Konstruktionspraxis im Maschinenbau: Vom Einzelteil zum Maschinendesign

331 Pages·34.16 MB·German

by  Hoenow G., Meißner T.

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Gerhard Hoenow · Thomas Meißner
Gerhard Hoenow
Konstruktionspraxis
Thomas Meißner
im Maschinenbau
Konstruktionspraxis
Das Buch richtet sich an Studierende und Konstrukteure des Maschinenbaus sowie aller angrenzenden u
Gebiete, die sich mit dem Entwerfen und Gestalten des maschinentechnischen Teils von Maschinen a
b
befassen, also der Bauelemente, die im klassischen Maschinenbau aus Eisenwerkstoffen und anderen
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im Maschinenbau
Metallen, heute aber auch aus Kunststoffen, Granit und Polymerbeton bestehen. Hauptanliegen des e
Buches ist es, den Gestaltungsprozess zu vertiefen und zu ergänzen, um ihn nicht praxis- und einsatz- n
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bedingten Zufällen zu überlassen. Es soll als Begleitbuch bei der Bearbeitung konstruktiv-gestalterischer h
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Aufgaben in der Praxis und im Studium wertvolle Hilfe leisten. Wesentliche Informationsquellen sind
s Vom Einzelteil zum Maschinendesign
neben dem Text vor allem viele Bilder (Fotos und Zeichnungen) und Tafeln mit Erläuterungen sowie a
kritische Hinweise, Aufgaben und Lösungen dazu. M

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Inhalt:
• Fertigungs- und kostengerechtes Gestalten i

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• Spezielle Anforderungen und Gestaltungsmittel
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• Füge- und montagegerechtes Gestalten
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• Zum Gestalten von Maschinen r
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• Zusammenfassende Bemerkungen und Ausblick
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Leserkreis: o
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Konstrukteure des Maschinenbaus aller Fachrichtungen und Studierende, die ihr Grundstudium erfolg- t
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reich abgeschlossen haben
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Die Verfasser verfügen über jahrelange Erfahrungen in der Werkzeugmaschinen- und Sonder maschinen- t
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konstruktion, speziell der Montageautomatisierung und bei der Ausbildung von Studierenden des n
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Maschinenbaus an einer Technischen Universität bzw. einer Fachhochschule vom Grundstudium bis zu
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Abschluss- und Projektarbeiten.
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ei 4., aktualisierte Auflage
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www.hanser-fachbuch.de
€29,99[D] | €30,90[A]
ISBN 978-3-446-44054-8
Hoenow/Meißner
Konstruktionspraxis
imMaschinenbau

Gerhard Hoenow
Thomas Meißner
Konstruktionspraxis
im Maschinenbau
Vom Einzelteil zum Maschinendesign
4., aktualisierte Auflage
Mit 482 Bildern
Fachbuchverlag Leipzig
im Carl Hanser Verlag
Autoren:
Prof. Dr. sc. techn. Gerhard Hoenow, Bannewitz
Prof. Dr.-Ing. Thomas Meißner, Fachhochschule Lausitz, Senftenberg
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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen National-
bibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de ab-
rufbar.
ISBN 978-3-446-44054-8
E-Book-ISBN 978-3-446-43994-8
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betrachtenwärenunddahervonjedermannbenutztwerdendürften.
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dungelektronischerSystemeverarbeitet,vervielfältigtoderverbreitetwerden.
FachbuchverlagLeipzigimCarlHanserVerlag
©2014CarlHanserVerlagMünchen
www.hanser-fachbuch.de
Projektleitung:UteEckardt
Satz:Prof.Dr.-Ing.ThomasMeißner,Senftenberg
Herstellung:KatrinWulst
DruckundBindung:FriedrichPustetKG,Regensburg
PrintedinGermany
»Der Weltuntergang steht bevor,
aber nicht so, wie Sie denken.
Dieser Krieg jagt nicht alles in die Luft,
sondern schaltet alles ab.«
Im obersten Stock der Cornell University’s Clark Hall stehen der
Physiker Homer Layton und seine drei jungen Assistenten vor
einem Durchbruch, der es ermöglicht, die Zeit etwas langsamer
Tom DeMarco
ablaufen zu lassen. Sie vermuten, dass der sogenannte Layton-
Als auf der Welt das Licht ausging
Effekt keinen praktischen Nutzen haben wird, rechnen aber damit,
dass die von ihnen geplante Abhandlung einem Paukenschlag in der
Welt der theoretischen Physik gleichkommen wirdc. aD. o5c6h0 dSaenitne n. Hardcover
bemerkt Loren Martine, jüngstes Mitglied von Homcae.r €s T 1e9a,m99, [D] / € 20,60 [A] / sFr 28,90
etwas Seltsames: Wird die Zeit verlangsamt, reicht IdSiBeN in 9 B78re-n3-n4-46-43960-3
stoffen gespeicherte Energie nicht mehr für ein plöEtzrslicchheeisn tF eimue rN. ovember 2014
Dinge können noch immer brennen, wenn auch langsamer, aber
nichts kann mehr explodieren. Die Wissenschaftler stellen sich
eine Art Layton-Effekt-Taschenlampe vor, die das Abfeuern einer
Waffe verhindert. Ihnen wird klar, dass man auch diHe Eixpelorsi okn licken zur
einer Bombe oder gar einen ganzen Krieg verhindernL köenntse. eprobe
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Vorwort
Mit diesem Buch soll ein Beitrag zur Entwicklung des konstruktiv-gestalterischen Den-
kens des Maschinenbaukonstrukteurs geleistet werden. Dieses Denken bewegt sich nicht
auf wissenschaftlich fundierten Wegen, sondern in einem Grenzgebiet zwischen Wissen
und Kunst. Der gute Konstrukteur durchdenkt mehr oder weniger gleichzeitig mehrere
Lösungsansätze. Das geschieht zum Teil bewusst, aber auch unbewusst. Es werden an-
spruchsvolle Kenntnisse einbezogen, aber auch viele technisch triviale Tatsachen sind zu
berücksichtigen, an passender Stelle unterstützen Entwurfsberechnungen. In diese Gestal-
tungskunst muss man sich schrittweise hineinarbeiten, um sichere Wege zu beschreiten.
ZurvollständigenBeherrschungdringtmanerst–wennüberhaupterreichbar–nachlänge-
rer Berufspraxis vor. Es können keine Rezepte vermittelt werden, die eine schnelle Ent-
wicklungzumgutenMaschinenkonstrukteurgarantieren.Sicheristnur:
• Esgehtnichtschnell.
• EserfordertvielInteresse.
• EskanneinesehrbefriedigendeTätigkeitsein.
Esdarfabernichtunerwähntbleiben,dassbeiallerBefriedigung imBerufeineöffentliche
Anerkennung des Konstrukteursberufs selten ist und die Wahrscheinlichkeit, dass auf dem
Gebiet des Maschinenbaus heute der Name eines Konstrukteurs und Erfinders so bekannt
wird,wiedasfürdieNamenOttoundDieselderFallist,dürfte„beinullliegen“.
Mit demBuch „EntwerfenundGestalten imMaschinenbau“ – imgleichenVerlag erschie-
nen – haben die Verfasser bereits einen Teilbeitrag zur genannten Zielstellung geleistet.
Während sich dieses erste Buch vorrangig an Studierende des Maschinenbaus richtet und
imWesentlichenden BereichderEinzel-undKleinserienfertigungbehandelt,isthierdiese
Einschränkung aufgehoben. Das heißt aber nicht, dass die Einflüsse der im Serien- und
Großserienbereich einsetzbaren Fertigungsverfahren vollständig erfasstund vermittelt wer-
den können. Es können nur die Grundrichtungen und übergreifende Gestaltungsregeln und
-ansätze vermittelt werden, die je nach Arbeitsgebiet des Lesers durch Spezialliteratur zu
ergänzen sind; auch das Internet bietet viele aktuelle und praktische Informationen. Der
fachlicheAustauschistebenfallswichtig,sowarfürdiesesBuchdieMitarbeitvonIngeni-
euren – u.a. Ina Meißner, Bernd Platz, Harry Thonig, Rainer Bieck, Studierenden der TU
DresdenundderFHLausitzunddieBereitstellungvonBilderndurchverschiedeneFirmen
sehrwertvoll;fürdenausführlichenDankanalleBeteiligtenreichtdieseSeiteleidernicht.
Die vielen im Buch behandelten Beispiele sind keinesfalls immer aktuellen Aufgaben ent-
nommen, sondern sind über viele Berufsjahre der Verfasser zusammengetragen worden.
Der Leser soll mit älteren Beispielen nicht in die Maschinenbaugeschichte eingeführt wer-
den, sondern soll Sachverhalte erkennen, die er selbst auf seine heutigen und zukünftigen
Aufgaben übertragen muss. Eine Konstruktionslehre, die die Lösungen für die Aufgaben
vonmorgenbeschreibt,gibtesnicht.
Der Leser sollte dieses Buch als Begleitbuch bei der Bearbeitung konstruktiv-gestalteri-
scher Aufgaben in der Konstruktionspraxis und im Fachstudium betrachten, wo es ähnlich
denBücherndestechnischenZeichnensundderMaschinenelementezurHandseinsollte.
GerhardHoenowundThomasMeißner
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung................................................................................................................9
1.1 Ausgangspunkt.....................................................................................................9
1.2 AnalysealsVoraussetzungfürdasGestaltenvonMaschinen...........................11
1.3 VariantenbildungundVarianteneinschränkung..................................................17
Zusammenfassung.......................................................................................................24
1.4 Erfindenoderkonstruieren?................................................................................24
Warnung.......................................................................................................................26
1.5 Lösungen–Einführung.......................................................................................26
2 Fertigungs-undkostengerechtesGestalten.............................................................31
2.1 DieVerantwortungdesKonstrukteurs................................................................31
ZuWerkstoffenundWanddicken...............................................................................35
2.2 WirkflächenundWirkflächenvariation...............................................................38
2.3 FertigungstechnischeGrundrichtungenundVorzugsformen..............................40
2.3.1 EineÜbersichtfürdenKonstrukteur.......................................................40
2.3.2 Funktionsintegration................................................................................43
2.3.3 Integralbauweise......................................................................................47
2.3.4 Armierungsbauweise................................................................................50
2.3.5 Differenzialbauweise...............................................................................53
2.4 Formteilgestaltung...............................................................................................54
2.4.1 Sandguss-Formteile..................................................................................55
2.4.2 FormteilgestaltungfürDauerformen........................................................62
2.4.3 ZudenBesonderheitenderKunststoff-Formteile....................................67
ZurGestaltungvonKunststoffspritzguss........................................................67
GestaltungsregelnundBeispiele....................................................................68
2.4.4 Faser-Kunststoff-Verbunde(FKV)..........................................................78
WelcheFKV-EigenschaftenfürdenMaschinenbau?....................................79
2.4.5 Gesenkschmiede-,Fließpress-undFeinschneid-Formteile......................82
Gesenkschmiedestücke....................................................................................82
Fließpressteile..................................................................................................84
Feinschneid-Formteile.....................................................................................86
2.4.6 FormteilfertigungdurchInnendruck........................................................88
2.5 DieFormenweltdesRundknetens.......................................................................93
2.6 Lösungen–Fertigungs-undkostengerechtesGestalten.....................................96
3 SpezielleAnforderungenundGestaltungsmittel.....................................................97
3.1 MinimalerBauraumfüreineBaugruppe.............................................................97
3.2 VomVollkörperzumMinimalkörper...............................................................104
MinimalkörperdurchBlechanwendung...................................................................104
MinimalkörperbeiGussstücken................................................................................107
MinimalerBaukörperaufderBasisDrahtbzw.Rundstahl.....................................109
Minimalkörper–Beispiele........................................................................................111
3.3 ZumProblemminimalerundoptimalerBauraumfüreineMaschine...............113
3.4 SegmentierungundLamellenbauweise.............................................................116
3.5 Das„Bauelement“Elastizität............................................................................119
Inhaltsverzeichnis 7
3.6 Das„Bauelement“Bruchfläche.........................................................................124
3.7 DiehohleWelle.................................................................................................125
3.8 WellendichtungenfürhoheDrehzahlen............................................................129
3.9 DichtohneDichtung.........................................................................................132
3.10 Kräfte,KraftwirkungenundderenzweckmäßigeBeherrschung.......................135
FunktionsbehinderndeReibung.................................................................................141
Brechstangen-undKniehebeleffekt..........................................................................146
3.11 Lösungen–SpezielleAnforderungenundGestaltungsmittel..........................149
4 Füge-undmontagegerechtesGestalten.................................................................152
4.1 ZurAuswahlderFügeverfahren........................................................................152
FügeoperationenbeiderTeilefertigung....................................................................155
Füge-undkostengerechtesGestalten........................................................................156
4.2 Schraubenverbindungen,geschraubteVerbindungenundandere
Gewindeanwendungen......................................................................................157
4.2.1 GewindeamMaschinenteil....................................................................157
Gewindezentriertnicht!...............................................................................160
4.2.2 ZumSichernvonSchraubenundanderengeschraubtenBauelementen163
WelcheSchraubensicherungbevorzugen?...................................................163
ZumSichernvonNutmutternundGewinderingen..................................164
4.2.3 DerRundstahl-SchraubbügelunddasSpannband..................................166
4.2.4 UnverlierbareSchraubenfürReparaturenvorOrt.................................168
4.3 Laserschweißverbindungen...............................................................................170
4.4 MontagegerechtesGestalten..............................................................................177
4.4.1 WenigeBauelemente–dieentscheidendeGröße..................................177
4.4.2 FügenbeimUrformen............................................................................179
4.4.3 IntegrierteVerbindungselemente...........................................................181
4.5 ZurGestaltungderzumontierendenBauelemente...........................................190
5 ZumGestaltenvonMaschinen...............................................................................191
5.1 AnlässefürneueMaschinenkonstruktionen......................................................191
5.2 KonstrukteuraufgabenundDesigneraufgaben..................................................194
5.3 ZurGliederungeinerMaschineinBaugruppen................................................202
GliederninBaugruppen............................................................................................202
DietransportgerechteMaschine................................................................................205
ZurMontagederBaugruppenambzw.imMaschinengestell.................................206
JustierenderMaschinenbaugruppen.........................................................................208
5.4 Großteilgestaltung–dieGestaltungvonTragwerken.......................................210
5.4.1 EinleitendeBemerkungen......................................................................210
5.4.2 TragwerkeinGussbauweise..................................................................213
5.4.3 GeschweißteTragwerke.........................................................................214
DieProfilbauweise........................................................................................215
DieWandbauweise........................................................................................216
DieMischbauweise.......................................................................................219
5.4.4 DieSchraubbauweise.............................................................................220
5.4.5 DieZugankerbauweise...........................................................................222
5.4.6 Granit–natürlichesGesteinalsBasismaterialfürPräzisionsmaschinen....223
5.4.7 Mineralguss–nichtnureinneuerWerkstoff!........................................227
8 Inhaltsverzeichnis
Eingießteile....................................................................................................229
Genauigkeitsflächen......................................................................................231
Eingießen,UntergießenundKleben.............................................................231
VerloreneKerne.............................................................................................232
GießformenundihrGestalteinfluss..............................................................232
FormentypenundihreEigenschaften............................................................234
EinhausungundOberflächen........................................................................235
Systemlösung/Rumpfmaschine.....................................................................235
AnwendungsbereicheundzusammenfassendesUrteil.................................235
5.4.8 TragwerkeausKunststoffenmitundohneFaserverstärkung................237
TragwerkeinFKV-Bauweise.......................................................................238
5.4.9 ZurAuswahleinerzweckmäßigenTragwerksbauweise........................239
5.5 DasMaschinendesignundseineTeilaufgaben..................................................240
5.5.1 DieHerangehensweise–wermachtdenerstenSchritt?........................240
5.5.2 Baukörpergestaltung–dieKernaufgabedesMaschinendesigns...........242
5.5.3 Rohrleitungen,Schläuche,Kabel(RSK)–dasvergesseneKapitel.......258
VersorgungbewegterBaugruppen................................................................260
SchläucheundKabelanmobilenGeräten....................................................262
GeschütztenVerlaufderRSKgewährleisten................................................263
5.5.4 Feingestaltung........................................................................................264
5.5.5 GestaltungderKontaktzoneMensch–Maschine..................................270
BerücksichtigungzeitweiseauszuübenderTätigkeiten................................271
GestaltungderBedienzone–dieeigentlicheKernaufgabe..........................274
GestaltungvonSteh-undSitzarbeitsplätzen.................................................275
BedienelementeundGreifraum.....................................................................276
BeschriftungodersymbolischeZeichen?.....................................................277
5.5.6 GrafikundFarbeanderMaschine.........................................................282
ZurProduktgrafik..........................................................................................283
Farbgestaltung................................................................................................284
5.5.7 DieVorteilederZusammenarbeitKonstrukteur–Designer..................286
5.6 Lösungen–ZumGestaltenvonMaschinen......................................................287
6 ZusammenfassendeBemerkungenundAusblick .................................................288
Zumkonstruktiv-gestalterischenDenken...........................................................................288
ZumWertderGestaltungsregelnundderNotwendigkeiteinergründlichenErprobung.288
ZurEinführungneuerBauweisen......................................................................................289
Literatur-undBildquellen ..............................................................................................290
Sachwortverzeichnis ........................................................................................................295
Farbbildteil .......................................................................................................................305