Konstruktionslehre für den Maschinenbau: Grundlagen zur Neu- und Weiterentwicklung technischer Produkte mit Beispielen

710 Pages·1998·45.489 MB·German

by  Dr.-Ing. o. Professor Rudolf Koller (auth.)

Konstru ktionsleh re
fur den Maschinenbau
Springer
Berlin
Heidelberg
New York
Barcelona
Budapest
Hongkong
London
Mailand
Paris
Singapur
Tokio
RUDOLF KOLLER
Konstruktionslehre
fur den Maschinenbau
Grundlagen
zur Neu- und Weiterentwicklung
technischer Produkte mit Beispielen
4., neubearbeitete und erweiterte Auflage
Mit 372 Abbildungen und 16 Tabellen
Springer
Rudolf Koller Direktor des Instituts fiir Allgemeine
Dr.-Ing. Konstruktionstechnik des Maschinenbaues an
o. Professor der Rheinisch-Westfalischen Technischen
Hochschule Aachen
ISBN-13:978-3-642-80418-2
Die Deutsche Bibliothek -CIP-Einheitsaufnahme
Koller, Rudolf:
Konstruktionslehre fiir den Maschinenbau: Grundlagen zur Neu-und Weiterentwicklung
technischer Produkte mit Beispielen / Rudolf Koller. -4., neubearb. und erw. Aufl.-Berlin;
Heidelberg; New York; Barcelona; Budapest; Hongkong ; London; Mailand ; Paris;
Singapur ; Tokio: Springer, 1998
ISBN -13: 97 8-3-642 -80418-2 e-ISBN -13: 97 8-3-642 -80417-5
001: 10.10071978-3-642-80417-5
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© Springer-Verlag, Berlin / Heidelberg 1998
Softcover reprint of the hardcover 4th edi tion 1998
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SPIN: 10538916 7/3020 -5 43 2 1 0 -Gedruckt auf saurefreies Papier
D
er Mensch vermag nur jene Elemente und
Parameterwerte zum Bau technischer
Systeme zu nutzen, welche ihm durch die
SchOpfung vorgegeben sind.
VORWORT
Vorwort zur vierten Auflage
Erfreulicherweise fand die vorangegangene Auflage dieses Lehrbuchs
einen so groBen Anklang in der Industrie und als Studierhilfe, daB nun
bereits eine neue, sorgfaltig iiberarbeitete und erweiterte Ausgabe vorge
legt werden kann.
Aufbau und grundlegende Inhalte des Werks, das zugleich ein Kon
struktionslehrbuch fUr Studierende und in der Praxis tatige Maschinen
bau- und Feinwerktechnikingenieure zu sein wiinscht, wurden beibehal
ten und an einigen Stell en auf den neuesten Erkenntnisstand gebracht.
So beispielsweise hinsichtlich der Fragen, "wie gelangt man zu innovati
yen Produkten?", "wie kann die Patentwiirdigkeit technischer Losungen
objektiv beurteilt werden?", oder "nach welchen Gesichtspunkten sind
technische Oberflachen zu konstruieren?". Entsprechend wurden Kapitel
iiber ,,3.3.8 Technische Oberflachen, Kanten und Spitzen", ,,5.5 Konstru
ieren technischer Oberflachen", ,,12 Innovation technischer Produkte"
und zum Thema ,,13 Patentwesen, methodisches Konstruieren und Erfin
den" neu aufgenommen oder wesentlich iiberarbeitet. Besonderer Wert
wurde wiederum darauf gelegt, Konstruktionstheorien durch zahlreiche
Beispiele zu erHiutern, urn so den Bezug zur Praxis zu verdeutlichen.
Fiir wertvolle Anregungen und Korrekturen bei der Erstellung der vier
ten Auflage danke ich Herrn Dr.-Ing. W.-W. Willkommen sehr herzlich.
Ferner gilt mein Dank den Herren Dr.-Ing. B. Burbaum, Dipl.-Ing. M.
Korsten, Dipl.-Ing. A. Kroning und Dipl.-Ing. A. Villis fUr die wertvolle
Unterstiitzung bei der Bucherstellung. Mein besonderer Dank gilt Frau M.
Mundt und Frau C. Wu, die die Niederschrift und Redigierung des Manu
skripts mit groBer Sorgfalt durchgefiihrt haben. MeinDank gilt ferner
Herrn A. Will fUr die groBe Miihe bei der Erstellung der Bildunterlagen.
Nicht zuletzt gilt mein Dank dem Springer-Verlag fiir die wertvolle
Unterstiitzung und Sorgfalt bei der Drucklegung dieses Buchs.
Aachen, im Marz 1998 Rudolf Koller
VIII Vorwort zur dritten Auflage
Vorwort zur dritten Auflage
Es ist eine faszinierende Aufgabe, danach zu forschen, "wie Konstruk
teure denken", wenn sie bis dahin unbekannte Produkte erfinden oder
bereits bekannte Produkte erneut konstruieren. Lassen sich Konstruk
tionsprozesse beschreiben und wenn, welche Unterschiede bestehen zwi
schen Konstruktionsprozessen neuer Produkte und solchen, welche wie
derholt konstruiert werden?
Erfindungs- oder Konstruktionsprozesse zu analysieren und zu be
schreiben heiBt, primares Wissen schaffen, mit welch em Wissen uber
technische Produkte bzw. Konstruktionsergebnisse (sekundares Wissen)
geschaffen werden kann.
Wesentliche Fortschritte bezuglich des Verstandnisses von Konstruk
tionsvorgangen lieBen eine umfassende Oberarbeitung der vorangegan
genen Buchauflage geboten erscheinen. Bewahrtes konnte prazisiert und
erweitert werden. Die wesentlich umfangreichere dritte Auflage wurde
neu gegliedert und urn einige Kapitel erweitert. Wie die Gliederung zeigt,
wird zwischen produktneutralen (allgemeinen) und produktspezifi
schen (speziellen) Konstruktionsprozessen und deren Beschreibungen
unterschieden. Die Kapitel ,,3. Technische Systeme", ,,4. Grundlagen des
Konstruierens", ,,7. Standardisieren von Produkten", ,,8. Produktspezi
fische oder spezielle Konstruktionsprozesse", ,,10. Automatisieren von
Konstruktionsprozessen ", ,,11. lnformationssysteme uber technische Pro
dukte" und ,,12. Patentwesen, methodisches Konstruieren und Erfinden"
wurden neu aufgenommen.
Besonderer Wert wurde darauf gelegt, Konstruktionstheorien durch
zahlreiche Beispiele zu erlautern und den Bezug zur Praxis zu verdeutli
chen (s. KapiteI9).
Fur wertvolle Anregungen und Korrekturen bei der Erstellung der
Neufassung dieses Buchs danke ich wiederum Herrn Dr.-Ing. W.-W.
Willkommen sehr herzlich. Ferner gilt mein Dank den Herren Dipl.-Ing.
B. Burbaum, Dipl.-Ing. M. Korsten, Dipl.-Ing. A. Kroning, Dipl.-Ing. F.
Merkelbach, Dipl.-Ing. H. W. Rixen und Dipl.-Ing. F. Welsch fur die wert
volle Unterstutzung bei der Bucherstellung. Mein besonderer Dank gilt
Herrn A. Will fur die groBe Muhe bei der Erstellung der Bildunterlagen
sowie Herrn A. Brodel, Frau C. Frischling und Frau M. Mundt, die sich
urn die Niederschrift und Redigierung des Manuskripts sehr verdient
gemacht haben.
Nicht zuletzt gilt mein besonderer Dank dem Springer-Verlag fur die
wertvolle Unterstutzung und Sorgfalt bei der Drucklegung dieses Buchs.
Aachen, im Februar 1994 R. Koller
Vorwort zur zweiten Auflage IX
Vorwort zur zweiten Auflage
In den neun Jahren seit dem Ersterscheinen dieses Buchs sind zahlreiche
neue Erkenntnisse auf dem Gebiet der Konstruktionsmethodeforschung
erarbeitet worden, Widerspruche in fruheren Ergebnissen wurden besei
tigt, Bisheriges konnte prazisiert und erweitert werden. So war es an der
Zeit, die ursprungliche Darstellung an vielen Stellen zu uberarbeiten und
zu erweitern. Insbesondere wurden die Kapitel 12 uber "Entwerfen und
Gestalten" sowie Kapitel 13 uber "Restriktionsgerechtes Konstruieren"
wesentlich ausgebaut und neu verfaBt. Zahlreiche Textstellen und Bilder
in verschiedenen Kapiteln wurden korrigiert und neueren Erkennt
nissen angepaBt. Der inzwischen ublichen Sprachregelung folgend,
Ergebnisse der Konstruktionsmethodeforschung als Konstruktionslehre
zu bezeichnen, wurde auch der Titel dieses Buchs entsprechend gean
dert.
Fur die Korrektur und wertvollen Anregungen bei der Erstellung der
Neufassung dieses Buchs danke ich Herrn Dr.-Ing. W.-W. Willkommen
sehr herzlich. Mein besonderer Dank gilt wiederum Herrn lug. (grad.) J.
Bergmann fUr die groBe Muhe bei der Erstellung der Bildunterlagen
sowie Frau M. Mundt, die sich urn die Niederschrift und Redigierung des
Manuskripts sehr verdient gemacht hat. Nicht zuletzt gilt mein besonde
rer Dank dem Springer-Verlag fur die wertvolle Unterstiitzung und
Sorgfalt bei der Drucklegung dieses Buchs.
Aachen, im Juni 1985 R. Koller
Aus dem Vorwort zur ersten Auflage
Urn die Mitte dieses Jahrhunderts setzte sich allmahlich die Erkenntnis
durch, daB das Erfinden und geschickte Konstruieren technischer Pro
dukte nicht nur eine Kunst ist, welche der Intuition und dem K6nnen
einiger weniger besonders Begabter vorbehalten ist, sondern daB beim
Konstruieren neb en der zweifelsohne wichtigen Intuition des Kon
strukteurs eine Reihe von entscheidenden Vorgangen des Konstruk
tionsprozesses bescnrieben und somit anhand entsprechender Regeln
systematisch durchgefuhrt werden kann. Heute wird an zahlreichen
Forschungs- und Entwicklungsstellen der Hochschulen, Industrie und
anderer Institutionen in fast allen Industrielandern von Ingenieuren,
Mathematikern, Wirtschaftlern, Futurologen, Philosophen u. a. an der
X Aus dem Vorwort zur ersten Auflage
Erforschung, Rationalisierung und Automatisierung des Konstruktions
prozesses gearbeitet.
War es ursprunglich nur die Absicht, den KonstruktionsprozeB ratio
neller zu gestalten, so lassen in neuerer Zeit die sHindig umfangreicher
werdenden Systeme und die enorm gestiegene Zahl der Forderungen an
zukunftige technische Produkte methodisches Konstruieren immer
mehr zur Notwendigkeit werden. Erinnert sei hier nur an die Forderung
der Wiederverwendung von Werkstoffen aufgrund weltweiter Rohstoff
verknappung, Emissions- sowie Sicherheitsvorschriften fur Kraftfahr
zeuge u.a. neue Bedingungen und die mit diesen verbundenen zusatzli
chen Schwierigkeiten des Konstrukteurs bei der Lasung dieser Aufgaben.
Das Vorhandensein elektronischer Datenverarbeitungsanlagen zur Auto
matisierung des Konstruktionsprozesses war ein weiterer wichtiger
"Antriebsmotor" fUr die weltweite Entwicklung von Konstruktionsme
tho den, da die damit gegebene Beschreibung des Konstruktionsprozes
ses die Voraussetzung und Grundlage fur die Entwicklung universeller
Rechnerprogramme ist.
Wahrend von der Mathematik und Physik seit langem zahlreiche Me
thoden zur Lasung quantitativer Konstruktionsvorgange (Dimensionie
rung) bereitgestellt werden, ist die Entwicklung ahnlich exakter Metho
den zur DurchfUhrung qualitativer Konstruktionsvorgange - damit sind
jene Tatigkeiten gemeint, welche haufig mit Erfinden, Konzipieren oder
Lasungsfindung bezeichnet werden - bisher etwas vernachlassigt wor
den. Das vorliegende Buch soIl sich daher vorrangig mit Verfahren bzw.
Algorithmen zur systematischen Entwicklung von Prinzip16sungen und
Konstruktionsentwiirfen beschaftigen. Auf Methoden zur Berechnung
bzw. Dimensionierung von Bauteilen und Systemen solI verzichtet wer
den, da es daruber bereits sehr umfangreiche Spezialliteratur gibt.
Die ersten Anregungen zu dieser physikalisch-algorithmisch orientier
ten Konstruktionsmethode habe ich durch meine fruhere Industrie
tatigkeit, welche durch selbstandiges Entwickeln neuer Lasungen gekenn
zeichnet war, erhalten. Dieses Buch faBt die wesentlichen Ergebnisse der
Konstruktionsmethodeforschung neuerer Zeit zusammen. Der Stoff des
Buchs ist Inhalt einer seit 1970 stattfindenden Vorlesung fUr das 5. und 6.
Semester Maschinenbau an der Technischen Hochschule Aachen. Erprobt
wurde diese Methode an zahlreichen Beispielen aus der Industrie.
Aachen, im August 1975 R. Koller
[NHALT
Inhaltsverzeichnis
Definition wichtiger Begriffe ................. XVII
1 Einfiihrung.......................... ........ 1
1.1 Bedeutung der Konstruktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Aufgaben und Ziele der Konstruktionslehre . . . . . 3
2 Produktplanung und Aufgabenstellung. . . . . . . . . 7
2.1 Entwieklung von Produktideen . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2 Zweekbesehreibung und Forderungen an
teehnisehe Produkte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3 Plan en von Aufgabenstellungen. . . . . . . . . . . . . . . . 19
3 Technisehe Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 25
3.1 Klassifikation teehniseher Systeme . . . . . . . . . . . . . 25
3.2 Elementare Tatigkeiten in Masehinen, Geraten
und Apparaten ............................. . 32
3.3 Konstruktionselemente technischer Systeme ... . 37
3.3.1 U"be rs. Ihet , ............................ . 37
3.3.2 Physikalisehe Grundoperationen und
Funktionen teehniseher Systeme ......... . 39
3.3.3 Mathematische und logische Grund-
operationen und Elementarfunktionen .... . 58
3.3.4 Physikalisehe Effekte ................... . 59
3.3.5 Effekttrager ........................... . 61
3.3.6 Prinziplosung ......................... . 62
3.3.7 Gestaltelemente ........................ . 63
3.3.8 Oberflaehen, Schiehten, Kanten und Spitzen 64
3.4 Strukturen techniseher Systeme ............... 71
3-4-1 Funktionsstrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3-4-2 Gestaltstrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75