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    17-Sep-2018

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  • I1.1 Technische Systeme F 1

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    F Grundlagen der Konstruktionstechnik

    J. Feldhusen, Aachen; H. Goldhahn, Dresden; J.-P. Majschak, Dresden; M. Orloff, Berlin;H. Schrmann, Darmstadt

    Allgemeine Literatur

    Bcher: DIN: Verzeichnis der Normen und Norm-Entwrfe. Berlin: Beuth (jhrlich). Ehrlenspiel, K.: Integrierte Produktentwick-lung, 2. Aufl. Mnchen: Hanser 2002. Ehrlenspiel, K.; Kiewert, A.; Lindemann, U.: Kostengnstig Entwickeln und Konstruieren.2. Aufl. Berlin: Springer 1998. Hansen, F.: Konstruktionssystematik, 2. Aufl. Berlin: VEB Verlag Technik 1965. Hansen, F.:Konstruktionswissenschaft Grundlagen und Methoden. Mnchen: Hanser 1974. Hubka, V.: Theorie technischer Systeme. Berlin:Springer 1984. Hubka, V.; Eder, W. E.: Theory of Technical Systems A Total Concept Theory for Engineering Design. Berlin1988. Hubka, V.; Eder, W.E.: Einfhrung in die Konstruktionswissenschaft. bersicht, Modell, Anleitungen. Berlin: Springer1992. Klein, M.: Einfhrung in die DIN-Normen, 13. Aufl. Stuttgart: Teubner 2001. Koller, R.: Konstruktionslehre fr den Ma-schinenbau. Grundlagen zur Neu- und Weiterentwicklung technischer Produkte, 4. Aufl. Berlin: Springer 1998. Leyer, A.: Maschi-nenkonstruktionslehre. Hefte 17, technica-Reihe. Basel: Birkhuser 1977. Mller, J.: Arbeitsmethoden der Technikwissenschaf-ten Systematik, Heuristik, Kreativitt. Berlin: Springer 1990. Pahl, G.; Beitz, W.; Feldhusen, J;. Grote, K. H.: Konstruktionsleh-re, 6. Aufl. Berlin: Springer 2005. Steinhilper, W.; Sauer, B. (Hrsg.): Konstruktionselemente des Maschinenbaus 1. Grundlagen derBerechnung und Gestaltung von Maschinenelementen. Korr. Nachdruck der 6. Aufl. Berlin: Springer 2006. Steinhilper, W.; Sauer,B. (Hrsg.): Konstruktionselemente des Maschinenbaus 2. Grundlagen von Maschinenelementen fr Antriebsaufgaben, 5. Aufl. Ber-lin: Springer 2006. RKW-Handbuch: Forschung, Entwicklung, Konstruktion. Berlin: E. Schmidt 197678. Rodenacker, W.G.:Methodisches Konstruieren. Konstruktionsbcher Bd. 27, 4. Aufl. Berlin: Springer 1991. Roth, K.: Konstruieren mit Konstruktions-katalogen; Bd. 1: Konstruktionslehre, Bd. 2: Konstruktionskataloge, 2. Aufl. Berlin: Springer 1994; Bd. 3: Verbindungen und Ver-schlsse, Lsungsfindung. Berlin: Springer 1996. Schlottmann, D.: Konstruktionslehre. Berlin: VEB Verlag Technik 1977. See-ger, H.: Design technischer Produkte, Programme und Systeme. Anforderungen, Lsungen und Bewertungen. Berlin: Springer 1992. Tjalve, E.: Systematische Formgebung fr Industrieprodukte. Dsseldorf: VDI-Verlag 1978. Wolf, J.: Kreatives Konstruieren.Essen: Girardet 1976. Zwicky, F.: Entdecken, Erfinden, Forschen im Morphologischen Weltbild. Mnchen: Droemer-Knaur 1971.

    Zeitschriften: Konstruktion. Zeitschrift fr Produktentwicklung. Berlin/Dsseldorf: Springer VDI ab 1948.

    Normen und Richtlinien: (VDI-Richtlinie 2221:) Methodik zum Entwickeln und Konstruieren technischer Systeme und Produkte.Dsseldorf: VDI-Verlag 1993. (VDI-Richtlinie 2222:) Konzipieren technischer Produkte. Dsseldorf: VDI-Verlag 1996. (VDI-Richtlinie 2223, Entwurf:) Methodisches Entwerfen technischer Produkte. Dsseldorf: VDI-Verlag 1999. (VDI-Richtlinie 2225:)Technisch-wirtschaftliches Konstruieren. Dsseldorf: VDI-Verlag 1977, Blatt 3: 1990, Blatt 4: 1994.

    1 Grundlagen technischer Systemeund des methodischen Vorgehens

    J. Feldhusen, Aachen; M. Orloff, Berlin(Abschnitt 1.4.4 H. Schrmann, Darmstadt)

    1.1 Technische Systeme

    1.1.1 Energie-, Stoff- und Signalumsatz

    Technische Gebilde (Anlagen, Apparate, Maschinen, Gerte,Baugruppen, Einzelteile) sind knstliche und konkrete Sys-teme, die aus einer Gesamtheit geordneter und aufgrund ihrerEigenschaften miteinander durch Beziehungen verknpfterElemente bestehen. Ein System ist dadurch gekennzeichnet,da es von seiner Umgebung abgegrenzt ist, wobei die Ver-bindungen zur Umgebung die Eingangs- und Ausgangsgr-en von der Systemgrenze geschnitten werden. Ein Systemlt sich in Teilsysteme untergliedern. Je nach Zweck knnensolche Systemunterteilungen nach unterschiedlichen Ge-sichtspunkten mehr oder weniger weit getrieben werden.So stellt in Bild 1 das System Kupplung innerhalb einerMaschine eine Baugruppe dar, whrend es selbst in die beidenTeilsysteme Elastische Kupplung und Schaltkupplungwiederum als selbstndige Baugruppen unterteilt sein kann.Die Teilsysteme lassen sich weiter in Systemelemente, hierEinzelteile, zerlegen. Diese Unterteilung orientiert sich an derBaustruktur. Es ist aber auch denkbar, sie nach Funktionen zu

    betrachten: Man knnte das Gesamtsystem Kuppeln funkti-onsorientiert in die Teilsysteme Ausgleichen und Schal-ten gliedern, letzteres wiederum in die UntersystemeSchaltkraft in Normalkraft wandeln und Reibkraft bertra-gen usw.

    Bild 1. System Kupplung. a bis h Systemelemente (beispielsweise),i bis l Anschluelemente, S Gesamtsystem, S1 Teilsystem ElastischeKupplung, S2 Teilsystem Schaltkupplung, E Eingangsgren (In-puts), A Ausgangsgren (Outputs)

  • F 2 Grundlagen der Konstruktionstechnik 1 Grundlagen technischer Systeme und des methodischen Vorgehens

    FTechnische Systeme dienen einem Proze, in dem Energien,Stoffe und Signale geleitet und/oder verndert werden(Bild 2). Dabei handelt es sich um einen Energie-, Stoff- und/oder Signalumsatz. In technischen Prozessen ist von der Auf-gabe oder der Art der Lsung her entweder der Energie-,Stoff- oder Signalflu vorherrschend. Zweckmig ist, diesendann als Hauptflu zu betrachten. Meist ist ein weiterer Flubegleitend, hufig sind alle drei beteiligt.Bei jedem Umsatz ist die Quantitt und Qualitt der beteilig-ten Gren zu beachten, damit die Kriterien fr die Przisie-rung der Aufgabe sowie die Auswahl und Bewertung einerLsung eindeutig sind.

    1.1.2 Funktionszusammenhang

    In einem technischen System mit Energie-, Stoff- und Signal-umsatz mssen sowohl eindeutige, reproduzierbare Zusam-menhnge zwischen den Eingangs- und Ausgangsgren desGesamtsystems, den Teilsystemen, als auch zwischen denTeilsystemen selbst bestehen. Sie sind im Sinne der Aufga-benerfllung stets gewollt (z. B. Drehmoment leiten, elektri-sche in mechanische Energie wandeln, Stoffflu sperren,Signal speichern). Solche Zusammenhnge, die zwischenEingang und Ausgang eines Systems zur Erfllung einer Auf-gabe bestehen, nennt man Funktion. Die Funktion ist eine

    Formulierung der Aufgabe auf einer abstrakten und lsungs-neutralen Ebene. Bezieht sie sich auf die Gesamtaufgabe, sospricht man von der Gesamtfunktion. Sie lt sich oft in er-kennbare Teilfunktionen gliedern, die den Teilaufgaben inner-halb der Gesamtaufgabe entsprechen (Bild 2). Die Art undWeise, wie die Teilfunktionen zur Gesamtfunktion verknpftsind, fhrt zur meist zwangslufigen Funktionsstruktur. Hu-fig lt sich schon mit der Variation der Zuordnung der An-satz fr unterschiedliche Lsungen legen. Die Verknpfungvon Teilfunktionen zur Gesamtfunktion mu sinnvoll undvertrglich geschehen.Zweckmig ist, zwischen Haupt- und Nebenfunktion zu un-terscheiden. Hauptfunktionen dienen unmittelbar der Gesamt-funktion. Nebenfunktionen tragen nur mittelbar zur Gesamt-funktion bei; sie haben untersttzenden oder ergnzendenCharakter und sind hufig von der Art der Lsung bedingt(Beispiele: Bilder 3 und 4). Die Funktionen setzen zu ihrerErfllung ein physikalisches Geschehen voraus, wobei diephysikalischen Gren von Teilfunktion zu Teilfunktion ein-ander entsprechen mssen; anderenfalls sind Wandlungsfunk-tionen zwischenzuschalten.Daneben gibt es noch logische Zusammenhnge, die eineFunktionsstruktur bestimmen bzw. beeinflussen. So werdengewisse Teilfunktionen erst erfllt sein mssen, bevor anderesinnvollerweise eingesetzt werden drfen (z.B. ist auf Bild 4

    Bild 2. Bilden einer Funktionsstruktur mit Energie-, Stoff- und Signalflu durch Gliedern einer Gesamtfunktion in Teilfunktionen

    Bild 3. Funktionskette (Funktionsstruktur) beim Verarbeiten von Teppichfliesen

    Bild 4. Funktionsstruktur beim Verarbeiten von Teppichfliesen nach Bild 3 mit Nebenfunktionen

  • I1.1 Technische Systeme F 3

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    die Teilfunktion Zhlen erst nach Kontrollieren auf Quali-tt sinnvoll). Logische Zusammenhnge sind aber auch inbezug auf eine Schaltungslogik ntig. Dazu dienen logischeFunktionen, die in einer zweiwertigen Logik Aussagen wiewahr/unwahr, ja/nein, ein/aus, erfllt/nicht erfllt ermgli-chen. Es wird zwischen UND-, ODER- und NICHT-Funktio-nen sowie deren Kombination zu komplexen wie NOR-(ODER mit NICHT), NAND- (UND mit NICHT) oder Spei-cher-Funktionen mit Hilfe von Flip-Flops unterschieden (s. Abzw. www.dubbel.de).

    1.1.3 Wirkzusammenhang

    Physikalische Effekte

    Teilfunktionen werden in der Regel vom physikalischen Ge-schehen erfllt, das durch das Vorhandensein physikalischerEffekte ermglicht wird. Der physikalische Effekt ist mittelsphysikalischer Gesetze, welche die beteiligten physikali-schen Gren einander zuordnen, auch quantitativ beschreib-bar. Sind diese Effekte im konkreten Fall einer Teilfunktionzugeordnet, so erhlt man das physikalische Wirkprinzipdieser Teilfunktion (Bild 5). Eine Teilfunktion kann vonverschiedenen physikalischen Effekten erfllt werden (s.Tab. 1).

    Geometrische und stoffliche Merkmale

    Die Stelle, an der das physikalische Geschehen zur Wirkungkommt, kennzeichnet den Wirkort. Die Erfllung der Funkti-on bei Anwendung der physikalischen Effekte wird von derWirkgeometrie (Anordnung von Wirkflchen und Wahl vonWirkbewegungen) erzwungen. Die Gestalt der Wirkflchewird durch Art, Form, Lage, Gre und Anzahl einerseits va-riiert und andererseits festgelegt. In hnlicher Weise wird dieerforderliche Wirkbewegung bestimmt (s. Tab. 2).Darber hinaus mu mindestens eine prinzipielle Vorstellungber die Art des Werkstoffs bestehen, mit dem die Wirkgeo-metrie realisiert werden soll. Erst die Gemeinsamkeit vonphysikalischem Effekt und geometrischen und stofflichenMerkmalen (Wirkflche, Wirkbewegung und Werkstoff) ltdas Wirkprinzip sichtbar w

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