen . . . . 23
10.8 Sammlung von Zugriffs-und Gliederungsmerkmalen für
Konstruktionskataloge . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
10.9 Konstruktionskataloge für Katalogmerkmale ........... . 25
1. Prinzipblatt zu den Konstruktionskatalogen in den Bildern 10.29
und 10.30 ............................ . 25
2. Konstruktionskatalog Bild 10.29: Zugriffs-und Gliederungsmerkmale
für Konstruktionskataloge (Übersichtskatalog) . . . . . . . . . . . 26
3. Konstruktionskatalog Bild 10.30: Sammlung von Zugriffs-und
Gliederungsmerkmalen für Konstruktionskataloge (Detailkatalog) 27
10.10 Erstellen und Auswerten von Konstruktionskatalogen mit Hilfe des
Rechners .................... . 34
10.10.1 Konstruktionskataloge als Softwaremodule . . . . . . . 34
10.10.2 Rechnerunterstütztes Erzeugen und Arbeiten mit
Konstruktionskatalogen aufg rund einer "Katalogschale" 36
10.11 Schrifttum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
11 Sammlung von Konstruktionskatalogen . . . . . . 39
11.1 Konstruktionskataloge für die Aufgabenformulierungs-Phase (S) . 39
11.1.1 Anforderungsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
X Inhaltsverzeichnis
1. Festforderungen (F) als Punktforderungen . . . . . . . . . . . . . . 39
2. Festforderungen (F) als ungezielte Grenz-und Bereichsforderungen 39
3. Zielforderungen (Z) . . . 40
4. Wunschforderungen (W) . . . . . . . . . . . 40
5. Beispiele ................... 40
6. Prinzipblatt (Konstruktionskatalog 11.1.1) (S) 41
7. Konstruktionskatalog 11.1.1, Anforderungsarten . 42
11.2 Übertragen von Kräften, Einleiten und Begrenzen von Bewegungen 43
11.2.1 Schlußarten (S) . . . . . . . . . . . . . . . . 43
1. Element-und kombinierte Schlüsse. . . . 44
2. Prinzipblatt (Konstruktionskatalog 11.2.1) 48
3. Konstruktionskatalog 11.2.1, Schlußarten 49
11.2.2 Bewegung einsinnig begrenzen (einseitige Anschläge) 51
1. Prinzipblatt (Konstruktionskatalog 11.2.2) . . . . . 51
2. Konstruktionskatalog 11.2.2, einseitige Anschläge . 52
11.2.3 Bewegung gegensinnig begrenzen (zweiseitige Anschläge) 53
1. Prinzipblatt (Konstruktionskatalog 11.2.3) . . . . . . . 56
2. Konstruktionskatalog 11.2.3, zweiseitige Anschläge . . 57
11.2.4 Reibsysteme mit unterschiedlichem Kennlinienverlauf2 (S) 58
1. Übertragungsfaktoren . . . . . . . . . 58
2. Änderung der Übertragungsfaktoren ... 59
3. Klemmfähige Reibsysteme .. . . . . . . . 59
4. Vergleich der Reib-und Einleitungskräfte . 59
5. Übertragungsfaktor und Konstruktionsgrößen 60
6. Prinzipblatt (Konstruktionskatalog 11.2.4) . . . . 63
7. Konstruktionskatalog 11.2.4, Reibsysteme mit unterschiedlichem
Kennlinienverlauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
11.2.5 Variationsoperationen zur funktionellen Änderung des Reibsystems 65
1. Prinzipblatt (Konstruktionskatalog 11.2.5) . . . . . . . . . . . . 65
2. Konstruktionskatalog 11.2.5, Variation der Reibsystem-Funktion 66
11.3 Logische Darstellung von Festkörperpaarungen . . . . 67
11.3.1 Elementenpaarungen mit technisch wichtigen Körpern 67
1. Die Logische Schluß-Matrix (S) .. . . . . . . . . 67
2. Prinzipblatt (Konstruktionskatalog 11.3.1) . . . . . 70
3. Konstruktionskatalog 11.3.1, Elementenpaarungen wichtiger Körper 71
11.3.2 Logische kombinatorische Funktionen an Getrieben (S) . . . . . 72
1. Instrumentenklappen als logische Getriebe . . . . . . . . . . 72
2. Prinzipblatt zu den Konstruktionskatalogen 11.3.2 bis 11.3.5 76
3. Konstruktionskatalog 11.3.2 Negations-Getriebe. . . . . . . 76
4. Konstruktionskatalog 11.3.3 Varianten der Negations-Getriebe 77
5. Konstruktionskatalog 11.3.4, Grundformen logischer Konjunktions-
und Disjunktions-Getriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6. Konstruktionskatalog 11.3.5, Varianten der Konjunktions-und
Disjunktions-Getriebe. . . . . . . . . . . . . . 79
11.3.3 Logische sequentielle Funktionen und Getriebe (S) 79
1. Mechanische RS-Flipflops . . . . . . . . . . . 79
2. Mechanische T-Flipflops . . . . . . . . . . . . 79
3. Prinzipblatt zu den Konstruktionskatalogen 11.3.6 und 11.3.7 . 82
4. Konstruktionskatalog 11.3.6, Mechanische T-Flipflops (Tastschalter) 83
5. Konstruktionskatalog 11.3.7, Varianten mechanischer T-Flipflops
(Tastschaltervarianten) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
11.4 Erzeugen von Kräften und Verändern ihrer Parameter . . . . . . . . . . . . .. 87
11.4.1 Kraft mit anderen Größen erzeugen (S) ..... . . . . . . . . . . . . . . .. 87
1. Prinzipblatt (Konstruktionskatalog 11.4.1) . 92
2. Konstruktionskatalog 11.4.1, Kraft erzeugen 88
11.4.2 Einstufige Kraftmultiplikation (S) . . . . . . 92
1. Schaltung von Kraftmultiplikatoren . . . 94
2. Zusatzfunktionen bei Kraftmultiplikatoren 97
3. Leistungsverstärker als Geschwindigkeits-und Kraftmultiplikator 100
4. Prinzipblatt (Konstruktionskatalog 11.4.2) . . . . . . . . . . 103
5. Konstruktionskatalog 11.4.2, einstufige Kraftmultiplikation . . . . . . 104
Inhaltsverzeichnis XI
11.4.3 Mechanische Rücklaufsperrung (S). . . . . . . . . . . . 106
1. Rücklaufsperrung durch Reibklemmschluß . . . . . . 106
2. Rücklaufsperrung durch normalen Berührungsschluß 108
3. Verschiedene Anwendungsmöglichkeiten von Rücklaufsperren 109
4. Zusammenschalten von Rücklaufsperren . 110
5. Beispiele für Klemmschluß-Gesperre . . . lll
6. Umschaltbare Rücklaufsperren (S) . . . . 114
7. Prinzipblatt (Konstruktionskatalog 11.4.3) 114
8. Konstruktionskatalog 11.4.3, mechanische Rücklaufsperrung 115
11.5 Gliederketten, Mechanismen und Getriebe . . . . . . . . . . . . 116
11.5.1 Geschlossene Einelementenpaarungen, Elementenpaarungen und Ketten
bis zu vier Gliedern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
1. Prinzipblatt (Konstruktionskatalog 11.5.1) . . . . . . . . . . . . . . . 120
2. Konstruktionskatalog 11.5.1, Ketten bis zu vier Gliedern ....... 121
11.5.2 Zwangläufige zwei-bis viergliederige Mechanismen mit Dreh-, Schiebe-
und Zwiegelenkpaaren (S) .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
1. Prinzipblatt (Konstruktionskatalog 11.5.2) . . . . . . . . . . . . . 125
2. Konstruktionskatalog 11.5.2, zwangläufige zwei-bis viergliedrige
Mechanismen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
11.5.3 Entwicklung verschiedener Getriebe aus gleichem Mechanismus . . . 127
1. Prinzipblatt (Konstruktionskatalog 11.5.3) . . . . . . . . . . . . . 128
2. Konstruktionskatalog 11.5.3, Entwicklung verschiedener Getriebe aus
gleichem Mechanismus . . . . . . . . . . 129
11.5.4 Varianten einstufiger Reibsysteme (S) . . . . . . . . . . . . . . . . 130
1. Prinzipblatt (Konstruktionskatalog 11.5.4) . . . . . . . . . . . . 130
2. Konstruktionskatalog 11.5.4, Varianten einstufiger Reibsysteme . 131
Detailkatalog 1: Keilsysteme . . . . . 131
Detailkatalog 2: Hebelsysteme . . . . 132
Detailkatalog 3: Schlingbandsysteme . 132
11.6 Variation der Struktur. . . . . . . . . . . 133
11.6.1 Strukturvariations-Operationen (S) . . . . 133
1. Prinzipblatt (Konstruktionskatalog 11.6.1) 136
2. Konstruktionskatalog, 11.6.1 Strukturvariations-Operationen 136
11.7 Gleichförmig übersetzende Getriebe . . . . . . . . . . . . . . . 137
11.4.7 Gleichförmig übersetzende Grundgetriebe (Sonderverzahnungen) (S). 137
1. Prinzipblatt (Konstruktionskatalog 11.7.1) . . . . . . . . . . . . . 141
2. Konstruktionskataog 11.7.1, gleichförmig übersetzende Grundgetriebe 142
11.8 Feste Verbindungen . . . . . . . 144
11.8.1 FestIegungen (S) . . . . . . . . . 144
11.8.2 Verbindungen und Schluß arten . 144
11.8.3 Die Rolle der Schluß arten bei der Herstellung von Verbindungen . 146
11.8.4 Ausführung von Verbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
11.8.5 Erhöhen der HaItekräfte bei kraftschlüssigen Verbindungen 148
11.8.6 Anwendungshäufigkeit bestimmter Verbindungen (S) 149
11.8.7 Nietverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
1. Zum Übersichtskatalog: Nietverbindungen . . . . . . . . . . 152
2. Zu den Detailkatalogen: Nichtblindniet-Verbindungen und Blindniet-
Verbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
3. Prinzipblatt zu den Konstruktionskatalogen 11.8.1 bis 11.8.3 ..... 154
4. Konstruktionskatalog 1L8.1, Nietverbindungen (Übersichtskatalog) . . 155
5. Konstruktionskatalog 1L8.2, Nichtblindniet-Verbindungen (Detailkatalog) 156
6. Konstruktionskatalog 11.8.3, Blindniet-Verbindungen (Detailkatalog) 160
11.8.8 Welle-Nabe-Verbindungen . . . . . . . . . . 163
1. Allgemeine Gesichtspunkte (S) . . . . . . . . . . . . . . 163
2. Prinzipblatt (Konstruktionskatalog 11.8.4) . . . . . . . . 164
3. Konstruktionskatalog 11.8.4, Welle-Nabe-Verbindungen
(Übersichtskatalog) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
4. Prinzipblatt (Konstruktionskatalog 11.8.5) . . . . . . . . 165
5. Konstruktionskatalog 11.8.5, Welle-Nabe-Verbindungen (Detailkatalog). 166