Grundlagen der Produktentwicklung und Konstruktion Übung IV

(1)

Julian Baschin

18.12.2020 | 08:00 – 09:30 Uhr | Webkonferenz

- Spezielle Funktionsstrukturen, kinematische Ketten -

(2)

vorläufiger Zeitplan Übung

Nr. Themen Termin Inhalt Aufnahme

1. Anforderungsliste, Konstruktionskataloge 27.11. -

2. Allgemeine Funktionsstrukturen (AFS) 04.12. -

3. Logische Funktionen, Logische Funktionsstrukturen (LFS) 11.12. -

4. Spezielle Funktionsstrukturen (SFS), Kinematische Ketten 18.12. -

Winterpause

5. Übung Lenksäule I – Anforderungsanalyse (Anforderungsliste, AFS) 15.01. -

6. Übung Lenksäule II – Ausarbeitung prinzipieller Lösungen (Prinzipskizzen, Morphologisches Schema) 22.01. -

7. Übung Lenksäule III – Ausarbeiten und Bewerten (SFS, Punktbewertung) 29.01. -

8. Klausurvorbereitung 05.02. -

9. Puffer 12.02. -

(3)

Inhalt Übung 18.12.2020

Spezielle Funktionsstrukturen

 Physikalische Effekte

 Funktions-/ Konstruktionsgrößen

 Funktionsgrößenmatrix

 Übungsaufgabe: Pneumatische Bremse für Gehhilfe

Gestaltung und kinematische Ketten

 Einordnung in den Konstruktionsprozess

 Kinematische Strukturen

 Kinematische Variation

 Übungsaufgabe: Kurbelschwingenbrecher

 Übungsaufgabe: LKW-Ladebordwand

 Übungsaufgabe: Lift für Lattenrost

(4)

Inhalt Übung 18.12.2020

(5)

18.12.2020 | T. Vietor, T. Huth, T. Şahin, J. Baschin | Grundlagen der Produktentwicklung und Konstruktion | Seite 5

Einordnung in den Konstruktionsprozess

Hauptaufgabe Anforderungsliste

Teilaufgaben Funktionsstruktur

Physikalische Effekte Prinzipielle Lösung

Entwurfsfreigabe

Konzeptionelle Entwürfe Grobgestaltung

Detaillierte Entwürfe Feingestaltung

Vollständige Gebrauchs- und Herstellunterlagen

Fertigungsfreigabe

Produktunterlagen:

z.B.

Geometriemodelle, Stückliste, Prüfanforderungen

PRODUKT Aufgaben-

klärungs- phase

Prinzipielle Phase

Gestal- tende Phase

Ausarbei- tungs- phase

AUFGABE

Analyse der Produktumgebung Aufgabenstellung

Beurteilung

Informationssysteme Kataloge, Experten-Systeme

Produktmodelle

Suchschemata Checklisten Konkurrenzunterlagen

Schutzrechte

Standardfunktionen und -schaltungen

Produktstruktur

Physikalische Effekte Lösungsprinzipe Werkstoffe, Design

Vorgängerprodukte Gestaltprinzipe Zulieferkomponenten

Halbzeuge

Fertigungsverfahren Werkzeuge und

Vorrichtungen Wiederholteile Normteile Phase

FERTIGUNG MONTAGE PRÜFUNG

1.

2.

3.

4.

5.

6.

Entwurfsfreigabe

Fertigungsfreigabe

Produktunterlagen:

z.B.

Geometriemodelle, Stückliste, Prüfanforderungen Aufgaben-

klärungs- phase

Prinzipielle Phase

Gestal- tende Phase

AUFGABE

Beurteilung

Produktmodelle

Schutzrechte

Produktstruktur

Halbzeuge

Vorrichtungen Wiederholteile

Normteile Phase

1.

2.

3.

4.

5.

6.

(6)

Spezielle Funktionsstrukturen

 Hilfsmittel zur Lösungsfindung aus einer gegeben Aufgabenstellung

 Lösung durch physikalischer Effekte in Form von Prinzipskizzen und math. Gleichungen

 Funktion bzw. Aufgabenstellung muss durch Funktionsgrößen formuliert werden

 Realisierung wird durch Konstruktionsgrößen beschrieben

 Herstellen von Beziehungen zwischen beiden Größen über Funktionsgleichung

(7)

Funktions-/ Konstruktionsgrößen

Funktionsgrößen

 Größen, die Leistung oder Arbeit beschreiben

 Beispiele: Drehmoment, Winkelgeschwindigkeit, Druck, Strom, Spannung, Kraft, Impuls

 Konstruktive Aufgaben lassen sich als Zusammenhang zwischen Funktionsgrößen formulieren

Konstruktionsgrößen

 stoffliche oder geometrische Größen, die mit den Funktionsgrößen Energieinhalte, Reibungsverluste oder räumliche Verhältnisse beschreiben

 Beispiele: Abmessungen, Material, Form

 nur Konstruktionsgrößen sind vom Konstrukteur unmittelbar gestaltbar

(8)

Ziel der SFS

 Entwicklung eines von der Aufgabenstellung gegebenen funktionalen Zusammenhanges

 durch systematischen Festlegung der Verknüpfungen von Funktionsgrößen und physikalischer Effekte

 Darstellung der Zusammenhänge bzw. der Funktionsgrößen und physikalischer Wirkprinzipien als Blockschaltbild

Hilfsmittel

1. Funktionsgrößenmatrix

 Verknüpfungsmöglichkeiten zweier Funktionsgrößen durch physikalische Effekte

2. Effektesammlung

 Sammlung und Darstellung von Realisierungsmöglichkeiten bekannter physikalischer Effekte

ω F U

1.8 16.1

s M

5.2 8.5

(9)

Beispiel:

Impuls aus Geschwindigkeit

Funktionsgrößenmatrix (FGM)

 Hilfsmitteln bzw. Zugriffslogik zum

Auffinden physikalischer Effekte zwischen zwei Funktionsgrößen

 Eingangsgrößen (Funktionsgrößen) in der Kopfzeile und Ausgangsgrößen

(Funktionsgrößen) in der Kopfspalte angegeben

 Schraffierte Felder kennzeichnen direkte Zusammenhänge (Physikalische Effekte) für die Verknüpfung der einzelnen

Funktionsgrößen

 für leere Felder existiert keine direkte

Beziehung ^𝒗 ^𝒑^𝒊

3.4

(10)

Effektesammlung

 Effektesammlung ist eine

Sammlung pyhsikalischen Effekten, die in der FGM als direkte

Lösungen angegeben werden

 listet systematisch die

physikalischen Effekte auf, die eine vorgegebene Verknüpfung zweier Funktionsgrößen ermöglichen

 kann neben Formeln erläuternde Skizzen enthalten

(11)

Inhalt Übung 18.12.2020

(12)

Übungsaufgabe: Pneumatische Bremse für eine Gehhilfe

Motivation

Für Menschen mit körperlichen Einschränkungen werden zunehmend Rollatoren als Rehabilitationsmittel und Mobilitätshilfen eingesetzt.

Durch bisher vorwiegend eingesetzte manuell ausgelöste Bremsen kann in Gefahrensituationen die Kontrollierbarkeit des Rollators nicht ausreichend gewährleistet werden. Sie werden daher aufgefordert, eine Lösung für eine pneumatische Bremse zu erarbeiten, welche bei Überschreitung einer vorgegebenen Laufgeschwindigkeit den Rollator selbstständig abbremst.

(13)

Übungsaufgabe: Pneumatische Bremse für eine Gehhilfe

Als Eingangsgröße für die Steuerung der Bremse dient die aktuelle Geschwindigkeit der Hinterräder (v_Hinten). Zur Erzeugung des Bremswiderstandes möchten Sie die Drehbewegung der Hinterräder in die Hubbewegung (s(φ)) eines

Pneumatikzylinders wandeln. Die Steuerung des Bremswiderstandes erfolgt durch Veränderung des Druckes im Pneumatikzylinder (p_Zylinder).

(14)

Übungsaufgabe: Pneumatische Bremse für eine Gehhilfe

Wirkzusammenhänge für Mechanik und Elektronik

Für die Ausarbeitung einer prinzipiellen Lösung, erarbeiten Sie mithilfe einer Speziellen Funktionsstruktur (SFS) Wirkzusammenhänge für die pneumatische Bremse.

Aufgabenstellung:

1. Erarbeiten Sie mithilfe der Funktionsgrößen-Matrix sowie dem Ausschnitt aus der Effektsammlung eine Effektkette, um aus der Geschwindigkeit des Radmittelpunktes v_Hinten einen Druck p_Zylinder innerhalb des Pneumatikzylinders zu erzeugen.

? pZylinder

vHinten

(15)

Übungsaufgabe: Pneumatische Bremse für eine Gehhilfe

Als Grundlage für die Steuerung soll die aktuelle Winkelgeschwindigkeit der Hinterräder ω_Hinten in ein Spannungssignal U_Steuer gewandelt werden.

2. Ermitteln Sie mithilfe der Funktionsgrößen-Matrix sowie dem Ausschnitt aus der Effektsammlung 3 Effektketten, um ausgehend von der Winkelgeschwindigkeit der Hinterräder ω_Hinten über eine Zwischengröße ein Spannungssignal U_Steuer zu erzeugen.

? USteuer

ωHinten

(16)

Inhalt Übung 18.12.2020

(17)

Entwurfsfreigabe

Fertigungsfreigabe

Produktunterlagen:

z.B.

Geometriemodelle, Stückliste, Prüfanforderungen

PRODUKT Aufgaben-

klärungs- phase

Prinzipielle Phase

Gestal- tende Phase

AUFGABE

Beurteilung

Produktmodelle

Schutzrechte

Produktstruktur

Halbzeuge

Vorrichtungen Wiederholteile Normteile Phase

1.

2.

3.

4.

5.

6.

Entwurfsfreigabe

Fertigungsfreigabe

Produktunterlagen:

z.B.

Geometriemodelle, Stückliste, Prüfanforderungen Aufgaben-

klärungs- phase

Prinzipielle Phase

Gestal- tende Phase

AUFGABE

Beurteilung

Produktmodelle

Schutzrechte

Produktstruktur

Halbzeuge

Vorrichtungen Wiederholteile

Normteile Phase

1.

2.

3.

4.

5.

6.

Einordnung in den Konstruktionsprozess

(18)

Kinematische Strukturen - Glieder und Gelenke

Arten und Darstellung von Gliedern

Gestell An- und Abtriebsglieder

Übertragunsglieder

Beispiele für Gelenke

Schubgelenk f=1

Drehgelenk f=1

Schraubgelenk f=1

Drehschubgelenkk f=2

Darstellung von Gelenken

(19)

Hinweise zum Skizzieren kinematischer Ketten und Mechanismen

 Größenverhältnisse anpassen

 Glieder durchnummerieren, beim Gestell mit 1 beginnen!

 Antriebsrichtung mit einem Pfeil kennzeichnen

Kinematische Variation

1 2

3

F = 3 * (3 – 1) – 2 * 2 – 1 * 1 = 1 mit

n: Anzahl der Glieder

n₁: Anzahl der Gelenke mit f=1 n₂: Anzahl der Gelenke mit f=2 F = 3 * (n – 1) – 2 * n₁ – 1 * n₂

(20)

Kinematische Variation

Kinematische Variationsoperationen bezogen auf kinematische Ketten (Teil 1)

(21)

Kinematische Variation

Kinematische Variationsoperationen bezogen auf kinematische Ketten (Teil 2)

(22)

Kinematische Variation

Kinematische Variationsoperationen bezogen auf Mechanismen

(23)

Inhalt Übung 18.12.2020

(24)

Übungsaufgabe: Kurbelschwingenbrecher

In der chemischen Industrie wird für die Farbenherstellung Kalkstein verwendet. Der Kalkstein wird in Steinbrüchen gewonnen und muss dort für den Transport grob zerkleinert werden. Die weitere Aufbereitung des Kalksteins erfolgt durch chemische Behandlung in der Farbenherstellung.

Für die erste Zerkleinerung des Haufwerkes direkt im Steinbruch werden Schlagbrecher eingesetzt. Das Bild zeigt als Beispiel für eine solche Zerkleinerungsmaschine, einen nach dem Backenbrechprinzip arbeitenden Kurbel- schwingenbrecher.

Da der aktuelle Kurbelschwingenbrecher den gestiegenen Anforderungen nicht mehr gewachsen ist, soll ausgehend vom kinematischen Prinzip der alten Maschine ein neuer Backenbrecher entwickelt werden.

(25)

Inhalt Übung 18.12.2020

(26)

Eine häufig verwendete LKW-Ladehilfe stellen Ladebordwände dar.

 Die oberen Kompenten der Hubkinematik bilden den Tragarm der Ladebordwand.

 Der Tragarm wird mit Hilfe eines oder zweier Hubzylinder auf und ab bewegt.

 Der untere Arm nimmt den Schwenkzylinder zum Kippen der Plattform auf.

Übungsaufgabe: LKW-Ladebordwand

(27)

Übungsaufgabe: LKW-Ladebordwand

Freiheitsgrade und Variationen ebener Getriebe

Es soll eine vereinfachte und kostengünstige Variante für eine LKW-Ladebordwand entwickelt werden, bei der die Ladebordwand um einen festen Drehpunkt gekippt werden soll. Analog zum Parallelogrammsystem soll auf einer Viergelenkkette basierend ein integrierter Scharnier-/ Klappenbetätigungsmechanismus entwickelt werden.

Eine wesentliche Randbedingung ist neben niedrigen Kosten ein möglichst geringes Gewicht der Ladebordwand, um eine möglichst hohe Nutzlast bei einem vorgegebenen zulässigen Gesamtgewicht des LKWs zu ermöglichen. Minimieren Sie dafür die Anzahl der benötigten Gelenkkettenelemente durch eine Änderung der Gelenkart- und anzahl, nachdem Sie die kinematische Kette abgebildet und den Freiheitsgrad berechnet haben

.

Prinzipielle Darstellung (Struktur) des ersten

Lösungsprinzips: ₄

2 3 1

2 1

4

3 2

1

4

1: Gestell 2: Antrieb 3: Koppel

4: Ladebordwand

(28)

Inhalt Übung 18.12.2020

(29)

In der folgenden Darstellung ist ein Lift zum Anheben und Schwenken eines Lattenrostes abgebildet. Abstrahieren Sie den dargestellten Mechanismus zu einer kinematischen Kette. Geben Sie die Grübler‘sche Formel zur Bestimmung des Freiheitsgrades an und berechnen Sie den Freiheitsgrad des dargestellten Mechanismus.

Übungsaufgabe: Lift für Lattenrost

F = 3 * (n – 1) – 2 * n1 – 1 * n2

n: Anzahl der Glieder n₁: Anzahl der Gelenke mit f=1 n₂: Anzahl der Gelenke mit f=2

Berechnung des Freiheitsgrades

(30)

Inhalt Übung 18.12.2020

(31)

vorläufiger Zeitplan Übung

Nr. Themen Termin Inhalt Aufnahme

1. Anforderungsliste, Konstruktionskataloge 27.11. -

2. Allgemeine Funktionsstrukturen (AFS) 04.12. -

3. Logische Funktionen, Logische Funktionsstrukturen (LFS) 11.12. -

4. Spezielle Funktionsstrukturen (SFS), Kinematische Ketten 18.12. -

Winterpause

5. Übung Lenksäule I – Anforderungsanalyse (Anforderungsliste, AFS) 15.01. -

6. Übung Lenksäule II – Ausarbeitung prinzipieller Lösungen (Prinzipskizzen, Morphologisches Schema) 22.01. -

7. Übung Lenksäule III – Ausarbeiten und Bewerten (SFS, Punktbewertung) 29.01. -

8. Klausurvorbereitung 05.02. -

9. Puffer 12.02. -