Konstruktionslehre: Methodisches Konstruieren für das praxisnahe Studium

183 Pages·1996·6.88 MB·German

by  Prof. Dr.-Ing. Helmut Geupel (auth.)

Springer Lehrbuch
Springer
Berlin
Heidelberg
New York
Barcelona
Budapest
Hongkong
London
Mailand
Paris
Santa Clara
Singapur
Tokyo
Helmut Geupel
Konstruktionslehre
Methodisches Konstruieren
fur das praxisnahe Studium
Mit 180 Abbildungen
, Springer
Prof. Dr.-lng. Helmut Geupel
Sonnenlang lOa
D-82041 Oberhaching-Furth
ISBN -13 :978-3-540-60625-3 Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York
Die Deutsche Bibliothek -CIP-Einheitsaufnahme
Geupel, Helmut: Konstruktionslehre: methodisches Konstruieren fUr das praxisnahe Studium / Helmut Geupel.
Berlin; Heidelberg; New York; Barcelona; Budapest; Hongkong; London; Mailand; Paris; Santa Clara; Singapur;
Tokio: Springer, 1996 (Springer-Lehrbuch)
ISBN-13:978-3-S40-6062S-3 e-ISBN-13:978-3-642-61098-1
DOl: 10.1007/978-3-642-61098-1
Diese Werk ist urheberrechtlich geschiitzl. Die dadurch begriindeten Rechte, insbesondere die der Obersetzung, des
Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung,der Mikroverfilmung oder
der Vervielfaltigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur
auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfiiltigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im
Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik
Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulassig. Sie ist grundsatzlich vergiitungspflich.
tig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Stratbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes.
Ii) Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1996
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch
ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daB solche Namen im Sinne der Warenzeichen-und Mar
kenschutz·Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden diirften.
Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.B. DIN, VDI, VDE) Bezug
genommen oder aus ihnen zitien worden sein, so kann der Verlag keine Gewiihr fUr Richtigkeit, Vollstiindigkeit oder
Aktualitat iibernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls flir die eigenen Arbeiten die vollstandigen Vorschriften oder
Richtlinien in der jeweils giiltigen Fassung hinzuzuziehen
Satz: Datenkonvertierung durch Satztechnik Neuruppin GmbH, Neuruppin
SPIN 10475320 62/3020-543210 Gedruckt auf saurefreiem Papier
Vorwort
Dieses Buch ist als Lehrbuch ffir die Basisausbildung vornehmlich an Fach
hochschulen in den ersten Studiensemestern und als Nachschlagewerk und
Erganzung fUr die weiteren Semester vorgesehen.
Das Buch verfolgt ein bestimmtes didaktisches Konzept.
Wenn im 3. Studienabschnitt (7. + 8. Semester) Konstruktionsaufgaben mit
hOheren Anforderungen in Projektarbeit gestellt werden und Fragen des Kon
struktionsmanagements zur Verkfirzung der Einarbeitungszeit in der Kon
struktion behandelt werden soIlen, mussen schon im 2. Studienabschnitt Kon
struktionsaufgaben mittlerer Anforderungen - auch in CAD - methodisch
und praxisnah bearbeitet werden. Der Student muB folglich ausgehend von
gestellten Anforderungen ein Produkt konzipieren, entwerfen und ausarbeiten,
wobei er wirtschaftlich, systematisch und zielstrebig vorzugehen hat.
Die Folge dieses Ausbildungszieles ist, daB im 1. Sudienabschnitt im Fach
Konstruktion die gesamte Basisausbildung erfolgen soIlte, auch wenn viele
Kenntnisse von konstruktionsrelevanten Fiichern noch fehlen.
Diese Basisausbildung beinhaltet das Methodische Konstruieren mit der
Ablauffolge Konzept - Entwurf - Ausarbeitung. Weil dieser Konstruktionsab
lauf vornehmlich in Synthese-Richtung (vom Abstrakten zum Konkreten) er
folgt und der Mensch komplexe Vorgiinge einfacher in Analyse-Richtung
(vom Konkreten zum Abstrakten; yom Ganzen zum Detail) erfaBt, wird die
Struktur des Konstruierens in einer dem Ablauf entgegengesetzten Richtung
gelehrt (Ausarbeitung - Entwurf - Konzept). Der Entwurf und das Konzept
erfordern zudem Kenntnisse hinsichtlich der Fertigung und des allgemeinen
Zusammenwirkens der Bauteile, weswegen diesen beiden Kapiteln noch die
Konstruktiven Grundlagen vorgeschaltet sind.
Ablaut der Konstruktionslehre
Diese Konstruktiven Grundlagen werden im Buch ausfiihrlicher behandelt,
als sie im ersten Studienabschnitt vermittelt werden mussen und konnen.
Wesentlich dabei ist, daB der Student friihzeitig fur diese Gesichtspunkte sen-
VI Vorwort
sibilisiert wird, wahrend vieles auch als Unterstutzung ffir die oberen Seme
ster dient.
Andererseits kann und will das Buch Literatur uber Technisches Zeichnen
und Maschinenelemente nicht ersetzen. Diese Bucher sind vielmehr notwen
dige Ergiinzung.
Die Kenntnisse der Studienanfanger hinsichtlich des Technischen Zeieh
nens sind sehr unterschiedlich. Das Spektrum reicht von null bis zur abge
schlossenen Zeichnerlehre. Die konstruktive Ausbildung kann zugig und ef
fektiv gestaltet werden, wenn Stutzkurse von Tutoren die unterschiedlichen
Anfangskenntnisse ausgleiehen helfen. 1m Kapitel "Ausarbeitung" werden be
zuglich der Technischen Darstellung nur einfuhrende und grundsatzliche Ge
danken aufgegriffen, hinsichtlieh der genormten Darstellung wird auf Bucher
fur das Technische Zeichnen verwiesen.
Das Ausbildungsziel dieses Buches ist es, gleieh zu Beginn des Studiums
die Methode des Konstruierens zu erlernen und mit notwendigerweise be
scheidenem Fachwissen zu erfahren.
Wiehtig ist dann, daB dieses methodische Grundwissen in den folgenden
Semestern - auch erganzt mit zusatzlichen Informationen aus anderen Fa
chern - eingeubt und erweitert wird. So kann die Gesamtausbildung zur For
derung innovativer Konstrukteure beitragen.
Danken mochte ich meinen Kollegen, insbesondere den Herren Effenber
ger und Stossel, fur wertvolle Anregungen zu diesem Buch, Herrn Markus
Wirth ffir seinen unermudlichen Einsatz bei der Erstellung der Bilder und
nieht zuletzt Herrn Kollegen Ehrlenspiel fur dessen sieh anschlieBendes Ge
leitwort.
im Januar 1996 Helmut Geupel
Geleitwort
Es ist eine wichtige, aber auch schwere Aufgabe, einem jungen technisch und
konstruktiv kaum erfahrenen Studenten das konstruktive Gestalten, ja sogar
das methodische Konzipieren nahezubringen. Der Stoff soIl ja nicht nur ver
standen werden, sondern er solI auch so anschaulich und eindringlich ge
bracht werden, daB der Student in die Anwendung gehen kann und durch
Uben erfahrener wird.
Dies, so scheint mir, ist in dies em Buch gut gelungen. Interessant und
didaktisch einsichtig ist es, den Stoff umgekehrt zu bringen wie er im prakti
schen KonstruktionsprozeB entsteht: Zuerst die konkrete, leichter verstand
Hche Endzeichnung in der Ausarbeitung, dann das Entwerfen und am SchluB
das eher abstrakte Konzipieren mit der Funktionsbetrachtung.
Moge das Buch zum SpaB am Konstruieren und zu konkurrenzfahigen
Produkten verhelfen.
im Januar 1996 Klaus Ehrlenspiel
Inhaltsverzeichnis
Einfiihrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Aufgabe der Konstruktion ............................ .
1 1
2 Arbeitsablauf in einer Firma mit Entwicklung und Produktion .. . 1
3 Bedeutung der Konstruktion .......................... . 3
Ausarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1 Darstellung der Bauteile. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1 Anforderungen an eine technische Darstellung . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 Darstellung von Korpern in der Geschichte. . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 Moglichkeiten der techno Darstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.1 Dreidimensionale Darstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.2 Zweidimensionale Darstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4 Zweidimensionale Darstellung der Bauteile im Maschinenbau . . . 8
1.4.1 Normen, Grundsitze, Hinweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4·2 Grundkorperzerlegung............................... 9
1.4.3 Darstellung der Einzelteile, der Baugruppen, des Produktes . . . . . 10
1.4-3.1 Begriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4.3.2 Einzelteilzeichnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1-4-3.3 Gruppenzeichnungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.4-3.4 Gesamtzeichnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.4-4 Zeichnungsvorstufen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.4.4.1 Angabe des Werkstoffes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.4.4.2 Angabe des Vormaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.4.4.3 Rohteilzeichnung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2 Stuckliste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.1 Mengenubersichts-Stuckliste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2 Struktur-Sruckliste. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3 Baukasten-Sruckliste. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3 Weitere Fertigungsunterlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4 Systeme von Fertigungsunterlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.1 System I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.2 System II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.3 System III. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.4 Anwendung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
x Inhaltsverzeichnis
Konstruktive Grundlagen 31
Fertigungsgerechtes Konstruieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2 Fertigungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.1 Urformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.1.1 GieGen........................................... 35
2.1.1.1 Herstellung, Anwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.1.1.2 GuGgerechte Gestaltung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.2 Umformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.2.1 Schmieden........................................ 40
2.2.1.1 Herstellung, Anwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.2.1.2 Schmiedegerechte Gestaltung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.2.2 Biegen von Blechen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.2.2.1 Herstellung, Anwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.2.2.2 Biegegerechtes Gestalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.2.3 Tiefziehen......................................... 46
2.2.3.1 Herstellung, Anwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.2.3.2 Tiefziehgerechtes Gestalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.3 Span en (Trennen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.3.1 Bohren........................................... 48
2·3·2 Drehen........................................... 49
2.3.3 Frasen........................................... 51
2.3.4 Raumen.......................................... 52
2.5 Schleifen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.4 Scherschneiden (Trennen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.5 SchweiGen (Fiigen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.5.1 SchmelzschweiGen................................... 55
2.5.2 PreGschweiGen..................................... 57
Montagegerechtes Konstruieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2 Definition ........................................ . 58
3 Montagegesichtspunkte .............................. . 59
3·1 Gliedern der Fiigevorgange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3·2 Reduzieren der Fiigevorgange. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3·3 Vereinheitlichen der Fiigevorgange ...................... . 60
3·4 Vereinfachen der Fiigevorgange ........................ . 61
Funktionsgerechtes Konstruieren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2 MaGe, Toleranzen, Passungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.1 Grundlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.2 Zusammenwirken vieler MaGe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.3 Form-und Lagetoleranzen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
Inhaltsverzeichnis XI
2.4 Ursachen der Toleranzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.5 Statistische Betrachtung der Toleranzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3 Konstruktive Abstimmung von Bauteilen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.1 Gegenseitiges Absttitzen von Bauteilen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.2 Ftihrung bewegter Bauteile. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.2.1 Drehbewegung mit Axialbewegung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.2.2 Drehbewegung ohne Axialbewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.2.3 Axialbewegung ohne gegenseitige Drehbewegung . . . . . . . . . . . . 75
3.2.4 Offene Ftihrungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.3 Lagezuordnung von Bauteilen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.3.1 Konzentrische Lagezuordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.3.2 Vollstandige Lagezuordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.4 Befestigung von in der Montage noch einzustellenden Bauteilen. . 79
3.5 Konstruktive MaBnahmen zum Einbau von Walzlagern. . . . . . . . 81
3.5.1 Radiale Einbautoleranzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.5.2 Axiale Befestigung der Lager. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.5.2.1 Fest-Los-Lagerung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.5.2.2 Sttitzanordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.5-2.3 Axiale Abstiitzmoglichkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.5.3 Gehiiuse-VerschluBdeckel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.5-4 Montage von Wiilzlagern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.5.5 Wellendichtungen................................... 88
3.5.5.1 Auswahl von Wellendichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.5.5.2 Konstruktive Hinweise zum Einbau von Radial-Wellendichtungen 88
Beanspruchungsgerechtes Konstruieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
1 Einfiihrung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2 LastfluBdefinition .................................. .
3 LastfluBbedeutung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4 LastfluBgesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5 LastfluBdarstellung samt Kennzeichnung der Spannungsarten .. .
6 LastfluBermittlung ................................. .
6.1 Zerlegung des Produktes in Baueinheiten ................. .
6.2 Ermittlung der Lasten auf diese Baueinheiten . . . . . . . . . . . . . . .
6·3 Ermittlung des Lastflusses mit den zusammengefaBten Bauein-
heiten ........................................... .
Ermittlung des Lastflusses innerhalb der wieder aufgegliederten
Baueinheiten ...................................... . 99
6.5 Kennzeichnung der auftretenden Spannungsarten ........... . 99
7 Beurteilung der Bauteilsicherheit und -verformung .......... . 103
8 Beanspruchungsgerechte Auslegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
8.1 Anzustrebender LastfluB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
8.1.1 Optimierung auf geringen Bauaufwand ohne beabsichtigte
Elastizitiit ........................................ . 107
8.1.2 Optimierung auf Steifigkeit ........................... . 107
8·1.3 Optimierung auf Elastizitat ........................... . 108