Prinziplösungen zur Konstruktion technischer Produkte

482 Pages·1994·15.857 MB·German

by  Prof. Dr.-Ing. Rudolf Koller, Dr.-Ing. Norbert Kastrup (auth.)

Rudolf Koller . Norbert Kastrup
Prinziplosungen zur
Konstruktion technischer
Produkte
Mit 300 Abbildungen
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg New York
London Paris Tokyo
Hong Kong Barcelona Budapest
Prof. Dr.-Ing. Rudolf Koller
RWTH Aachen
Institut fiir Allgemeine Konstruktionstechnik
des Maschinenbaues
SteinbachstraBe 54 B
52074 Aachen
Dr.-Ing. Norbert Kastrup
Diirrwiesenweg 11
91289 Schnabelwaid
ISBN -13 :978-3-642-97833-3 e-ISBN -13 :978-3-642-97832-6
DOl: 1O.l007/978-3-642-97832-6
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1994
Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1994
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Vorwort
Die Qualitat technischer Produkte und mithin der Erfolg von
Unternehmen und Industrielandern hangen in starkem MaBe von den
Fahigkeiten von Konstrukteuren und Fertigungswerkstatten abo Konstrukteure
sind insbesondere fUr die Neu- und Weiterentwicklungen technischer
Produkte verantwortlich. Analysiert man die Fortschritte technischer
Produkte, so fallen die haufig sehr langen Zeitabschnitte auf, welche
erforderlich sind, um Produkte neu entstehen zu lassen oder bereits bekannte
Produkte wesentlich zu verbessern.
Wirtschaftliche Rezessionen erwirken erhohte Anstrengungen zur
Verbesserung von P,rodukten.
Rezessionen zwingen Unternehmen, fiber Verbesserungen, Rationa
lisierung und Standardisierung nachzudenken und sind haufig Grund fUr er
staunliche Ingenieurleistungen. Vorausschauender ware es, auch zu Zeiten
guter Konjunktur Produkte standig we iter zu entwickeln und neue Produkte zu
erfinden.
Wesentliche Mittel zum Finden neuer Produkte oder Verbessern
bestehender Produkte konnen sein, die
Entdeckung neuer technischer Aufgaben,
Entwicklungen anderer (neuer) Funktionen oder Funktionsstrukturen zur
Losung bereits bekannter Aufgaben,
Anwendung anderer vorteilhafter Effekte o<Ier Effektstrukturen, anderer
Werkstoffe oder anderer Gestaltvarianten zur Losung bereits bekannter
Aufgaben,
Anwendung anderer vorteilhafter Fertigungsverfahren u. a. m.
Insbesondere die Anwendung anderer physikalischer Effekte (Prinzip
losungen) ist ein wesentliches Mittel, Aufgaben "neu zu losen". Zweck des
vorliegenden Suches ist es, physikalische Effekte bzw. Prinziplosungen aufzu
zeigen und entsprechend nach Tatigkeiten zu ordnen, welche mit diesen in
technischen Produkten bewirkt werden konnen. Wesentlicher Inhalt dieses
Suches ist eine umfangreiche Sammlung mechanischer, fluidmechanischer,
elektrischer und optischer Effekte bzw. Prinziplosungen. Zur Realisierung
VI
jedweder Tatigkeit (Funktion) technischer Gebilde benotigt man einen oder
mehrere geeignete physikalische Effekte bzw. Prinziplosungen.
Physikalische Prinziplosungen sind ein wesentliches Konstruktionsmittel
zur Realisierung technischer Produkte. Durch Anwenden unterschiedlicher
Effekte oder Effektstrukturen lassen sich technische Produkte mit sehr
unterschiedlichen Fahigkeiten und Eigenschaften verwirklichen; schutzfahige
Losungen lassen sich finden oder geschutzte Losungen konnen mit Hilfe von
anderen, alternativ anwendbaren Prinziplosungen umgangen werden. Weitere
wesentliche Konstruktionsmittel sind Werkstoffe und Gestaltparameterwerte.
Auf diese wird im vorliegenden Buch nicht naher eingegangen.
Wesentliche Inhalte dieses Buches wurden von Herrn Dr.-Ing. N. Kastrup
im Rahmen einer Dissertation /KAST92/ erstellt; ihm gebuhrt hierfUr beson
derer Dank. Zu danken ist ferner sehr herzlich Herrn Dipl.-Ing. A. Kroning,
Herrn Dipl.-Ing. F. Merkelbach und Herrn A. Villis fur die Mithilfe bei der
Bucherstellung sowie Herrn A. Brodel, Frau C. Frischling und Frau M. Mundt
fUr die Niederschrift und Redigierung des Buchmanuskripts. Unser Dank gilt
besonders dem Springer Verlag fUr die wertvolle UnterstUtzung und gror..e
Sorgfalt bei der Drucklegung dieses Buches.
Aachen, im Mai 1994 R. Koller; N. Kastrup
Inhaltsverzeichnis
1 Allgemeiner Konstruktionsprozer.. .................................... .
2 Physikalische Grundoperationen und Funktionen
technischer Systeme ....................................................... 6
2.1 Grundoperationen und Elementarfunktionen fOr
Energieumsatze ............................................................. 8
2.2 Grundoperationen und Elementarfunktionen fOr
Stoffumsatze ................................................................ 16
2.3 Grundoperationen zwischen Energien und Stoffen............... 21
2.4 Funktionen fOr Daten- bzw. Informationszusatze ................. 22
3 Informationsspeicher fUr die Konstruktion ............................ 27
3.1 Verschiedene Informationsspeicher als Hilfsmittel
fOr die Konstruktion ....................................................... 27
3.2 Entwicklung eines Katalogsystems zur Synthese von
Prinzipl6sungen ............................................................ 36
Literaturverzeichnis zum Text 48
Anhang
Anhang A 49
Anhang B 161
Anhang C 256
Anhang D ................................................................................... 421
Literaturverzeichnis zum Anhang ......................... ................ ...... 472
1 Allgemeiner Konstruktionsprozel?,
Bei der Beschreibung von Konstruktionsprozessen ist es notwendig, zwi
scHen allgemeinen und speziellen Konstruktionsprozessen zu unterscheiden.
Als allgemeine, produktunabhiingige oder produktneutrale ProzeBbeschreibun
gen sollen Konstruktionsregeln (Algorithmen) verstanden werden, welche fGr
die Konstruktion jeder Art technischer Produkte GGltigkeit haben. Regeln,
welche fUr jede Produkteart gelten, konnen keine Zwecke oder sonstigen Be
dingungen berGcksichtigen, sie mGssen zweck- oder bedingungsfrei sein.
Zweck und Bedingungen werden erst durch ein bestimmtes Produkt festge
legt.
Als spezielle, produktabhiingige oder produktspezifische ProzeBbeschrei
bungen sollen des weiteren Regeln (Algorithmen) verstanden werden, welche
zur Festlegung der variablen Parameterwerte eines Produktes bestimmter Art
notwendig sind, beispielsweise eines Zahnrades, eines Zahnradgetriebes,
eines Viergelenkgetriebes, eines StoBdiimpfers etc. Unter Produkten einer be
stimmten Art sollen aile Produkte verstanden werden, welche einem bestimm
ten Zweck dienen. Mit der Festlegung des Zweckes wird eine Produkteart
sowie zahlreiche an diese zu stellenden Bedingungen festgelegt. Bei der Be
schreibung des Konstruktionsprozesses einer bestimmten Produkteart liegen
bereits zahlreiche Parameterwerte fest; zu deren Festlegung bedarf es keiner
Algorithmen mehr. Diese Werte haben sich im Laufe einer Entwicklung als die
gGnstigsten erwiesen und werden folglich konstant gehalten. Mehr Gber pro
duktspezifische Konstruktionsprozesse kann unter /KOLL94/ nachgelesen
werden. 1m folgenden soli nur auf den allgemeinen KonstruktionsprozeB aus
fUhrlicher eingegangen werden.
Ausgangspunkt und Voraussetzung fUr die DurchfGhrung eines Konstruk
tionsprozesses ist eine Aufgabenstellung, deren Inhalt im wesentlichen aus
einer Vorstellung Gber den Zweck, den das zu konstruierende Produkt erfGllen
soli, besteht. Aufgabenstellungen bestehen ferner aus Bedingungen (Restrikti
onen, Forderungen), unter welchen der betreffende Zweck erfUllt werden soli.
Konstruieren heiBt, Zweck und Forderungen einer Aufgabenstellung in ent
sprechende Funktionen und sonstige Eigenschaften eines technischen Pro
duktes umzusetzen. Um dieses Ziel zu erreichen, stehen dem Konstrukteur
folgende Mittel zur VerfUgung:
2
Funktionen,
physikalische Effekte,
Effekttrager (Werkstoffe).
Gestaltelemente, deren Strukturen und Parameterwerte sowie
Oberflachen- und
Energiearten und deren Zustandsparameterwerte.
1. Konstruktionsschritt: In einem 1. Konstruktionsschritt geht es im we
sentlichen darum, die am schwierigsten zu lasende Teil- oder Elementaraufga
be einer Gesamtaufgabe zu erkennen (Kern- oder Hauptproblem) und eine
physikalische Tatigkeit zu finden, mit welcher diese Elementar- oder Teilauf
gabe erfGllt werden kann. Eine "physikalische Tatigkeit" zu finden, heir..t, mit
welchem physikalischen Vorgang bzw. mit welcher physikalischen Elementar
funktion kann o. g. Teilaufgabe erfGllt werden. Mit anderen Worten: Welche
Elementarfunktion aus einer bestimmten Menge definierter Elementarfunktion
en, kann eine bestimmte Teilaufgabe erfGllen? Auf welche Elementarfunktion
en Tatigkeiten in technischen Systemen zurGckgefGhrt werden kannen, wird
in Kapitel 2 ausfGhrlich behandelt.
Regel 1: Analyse einer Aufgabe und Erkennen der meist am schwierigsten
zu lasenden Teilaufgabe. Realisieren des Zweckes eines zu entwickelnden
Produktes mittels einer geeigneten physikalischen Elementarfunktion.
Oder: Ermitteln einer Funktion bzw. der physikalischen Tatigkeit Qder
alternativer Tatigkeit, welche den Zweck (bzw. die wesentliche Teilauf
gabe) eines zu entwickelnden technischen Produktes zu erfGllen vermag
und Ermitteln der gGnstigsten Funktion oder Funktionsstruktur, falls meh
rere Alternativen existieren.
Oblicherweise lassen sich zur Realisierung einer "Teil- oder Kernaufgabe"
nicht nur eine, sondern mehrere alternativ anwendbare Tatigkeiten (Funkti
onen) finden. Gibt es zur Lasung alternative Elementarfunktionen oder alterna
tive Funktionsstrukturen, so kann die gGnstigste Lasung ermittelt und in an
schlier..enden Konstruktionsschritten weiter verfolgt werden.
Dieser 1. Konstruktionsschritt soli auch als "Funktions- oder Funktions
struktursynthese" bezeichnet werden.
3
2. Konstruktionsschritt: In einem weiteren, 2. Konstruktionsschritt geht
es nun darum, physikalische Effekte oder Effektstrukturen (Effektketten) an
zugeben, welche geeignet sind, die im ersten Konstruktionsschritt festgelegte
Tatigkeit oder Tatigkeiten zu verwirklichen. Es sind Effekte oder Effektstruktu
ren anzugeben, welche Tatigkeiten realisieren konnen, wie sie durch die im 1.
Schritt gefundenen Strukturen beschrieben werden. Weil es in diesem 2.
Schritt um das "Synthetisieren" von Effekten oder Effektstrukturen geht, soli
dieser Schritt auch als "Effekt- oder Effektstruktursynthese" bezeichnet wer
den.
Das vorliegende Buch soli dem Konstrukteur insbesondere bei der Suche
nach physikalischen Effekten bzw. Prinziplosungen zur Verwirklichung
gewunschter Funktionen bzw. Tatigkeiten behilflich sein. Deshalb sind in
Kapitel 3 eine Vielzahl physikalischer Effekte und deren bildliche Prinziplosun
gen nach Elementarfunktionen geordnet, welche diese realisieren konnen.
Regel 2: Ermitteln von physikalischen Effekten oder Effektstrukturen (Prin
ziplosungen), welche sich eignen, die im 1. Schritt gefundene Funktion
oder Funktionsstruktur zu verwirklichen und Auswahlen des vermutlich
gOnstigsten Effekts oder gOnstigsten Effektstruktur, zur Verwirklichung
eines Produktes bestimmten Zweckes und bestimmter Eigenschaften.
3. Konstruktionsschritt: In einem weiteren Konstruktionsschritt sind ge
eignete Effekttrager fOr den oder die jeweils gewahlten Effekte festzulegen.
Effekttrager konnen Werkstoffe, FIOssigkeiten (Ole, Fette etc.) und/oder Gase
sein. Effekttrager kann auch ein Raum sein; beispielsweise ein Raum als Tra
ger elektrischer oder magnetischer Felder oder als Leiter elektromagnetischer
Wellen oder Leiter von Strahlung etc.
Regel 3: Festlegen des zur Realisierung eines Effektes geeigneten Effekt
tragers (Werkstoff, FIOssigkeit, Gas oder Raum). Ermitteln des am besten
geeigneten Werkstoffes bzw. (Effekttragers) oder der am besten
geeigneten Effekttragerstruktur, zur Verwirklichung eines Produktes be
stimmten Zweckes und bestimmter Eigenschaften.
4. Konstruktionsschritt: In weiteren Konstruktionsschritten ist die ermit
telte Prinziplosung zu gestalten. D. h., es sind fOr eine Prinziplosung qualitati
ve und quantitative Gestaltparameterwerte so festzulegen, daB diese die
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Funktion oder Funktionen zu realisieren vermegen, die diesem so entstehen
den technischen Gebilde zugedacht sind.
Ferner sind die qualitativen und quantitativen Gestaltparameter so fest
zUlegen, daB das betreffende technische Produkt zuverlassig ist, genGgend
hohe Lebensdauer hat, fertigungsgerecht, montagegerecht, kostengGnstig
herstell- und betreibbar ist und anderen, an dieses Produkt zu stellenden, Be
dingungen genGgt.
Regel 4: Festlegen der optimalen Gestalt, d. h. Festlegen der optimalen
quantitativen und qualitativen Gestaltparameterwerte eines zu entwickeln
den technischen Gebildes , so, daB dieses bestimmte Zwecke (bestimmte
Funktionen) erfGllt und sonstigen, an diese zu stellenden, Bedingungen ge
nGgt.
5. Konstruktionsschritt: In einem weiteren Konstruktionsschritt sind die
technischen Oberflachen der verschiedenen Teiloberflachen von Bauteilen
festzulegen. Hierunter ist das Festlegen von Rauhtiefen, Oberflachenharte,
Beschichtungen, Oberflachenbearbeitungsverfahren und andere zu verstehen.
Regel 5: Festlegen der erforderlichen Oberflachenart und -beschaffenheit
(Rauheit, Oberflachenharte, Beschichtungen etc.) der Teiloberflachen von
Bauteiloberflachen so, daB diese bestimmten, an diese gestellte, Forderun
gen genGgen.
6. Konstruktionsschritt: SchlieBlich sind fGr ein zu entwickelndes techni
sches Produkt noch die erforderlichen Energiearten und deren Zustande fest
zUlegen, wie beispielsweise elektrische Spannung, Stromstarke, Frequenz, Fe
dervorspannungen, Gasdruck, Gastemperatur, Gasvolumen, Schraubenan
zugsmomente etc., um bestimmte Zwecke und Forderungen zu erfGllen.
Regel 6: Festlegen der in einem zu entwickelnden System notwendigen,
Energiearten und deren Zustande.
Zusammenfassend zeigt Abbildung 1-1 die verschiedenen Schritte eines
produktneutralen Konstruktionsprozesses. Umfassendere AusfGhrungen zu
einzelnen KonstruktionsprozeBschritten kennen in der Literatur unter
/KOLL94/ u. a. nachgelesen werden.