Grundlagen der Produktentwicklung und Konstruktion Übung V

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Julian Baschin

- Lösungen Übungsaufgaben SFS und Kinematik, neues Beispiel Lenksäule -

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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. Aufgabenvorstellung Übung Lenksäule 15.01. -

6. - 22.01. -

7. Lösungsvorstellung Übung Lenksäule 29.01. -

8. Klausurvorbereitung 05.02. -

9. Puffer 12.02. -

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Inhalt Übung 15.01.2021

Spezielle Funktionsstrukturen

 Übungsaufgabe: Pneumatische Bremse für Gehhilfe

Gestaltung und kinematische Ketten

 Übungsaufgabe: Kurbelschwingenbrecher

 Übungsaufgabe: LKW-Ladebordwand

 Übungsaufgabe: Lift für Lattenrost

Übung Lenksäule

 Übersicht und Funktionsweise einer Lenksäule

 Übungsaufgaben Lenksäule

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Inhalt Übung 15.01.2021

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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.

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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).

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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

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Bearbeitung des Aufgabenteils 1

Übungsaufgabe: Pneumatische Bremse für eine Gehhilfe

v φ s F p_D

6.4 (1) 2.6 (1)

𝑑𝑠 = 𝑟 𝑑𝜑

1.2 (1)

𝐹 = 𝑐𝑠

12.1 (1)

𝑝_𝐷=𝐹 𝑑𝜑 =v 𝐴

𝑟𝑑𝑡 Formel in der Effektesammlung nicht

aufgeführt (gekürzte fgm)

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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

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Übungsaufgabe: Pneumatische Bremse für eine Gehhilfe

Bearbeitung des Aufgabenteils 2 _ω_Hinten_{= f( U}_Steuer₎

? USteuer

ωHinten

F = mrω² 𝑈 =𝐹𝑑

𝑄

1.8 (1) 16.2 (3)

ω F U

s = rωt 𝑈 = 𝐵𝑙𝑠

𝑡

2.8 (1)

ω s

dφ = dωdt 𝑈 = 𝐾𝐵𝑑𝜑

𝑑𝑡

6.8 (1)

ω φ

v = rω 𝑈 = 𝐵𝑙𝑣

4.8 (1)

ω v

16.1 (1)

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Inhalt Übung 15.01.2021

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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.

https://www.youtube.com/watch?v=u6k0PgIn9PM

Video zur Funktion:

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Übungsaufgabe: Kurbelschwingenbrecher

1. Prinzipskizze erstellen

Fertigen Sie eine Prinzipskizze des Kurbelschwingenbrechers an. Abstrahieren Sie dazu alle Elemente, auch das Gestell, zu geometrischen Strichstrukturen. Nummerieren Sie die

Glieder des so entstandenen Viergelenkgetriebes beim Gestell mit 1 beginnend fortlaufend.

Antrieb

Riemenscheibe Pendelschwinge

Lagerstelle Pendelschwinge

1 3 2

4

Darstellungsweise Festehende

Backe

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Übungsaufgabe: Kurbelschwingenbrecher

2. Gestell-/ Antriebslagenwechsel

Führen Sie auf Grundlage der Prinzipzkizze mögliche Gestellwechsel durch und skizzieren Sie diese. Kennzeichnen Sie jeweils das Gestell sowie technisch sinnvolle Antriebslagen.

Erstellen Sie für jede mögliche Antriebslage eine gesonderte Skizze.

1

2 3

4

Ausgangslage

Position der Pendelschwinge bleibt unverändert

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4 2 4

4 4

4

Übungsaufgabe: Kurbelschwingenbrecher

2. Gestell-/ Antriebslagenwechsel

Führen Sie auf Grundlage der Prinzipzkizze alle sinnvollen Gestellwechsel durch und skizzieren Sie diese. Kennzeichnen Sie jeweils das Gestell sowie technisch sinnvolle Antriebslagen. Erstellen Sie für jede mögliche Antriebslage eine

gesonderte Skizze.

1

2 3

4

(16)

3. Freiheitsgrad

Bestimmen Sie nun den Freiheitsgrad der Gelenkkette mithilfe der Grübler‘schen Formel für ebene kinematische Ketten.

F = 3 * (n – 1) – 2 * n₁ – 1 * n₂ mit

n: Anzahl der Glieder

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

1 2 3

4

Beispiel Viergelenkkette:

F = 3 (4 – 1) – 2* 4 – 0 = 1

d.h. ein Bewegungsfreiheitsgrad ist vorhanden

Übungsaufgabe: Kurbelschwingenbrecher

Vereinfachte Grübler‘sche Formel für ebene kinematische Ketten:

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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

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15.01.2021 | T. Vietor, T. Huth, T. Şahin, J. Baschin | Grundlagen der Produktentwicklung und Konstruktion | Seite 18

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 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

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Übungsaufgabe: LKW-Ladebordwand

1. Bestimmen Sie den Freiheitsgrad der Gelenkkette mit Hilfe der Grübler´schen Formel.

 F= 3(4 –1) – 24 - 0 = 1

F = 3 * (n – 1) – 2 * n1 – 1 * n2 mit

n: Anzahl der Glieder

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

2

3

4

(20)

Übungsaufgabe: LKW-Ladebordwand

2. Minimieren Sie die Anzahl der benötigten Gelenkkettenelemente durch eine Änderung der Gelenkart- und anzahl

.

 F= 3 (3 –1) – 22 – 1 = 1 F = 3 * (n – 1) – 2 * n1 – 1 * n2

mit

n: Anzahl der Glieder

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

2

3

4

1

2

3

(21)

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

(22)

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: Lattenrost

1 2

3

5

6

7 4

1 2 3

5 4

6 7 8

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 F = 3 * (7 -1) - 2 * 8 - 1 * 0 = 18 -16 = 2 Berechnung des Freiheitsgrades

(23)

Inhalt Übung 15.01.2021

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Übersicht und Funktionsweise einer Lenksäule

 Die Lenksäule dient als Verbindung zwischen Lenkrad und Lenkgestänge der Fahrzeugräder

 Sie überträgt somit die Lenkbewegung des Fahrers

 Eine Lenksäule kann als manuell und elektrisch verstellbare Lenksäule angeboten werden

 Dabei ist zwischen Längsverstellung in x-Richtung (leicht geneigt) und Höhenverstellung (Drehung um die y-Achse) zu unterscheiden

Quelle: Audi AG

x y

z

Lenkrad

y x z

Längsverstellung

Höhenverstellung

(25)

Wesentliche Bauteile der elektrisch verstellbaren Lenksäule

x

y

z

Lenkwelle Mantelrohr

Motor Längsverstellung

Motor Höhenverstellung

Spindel

Getriebe

Schwenkabschnitt Grundplatte

Elastische Welle Führungsteil

Übersicht und Funktionsweise einer Lenksäule

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Wesentliche Bauteile der elektrisch verstellbaren Lenksäule

x

z

Lenkwelle

y

Mantelrohr Grundplatte Motor Höhenverstellung

Motor Längsverstellung Elastische Welle Getriebe Schwenkabschnitt

Schwenkachse

Übersicht und Funktionsweise einer Lenksäule

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Höhenverstellung

x

z

y

Motor Höhenverstellung

Elastische Welle

Getriebe Schwenkabschnitt

Schwenkachse Spindel

Mutter Verbindungsabschnitt

Grundplatte Verbindung zur

Grundplatte

Lagerung an der

Übersicht und Funktionsweise einer Lenksäule

(28)

Übersicht und Funktionsweise einer Lenksäule

(29)

Übungsaufgabe: Anforderungsliste Lenksäule

Ihr Unternehmen möchte das Produktspektrum im Bereich Lenksysteme erweitern und elektrisch verstellbare Lenksäulen entwickeln. Dazu wollen Sie zunächst die Anforderungen seitens Ihres Unternehmens in einer Anforderungsliste festhalten.

Ihnen wird der folgende Auszug eines Meetings zur Verfügung gestellt:

„Der Höhenverstellbereich soll -20 bis 20 mm betragen. In Längsrichtung soll man das Lenkrad aus der Referenzposition 30 mm zu sich heranziehen können und 30 mm von sich wegbewegen können. Die Masse der Lenksäule darf 8 kg nicht überschreiten. Zudem muss der Bauraum eingehalten werden. Dafür darf die Länge höchstens 60 cm, die Breite höchstens 24 cm und die Höhe höchsten 20 cm betragen. Die Lenksäule muss Belastungen von mind. 2 kN in axialer und mind. 1,5 kN in vertikaler Richtung aushalten. Außerdem sollte die Lenksäule nach Möglichkeit wartungsarm sein.“

Fassen Sie die beschriebenen Anforderungen in einer Anforderungsliste zusammen. Gliedern Sie Ihre Anforderungsliste anhand verschiedener Hauptmerkmale.

Beispiele für Hauptmerkmale:

Geometrie, Kinematik, Kräfte, Energie, Stoff, Signal, Sicherheit, Ergonomie

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Übungsaufgabe: Allgemeine Funktionsstrukturen (AFS) Lenksäule

Erstellen Sie anhand der Exponate eine Allgemeine Funktionsstruktur der Lenksäule. Identifizieren Sie zunächst die wesentlichen Elemente der Lenksäule. Stellen Sie die Hauptaufgabe des Systems dar. Erstellen Sie dann eine AFS.

Wählen Sie hierfür einen sinnvollen Abstraktionsgrad.

(31)

LFS – Höhen- und Längsverstellung Lenksäule

Für die geeignete Einstellung der Lenkradposition im PKW wird die verstellbare Lenksäule verwendet. Beim betrachteten Typ muss zur Bewegung der Lenksäule (Y) zunächst die Elektronik über einen Start-Knopf (S) aktiviert werden. Um die Sicherheit der Insassen und anderer Verkehrsteilnehmer zu gewährleisten, darf das Fahrzeug zur Auslösung der Verstellung zudem höchstens in Schrittgeschwindigkeit fahren (V) und der Fahrer darf das Lenkrad nur bis zu einem Winkel von maximal 30° auslenken (W). Um die gewünschte Lenkradposition zu erreichen, kann der Fahrer über eine Bedientaste auf eine Komfortfunktion (K) zurückgreifen, bei der eine gespeicherte Lenkradposition automatisch eingestellt werden kann. Dazu muss allerdings zuvor die gewünschte Position gespeichert werden (SP). Alternativ hat der Fahrer die Möglichkeit, das Lenkrad manuell über ein Bedienfeld am Lenkrad zu positionieren (MB). Die manuelle Verstellung kann jederzeit parallel zur Komfortfunktion erfolgen, um die gespeicherte Position anzupassen.

1. Ermitteln Sie sämtliche Ein- und Ausgangsgrößen des dargestellten Systems, tragen Sie diese in eine Tabelle ein und codieren Sie die Zustände sinnvoll.

Unter welchen Umständen ist eine Einstellung des Lenkrads grundsätzlich möglich? Stellen Sie dazu eine Funktion in der folgenden Form auf: X= f(W,V,S)

(32)

LFS – Höhen- und Längsverstellung Lenksäule

2. Legen Sie eine vollständige Wertetabelle an und stellen Sie die disjunktive Normalform (DNF) für die Einstellung der Lenkradposition auf.

Vereinfachen Sie anschließend die DNF mithilfe des Karnaugh-Diagramms.

(33)

LFS – Höhen- und Längsverstellung Lenksäule

3. Zeichnen Sie die logische Funktionsstruktur in Form eines Blockschaltbildes.

(34)

Übungsaufgabe: Spezielle Funktionsstrukturen (SFS) Lenksäule

Die Batterie stellt eine elektrische Spannung (U) zur Verfügung. Aufgrund der elektrischen Spannung (U) wird ein elektrischer Strom (I) erzeugt, der den Stator des Elektromotors durchströmt. Die Stromzufuhr erzeugt ein Drehmoment (M₁), welches über ein Getriebe übersetzt (M₂) wird. Die an den Abtrieb des Elektromotors angeschlossene elastische Welle leitet die resultierende Rotation (φ₁) an eine Spindel, wodurch über eine Mutter eine Verschiebung (s) erzeugt wird.

Über den drehbar gelagerten Schwenkabschnitt wird eine Auslenkung (φ₂) des am Schwenkabschnitt angebundenen Zugriffsteils ermöglicht.

Geben Sie für die dargestellte Höhenverstellung die Hauptaufgabe in Form einer speziellen Funktionsstruktur (SFS) an und benennen sie die Eingangs- und Ausgangsgröße sowie den funktionalen Zusammenhang.

(35)

Übungsaufgabe: Kinematik Lenksäule

Die Höhen- und Längsverstellung ist vereinfacht in folgender Abbildung dargestellt. Abstrahieren Sie den dargestellten Mechanismus zu einer ebenen kinematischen Kette. Geben Sie die Grübler`sche Formel an. Berechnen Sie anschließend den Freiheitsgrad des Systems.

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Übungsaufgabe: Konstruktionskatalog Lenksäule

Aufgrund vieler Reklamationen der Werkstätte über Probleme in der Montage des Lenkrads an der Lenkwelle wurde Ihnen die Aufgabe erteilt, alternative Verbindungsmöglichkeiten für die Verbindung der beiden Komponenten zu finden.

Sie wurden dabei aufgefordert insbesondere eine Übersicht über lösbare, auf mechanischer Wirkung beruhender Welle- Nabe-Verbindungen in Form eines Konstruktionskataloges zu erstellen. In der Tabelle auf der folgenden Seite sind die Ergebnisse Ihrer ersten Recherche verschiedener Welle-Nabe Verbindungen dargestellt.

1. Erstellen Sie einen vollständigen Konstruktionskatalog. Ermitteln Sie drei Gliederungsmerkmale, welche eine eindeutige und widerspruchsfreie Ordnung der gezeigten Welle-Nabe Verbindungen ermöglichen.

Ordnen Sie den ermittelten Merkmalen die jeweiligen Ausprägungen zu.

2. Ordnen Sie die in der Tabelle dargestellten Welle-Nabe Verbindungen eindeutig in den Hauptteil des Konstruktionskataloges ein.

3. Ermitteln Sie mindestens drei Merkmale, die sich für den Zugriffsteil des Kataloges eignen. Tragen Sie die Merkmale in den in 1.) erstellten Katalog ein und ergänzen Sie für die aufgeführten Welle-Nabe Verbindungen jeweils die qualitativen Ausprägungen der Merkmale.

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Übersicht Welle-Nabe-Verbindungen

1.Erstellen Sie einen vollständigen Konstruktionskatalog.

Ermitteln Sie drei Gliederungsmerkmale, welche eine eindeutige und widerspruchsfreie Ordnung der gezeigten Welle-Nabe Verbindungen ermöglichen.

Ordnen Sie den ermittelten Merkmalen die jeweiligen Ausprägungen zu.

2.Ordnen Sie die in der Tabelle dargestellten Welle-Nabe Verbindungen eindeutig in den Hauptteil des

Konstruktionskataloges ein.

3.Ermitteln Sie mindestens drei Merkmale, die sich für den Zugriffsteil des Kataloges eignen. Tragen Sie die Merkmale in den in 1.) erstellten Katalog ein und ergänzen Sie für die aufgeführten Welle-Nabe Verbindungen jeweils die

qualitativen Ausprägungen der Merkmale.

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Übungsaufgabe: Konstruktionskatalog Lenksäule/Prinzipskizze

4. In dem von Ihnen erstellten Konstruktionskatalog sind weiße Felder enthalten, für die bisher keine Lösung vorliegt.

Entwicklung Sie auf Grundlage eines dieser Felder eine weitere Lösung für eine Welle-Nabe Verbindung und Skizzieren Sie die Lösung in Anlehnung an die Skizzen in Tabelle 1. Achten Sie in der Skizze darauf, dass die Gliederungsmerkmale zu erkennen sind.

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Übungsaufgabe: Punktbewertung Lenksäule

5. Führen Sie eine einfache Punktbewertung zur Beurteilung von zwei möglichen Lösungen für die Welle-Nabe- Verbindungen durch. Definieren Sie drei sinnvolle Kriterien zur Bewertung und wählen Sie zwei Lösungen zur Bewertung aus. Beurteilen Sie diese beiden Lösungsvarianten anhand der Kriterien. Verwenden Sie eine sinnvolle Bewertungsskala und geben Sie jeweils eine Begründung der Bewertung an.

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Übungsaufgabe: Punktbewertung Lenksäule

Kriterien Lösungsvariante: Lösungsvariante:

Bewertung: Bewertung:

Begründung: Begründung:

Summe

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Inhalt Übung 15.01.2021

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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. Aufgabenvorstellung Übung Lenksäule 15.01. -

6. - 22.01. -

7. Lösungsvorstellung Übung Lenksäule 29.01. -

8. Klausurvorbereitung 05.02. -

9. Puffer 12.02. -