Gestaltungslehre

©2013 Prof. Dr.-Ing. Matthias Meyer, HTW Berlin S. 1
Skript von Prof. Dr.-Ing. Matthias Meyer, HTW Berlin
Gestaltungslehre
Kompetenzziele
Modul „Konstruktion III“:
Die Studierenden können Maschinenbaukonstruktionen konzipieren, entwerfen,
konstruieren und eine geschlossenen Konstruktionsdokumentation ausarbeiten.
Seminarabschnitt „Gestaltungslehre“:
Wissen:
- Bedeutung, Anwendungszweck
- wesentliche Gestaltungsregeln, -prinzipe und -richtlinien
Verständnis:
- Einsatzbereich und Grenzen von Gestaltungsregeln, -prinzipen
und -richtlinien
- Auswirkung auf andere Unternehmensprozesse
Befähigung:
- Konstruktionen unter Berücksichtigung von Gestaltungslehre umsetzen (in
Verbindung mit der Projekt-Übung)

Gestaltungslehre
©2013 Prof. Dr.-Ing. Matthias Meyer, HTW Berlin S. 2
Inhalt
1 Einführung und Begriffe ......................................................................................... 4
2 Gestaltungs-(grund-)regeln .................................................................................... 4
3 Gestaltungsprinzipe / Bauweisen ........................................................................... 5
3.1 Prinzipe der Kraftleitung ................................................................................ 6
3.1.1 Prinzip der gleichen Gestaltfestigkeit / Kraftflussgerechtes Gestalten .. 7
3.1.2 Prinzip der direkten und kurzen Kraftleitung ......................................... 7
3.1.3 Prinzip der abgestimmten Verformungen ............................................ 10
3.1.4 Prinzip des Kraftausgleichs ................................................................... 11
3.2 Prinzipe der Aufgabenteilung ....................................................................... 12
3.2.1 Prinzip der Zuordnung der Teilfunktionen ........................................... 12
3.2.2 Prinzip der Aufgabenteilung bei unterschiedlicher Funktion ............... 13
3.2.3 Prinzip der Aufgabenteilung bei gleicher Funktion .............................. 13
3.3 Prinzipe der Selbsthilfe ................................................................................. 14
3.3.1 Prinzip der Selbstverstärkung ............................................................... 14
3.3.2 Prinzip des Selbstausgleichs ................................................................. 15
3.3.3 Prinzip des Selbstschutzes .................................................................... 15
3.4 Stabilitäts-basierte Prinzipe.......................................................................... 16
3.4.1 Prinzip der Stabilität ............................................................................. 16
3.4.2 Prinzip der Bistabilität .......................................................................... 16
4 Gestaltungsrichtlinien .......................................................................................... 17
4.1 Beanspruchungsgerechtes Konstruieren ..................................................... 17
4.2 Fertigungsgerechtes Gestalten (Design for Manufacturing, DfM) ............... 24
4.2.1 Urformen .............................................................................................. 24
4.2.2 Gießen .................................................................................................. 24
4.2.3 Sintern .................................................................................................. 27
4.2.4 Umformen ............................................................................................ 27
4.2.5 Spanende Bearbeitung ......................................................................... 30
4.3 Montagegerechtes Gestalten (Design for Assembly, DfA) ........................... 37
4.3.1 Montagegerechte Baustruktur (von Produkten) .................................. 38
4.3.2 Fügegerechtes Gestalten (von Verbindungsstellen) ............................ 40
4.3.3 Handhabegerechtes Gestalten (primär von Einzelteilen) .................... 42
4.3.4 Automatisierungs-/Robotergerechtes Gestalten ................................. 44
4.3.5 Toleranzgerechtes Gestalten ................................................................ 45
4.3.6 Prüfgerechtes Gestalten ....................................................................... 48
4.4 Ergonomiegerechtes Gestalten .................................................................... 49
4.4.1 Überblick .............................................................................................. 50

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4.4.2 Teilaspekte ........................................................................................... 51
5 Literaturverzeichnis .............................................................................................. 56
Soweit nicht anders angegeben, sind Bilder und Tabellen [PAH09] entnommen

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1 Einführung und Begriffe
Gestaltung (engl.: design)
Der Prozess, einem technischen Produkt Gestalt zu geben, indem konstruktive
Festlegungen getroffen und konkretisiert werden.
Im Themenschwerpunkt Konstruktionsmethodik wurde eingeführt, dass eine
methodische Vorgehensweise von der Anforderungsanalyse bis hin zur fertigen
Konstruktionsakte die Güte eines Produkts wesentlich und günstig beeinflusst.
Aufbauend darauf wird in der Gestaltungslehre eine Systematik für die Konzept- und
Entwurfsgestaltung vorgestellt. Diese besteht aus:
- allgemeingültigen Gestaltungsregeln,
- eingeschränkt gültigen Gestaltungsprinzipien sowie
- unterstützenden, hilfreichen Gestaltungsrichtlinien.
2 Gestaltungs-(grund-)regeln
Gestaltungsregel
zwingende, stets gültige Anweisung zur Gestaltung. Ihre Nichtbeachtung führt zu
mehr oder weniger großen Nachteilen, Fehlern, Schäden oder gar Unglücken.
Die Grundregeln basieren auf den generellen Zielsetzungen:
- Technische Funktion erfüllen
- wirtschaftlich realisieren
- Sicherheit für Mensch und Umwelt gewährleisten.
und fordern, dass ein Produkt in allen Hauptmerkmalen drei zentralen Kriterien
entsprechen soll (s. Tabelle 1):
- eindeutig,
- einfach (nicht zusammengesetzt, übersichtlich, mit geringem Aufwand) und
- sicher (für technische Funktion, Mensch und Umgebung). Sicherheit wird
unterschieden in unmittelbare Sicherheit (ist sicher), mittelbare Sicherheit
(ist durch Zusatzeinrichtungen abgesichert), zusätzliche hinweisende
Sicherheit (zusätzliche Sicherheitshinweise).
Tabelle 1: Gestaltungsregeln.

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Für das Hauptmerkmal „Funktion“ bedeutet das beispielsweise, dass jede
Teilfunktion eindeutig und möglichst unmittelbar mit Ein- und Ausgangsgrößen
verknüpft sein soll und sicher funktioniert.
3 Gestaltungsprinzipe / Bauweisen
Gestaltungsprinzip / Bauweise
Übergeordnetes Prinzip für die zweckmäßige Gestaltung einer Konstruktion. Das
Prinzip ist unter bestimmten Voraussetzungen zweckmäßig (somit eingeschränkt
gültig, in Abhängigkeit von der Aufgabenstellung). Meist sind einzelne oder wenige
Prinzipe wichtig und maßgebend für eine gute Lösung, während andere nur
unterstützend, wünschenswert, nachrangig oder sogar durch Zielkonflikte
ausgeschlossen sind.
Typische Bauweisen folgen abhängig von dem Konstruktionsziel z.B. dem Leitprinzip
- der minimalen Herstellkosten,
- des minimalen Raumbedarfs,
- des minimalen Gewichts,
- der minimalen Verluste,
- der günstigsten Handhabung,
- des Leichtbaus oder
- der minimalen Wanddicke.
Aus der Erfahrung heraus haben sich bestimmte Bauweisen herausgebildet, die
besonders zweckmäßig charakteristischen Beanspruchungen genügen, z.B. steife
Bauweise für Präzisionsmaschinen (s. Tabelle 2).
Tabelle 2: Charakteristische Bauweisen in Abhängigkeit von der Beanspruchungshöhe (nach Borutzki)
Branche Gestaltungsprinzip Bemerkung
Maschinenbau Steife Bauweise
Prinzip der minimalen
Verformung
Hohe Genauigkeit der Werkzeugmaschine
erfordert große statische und dynamische
Steife
 kaum festigkeitsmäßige Auslastung der
Baugruppen
Flugzeugbau Elastische Bauweise
Prinzip elastischer
Verformung
Extremleichtbau mit voller Ausnutzung der
elastischen Verformung
Auch im Maschinenbau wird im
elastischen Bereich konstruiert; z.B.
federnde C-Gestelle, Federelemente
Stahlbau Durchplastizierende
Bauweise,
Prinzip der maximalen
Werkstoffausnutzung
z.B. Fließgelenk am Durchlaufträger
Neben diesen aus der Bemessungslehre (Berechnen und Dimensionieren der Bauteile
und ihrer Querschnitte) abgeleiteten Gestaltungsgrundsätzen gibt es auch weitere
Bauweisen auf Basis anderer Kriterien und Motivationen (Beispiele s. Tabelle 3,
Tabelle 4).