Prinzip der Aufgabenteilung - Institut für Allgemeine ...
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Konstruktionslehre I – Vorlesung 8<br />
Gestaltungprinzipien 2<br />
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jörg Feldhusen<br />
3. Dezember 2012
Glie<strong>der</strong>ung<br />
6. Gestalten<br />
1. Gestalten als Prozess<br />
2. Gestaltungsgrundregeln<br />
3. Gestaltungsprinzipien<br />
Lehrstuhl und <strong>Institut</strong> <strong>für</strong> <strong>Allgemeine</strong> Konstruktionstechnik des Maschinenbaus<br />
RWTH Aachen – Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jörg Feldhusen<br />
1. <strong>Prinzip</strong> <strong>der</strong> Kraftleitung<br />
2. <strong>Prinzip</strong> <strong>der</strong> Stabilität und Bistabilität<br />
3. <strong>Prinzip</strong> <strong>der</strong> fehlerarmen Gestaltung<br />
4. <strong>Prinzip</strong> <strong>der</strong> <strong>Aufgabenteilung</strong><br />
5. <strong>Prinzip</strong> <strong>der</strong> Selbsthilfe<br />
4. Gestaltungsrichtlinien<br />
2<br />
VDI 2221
<strong>Prinzip</strong> <strong>der</strong> <strong>Aufgabenteilung</strong><br />
Wirkfläche<br />
Dichten<br />
Wirkfläche<br />
Axialkraft<br />
Wirkfläche<br />
Axialkraft<br />
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Wirkfläche<br />
Umfangskraft<br />
Wirkfläche<br />
Dichten<br />
Wirkfläche<br />
Axialkraft<br />
Wirkfläche<br />
Umfangskraft<br />
Wirkfläche<br />
Umfangskraft<br />
3<br />
Wirkfläche<br />
Dichten
<strong>Prinzip</strong> <strong>der</strong> <strong>Aufgabenteilung</strong><br />
FN FA<br />
FN<br />
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FA<br />
FN<br />
FA<br />
4
<strong>Prinzip</strong> <strong>der</strong> <strong>Aufgabenteilung</strong><br />
• Unterstützt die Grundregel „eindeutig“<br />
• Hilft Leistungsgrenzen zu überwinden<br />
Fragestellung:<br />
• Eindeutigkeit: Welche Funktionen sollen mit je einem Funktionsträger erfüllt<br />
werden?<br />
• Kosten: Ist es möglich mehrere Funktionen mit nur einem Funktionsträger zu<br />
erfüllen?<br />
• Sicherheit; Grenzleistung: Welche Teilfunktionen müssen mit mehreren<br />
Funktionsträgern realisiert werden?<br />
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5
<strong>Prinzip</strong> <strong>der</strong> <strong>Aufgabenteilung</strong><br />
• eindeutige Fertigungsvorgänge<br />
• eindeutige Montageoperationen<br />
• erhöhte Sicherheit (Eindeutigkeit)<br />
• Zahl <strong>der</strong> Komponenten<br />
• Zahl <strong>der</strong> Bauteile<br />
• Raumbedarf (Schnittstellen)<br />
• erhöhtes Gewicht<br />
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Das Dilemma<br />
ein Funktionsträger<br />
<strong>für</strong> jede Funktion<br />
ein Funktionsträger<br />
<strong>für</strong> mehrere Funktionen<br />
6
<strong>Prinzip</strong> <strong>der</strong> <strong>Aufgabenteilung</strong><br />
Auflösung des Dilemmas:<br />
• Analyse <strong>der</strong> Anfor<strong>der</strong>ungsliste bzgl. relevanter Anfor<strong>der</strong>ungen<br />
• Analyse <strong>der</strong> Bewertungsergebnisse, insbeson<strong>der</strong>e <strong>der</strong> Gewichtung<br />
relevanter Kriterien, evtl. Präferenzmatrix anwenden<br />
• Technische und wirtschaftlich getrennt bewerten (Nutzwertanalyse)<br />
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7
Glie<strong>der</strong>ung<br />
6.3.4 <strong>Prinzip</strong> <strong>der</strong> <strong>Aufgabenteilung</strong><br />
1. Bei unterschiedlicher Funktion<br />
2. Bei gleicher Funktion<br />
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8<br />
VDI 2221
<strong>Prinzip</strong> <strong>der</strong> <strong>Aufgabenteilung</strong><br />
Bei unterschiedlichen Aufgaben<br />
• unterstützt die Grundregel „eindeutig“<br />
Fragestellung:<br />
• Eindeutigkeit: welche Funktionen sollen mit je einem Funktionsträger erfüllt<br />
werden (Auslegung, Fertigungstoleranzen)?<br />
• Sicherheit: Welche Teilfunktionen müssen mit mehreren Funktionsträgern<br />
realisiert werden (<strong>Prinzip</strong>redundanz)?<br />
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9
<strong>Aufgabenteilung</strong>: unterschiedliche Funkt.<br />
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10
Schutzhaube: Mini-Kreissäge<br />
Quelle: Einhell Mini-Kreissäge<br />
Schutzhaube<br />
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Mutter <strong>für</strong><br />
Schutzhaube<br />
Sägegehäuse<br />
11
Funktionsstruktur: Schutzhaube<br />
Hand des<br />
Benutzers<br />
(unversehrt)<br />
Rückstellkraft<br />
erzeugen<br />
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Schneidwerkzeug von Benutzer<br />
trennen, wenn die Säge nicht<br />
im Einsatz ist<br />
Benutzer von<br />
Sägeblatt trennen<br />
Hand des<br />
Benutzers<br />
(unversehrt)<br />
Trenneinrichtung<br />
führen<br />
12
Einzelteile Schutzhaube: Mini-Kreissäge<br />
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<strong>Prinzip</strong> <strong>der</strong> <strong>Aufgabenteilung</strong><br />
Rotorwelle ist frei von<br />
• Zugkräften<br />
• Biegemomenten<br />
Belastung:<br />
• Zugkraft infolge Fliehkraft<br />
• Biegung infolge aerodynamischer<br />
Belastung<br />
Quelle: Pahl/Beitz<br />
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• nur Zugkräfte<br />
• torsionsweich<br />
Lösung:<br />
• Symmetrischer Aufbau:<br />
• äußere Zugkräfte und Biegemomente<br />
heben sich auf.<br />
• nur Biegemoment<br />
14
<strong>Aufgabenteilung</strong>: Antriebswelle<br />
Quelle: Pahl/Beitz<br />
Hohlwelle:<br />
• radial steif<br />
• torsionssteif<br />
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Torsionswelle:<br />
• radial nachgiebig<br />
• torsionsweich<br />
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<strong>Aufgabenteilung</strong>: Flansch<br />
Quelle: Pahl/Beitz<br />
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Dichten<br />
Position<br />
sichern<br />
Momente und<br />
Kräfte leiten<br />
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Glie<strong>der</strong>ung<br />
6.3.4 <strong>Prinzip</strong> <strong>der</strong> <strong>Aufgabenteilung</strong><br />
1. Bei unterschiedlicher Funktion<br />
2. Bei gleicher Funktion<br />
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17<br />
VDI 2221
<strong>Prinzip</strong> <strong>der</strong> <strong>Aufgabenteilung</strong><br />
Antrieb <strong>der</strong> großen<br />
Glocke (<strong>der</strong> große Peter)<br />
des Kölner Doms<br />
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<strong>Prinzip</strong> <strong>der</strong> <strong>Aufgabenteilung</strong><br />
Ziel:<br />
• Leistungserhöhung; Überwindung <strong>der</strong> Grenzleistung des Systems<br />
• Erhöhung <strong>der</strong> Sicherheit durch aktive Redundanz<br />
Beachte:<br />
• evtl. Doppelpassung<br />
• Toleranzen<br />
• Leistungserhöhung nicht proportional zur Anzahl <strong>der</strong> zusätzlichen<br />
Funktionsträger<br />
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19
<strong>Aufgabenteilung</strong>: gleiche Funktion<br />
Vorteile:<br />
• Erhöhung <strong>der</strong> Leistungsdichte<br />
• Kraft-/Momentenverzweigung<br />
• Erhöhung <strong>der</strong> Sicherheit durch<br />
Redundanz<br />
Funktion 1<br />
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Funktionsträger 1<br />
Funktionsträger 2<br />
Funktionsträger 3<br />
Nachteile:<br />
• Leistungssteigerung nicht proportional<br />
zur Funktionsträgeranzahl<br />
• u. U. erhöhter Fertigungsaufwand<br />
Synchronisation, Doppelpassung<br />
• u. U. Mehrgewicht<br />
• u. U. größerer Bauraum<br />
20
Funktionsstruktur: Schutzhaube<br />
Hand des<br />
Benutzers<br />
(unversehrt)<br />
Rückstellkraft<br />
erzeugen<br />
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Schneidwerkzeug von Benutzer<br />
trennen, wenn die Säge nicht<br />
im Einsatz ist<br />
Benutzer von<br />
Sägeblatt trennen<br />
Hand des<br />
Benutzers<br />
(unversehrt)<br />
Trenneinrichtung<br />
führen<br />
21
Montierte Schutzhaube<br />
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22
Funktionsträger <strong>der</strong> Schutzhaube<br />
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23
<strong>Aufgabenteilung</strong>: Welle-Nabe-Verbindung<br />
Kerbverzahnung<br />
Vielkeilwelle<br />
Quelle: Pahl/Beitz<br />
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Max. 4 Zähne<br />
im Eingriff<br />
Max. 3 Keile<br />
im Eingriff<br />
24
<strong>Aufgabenteilung</strong>: Mehrweggetriebe<br />
Wegen <strong>Prinzip</strong> des<br />
Kraftausgleichs keine<br />
Wellenbiegung aber größere<br />
Torsionsverformung<br />
Quelle: Pahl/Beitz<br />
F n<br />
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F n<br />
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ω an<br />
ω ab<br />
Wegen Kraftausgleich<br />
Planetenrä<strong>der</strong> möglichst<br />
rotationssymmetrisch<br />
anordnen<br />
Zweiweg Dreiweg Vierweg<br />
25
<strong>Aufgabenteilung</strong>: Planetengetriebe<br />
Sonnenrad durch Planeten gelagert,<br />
keine eigene Lagerung!<br />
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Elastische Aufnahme <strong>der</strong><br />
Planetenrä<strong>der</strong> zum Ausgleich von<br />
Fluchtungs- und Teilungsfehlern<br />
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Glie<strong>der</strong>ung<br />
6. Gestalten<br />
1. Gestalten als Prozess<br />
2. Gestaltungsgrundregeln<br />
3. Gestaltungsprinzipien<br />
Lehrstuhl und <strong>Institut</strong> <strong>für</strong> <strong>Allgemeine</strong> Konstruktionstechnik des Maschinenbaus<br />
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1. <strong>Prinzip</strong> <strong>der</strong> Kraftleitung<br />
2. <strong>Prinzip</strong> <strong>der</strong> Stabilität und Bistabilität<br />
3. <strong>Prinzip</strong> <strong>der</strong> fehlerarmen Gestaltung<br />
4. <strong>Prinzip</strong> <strong>der</strong> <strong>Aufgabenteilung</strong><br />
5. <strong>Prinzip</strong> <strong>der</strong> Selbsthilfe<br />
4. Gestaltungsrichtlinien<br />
27<br />
VDI 2221
<strong>Prinzip</strong> <strong>der</strong> Selbsthilfe<br />
Ziel:<br />
• Die gewollte Wirkung wird durch die Beanspruchung des Systems erhöht<br />
(selbstverstärkend) o<strong>der</strong><br />
• bei Überbeanspruchung entsteht ein schützen<strong>der</strong> Effekt (selbstschützend)<br />
Weg:<br />
Die zusätzliche Wirkung entsteht ohne zusätzliche Elemente o<strong>der</strong> Energie durch:<br />
• Verstärkende Wirkung durch Kraftteilung/-leitung <strong>der</strong> Störwirkung in Richtung<br />
<strong>der</strong> gewollten Kraftrichtung<br />
• Verän<strong>der</strong>te Kraftleitungswege bei Überlast<br />
• Die Störwirkung wirkt in dieselbe Richtung wie die Nutzwirkung<br />
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28
<strong>Prinzip</strong> <strong>der</strong> Selbsthilfe<br />
Effekt <strong>der</strong> Selbsthilfe:<br />
Störgröße<br />
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entgegen<br />
wirken<strong>der</strong><br />
Effekt<br />
29
Typische Elemente: Kraftteilung/-umleitung<br />
Keil Winkelhebel<br />
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Umlenkrolle<br />
30
Beispiel: Deckelverschluss<br />
Selbsthelfend:<br />
steigen<strong>der</strong> Druck<br />
steigert die<br />
Dichtkraft<br />
Quelle: Pahl/Beitz<br />
Initialdichtkraft<br />
durch Press-<br />
passung<br />
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Kraft aus<br />
Innendruck<br />
31
Beispiel: Schließe einer Armbanduhr<br />
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32
Beispiel: Audi Procon-Ten<br />
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33
Selbsthilfe: Druckkessel<br />
Quelle: Pahl/Beitz<br />
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Selbsthelfend:<br />
Druckanstieg P<br />
erzeugt ansteigende<br />
Dichtkraft G<br />
Selbstschadend:<br />
Druckanstieg P<br />
erzeugt ansteigende<br />
Kraft in Deckelspindel<br />
34
Selbsthilfe: Schraubenverbindung<br />
Flanschanordnung<br />
entsprechend Beispiel:<br />
Schraube wird mit<br />
zunehmendem Innendruck<br />
entlastet, Dichtwirkung<br />
aber erhöht<br />
Quelle: Pahl/Beitz<br />
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Standard<br />
Flanschanordnung:<br />
Schraube wird mit<br />
zunehmenden Innendruck<br />
belastet, Dichtwirkung, G,<br />
sinkt<br />
35
Selbsthilfe: Trommelbremse<br />
Standardausführung:<br />
eine auflaufende und eine<br />
ablaufende Bremsbacke<br />
Quelle: Niemann<br />
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Bremse mit zwei Bremsnocken:<br />
Zwei auflaufende Bremsbacken<br />
Bremse mit zwei Bremsnocken,<br />
selbstzentrierend<br />
36
Selbsthilfe: Duplexbremse<br />
Quelle: www.ural-dnepr.at; de.enc.tfode.com; www.royal-enfield-forum.de<br />
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37
Glie<strong>der</strong>ung<br />
6.3.5 <strong>Prinzip</strong> <strong>der</strong> Selbsthilfe<br />
1. Selbstverstärkend<br />
2. Selbstausgleichend<br />
3. Selbstschützend<br />
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38<br />
VDI 2221
Selbstverstärkend: Dichtungen<br />
Innendruck p verstärkt<br />
Dichtwirkung<br />
Quelle: Pahl/Beitz<br />
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39
Selbstverstärkend: Reifenventil<br />
Quelle: Pahl/Beitz<br />
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Mit steigendem Reifendruck<br />
steigt die Dichtkraft des<br />
Ventils und des Reifens<br />
auf <strong>der</strong> Felge<br />
40
Reibradgetriebe<br />
Quelle: Pahl/Beitz<br />
Antrieb<br />
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Verstellung<br />
41
Selbstverstärkend: Reibradgetriebe<br />
F<br />
K<br />
�<br />
rT<br />
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F UK<br />
Md<br />
� tan�<br />
�<br />
r T = Kraftangriff <strong>der</strong> Rolle<br />
F K<br />
42
Selbstverstärkend: Reibradgetriebe<br />
F � F �<br />
F<br />
N F FK<br />
�F � F � ��<br />
� K<br />
U F<br />
Selbsthilfegrad:<br />
� �<br />
H<br />
G<br />
�<br />
F<br />
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F<br />
F<br />
�<br />
K<br />
F<br />
K<br />
F K<br />
F F<br />
F U<br />
43<br />
M d<br />
F N
Glie<strong>der</strong>ung<br />
6.3.5 <strong>Prinzip</strong> <strong>der</strong> Selbsthilfe<br />
1. Selbstverstärkend<br />
2. Selbstausgleichend<br />
3. Selbstschützend<br />
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44<br />
VDI 2221
Selbstausgleichend<br />
Ziel:<br />
• Aus Kräften/Momenten resultierende Beanspruchungen heben sich so<br />
weit wie möglich auf<br />
• Leistungserhöhung durch entstehende zusätzliche Kräfte/Momente,<br />
die in einer festen und definierten Zuordnung zueinan<strong>der</strong> stehen<br />
Weg:<br />
• Hilfsgröße wird bei Normallast aus begleitenden Nebengrößen<br />
gewonnen<br />
• Die Hilfsgröße wirkt <strong>der</strong> Ursprungswirkung entgegen und erzielt<br />
dadurch einen Ausgleich<br />
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45
Selbstausgleichend: Turbinenschaufel<br />
Konventionelle Lösung,<br />
Schaufeln stehen gerade<br />
Quelle: Pahl/Beitz<br />
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Selbstausgleichend:<br />
durch Schrägstellung <strong>der</strong> Schaufeln wirkt die<br />
Fliehkraftbeanspruchung <strong>der</strong> Biegebeanspruchung<br />
entgegen<br />
46
Glie<strong>der</strong>ung<br />
6.3.5 <strong>Prinzip</strong> <strong>der</strong> Selbsthilfe<br />
1. Selbstverstärkend<br />
2. Selbstausgleichend<br />
3. Selbstschützend<br />
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47<br />
VDI 2221
Selbstschützend<br />
Ziel:<br />
• Bei Überlast kommt ein an<strong>der</strong>er Kraftleitungsweg zur Wirkung<br />
Weg:<br />
• Nutzung <strong>der</strong> elastischen Verformung von Bauteilen bei Belastung<br />
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48
Selbstschützende Lösungen: Fe<strong>der</strong>n<br />
Selbstschutz bei<br />
quasistatischer<br />
Belastung durch<br />
Blockbildung<br />
Lehrstuhl und <strong>Institut</strong> <strong>für</strong> <strong>Allgemeine</strong> Konstruktionstechnik des Maschinenbaus<br />
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Selbstschutz bei<br />
stoßartiger<br />
Belastung durch<br />
partielle<br />
Blockbildung<br />
Die ursprüngliche Funktionsfähigkeit wird im<br />
Überlastfall eingeschränkt o<strong>der</strong> aufgehoben<br />
Quelle: Pahl/Beitz<br />
Selbstschutz bei<br />
Quasistatischer<br />
Belastung durch<br />
Blockbildung<br />
Selbstschutz bei<br />
Quasistatischer<br />
Belastung durch<br />
Blockbildung<br />
49
Selbstschützende Lösung: Kupplung<br />
Quelle: Pahl/Beitz<br />
T<br />
Lehrstuhl und <strong>Institut</strong> <strong>für</strong> <strong>Allgemeine</strong> Konstruktionstechnik des Maschinenbaus<br />
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elastischer<br />
Anschlag<br />
φ<br />
Verformung <strong>der</strong> Fe<strong>der</strong><br />
Verformung des Anschlags<br />
Anschlag füllt Fe<strong>der</strong> komplett aus<br />
50
Selbstschützend: duktile Werkstoffe<br />
Durch richtige Werkstoffwahl werden Bauteile toleranter gegen<br />
Überlast:<br />
• duktile Werkstoffe<br />
• rissunempfindliche Werkstoffe<br />
• korrosionsunempfindliche Werkstoffe<br />
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51
Selbstschützend: duktile Werkstoffe<br />
Selbstschutz-Effekt bei Stahl durch<br />
ausgeprägtes Fließen<br />
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Selbstschutz-Effekt bei<br />
Thermoplasten durch Kristallisation<br />
52
Selbstschützend: Rissbildung<br />
praktische<br />
Rissform<br />
aufgrund<br />
Plastifizierung<br />
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fiktiver Riss<br />
theoretische<br />
Rissform<br />
53
Selbstschützend: Plastifizierung<br />
Lehrstuhl und <strong>Institut</strong> <strong>für</strong> <strong>Allgemeine</strong> Konstruktionstechnik des Maschinenbaus<br />
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Festigkeitsreserven bei Werkstoffen mit<br />
ausgeprägter Streckgrenze<br />
54
Lehrstuhl und <strong>Institut</strong> <strong>für</strong> <strong>Allgemeine</strong> Konstruktionstechnik des Maschinenbaus<br />
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Ende <strong>der</strong> Bildschirmpräsentation
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