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Kursangebot | Maschinenelemente 1 | Grundlagen des Gestaltens

Maschinenelemente 1

Grundlagen des Gestaltens

Welche Anforderungen bei einer konkreten Konstruktionsaufgabe erfüllt werden müssen ist von Fall zu Fall höchst unterschiedlich. Eine gängige Auswahl von Konstruktionsgrundsätzen und dazu zu beantwortenden Fragen liefert dieser Abschnitt.

Funktionsgerechtes Gestalten

Die wichtigste und allgemeingültigste Anforderung ist, dass die Konstruktion die gewünschte Funktion über die gesamte vorgesehene Lebensdauer sicher erfüllt.

  • Welche Aufgabe hat die Konstruktion?
  • Welche Eingangs- und Ausgangsgrößen gibt es? (Stoff-, Energie- und Signalfluss)
  • Wird die Aufgabe eindeutig und sicher erfüllt?
  • Kann die Funktion einfacher realisiert werden?

Festigkeits- und beanspruchungsgerechtes Gestalten

Kräfte und Momente sollen durch möglichst wenige Bauteile und auf möglichst kurzem Weg übertragen werden. Günstig ist dabei Zug- / Druckbeanspruchung. Die Ausnutzung der zulässigen Werkstoffbeanspruchung sollte entlang des Kraftflusses möglichst gleichmäßig sein. Geometrisch bedingte Kerbwirkung soll vermieden werden, indem Übergänge sanft ausgeführt werden.

Hochbelastete Bauteile können durch Oberflächenbehandlung wie z. B. Härten verstärkt werden. Große Unterschiede zwischen Verformungen aneinander grenzender Bauteile sind zu vermeiden.

Besonders bei Struktur- und Gehäusebauteilen ist eine räumliche Form der flachen vorzuziehen. Hohlprofile sind meist günstiger als Vollprofile, da sie ein deutlich besseres Verhältnis zwischen Materialeinsatz und Belastbarkeit haben. Bei Torsionsbelastung eignen sich geschlossene Profile (Rundrohr, Rechteckrohr, ...) wesentlich besser als offene Profile (I, L, U, ...).

 

Für häufige Gestaltungsformen gibt es Faustregeln, wie zum Beispiel: Die Einschraubtiefe bei Gewinden soll das 1 bis 1,5-fache des Gewindetiefe betragen, um Gewindelöcher herum soll eine Wanddicke von 1,6 bis 1,8-fachen des Gewindedurchmessers sein, Gewindedurchmesser sollen etwa der Wandstärke des verschraubten Bauteils entsprechen, bei Gewindemustern soll ein Gewindeabstand vom 10-fachen Gewindedurchmessers angestrebt werden, Flansche sollen die 1,5 bis 2-fache Dicke des angrenzenden Bauteils haben.

  • Welche Höchstlast ist vorstellbar?
  • Wie verläuft der Kraftfluss durch die Konstruktion?
  • Ist der Kraftfluss eindeutig?
  • Welche Stelle ist bei Überlastung gefährdet?
  • Was passiert bei elastischer Verformung oder Temperaturdifferenzen?
  • Ist die Konstruktions statisch (über)bestimmt?
  • Ist (Nicht-)Beweglichkeit aller Teile klar?

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Es ist für das Verständnis von Belastungen hilfreich, sich den Kraftfluss durch Einzeichnen seines Verlaufs als Pfeile oder Linien zu visualisieren und sich das Bauteil als sehr elastisch vorzustellen.

Werkstoffgerechtes Gestalten

Die Werkstoffwahl ist immer eine Abwägung verschiedener Faktoren. Hochfeste Werkstoffe ermöglichen kleine Querschnitte und damit Massen, sind aber pro kg oft deutlich teurer als niedriger feste Werkstoffe. Die Verfügbarkeit am Markt, die Verschleißfestigkeit, Härtbarkeit, Schweißbarkeit, Zerspanbarkeit, Elastizität, Korrosionsfestigkeit sind ebenfalls wichtige Auswahlkriterien. Wiederverwendung oder Entsorgung können ebenfalls eine Rolle spielen.

  • Welcher Werkstoff für welches Teil?
  • Kann der Werkstoff in der gewünschten Weise bearbeitet werden?
  • Ist der Werkstoff lieferbar zu vertretbaren Kosten?
  • Ist die Lebensdauer des Werkstoffs lang genug? (Korrosion, Kriechen, Versprödung, ...)

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Auch die herstellungs- und bearbeitungsbedingten Eigenspannungen sollten berücksichtigt werden. Besonders Umformprozesse und thermische Bearbeitungsverfahren wie Härten oder Schweißen hinterlassen mitunter starke Spannungen in den Werkstücken, die die Belastbarkeit dramatisch reduzieren oder zu ungewollten Verformungen bei der Weiterverarbeitung oder im Betrieb führen können. Um das zu verhindern müssen geeignete Verfahren zur Reduktion der Eigenspannungen wie Spannungsarmglühen angewendet werden.

Fertigungsgerechtes Gestalten

Je nach Größe der Bauteile, herzustellender Stückzahl und im herstellenden Unternehmen verfügbaren Fertigungseinrichtungen sind völlig unterschiedliche Fertigungsverfahren günstig. Bei großen Stückzahlen lohnt sich erhöhter Aufwand für die Konstruktionsoptimierung und die Beschaffung von Hilfsmitteln wie Gussformen oder Hilfsvorrichtungen, bei Einzelstücken ist die Verwendung gut verfügbarere Halbzeuge wie Walzprofile, Bleche oder Rohre günstiger obwohl die Konstruktion weniger optimiert ist und mehr Material eingesetzt wird.
Schweißen und Gießen bilden jeweils eigenständige Themengebiete, in denen die Grundlagen für die Konstruktion entsprechender Teile beschrieben werden.

Die Überlegungen zu den Fertigungsverfahren wechselwirken mit denen zum Werkstoff. Die mit den unterschiedlichen Fertigungsverfahren wirtschaftlich oder überhaupt erreichbaren Genauigkeiten und Oberflächenqualitäten sollten ebenfalls berücksichtigt werden.

Erst wenn das Fertigungsverfahren feststeht kann eine Konstruktion gestaltet werden.

  • Sind die ausgewählten Fertigungsverfahren für die Stückzahl geeignet und wirtschaftlich?
  • Wo ist welche Bearbeitung erforderlich?
  • Sind die zu bearbeitenden Stellen ausreichend zugänglich?
  • Wo sind welche Toleranzen, Passungen und Oberflächenqualitäten nötig?

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Die Wirtschaftlichkeit gängiger Herstellverfahren für Einzelfertigung (1 bis 5 Stück), Kleinserien (bis 1000 Stück) oder Großserien (über 1000 Stück) ist in der einschlägigen Literatur dokumentiert.

Eine wichtige Faustregel für wirtschaftliches Konstruieren lautet: "Halbierung der Toleranz ergibt Verdoppelung der Fertigungskosten". Zur Veranschaulichung des Zusammenhangs hier ein Diagramm nach Bronner:

 

Montagegerechtes Gestalten

Die Montage der Konstruktion soll mit den Verfügbaren Hilfsmitteln möglichst einfach und kostengünstig möglich sein. Umfangreiche Konstruktionen sollten so gestaltet werden, dass mehrere Unterbaugruppen parallel vormontiert werden können. Wo eine bestimmte Reihenfolge bei der Montage eingehalten werden muss, ist die in geeigneten Montageunterlagen (Videosimulation, Zeichnungstext etc.) zu dokumentieren. Wichtige Maße müssen leicht kontrollierbar sein. Bei großen Stückzahlen sind die Automatisierungsmöglichkeiten zu berücksichtigen. Einstell- und Anpassungsarbeiten müssen mit wenig Aufwand möglich sein.
Bei Gehäusen ist insbesondere zu beachten, dass die Gehäuseteilung eine einfache Montage ermöglicht und die Lage einzubauender Teile eindeutig definiert ist, z. B. indem runde Teile einen Zentrieransatz haben oder passgenaue Ausrichtflächen für die zusammenzubauenden Teile vorhanden sind.

  • Welche Hilfsmittel stehen bei der Montage zur Verfügung?
  • Wie viele Menschen mit welcher Qualifikation stehen bei der Montage zur Verfügung?
  • Wie sauber ist die Montageumgebung?
  • Welche Informationen werden für die Montage benötigt?
  • Welche Fehler sind zu erwarten und wie können sie im Vorfeld vermieden werden?

 

Instandhaltungsgerechtes Gestalten

Die Inspektion und der Wechsel von ausfallgefährdeten Teilen und Verschleißteilen muss leicht möglich sein. Wartungspunkte müssen gut erkennbar und leicht zugänglich sein. Anfallender Schmutz (Abrieb, Späne, ...) sowie möglicherweise austretende Medien müssen an geeignete Stellen geleitet und leicht zu entfernen sein. Die Kontrolle und der Wechsel von Betriebsstoffen muss einfach und sicher möglich sein.

  • Womit wird geschmiert?
  • Wie kommt das Schmiermittel sicher an die Schmierstelle?
  • Wie wird die Schmierung kontrolliert?
  • Ist unkontrollierter Schmierstoffaustritt oder Schmutzeintritt verhindert?
  • Welche Teile verschleißen?
  • Welche Teile werden bei Überlast zerstört?
  • Welche Ausstattung mit Hilfsmitteln und Qualifikation ist am Einsatzort der Konstruktion vorauszusetzen?

Recyclinggerechtes Gestalten

Zerlegungsgünstige Konstruktionen erleichtern das Recycling und den Wechsel einzelner Teile. Verbindungen sollten leicht lösbar sein, Werkstoffgemische wie Verbundwerkstoffe möglichst vermieden werden. Die Möglichkeit zur Aufarbeitung von Verschleißteilen z. B. durch Überfräsen und Unterfüttern oder Aufschweißen und anschließendes Zerspanen sollte vorgesehen werden.

Formgerechtes Gestalten

Die Form einer Konstruktion sollte der Funktion und dem Kraftfluss erkennbar entsprechen und die Vorteile von Werkstoff und Fertigungsverfahren sichtbar werden lassen. Funktionslose Zierelemente sind möglichst zu vermeiden. Gefahrenstellen und Bedienelemente sind durch farbliche Kontraste sichtbar zu machen. Weitere Details zu Industrial Design gibt die VDI-Richtlinie 2424.