Konstruktionssystematik
Konstruktionssystematik
Konstruktionssystematik
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<strong>Konstruktionssystematik</strong><br />
Verbesserungspotential<br />
TAE - Maschinenbau<br />
Haberhauer / MB
<strong>Konstruktionssystematik</strong><br />
Stärken:<br />
• hohe Liefertreue<br />
• hohe Qualität<br />
Hauptsächlich durch<br />
Produktion beeinflusst<br />
Stärke-Schwäche-Analyse<br />
Schwächen:<br />
TAE - Maschinenbau<br />
• Preis<br />
• kurze Lieferzeit<br />
• guter Service<br />
• gutes Design / gute Konstruktion<br />
• hohe Kundenorientierung<br />
Durch Konstruktion beeinflussbar:<br />
• Preis<br />
• gutes Design / gute Konstruktion<br />
• hohe Kundenerwartung<br />
Haberhauer / MB
<strong>Konstruktionssystematik</strong><br />
Methodik<br />
TAE - Maschinenbau<br />
• Methode ⇒ kleine Schritte, planmäßiges Vorgehen<br />
• René Descartes ⇒ Discours de la Methode (1637)<br />
• Methodenlehre nach Descartes:<br />
1. Nichts anderes als nur klare und deutliche Lehre<br />
2. Wir müssen jedes Problem in so viele Teile zerlegen,<br />
als zu seiner Lösung erforderlich sind.<br />
3. Die Gedanken müssen einer Ordnung vom<br />
Einfachen zum Verwickelten folgen, und wo keine<br />
Ordnung ist, müssen wir eine schaffen.<br />
4. Wir sollten immer alles gründlich überprüfen, dass<br />
nichts übersehen wurde.<br />
Haberhauer / MB
<strong>Konstruktionssystematik</strong><br />
Die nur ganz langsam gehen,<br />
aber immer den rechten Weg verfolgen,<br />
können viel weiter kommen als die,<br />
welche laufen und auf Abwege geraten.<br />
René Descartes<br />
TAE - Maschinenbau<br />
Haberhauer / MB
<strong>Konstruktionssystematik</strong><br />
Analyse<br />
Synthese<br />
Auswahl<br />
Bild 3: Allgemeiner Problemlösungsprozess<br />
vorhandener Zustand<br />
Problemdefinition<br />
mehrere Lösungen<br />
eine Lösung<br />
TAE - Maschinenbau<br />
Haberhauer / MB
<strong>Konstruktionssystematik</strong><br />
Konzeptionsphase<br />
Gestaltungsphase<br />
Bild 4: Konstruktionsprozess<br />
Aufgabenstellung<br />
Funktionsstruktur<br />
Lösungsprinzipien<br />
Konzept<br />
Grobentwurf<br />
Optimieren<br />
Entgültiger Entwurf<br />
Fertigungsunterlagen<br />
- Pflichtenheft erstellen<br />
- Gesamtfunktion in Teilfunktionen gliedern<br />
- Struktur festlegen<br />
- phys. Prinzipien für Teilfunktionen suchen<br />
- zu geeigneten Lösungsprinzipien kombinieren<br />
(z.B. mit Morphologischem Kasten)<br />
- Konzeptvarianten erarbeiten<br />
- Varianten bewerten<br />
- Konzept festlegen und freigeben<br />
- Auslegung bzw. Berechnung der Entwurfsdaten<br />
- Werkstoffe festlegen<br />
- Grobgestalten<br />
- Anforderungen überprüfen<br />
- Nachrechnen<br />
- auf Fehler kontrollieren und bewerten<br />
- Entwurf festlegen<br />
- entgültigen Entwurf freigeben<br />
- Einzelteilzeichnungen<br />
- Baugruppen- und Zusammenstellzeichnungen<br />
- Stücklisten, Anleitungen usw.<br />
TAE - Maschinenbau<br />
Haberhauer / MB
<strong>Konstruktionssystematik</strong><br />
Lastenheft<br />
Was soll mein<br />
Produkt können?<br />
Beschreibung der<br />
Anforderungen<br />
Randbedingungen<br />
aus Kundensicht<br />
Definition Lasten- und Pflichtenheft<br />
Pflichtenheft<br />
TAE - Maschinenbau<br />
Wie soll mein Produkt<br />
technisch realisiert werden?<br />
Beschreibung der<br />
Anforderungen<br />
Randbedingungen<br />
aus Ingenieursicht<br />
Haberhauer / MB
<strong>Konstruktionssystematik</strong><br />
a) Problemdefinition<br />
- Aufgabenstellung lösungsneutral formulieren<br />
b) Zielsetzung<br />
- warum wird ein Produkt entwickelt?<br />
c) Stand der Technik<br />
- Markt- und Wettbewerbsanalysen, Literatur- und Patentrecherchen<br />
d) Festdaten<br />
- Normen, Vorschriften, Richtlinien<br />
e) Anforderungsliste<br />
- gewichtete Anforderungen<br />
Pflichtenheft<br />
TAE - Maschinenbau<br />
Haberhauer / MB
<strong>Konstruktionssystematik</strong><br />
a) Problemdefinition<br />
- Aufgabenstellung lösungsneutral formulieren<br />
b) Zielsetzung<br />
- warum wird ein Produkt entwickelt?<br />
c) Stand der Technik<br />
- Markt- und Wettbewerbsanalysen, Literatur- und Patentrecherchen<br />
d) Festdaten<br />
- Normen, Vorschriften, Richtlinien<br />
e) Anforderungsliste<br />
- gewichtete Anforderungen<br />
Pflichtenheft<br />
TAE - Maschinenbau<br />
Haberhauer / MB
<strong>Konstruktionssystematik</strong><br />
Enthält eine Lösung Lösungsneutral<br />
Passfederverbindung<br />
Labyrinthdichtung<br />
Garagentor<br />
Sonnenbrille<br />
Zahnradgetriebe<br />
Schraubstock<br />
Spiegel anschrauben<br />
Federn in Karton verpacken<br />
Problemformulierung (lösungsneutral)<br />
Welle mit Nabe verbinden<br />
Welle berührungslos abdichten<br />
TAE - Maschinenbau<br />
Auto gegen Diebstahl und Witterung schützen<br />
Augen vor Sonne schützen<br />
Drehmoment und Drehzahl wandeln<br />
Prismatische Teile spannen<br />
Spiegel in geforderter Lage halten<br />
Federn dosieren und transportierbar machen<br />
Haberhauer / MB
<strong>Konstruktionssystematik</strong><br />
a) Problemdefinition<br />
- Aufgabenstellung lösungsneutral formulieren<br />
b) Zielsetzung<br />
- warum wird ein Produkt entwickelt?<br />
c) Stand der Technik<br />
- Markt- und Wettbewerbsanalysen, Literatur- und Patentrecherchen<br />
d) Festdaten<br />
- Normen, Vorschriften, Richtlinien<br />
e) Anforderungsliste<br />
- gewichtete Anforderungen<br />
Pflichtenheft<br />
TAE - Maschinenbau<br />
Haberhauer / MB
<strong>Konstruktionssystematik</strong><br />
Bild 5: Anforderungsliste<br />
Anforderungsliste Schaltgetriebe<br />
F/W Anforderungen Werte, Erläuterungen<br />
MF<br />
F<br />
MF<br />
F<br />
W<br />
F<br />
W<br />
F<br />
W<br />
F<br />
MF<br />
F<br />
W<br />
MF<br />
W<br />
W<br />
MF<br />
MF<br />
MF<br />
F<br />
Geometrie<br />
Bauraum (L x B x H) < 500 x 200 x 300<br />
Technische Daten<br />
Antriebsdrehzahl<br />
Abtriebsdrehzahl<br />
Leistung<br />
Drehrichtung beidseitig<br />
Schalthäufigkeit<br />
unter Last schaltbar<br />
Stoff/Material<br />
Ölschmierung vorsehen<br />
Sicherheit<br />
vor Überlast schützen<br />
1450 U/min<br />
160 U/min (± 3 %)<br />
5,5 kW<br />
> 20 Schaltungen/Tag<br />
Ergonomie<br />
Manuelle Betätigung<br />
Handkraft < 15 N<br />
Gebrauch<br />
Fördertechnik<br />
universeller Einsatz<br />
Umgebungstemperatur -30°C…+60°C<br />
Instandhaltung<br />
Wartungsfrei<br />
Recycling<br />
Wiederverwendbare Werkstoffe verwenden<br />
Stückzahlen<br />
Jahresproduktion<br />
Laufzeit<br />
> 5.000 Getriebe<br />
> 5 Jahre<br />
Kosten<br />
Herstellkosten < 150,-- EURO<br />
Termine<br />
Serienstart Mai 2007<br />
TAE - Maschinenbau<br />
Haberhauer / MB
<strong>Konstruktionssystematik</strong><br />
Übung: Wagenheber<br />
TAE - Maschinenbau<br />
Für Reparaturarbeiten an Kraftfahrzeugen soll ein mobiler<br />
Wagenheber (zum Mitführen im Fahrzeug) für möglichst viele<br />
unterschiedliche Kfz-Typen konstruiert werden, der folgende<br />
Anforderungen erfüllen muss:<br />
Last = 10 kN<br />
Anfangshöhe = 180 mm<br />
Hub = 300 mm<br />
Handkraft < 50 N<br />
⇒ Erstellen Sie dafür eine Anforderungsliste<br />
Haberhauer / MB
<strong>Konstruktionssystematik</strong><br />
Gew. Anforderungen Werte<br />
MF<br />
MF<br />
MF<br />
MF<br />
MF<br />
F<br />
W<br />
MF<br />
F<br />
F<br />
W<br />
MF<br />
MF<br />
W<br />
Geometrie:<br />
Anfangshöhe<br />
Hub<br />
Stauraum<br />
Kräfte:<br />
Hubkraft<br />
Gewicht<br />
Sicherheit:<br />
Standsicherheit gewährleisten<br />
vor Überlast schützen<br />
Übung: Wagenheber - Anforderungsliste<br />
< 180 mm<br />
> 300 mm<br />
< 400 x 200 x 180 mm<br />
> 10 kN<br />
< 5 kg<br />
Ergonomie:<br />
manuelle Betätigung<br />
Handkraft < 50 N<br />
Gebrauch:<br />
Umgebungstemperatur<br />
Einsatz bei Regen/Schnee<br />
mobiler Einsatz<br />
Bedienung ohne Werkzeug<br />
Lastwechsel<br />
Lebensdauer<br />
für nachgiebigen Untergrund geeignet<br />
- 20 ° … + 50 °C<br />
10 pro Jahr<br />
8 Jahre<br />
TAE - Maschinenbau<br />
Haberhauer / MB
<strong>Konstruktionssystematik</strong><br />
Gew. Anforderungen Werte<br />
F<br />
F<br />
W<br />
MF<br />
F<br />
MF<br />
Gebrauch:<br />
keine Beschädigung am Fahrzeug<br />
für Fahrzeug xy<br />
Für unterschiedliche Fahrzeugtypen<br />
Einsatzbereit in 2 Min<br />
Instandhaltung:<br />
Wartungsfrei<br />
Stückzahlen:<br />
pro Jahr<br />
Gesamtstückzahl<br />
100.000<br />
500.000<br />
Kosten:<br />
Herstellkosten < 6 EUR<br />
Termine:<br />
Serienstart Januar 2008<br />
Übung: Wagenheber – Anforderungsliste (Fortsetzung)<br />
TAE - Maschinenbau<br />
Haberhauer / MB
<strong>Konstruktionssystematik</strong><br />
Was ist eine Funktion?<br />
Funktion<br />
TAE - Maschinenbau<br />
• Funktion => Aufgabe => Tätigkeit => Beschreibung mit einem Verb<br />
Beispiel: Kraft abstützen<br />
• Systembeschreibung mittels<br />
Eigenschaften Funktionen<br />
Klassifizierungsinformationen Relationsinformationen<br />
- gegenstandsorientiert - ereignisorientiert<br />
Beispiel: Haus<br />
„Gebäude aus Stein“ „wo ich schlafe“<br />
Haberhauer / MB
<strong>Konstruktionssystematik</strong><br />
Erkennen von Funktionen<br />
TAE - Maschinenbau<br />
Haberhauer / MB
<strong>Konstruktionssystematik</strong><br />
Erkennen von Funktionen<br />
Nr. Teil Funktion<br />
1 Welle<br />
2, 2a Hülse<br />
3 Packungsringe<br />
4 Abstreifring<br />
5 Stopfbuchsengehäuse<br />
6 Gestell<br />
7 Runddichtung<br />
8 Zugfeder<br />
9 Federaufnahme<br />
10 Spannring<br />
11 Schraube<br />
TAE - Maschinenbau<br />
Haberhauer / MB
<strong>Konstruktionssystematik</strong><br />
Nr. Teil Funktion<br />
1 Welle<br />
2, 2a Hülse<br />
3 Packungsringe<br />
4 Abstreifring<br />
5 Stopfbuchsengehäuse<br />
6 Gestell<br />
7 Runddichtung<br />
8 Zugfeder<br />
9 Federaufnahme<br />
10 Spannring<br />
11 Schraube<br />
Erkennen von Funktionen (Lösung)<br />
TAE - Maschinenbau<br />
[Drehmoment übertragen] Hülse aufnehmen, Reibungswärme ableiten<br />
Welle schützen, Lauf- und Dichtfläche bieten<br />
Medium gleitend abdichten (Leckage verhindern)<br />
Spritzöl und Dreck abhalten<br />
Packungsringe aufnehmen, Anpresskraft aufnehmen und übertragen<br />
Teile 4 und 5 aufnehmen<br />
Zwischen p 1 und p 0 abdichten (statische Dichtung)<br />
Anpresskraft erzeugen<br />
Federkraft auf Spannring leiten<br />
Anpresskraft übertragen<br />
Federkraft einstellen<br />
Haberhauer / MB
<strong>Konstruktionssystematik</strong><br />
Technical systems:<br />
– Function is the relation between input and output<br />
TAE - Maschinenbau<br />
– Conversion of energy – material – information (state variables)<br />
– Black box<br />
– Total function: Example gearbox:<br />
Gesamtfunktion<br />
lubricant (oil)<br />
mech. energy<br />
lead energy<br />
and<br />
change velocity and torque<br />
show oil level<br />
used oil<br />
mech. energy<br />
(from motor) (to work machine)<br />
Haberhauer / MB
<strong>Konstruktionssystematik</strong><br />
Sub functions:<br />
E1<br />
supply<br />
energy<br />
change<br />
torque and<br />
speed<br />
TAE - Maschinenbau<br />
– The sub functions and their relations are called function structure<br />
– Example gearbox:<br />
Funktionsstruktur<br />
M1<br />
system boundary<br />
supply<br />
lubricant<br />
save<br />
lubricant<br />
display<br />
signal<br />
bring out<br />
lubricant<br />
bring out<br />
energy<br />
S2<br />
M 2<br />
E 2<br />
Haberhauer / MB
<strong>Konstruktionssystematik</strong><br />
St1<br />
E1<br />
Schmiermittel (Öl)<br />
Schmiermittel<br />
einleiten<br />
Energie<br />
einleiten<br />
Energie leiten<br />
und<br />
Schmiermittel<br />
speichern<br />
Drehzahl-<br />
Drehmoment<br />
wandeln<br />
Ölstand anzeigen<br />
Altöl<br />
mech. Energie<br />
Energiegrößen<br />
Drehzahl und Drehmoment<br />
wandeln<br />
mech. Energie<br />
(vom Motor) (zur Arbeitsmaschine)<br />
Bild 6: Gesamtfunktion und Teilfunktion<br />
Signal<br />
anzeigen<br />
Schmiermittel<br />
ausleiten<br />
Energie<br />
ausleiten<br />
S2<br />
St 2<br />
E 2<br />
TAE - Maschinenbau<br />
Haberhauer / MB
<strong>Konstruktionssystematik</strong><br />
Übung: Wagenheber<br />
TAE - Maschinenbau<br />
Für Reparaturarbeiten an Kraftfahrzeugen soll ein mobiler<br />
Wagenheber (zum Mitführen im Fahrzeug) für möglichst viele<br />
unterschiedliche Kfz-Typen konstruiert werden, der folgende<br />
Anforderungen erfüllen muss:<br />
Last = 10 kN<br />
Anfangshöhe = 180 mm<br />
Hub = 300 mm<br />
Handkraft < 50 N<br />
⇒ Erstellen Sie dafür eine Funktionsstruktur<br />
Haberhauer / MB
<strong>Konstruktionssystematik</strong><br />
Teilfunktion Wirkprinzipien<br />
Drehmoment<br />
übertragen<br />
Reibschlussverb. Passfederverb. Querstiftverbindung<br />
Bild 8: Wirkprinzipien als Teilfunktionsträger<br />
TAE - Maschinenbau<br />
usw.<br />
Haberhauer / MB
<strong>Konstruktionssystematik</strong><br />
1. Konventionelle Hilfsmittel<br />
a) Recherchen<br />
b) Analyse vorhandener Systeme<br />
2. Intuitive Methoden<br />
a) Brainstorming<br />
b) Methode 6-3-5<br />
3. Diskursive Methoden<br />
a) Lösungskataloge<br />
b) Morphologische Methode<br />
Methoden zur Lösungsfindung<br />
TAE - Maschinenbau<br />
Haberhauer / MB
<strong>Konstruktionssystematik</strong><br />
Teilfunktion 1<br />
Teilfunktion 2<br />
Teilfunktion 3<br />
Teilfunktion 4<br />
Morphologischer Kasten<br />
Teilfunktionsträger<br />
TAE - Maschinenbau<br />
Lösung A Lösung B Lösung C Lösung D<br />
Haberhauer / MB
<strong>Konstruktionssystematik</strong><br />
Teilfunktionen<br />
Energie<br />
einleiten<br />
Drehzahl- und<br />
Drehmoment<br />
wandeln<br />
Energie<br />
ausleiten<br />
Öl<br />
einleiten<br />
Öl<br />
speichern<br />
Öl<br />
ausleiten<br />
Ölstand<br />
anzeigen<br />
Teilfunktionsträger (Teillösungen)<br />
1 2 3 4 5 6 7<br />
Wellenende<br />
mit Passfeder Hohlwelle<br />
mit Passfeder<br />
Zahnräder Schraubräder Schnecke/<br />
Schneckenrad<br />
Wellenende<br />
mit Passfeder<br />
Öleinfüllschraube<br />
Gußgehäuse geschweißtes<br />
Gehäuse<br />
ÖLablaßschraube<br />
Ölschauglas<br />
Hohlwelle<br />
mit Passfeder<br />
direkt bei<br />
Montage<br />
Öleinfüllschraube<br />
Peilstab<br />
A B<br />
Prinzipkombinationen<br />
für die Gesamtfunktion<br />
glattes<br />
Wellenende<br />
glattes<br />
Wellenende<br />
bei Demontage<br />
elektrischer<br />
Sensor<br />
Gewinde<br />
Reibräder Riemen Kette hydrostatisch<br />
Gewinde<br />
Bild 9: Morphologischer Kasten eines Getriebes<br />
TAE - Maschinenbau<br />
Haberhauer / MB
<strong>Konstruktionssystematik</strong><br />
Problem/<br />
Aufgabenstellung<br />
Pflichtenheft<br />
Konzept<br />
Gesamtfunktion<br />
Teifunktion 1<br />
Teifunktion 2<br />
Teifunktion 3<br />
Teifunktion 4<br />
Teifunktion n<br />
Funktionsstruktur<br />
Lösungssuche<br />
Teifunktions-<br />
lösungen<br />
Teifunktions-<br />
lösungen<br />
Teifunktions-<br />
lösungen<br />
Teifunktions-<br />
lösungen<br />
Teifunktions-<br />
lösungen<br />
Lösungsprinzip<br />
1<br />
Lösungsprinzip<br />
2<br />
Lösungsprinzip<br />
n<br />
Morphologischer Kasten<br />
TAE - Maschinenbau<br />
Auswahl<br />
Konzept<br />
Haberhauer / MB
<strong>Konstruktionssystematik</strong><br />
Übung: Wagenheber<br />
TAE - Maschinenbau<br />
Für Reparaturarbeiten an Kraftfahrzeugen soll ein mobiler<br />
Wagenheber (zum Mitführen im Fahrzeug) für möglichst viele<br />
unterschiedliche Kfz-Typen konstruiert werden, der folgende<br />
Anforderungen erfüllen muss:<br />
Last = 10 kN<br />
Anfangshöhe = 180 mm<br />
Hub = 300 mm<br />
Handkraft < 50 N<br />
⇒ Stellen Sie in einem Morphologischen Kasten<br />
möglichst viele Teillösungen dar und leiten dann<br />
anschließend sinnvolle Lösungsprinzipien ab.<br />
Haberhauer / MB
Change language