Konstruieren mit Konstruktionskatalogen: Band 1: Konstruktionslehre

457 Pages·2000·17.07 MB·German

by  o. Professor em. Dr.-Ing. Dr. h.c. Karlheinz Roth (auth.)

Roth, Konstruieren mit Konstruktionskatalogen, Band 1,3. Aufl.
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
Karlheinz Roth
Konstruieren mit
Konstruktionskatalogen
Band 1: Konstruktionslehre
3. Auflage, erweitert und neu gestaltet
Mit 335 Abbildungen in ca. 3000 Einzeldarstellungen
Springer
o. Professor em. Dr.-Ing. Dr. h.c. KARLHEINZ ROTH
Beckurtsstraße 20
D-38116 Braunschweig
Bis 1989 Direktor des Instituts fiir Konstruktionslehre
Maschinen-und Feinwerkelemente
der Technischen Universität Braunschweig
ISBN 978-3-642-62099-7 ISBN 978-3-642-17466-7 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-17466-7
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. 1. Konstruktionslehre. - 3. Aufl., erw. und neu gestaltet. - 2000
ISBN 978-3-642-62099-7
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Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 2000
Softcover reprint of tbe hardcover 3rd edition 2000
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Satz: Fotosatz-Service Köhler GmbH, Würzburg
Einband: Struve & Partner, Heidelberg
SPIN: 10714520 Gedruckt auf säurefreiem Papier 68/3020 hu - 5 4 3 2 I 0
Meiner Frau Gertraud gewidmet
Vorwort zur dritten Auflage
Die einzelnen Kapitel enthalten viele Fakten, Unterlagen und Zusammenfassungen,
die aus der Gesamtüberschrift nicht zu entnehmen sind. Daher wurden zu den
Hauptüberschriften noch Kurzfassungen des Kapitelinhalts hinzugefügt, so daß
neben Inhalts-und Stichwortverzeichnis ein weiterer Weg zur Verfügung steht, um
weniger offenkundige Inhalte zu finden. Ebenso ist die Möglichkeit der im Inhalts
verzeichnis mit (S) bezeichneten Bilder zur Schnelldurchsicht erhalten geblieben.
Zur eiligen Erklärung der Bilder wurden die ausführlichen Bildunterschriften bei
behalten. Die Bilder wurden auf den neuesten Stand gebracht, ebenso wie das
Schrifttum. Die dargestellten Methoden, Zusammenfassungen und Kataloge sind
immer noch hochaktuell, unter anderem, da die klassische Konstruktionsmethodik
schon einen hohen Reifestand erreicht hat und der Praxis um viele Jahre voraus ist.
Eine neue Arbeitsweise erfordert die Einbeziehung der mit ständig neuer Software
bestückten Rechner (Computer). Diese jedoch werden in Band I nicht behandelt.
Auch diesmal gilt mein besonderer Dank Frau Ursula Gent für die vorbildlichen
Zeichnungen sowie Zeichnungskorrekturen und Frau Renate Metj e für den schönen
Schriftsatz. Gedankt sei auch dem Springer-Verlag für die vorbildliche Buchge
staltung.
Braunschweig, November 1999 Karlheinz Roth
Vorwort zur zweiten Auflage
In der ersten Auflage des vorliegenden Buchs lag der inhaltliche Schwerpunkt bei
der Erstellung und Anwendung von Konstruktionskatalogen - dort in den Kapiteln
3 und 4 - während sich die Konstruktionslehre auf die Kapitell und 2 beschränk
te. Die Kapitel 5 und 6 brachten neu entwickelte methodische Verfahren und eini
ge Hilfsmittel zur Methodenanwendung.
Die neue Strukturierung des Inhalts sieht eine Teilung in zwei Bände vor. Der erste
Band behandelt die Konstruktionslehre, der zweite die Konstruktionskataloge und
den Einsatz des Rechners für die Konstruktion. Im vorliegenden Band I werden alle
wesentlichen Gebiete der Konstruktionslehre angesprochen. Ebenso werden die
wichtigsten Aspekte berücksichtigt, viele methodische Vorgehensweisen beschrie
ben sowie zahlreiche Hilfsmittel für den Konstrukteur und Projektingenieur sinnvoll
aufbereitet und zur Verfügung gestellt. Sie sind teils konventioneller, teils neuer
Art. Die bei den Bände können als eines der Grundlagenwerke der methodischen
Konstruktionslehre betrachtet werden.
VIII Vorwort
Besonderes Gewicht wurde auf die Behandlung der "Infonnation" gelegt, als drit
ter Größe neben "Stoff" und "Energie". Sie tritt in zweierlei Eigenschaft auf, ein
mal als passive, zu verändernde Größe, dann aber auch als aktive Größe, als das
effektivste menschliche "Werkzeug", um den Stoff, die Energie und die Infonna
tion selber zu ändern.
Ein wichtiger Gesichtspunkt für die Gliederung und Auswahl des Stoffes war es,
nicht nur eine Art Leitfaden für methodisches Konstruieren zu entwickeln, wie bei
zahlreichen ähnlichen Werken, gewissennaßen eine Art "Rezept" zusammenzu
stellen, sondern - soweit es möglich ist - auch für jede vorgeschlagene Vorgehens
methode die notwendigen Arbeitsmittel, systematisch und übersichtlich aufbereitet,
aufzunehmen oder neu zu entwickeln. Solche Arbeitsmittel finden ihren Nieder
schlag sehr häufig in entsprechenden Bildern. Auf die aussagekräfte Ausführung
der Bilder, die den Konstrukteur und Techniker in seiner verständlichen Sprache
infonnieren, wurde besonderer Wert gelegt.
In den Bildern sind auch die wichtigen Gleichungen enthalten. Sie sind mit aus
führlichen Bildunterschriften versehen. Somit kann für den praktisch arbeitenden
Leser das Buch als arbeitsbegleitendes Nachschlagewerk verwendet werden, auch
wenn ihn mehr das "Was" und weniger das "Wie" interessiert.
Die Unterteilung des Bandes I erfolgt in 9 Kapitel. Während das 1. Kapitel als Ein
leitung mit einem sehr effektiven Konstruktionsverfahren in die methodische Den
Kungsweise einzuführen versucht, behandelt Kapitel 2 die wichtigen Grundgrößen
der Konstruktionslehre, nämlich Stoff, Energie und Infonnation sowie den metho
dischen Ablauf des Konstruierens. Es beschribt wichtige Ausgangsvoraussetzungen
zum methodischen Arbeiten im technischen Bereich, in gewissem Sinn die Grund
pfeiler der gesamten Arbeit. Die Kapitel 3 bis 8 befassen sich mit den einzelnen
Arbeitsabschnitten des Konstruierens. Im einzelnen wird in Kapitel 3 die Aufga
benfonnulierung, in Kapitel 4 die Funktion, in Kapitel 5 die Prinzipfindung und in
Kapitel 6 bis 8 die Gestaltung behandelt. Weiter wird in Kapitel 9 eine algorithmi
sche Voraussetzung des gezielten Findens von prinzipiellen Gestaltungen, nämlich
die logische Schluß-Matrix erstmalig geschlossen dargestellt. Bei verschiedenen
Konstruktionsaufgaben kann es daher zweckmäßig sein, nach der Lektüre von
Kapitel 2 direkt in das Kapitel zu springen, welches für die aktuelle Arbeit hilfreich
ist, nämlich über die Aufgabenstellung, die Funktionszusammenstellung, die Prin
zipfindung, die Gestaltung oder die Herstellung.
Besondere Aufmerksamkeit wurde den Arbeiten in der Gestaltenden Konstruk
tions-Phase gewidmet, die mit drei Kapiteln den Schwerpunkt von Band I bilden.
Die einzelnen Kapitel des ersten Bandes umfassen oft ein sehr breites Spektrum.
Um auf kürzestem Wege zu den Inhalten zu kommen, die im Einzelfall interessie
ren, kann eine der vorgeschlagenen Vorgehensweisen gewählt werden:
1. Nachschlagen der den Begriff beschreibenden Bilder (Texte) im Sachverzeich
nis. Schnellinformation durch die Kurzunterschrift (erster Satz), ausführlichere
Erläuterung durch den Rest der Bildunterschrift.
2. Erläuterung der Bilder im Text nach deren fettgedruckter Bildnummer.
3. Schnelldurchsicht leicht praktikabler Ergebnisse beim Durchlesen der mit (S)
bezeichneten Abschnitte im Inhaltsverzeichnis.
4. Lesen des fortlaufenden Textes.
Liegen beide Bände vor, kann zunächst eine Kurzinfonnation mit erläuternden
Begriffen in Kapitel 15 eingeholt werden.
Der Ausgangspunkt und die Lösung der zahlreichen behandelten Probleme wird am
Beginn und am Ende der einzelnen Abschnitte stets auch textlich behandelt, so daß
die einzelnen Gleichungen wohl für die Möglichkeit des Nachvollzugs für die
Vorwort IX
Übertragung auf den Rechner wichtig sind, für die Handlungsanweisung an den
Konstrukteur häufig auch übersprungen werden können. Und der konstruierende
Ingenieur ist es, der aufg rund langjähriger Erfahrung des Verfassers am häufigsten
angesprochen werden soll.
Im einzelnen ist der Inhalt der Kapitel folgender:
Kapitell befaßt sich beispielhaft mit der Abstraktion und Konkretisierung tech
nischer Inhalte, der Methode der "Variation von Teilfunktionen", der Verwendung
von Lösungssammlungen, Konstruktionskatalogen und Morphologischen Kästen.
Kapitel 2 führt die drei Allgemeinen Größen ein - es sind dies Stoff, Energie und
Information - zeigt Funktionspläne sowie die vereinheitlichten Ablaufpläne beim
Konstruieren und mögliche Vorgehensstrategien.
Kapitel3 stellt zunächst die entwickelten Konstruktions-Modelle vor und enthält
zahlreiche Unterlagen zur Aufstellung der zweckmäßigen Aufgabenformulierung
mit Hauptaufgabensatz und Anforderungsliste; letztere in drei verschieden aus
führlichen Versionen mit Zuhilfenahme von Produktfrageliste, Such-Matrix,
Checkliste und Anforderungskatalog.
Kapitel 4 befaßt sich mit der Behandlung der Funktion, die als zweiter Arbeitsab
schnitt im Konstruktionsablaufplan folgt. Die sogenannte ,,Allgemeine Funktion"
einschließlich ihrer Vernetzung wird als wichtigste und als Prototyp für alle ande
ren Funktionen erläutert und am Beispiel des Wagenhebers praktisch abgehandelt.
Mit ihr lassen sich alle Maschinensysteme darstellen. Sie wird ergänzt durch die
Intensitätsgrößen-Funktion (IQ-Funktion) durch die Vektorielle und durch die
Logische Funktion.
Kapitel 5 behandelt, entsprechend dem dritten Arbeitsabschnitt, die Prinzipfin
dung, die Berücksichtigung der physikalischen und anderen Effekte für die vorge
gebenen Funktionen. Erst nach Einsatz der Effekte können die Funktionen reali
siert werden. Die aus dem physikalischen Bereich entnommenen mechanischen
Effekte sind in übersichtlichen Katalogen zusammengefaßt und können über die
Funktionsgrößen-Matrix direkt ermittelt werden. Auch das Arbeiten mit der Spe
ziellen (physikalischen) und der Logischen Funktionsstruktur zum Finden der
Prinzipdarstellung wird gezeigt.
Kapitel 6 enthält Unterlagen für das methodische Entwickeln der Gestalt, auf
grund der statischen Belastungen, aufg rund der Anordnungs-Variationen, des ite
rativen Vorgehens, der Handhabung von Symmetrievorgaben, das sogenannte
"Gerechte Konstruieren" bezüglich der Funktion, der numerischen Ermittlung des
Komplexitätsgrades, des Designs, der Gestalt, der festigkeitsmäßig günstigen Aus
legung, der Montage, der Verbindungsmöglichkeiten, der Sicherheit, der Ferti
gungsverfahren, des Recyclings, der Funktionsintegration u. a.
Kapitel 7 bringt die Systematik der Maschinen-Elemente, der Stützungen und
Führungen, der grundlegenden Funktionsstrukturen für Stoff-, Energie-und Infor
mations-Maschinen, der Modellgesetze sowie der Geräte mit zentraler Steuerung.
Kapitel 8 zeigt Modellvorschläge, die einen durchgehenden Übergang von der
Funktion bis zur Gestaltung verkörpern. Behandelt wird der häufig eingesetzte aber
bisher nicht bewußt gemachte Spannungsring für zahlreiche Anwendungen, die
X Vorwort
systematisch geordneten kinematischen Ketten und ihre Anwendung bei der Kon
struktion. Es wird in diesem Zusammenhang erstmalig die Bedeutung von Schalt
symbolen für den Einsatz verschiedener Konstruktions-Strategien behandelt sowie
mit den Struktur-Funktions-Elementen (ähnlichen Elementen, wie sie bei der
Methode mit Finiten Elementen Verwendung finden) eine Möglichkeit zur Synthe
se statischer Konstruktionen gezeigt.
Kapitel 9 widmet sich allein der Theorie der logischen Schluß-Matrizen, die mit
tels Boolescher Verknüpfungen eine Art "mechanischer Schaltalgebra" entstehen
lassen. Die vom Autor entwickelte algorithmische Darstellung der relativen Frei
heiten und Sperrungen zwischen zwei sich berührenden Körpern ermöglicht
zusätzlich die Systematisierung aller Elementenpaare und Verbindungen sowie
deren Generierung aufg rund einer vorgegebenen Berührungsfunktion. Es können
daher Funktionen der relativen Sperrung und Freiheit von Bewegungen zwangs
läufig in entsprechenden Körperpaarungen realisiert werden.
Mein herzlicher Dank für die Ausführung der Arbeiten gilt in ganz besonderer
Weise Frau Ursula Gent, der die Herstellung der Zeichnungen oblag. Ihre techni
sche Fertigkeit, ihre große Sorgfalt und Geduld sowie ein gutes Einfühlungsver
mögen in den technischen Inhalt ermöglichte es, den Leser gleich auf das Wesent
liche hinzuweisen sowie die Anordnung der Bilder übersichtlich und ästhetisch zu
gestalten.
Ebenso gilt mein besonderer Dank für die umfangreichen Schreibarbeiten Frau
Renate Metj e, die insbesondere bei den Gleichungen und Matrizen ihre umfangrei
chen Kenntnisse des Rechnersystems zur übersichtlichen Darstellung verwenden
konnte.
Dank sei dem Springer-Verlag ausgesprochen, der auch die 2. Auflage in einer vor
bildlichen Ausführung herausbrachte. Größte Dankbarkeit jedoch gilt meiner Frau,
ohne deren Hilfe und Verständnis diese Arbeit nicht hätte entstehen können.
Ich hoffe sehr, daß mit dem vorliegenden Werk die Grundlagen der Konstruktions
lehre weiter vertieft werden und mit den zahlreichen neuen Anregungen ihr zukünf
tiger Ausbau durch unkonventionelle Aspekte erweitert wird.
November 1993 Karlheinz Roth
Inhaltsverzeichnis
1 Vorteile Konstruktionsmethodischen Vorgehens
1.1 Zielsetzung (S) I. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Die Methode der Effektvariation bei erkannten Teilfunktionen (S) 2
1.2.1 Durchführung der Abstraktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.2 Durchführung der Konkretisierung ............... . 5
1.2.3 Methode der Variation aller Teilfunktionen mit dem Morphologischen Kasten . 5
1.3 Lösungssammlungen und Konstruktionskataloge für das methodische
Konstruieren (S) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4 Rationelles Arbeiten mit dem Morphologischen Kasten 12
1.5 Schrifttum .................... . 15
2 Allgemeine Grundlagen der Konstruktionslehre 17
2.1 Die drei Allgemeinen Größen der Konstruktionslehre (S) . 17
2.2 Ablaufplan für das methodische Konstruieren . . . . . . . 23
2.2.1 Ablaufplan für das Algorithmische Aus.wahlverfahren zur Konstruktion
mit Katalogen (S) ..... . 24
2.2.1.1 Aufgabenformulierungsphase. 25
2.2.1.2 Funktionelle Phase 26
2.2.1.3 Prinzipielle Phase ..... . 26
2.2.1.4 Gestaltende Phase .... . . 29
2.2.1.5 Auswirkung von Entscheidungen in einzelnen Phasen 30
2.2.1.6 Überspringen von Konstruktionsphasen 32
2.2.1.7 Einfügen des Konstruktionsablaufs in ein
übergeordnetes Vorgehenssystem . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2.1.8 Unterteilung des Ablaufplanes in die Arbeitsabschnitte 1-7: 33
Arbeitsabschnitt 1 (AufgabensteIlung) ...... . 33
Arbeitsabschnitt 2 (Funktionen)............. 33
Arbeitsabschnitt 3.1 (Prinziplösungen mit Effekten) ... 35
Arbeitsabschnitt 3.2 (Prinziplösungen mit Gestalte1ementen) 35
Arbeitsabschnitt 4 (Gestalt-Module) ........ . 36
Arbeitsabschnitt 5 (Gestalten maßgebender Module) .. . 36
Arbeitsabschnitt 6 (Gesamtentwurt) ........... . 36
Arbeitsabschnitt 7 DetailIierung, Produktdokumentation) 36
2.2.2 Variabler Ablaufplan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2.2.1 Konstruktionsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2.2.2 Beispiel für die Lösungsmöglichkeiten beim Einstieg in verschiedene
Konstruktionsphasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 40
2.2.2.3 Vergleich mit anderen Ablaufplänen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 42
2.2.3 Einfluß der Vemetzung von Funktions-und Baustrukturen
auf die Vorgehensweise .......................... 45
2.2.4 Mögliche Vorgehensweisen bei Vereinigung mehrerer Arbeitsabschnitte,
Vorgehens-Strategien I-VI (S) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
(S): Zur Schnelldurchsicht