Haben Sie sich jemals gefragt, wie mechanische Strukturen Ideen in greifbare Designs verwandeln? Bei der Konstruktion mechanischer Strukturen werden abstrakte Prinzipien in detaillierte Schemata umgewandelt, um sicherzustellen, dass jedes Teil hinsichtlich Funktionalität, Festigkeit und Herstellbarkeit optimiert ist. Dieser Leitfaden befasst sich mit den wesentlichen Konstruktionsprinzipien, der Materialauswahl und den Beziehungen zwischen den Komponenten und bietet Einblicke zur Verbesserung Ihrer Konstruktionsprojekte. Entdecken Sie, wie strategisches Design Präzision, Langlebigkeit und Effizienz verbessern kann, um Ihre mechanischen Systeme zuverlässiger und effektiver zu machen.
Das Ziel des mechanischen Strukturentwurfs besteht darin, auf der Grundlage des Gesamtentwurfskonzepts das anfängliche Entwurfsprinzip zu einem detaillierten Schaltplan zu verdichten, der die erforderlichen Funktionen erfüllt.
Der Entwurfsprozess setzt abstrakte Arbeitsprinzipien in konkrete Komponenten oder Teile um, wobei Material, Form, Größe, Toleranz, Wärmebehandlungsverfahren und Oberflächenbehandlung der Bauteile festgelegt werden.
Darüber hinaus ist es von entscheidender Bedeutung, den Herstellungsprozess, die Festigkeit, die Steifigkeit, die Präzision und die Wechselbeziehungen mit anderen Komponenten zu berücksichtigen. Obwohl das unmittelbare Ergebnis der Tragwerksplanung technische Zeichnungen sind, ist die Aufgabe nicht so einfach wie beim mechanischen Zeichnen.
Pläne drücken lediglich den Entwurf in der Sprache der Ingenieure aus; die Anwendung verschiedener Techniken bei der Konstruktion von Mechanismen zur Umsetzung des Entwurfskonzepts ist der grundlegende Inhalt der Tragwerksplanung.
Die Funktion einer mechanischen Struktur wird in erster Linie durch die geometrische Form ihrer Komponenten und die relative Lagebeziehung zwischen ihnen erreicht. Die geometrische Form eines Bauteils wird durch seine Oberflächen bestimmt.
Ein Bauteil besteht in der Regel aus mehreren Oberflächen, von denen einige direkt mit den Oberflächen anderer Bauteile in Kontakt stehen. Diese Berührungsflächen werden als Funktionsflächen bezeichnet. Die Bereiche, die diese Funktionsflächen verbinden, werden als Anschlussflächen bezeichnet.
Die Funktionsflächen eines Bauteils sind entscheidend für seine mechanische Funktion. Die Gestaltung dieser Funktionsflächen ist der Kern der Bauteilkonstruktion.
Zu den primären geometrischen Parametern, die zur Beschreibung von Funktionsflächen herangezogen werden, gehören ihre geometrische Form, Größe, Anzahl der Flächen, Position, Reihenfolge usw. Durch unterschiedliche Gestaltung der Funktionsflächen können verschiedene konstruktive Lösungen zur Realisierung derselben technischen Funktion erreicht werden.
In einer Maschine oder einem mechanischen System gibt es keine Komponente, die isoliert existiert.
Daher müssen bei der Planung von Bauwerken nicht nur die Funktion und die damit verbundenen Merkmale der einzelnen Bauteile untersucht werden, sondern auch die Beziehungen zwischen den Bauteilen.
Die Beziehungen zwischen den Komponenten lassen sich in zwei Kategorien einteilen: direkte und indirekte Beziehungen.
Zwei Teile mit einer direkten Montagebeziehung gelten als direkt miteinander verbunden, während solche ohne direkte Beziehung als indirekt verbunden gelten. Indirekte Beziehungen können weiter in positions- und bewegungsbezogene Klassen unterteilt werden.
Positionsbeziehungen beziehen sich auf die Anforderung, dass zwei Komponenten bestimmte räumliche Anordnungen einhalten müssen.
Bei einem Untersetzungsgetriebe zum Beispiel ist der Achsabstand zwischen zwei benachbarten Getriebewellen muss eine bestimmte Genauigkeit eingehalten werden, und die beiden Wellenachsen müssen parallel sein, um ein normales Ineinandergreifen der Zahnräder zu gewährleisten.
Bewegungsbeziehungen beziehen sich darauf, dass die Bewegungsbahn einer Komponente mit einer anderen verbunden ist. Beispielsweise muss die Bewegungsbahn eines Drehbank-Werkzeugträgers parallel zur Mittellinie der Spindel verlaufen, was durch die Parallelität zwischen der Bettschiene und der Spindelachse gewährleistet ist.
Spindel und Schiene sind also lagebezogen, während Werkzeugträger und Spindel bewegungsbezogen sind.
Die meisten Bauteile haben zwei oder mehr direkt miteinander verbundene Komponenten. Daher hat jedes Teil in der Regel zwei oder mehr Stellen, die strukturell mit anderen Komponenten verbunden sind.
Bei der Konstruktion müssen die Strukturen der direkt miteinander verbundenen Teile gleichzeitig berücksichtigt werden, um Wärmebehandlungsverfahren, Formen, Größen, Präzision und Oberflächen der Werkstoffe sinnvoll auszuwählen.
Darüber hinaus müssen auch die Anforderungen für indirekte Beziehungen, wie z. B. Maßketten und Präzisionsberechnungen, berücksichtigt werden.
Generell gilt: Je mehr direkt miteinander verbundene Teile ein Bauteil hat, desto komplexer wird seine Struktur. Umgekehrt gilt: Je höher die Zahl der indirekt verbundenen Teile, desto höher die erforderliche Präzision.
Bei der Konstruktion von Teilen können verschiedene Werkstoffe gewählt werden, die jeweils einzigartige Eigenschaften aufweisen. Unterschiedliche Materialien entsprechen unterschiedlichen Herstellungsverfahren.
Der Entwurfsprozess erfordert nicht nur die Auswahl geeigneter Materialien auf der Grundlage der funktionalen Anforderungen, sondern auch die Bestimmung des geeigneten Herstellungsverfahrens auf der Grundlage der Materialart.
Außerdem muss die Struktur entsprechend den Anforderungen des Herstellungsverfahrens festgelegt werden.
Nur durch die richtige Konstruktion kann das gewählte Material optimal genutzt werden.
Damit Konstrukteure die richtigen Werkstoffe für Teile auswählen können, müssen sie die mechanischen Eigenschaften, die Bearbeitbarkeit und die Kosteneffizienz der jeweiligen Werkstoffe genau kennen.
Bei der Tragwerksplanung sollten je nach den Eigenschaften der gewählten Werkstoffe und der entsprechenden Herstellungsverfahren unterschiedliche Planungsgrundsätze beachtet werden.
Mechanische Produkte werden in verschiedenen Branchen eingesetzt, wobei die Besonderheiten und Anforderungen an die Konstruktion sehr unterschiedlich sind.
Die grundlegenden Anforderungen an die Konstruktion von Strukturen sind jedoch universell. Im Folgenden werden die Anforderungen an die Konstruktion mechanischer Strukturen auf drei verschiedenen Ebenen beschrieben.
Die technischen Aspekte werden so umgesetzt, dass sie den primären mechanischen Anforderungen entsprechen.
Elemente wie die Umsetzung von Arbeitsprinzipien, Betriebssicherheit, Prozesse, Materialien und Montage werden angesprochen.
Der Ausgleich verschiedener Anforderungen und Zwänge zur Verbesserung der Produktqualität und Kosteneffizienz ist ein Beispiel für modernes Ingenieurdesign.
Zu den spezifischen Bereichen gehören Bedienbarkeit, Ästhetik, Sicherheit, Kosten und Umweltschutz. Bei zeitgenössischen Entwürfen ist die Qualität des Designs von großer Bedeutung und entscheidet oft über die Wettbewerbsfähigkeit.
Der Designansatz, der sich ausschließlich auf die Erfüllung der primären technischen Funktionen konzentriert, ist überholt.
Der Kern des modernen mechanischen Designs besteht darin, verschiedene Anforderungen zu harmonisieren, ein Gleichgewicht zu finden und angemessene Kompromisse zu schließen, unter der Prämisse, die Hauptfunktionen zur Verbesserung der Produktqualität zu erfüllen.
Strukturelle Designvariablen werden systematisch verwendet, um einen optimierten Designraum zu konstruieren. Kreative Design-Thinking-Methoden und andere wissenschaftliche Methoden werden zur Auswahl und Innovation eingesetzt.
Das Endergebnis der mechanischen Konstruktion besteht darin, eine bestimmte strukturelle Form in Zeichnungen auszudrücken. Das Endprodukt wird nach diesen Entwürfen durch Bearbeitungs- und Montageverfahren hergestellt.
Daher sollte die Konstruktion mechanischer Strukturen als Produkt verschiedene Anforderungen erfüllen, darunter Funktionalität, Zuverlässigkeit, Verarbeitbarkeit, Wirtschaftlichkeit und ästhetische Form.
Darüber hinaus soll sie die Belastbarkeit der Teile verbessern und ihre Festigkeit, Steifigkeit, Präzision und Lebensdauer erhöhen.
Der Entwurf mechanischer Strukturen ist also eine umfassende technische Aufgabe. Unvernünftige oder fehlerhafte Konstruktionen können zu unerwarteten Bauteilausfällen führen, verhindern, dass Maschinen die geforderte Präzision erreichen, und verursachen erhebliche Unannehmlichkeiten bei der Montage und Wartung.
Die folgenden Konstruktionsprinzipien sollten bei der Konstruktion von mechanischen Strukturen berücksichtigt werden.
Der Hauptzweck des Produktdesigns besteht darin, vorgegebene funktionale Anforderungen zu erfüllen.
Daher ist das Gestaltungsprinzip, die erwartete Funktionalität zu erreichen, die erste Überlegung bei der strukturellen Gestaltung. Um diese funktionalen Anforderungen zu erfüllen, müssen die folgenden Punkte beachtet werden:
(1) Explizite Funktionsweise:
Bei der Konstruktion sollten die Parameter, Abmessungen und die Form der Struktur auf der Grundlage ihrer Funktion innerhalb der Maschine und ihrer Verbindung mit anderen Komponenten festgelegt werden.
Zu den Hauptfunktionen von Bauteilen gehören die Aufnahme von Lasten, die Übertragung von Bewegung und Kraft sowie die Sicherstellung oder Aufrechterhaltung der relativen Position oder des Bewegungsablaufs zwischen zusammengehörigen Teilen oder Komponenten. Die entworfene Struktur sollte die funktionalen Anforderungen erfüllen, die aus der Perspektive der gesamten Maschine betrachtet werden.
(2) Funktionale Zuweisung:
Bei der Produktentwicklung ist es oft notwendig, Aufgaben sinnvoll zu delegieren, d.h. eine Funktion in mehrere Teilfunktionen zu zerlegen.
Jede Teilfunktion muss durch eine definierte Struktur gestützt werden, und es sollte eine sinnvolle und koordinierte Verbindung zwischen verschiedenen Strukturteilen bestehen, um die Gesamtfunktion zu erreichen.
Mehrere Bauteile, die sich eine Funktion teilen, können die einzelnen Teile entlasten und so ihre Lebensdauer verlängern.
Die Struktur eines Keilriemenquerschnitts ist ein Beispiel für die Aufgabenverteilung.
Ein Faserkord hält der Spannung stand; eine Gummifüllschicht absorbiert die Dehnung und Kompression beim Biegen des Riemens; eine Gewebeschicht erzeugt im Zusammenspiel mit der Rille der Riemenscheibe die für die Übertragung erforderliche Reibung.
Ein weiteres Beispiel ist der Fall, dass die durch das Vorspannen der Schrauben erzeugte Reibung allein ausreicht, um den seitlichen Belastungen standzuhalten, was zu überdimensionierten Schrauben führen kann. Dieses Problem kann durch Hinzufügen schubfester Komponenten wie Stifte, Hülsen und Passfedern gelöst werden, um die seitliche Belastung zu verteilen.
(3) Funktionskonzentration: Um die Struktur mechanischer Produkte zu vereinfachen, die Herstellungskosten zu senken und die Installation zu erleichtern, können einem einzigen Teil oder einer einzigen Komponente unter bestimmten Umständen mehrere Funktionen zugewiesen werden.
Obwohl die funktionelle Konzentration die Form der Teile komplexer machen kann, sollte sie maßvoll sein, um zu vermeiden, dass die Bearbeitung schwieriger wird und die Herstellungskosten unbeabsichtigt steigen. Das Design sollte auf der Grundlage der spezifischen Situation festgelegt werden.
(1) Kriterium der gleichen Stärke:
Änderungen der Querschnittsabmessungen von Teilen sollten an Änderungen der Eigenspannungso dass die Stärke der einzelnen Abschnitte gleich ist.
Die nach dem Prinzip der gleichen Festigkeit konstruierte Struktur ermöglicht eine optimale Ausnutzung der Materialien, wodurch Gewicht und Kosten gesenkt werden. Konstruktion von freitragenden Trägern, abgestuften Wellen usw.
(2) Angemessene Kraftflussstruktur:
Um den Zustand der Kraftübertragung in mechanischen Bauteilen anschaulich zu machen, wird die Kraft als fließend wie Wasser im Bauteil betrachtet, und diese Kraftlinien laufen zum Kraftfluss zusammen.
Der Verlauf dieser Kraft spielt eine wichtige Rolle bei Überlegungen zur Konstruktion. Der Kraftfluss im Bauteil wird nicht unterbrochen, und keine Kraftlinie wird plötzlich verschwinden. Sie muss von einem Ort zum anderen übertragen werden.
Ein weiteres Merkmal des Kraftflusses ist die Tendenz, sich entlang des kürzesten Weges auszubreiten, was zu einem dichten Kraftfluss in der Nähe des kürzesten Weges führt und eine Zone hoher Spannung bildet.
Der Kraftfluss in anderen Teilen ist spärlich, und es gibt sogar keinen Kraftfluss, der durchläuft. Unter dem Gesichtspunkt der Beanspruchung wird das Material nicht voll ausgenutzt.
Um die Steifigkeit des Bauteils zu verbessern, wird daher die Form des Bauteils nach dem kürzesten Kraftflussweg so weit wie möglich ausgelegt, wodurch die tragende Fläche reduziert und somit die kumulierte Verformung verringert wird, die Steifigkeit des gesamten Bauteils erhöht und das Material voll ausgenutzt wird.
(3) Minimierung der Spannungskonzentration in Strukturen:
Wenn sich die Richtung des Kraftflusses abrupt ändert, wird die Kraft in der Kurve zu stark konzentriert, was zu einer Spannungskonzentration führt.
Bei der Konstruktion sollten Maßnahmen ergriffen werden, die eine allmähliche Änderung der Kraftrichtung gewährleisten. Die Spannungskonzentration ist ein wesentlicher Faktor, der die Ermüdungsfestigkeit der Komponenten.
Bei der Tragwerksplanung sollten Anstrengungen unternommen werden, um Spannungskonzentrationen zu vermeiden oder zu minimieren, z. B. durch Vergrößerung der Übergangsradien oder durch den Einsatz von Entlastungsstrukturen usw.
(4) Schaffung von Strukturen mit ausgeglichener Belastung:
Während Betrieb der MaschineIn der Praxis werden oft unnötige Kräfte wie Trägheitskräfte und Axialkräfte der Schrägverzahnung erzeugt.
Diese Kräfte erhöhen nicht nur die Belastung von Teilen wie Wellen und Lagern und verringern deren Präzision und Lebensdauer, sondern verringern auch die Übertragungseffizienz der Maschine. Lastausgleich bezieht sich auf strukturelle Maßnahmen, die diese unnötigen Kräfte teilweise oder ganz ausgleichen, um ihre negativen Auswirkungen zu mildern oder zu beseitigen.
Bei diesen baulichen Maßnahmen geht es vor allem um die Verwendung von ausgleichenden Komponenten und die symmetrische Anordnung.
Um sicherzustellen, dass die Bauteile während ihrer gesamten Lebensdauer normal funktionieren, ist es unerlässlich, ihnen eine ausreichende Steifigkeit zu verleihen.
Der Hauptzweck der Konstruktion von mechanischen Bauteilen besteht darin, die Funktionalität zu gewährleisten, damit das Produkt die geforderte Leistung erbringen kann. Die Rationalität der Konstruktion wirkt sich jedoch direkt auf die Produktionskosten und die Qualität der Bauteile aus.
Daher ist es bei der Konstruktion von Bauteilen von entscheidender Bedeutung, dass eine gute Herstellbarkeit der Bauteilmechanismen angestrebt wird. Gute Herstellbarkeit bedeutet, dass die Struktur des Bauteils leicht herzustellen ist.
Jedes Herstellungsverfahren hat seine Grenzen, die zu hohen Produktionskosten oder Qualitätseinbußen führen können.
Daher ist es für Designer wichtig, die Eigenschaften der verschiedenen Herstellungsverfahren zu kennen, um ihre Stärken zu maximieren und ihre Schwächen beim Entwurf zu minimieren.
In der tatsächlichen Produktion wird die Herstellbarkeit von Bauteilstrukturen durch zahlreiche Faktoren eingeschränkt. So kann beispielsweise die Größe der Produktionscharge das Verfahren zur Herstellung der Werkstückrohlinge beeinflussen; die Bedingungen der Produktionsanlagen können die Größe der Werkstücke begrenzen.
Außerdem könnten Faktoren wie Formgebung, Präzision, Wärmebehandlung, Kosten usw. die Herstellbarkeit der Bauteilstruktur einschränken.
Daher sollten diese Faktoren bei der Konstruktion gründlich berücksichtigt werden, da sie sich auf die Herstellbarkeit auswirken.
Die Montage ist ein entscheidender Schritt im Produktherstellungsprozess, und die Struktur der Bauteile hat direkten Einfluss auf die Qualität und die Kosten der Montage. Die Konstruktionsrichtlinien für die Montage werden im Folgenden kurz beschrieben:
(1) Rationelle Aufteilung der Montageeinheiten:
Die gesamte Maschine sollte in mehrere unabhängig voneinander montierte Einheiten (Teile oder Komponenten) zerlegt werden, um parallele und spezialisierte Montagevorgänge zu erreichen, die Montagezyklen zu verkürzen und schrittweise technische Inspektionen und Reparaturen zu erleichtern.
(2) Achten Sie auf den korrekten Einbau der Komponenten:
Dazu gehören die genaue Positionierung der Teile, die Vermeidung von Doppelbelegungen und die Vermeidung von Montagefehlern.
(3) Erleichterung der Montage und Demontage von Bauteilen:
Die Konstruktion sollte ausreichend Platz für die Montage bieten, z. B. für Schraubenschlüssel; übermäßig lange Steckverbindungen sollten vermieden werden, um die Montage nicht zu erschweren und mögliche Schäden an den Steckverbindungen zu vermeiden, wie dies bei einigen abgesetzten Wellen der Fall ist; zur Erleichterung der Demontage von Teilen sollten Positionen für die Anbringung von Demontagewerkzeugen vorgesehen werden, wie z. B. im Falle des Lagerausbaus.
(1) Die Konfiguration eines Produkts sollte auf der Grundlage von Faktoren wie Ausfallrate, Reparaturkomplexität, Größe, Gewicht und Einbaueigenschaften festgelegt werden.
Alle Teile, die gewartet werden müssen, sollten leicht zugänglich sein. Bauteile mit hoher Ausfallrate und Notschalter, die häufig gewartet werden müssen, sollten optimal zugänglich sein.
(2) Produkte, insbesondere Verbrauchsteile, häufig demontierte Komponenten und Zusatzausrüstungen, sollten leicht zu montieren und zu demontieren sein.
Der Weg, auf dem sich die Teile bei der Demontage und Montage bewegen, sollte idealerweise eine gerade Linie oder eine leichte Kurve sein.
(3) Die Wartungspunkte des Produkts, wie z. B. Inspektions- und Prüfpunkte, sollten sich an leicht zugänglichen Stellen befinden.
(4) Für Produkte, die gewartet und demontiert werden müssen, sollte um sie herum ein angemessener Arbeitsbereich vorhanden sein.
(5) Während der Instandhaltung sollte das Bedienpersonal im Allgemeinen die Möglichkeit haben, die internen Vorgänge zu beobachten. Der Durchgang sollte nicht nur die Hand oder den Arm des Wartungspersonals aufnehmen können, sondern auch einen angemessenen Spalt zur Beobachtung lassen.
Das Design eines Produkts sollte nicht nur seine funktionalen Anforderungen erfüllen, sondern auch seinen ästhetischen Wert berücksichtigen, um es für die Nutzer attraktiv zu machen. Einfach ausgedrückt, ein Produkt sollte sowohl nützlich als auch attraktiv sein. Psychologisch gesehen beruhen 60% der menschlichen Entscheidungen auf dem ersten Eindruck.
Da es sich bei technischen Produkten um Gebrauchsgegenstände auf einem Käufermarkt handelt, ist die Gestaltung eines ansprechenden Äußeren eine entscheidende Designanforderung. Außerdem können ästhetisch ansprechende Produkte den Bedienern helfen, ermüdungsbedingte Fehler zu vermeiden.
Die Designästhetik umfasst drei Aspekte: Form, Farbe und Oberflächenbehandlung.
Bei der Formgebung sollte auf harmonische Größenverhältnisse, einfache und einheitliche Formen sowie auf die Aufwertung und Verschönerung durch Farben und Muster geachtet werden.
Einfarbig ist nur für kleine Teile geeignet. Große, insbesondere bewegliche Teile, wirken eintönig und flach, wenn nur eine Farbe verwendet wird. Ein kleiner Zusatz einer kontrastierenden Farbe kann das gesamte Farbschema beleben.
In mehrfarbigen Situationen sollte es eine dominante Grundfarbe geben, wobei die entsprechende Farbe als Kontrastfarbe bezeichnet wird.
Die Anzahl der verschiedenen Farben auf einem einzigen Produkt sollte jedoch nicht zu hoch sein, da zu viele Farben den Eindruck von Oberflächlichkeit erwecken können.
Behagliche Farben liegen im Allgemeinen im Bereich von Hellgelb und Gelbgrün bis Braun. Der Trend geht zu wärmeren Farben, wobei leuchtendes Gelb und Grün oft als unangenehm empfunden werden; starke Grautöne können bedrückend wirken.
Warme Farben wie Gelb, Orange-Gelb und Rot sollten für kalte Umgebungen verwendet werden, während kühle Farben wie Hellblau für heiße Umgebungen verwendet werden sollten.
Alle Farben sollten gedämpft sein. Darüber hinaus kann eine bestimmte Farbgestaltung das Produkt sicher und robust erscheinen lassen.
Bereiche mit minimalen Formänderungen und größeren Flächen sollten in hellen Farben gestaltet werden, während Komponenten mit beweglichen, aktiven Konturen in dunklen Farben gestaltet werden sollten. Dunkle Farben sollten im unteren Teil der Maschine platziert werden, helle Farben im oberen Teil.
Das Design sollte sowohl das Produkt als auch die Wartungsaufgaben vereinfachen:
(1) Während des Entwurfs sollte eine Kosten-Nutzen-Analyse der Produktfunktionalitäten durchgeführt werden.
Zusammenführen ähnlicher oder identischer Funktionen, Entfernen unnötiger Funktionen, um sowohl das Produkt als auch die Wartungsaufgaben zu vereinfachen.
(2) Der Entwurf sollte eine einfache Struktur anstreben und gleichzeitig die festgelegten funktionalen Anforderungen erfüllen.
Die Anzahl der hierarchischen Schichten und Komponenten sollte auf ein Minimum reduziert und die Form der Teile so weit wie möglich vereinfacht werden.
(3) Die Produkte sollten mit einfach zu bedienenden und dennoch zuverlässigen Einstellmechanismen ausgestattet sein, um häufige Probleme aufgrund von Verschleiß oder Drift zu beheben.
Teile, die teuer sind und zu lokalem Verschleiß neigen, sollten als verstellbare oder abnehmbare Baugruppen konzipiert werden, um einen teilweisen Austausch oder eine Reparatur zu erleichtern. Vermeiden oder minimieren Sie den Bedarf an wiederholten Anpassungen aufgrund miteinander verbundener Teile.
(4) Die Komponenten sollten logisch angeordnet sein, um die Anzahl der Anschlüsse und Befestigungen zu reduzieren, was die Inspektion, den Austausch von Teilen und andere Wartungsaufgaben einfacher und bequemer macht.
Die Konstruktion sollte so weit wie möglich die Reparatur eines beliebigen Bauteils ermöglichen, ohne dass andere Teile demontiert, bewegt oder nur minimal demontiert oder bewegt werden müssen. Dieser Ansatz senkt das Qualifikationsniveau und die Arbeitsbelastung des Wartungspersonals.