Aufgabenstellung WS19-20 PDF

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Summary

Aufgabenstellung der KÜ 1 2019/2020...

Description

Konstruktionsübung I WS 2019/2020 Nachname, Vorname: Matrikelnummer: Betreuer: Gruppennummer:

Vorgang

Termin

Zeit

Ort

Fr., 18.10.2019

14:30 – 16:00 Uhr

Hörsaal H11

Einführung, Ausgabe und Besprechung der Aufgabe

für WING, IP, BP

1. Testat: Entwurf

für WING, IP, BP

Do., 14.11.2019

– siehe Terminliste auf StudOn –

für MB

Fr., 15.11.2019

(demnächst)

Abgabe Zeichnungsdokumentation

für WING, IP, BP

Do., 12.12.2019

für MB

Fr., 13.12.2019

für WING, IP, BP

Do., 19.12.2019

– siehe Terminliste auf StudOn –

für MB

Fr., 20.12.2019

(demnächst)

für WING, IP, BP

Do., 30.01.2020

für MB

Fr., 31.01.2020

für WING, IP, BP

Do., 06.02.2020

für MB

Fr., 07.02.2020

2. Testat: Zeichnungsdokumentation Abgabe Ausarbeitung

3. Testat: Freigabe Ausarbeitung

Verfasser: Winkler; Stand: 12.10.2019

für MB

bis 12:00 Uhr

beim Gruppenbetreuer

bis 12:00 Uhr

beim Gruppenbetreuer

n. V.

beim Gruppenbetreuer

Seite 1 von 9

1 Aufgabenstellung Zu konstruieren ist ein elektromechanisches Hubmodul für ein fahrerloses Transportfahrzeug (FTF), das als Scherenhubtisch auszuführen ist. Das Hubmodul dient der stufenlosen, vertikalen Positionierung von Produktbaugruppen zum Beispiel Fahrzeuggetrieben, Verbrennungsmotoren etc. in einer teilautomatisierten Montagelinie. Die nachstehende Prinzipskizze soll lediglich zur Orientierung und zur Verdeutlichung der Randbedingungen dienen!

lmax

F lF

4

α

tmax

hmax

A

D

x

x

B

2 3

C

y z

Z

x

5

6

ls

1 Bild 1: Prinzipdarstellung des Hubmoduls

Das Hubmodul kann dabei in vier wesentliche Baugruppen unterteilt werden: Grundgestell (1), Scherenhubsystem (2), Antriebsstrang (3) und Montagetisch (4). Das Grundgestell (1), welches über Befestigungsschrauben (5) auf dem FTF (6) montiert ist, nimmt das Scherenhubsystem und den Antriebsstrang (Bild 2) auf. Das Scherenhubsystem ist mittels drehbaren Festlagern (B), (D) und drehbaren Loslagern (A), (C) sowohl am Grundgestell, als auch am Montagetisch (4) befestigt. Die Führung der Loslager kann dabei als Rollenoder Gleitführung erfolgen, wobei in jedem Fall auf eine kippfreie Lagerung des Tisches zu achten ist. Die Festlager sind als Bolzenverbindung auszuführen. Das Zentralgelenk (Z) des Scherenhubsystems wird ebenfalls mittels einer Bolzenverbindung realisiert. Die vertikale Hubbewegung in y-Richtung wird erreicht, indem das Loslager (C) durch den Antriebsstrang in Richtung des Festlagers (D) gezogen wird. Entsprechend der Scherenkinematik vollzieht die Tischplatte

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eine vertikale Hubbewegung. Die Scherenstellung kann durch den Winkel  beschrieben werden. Der Aufbau des Antriebsstrangs ist in Bild 2 dargestellt:

11

7

12

10

8

9

Bild 2: Prinzipdarstellung des Antriebsstrangs

Der Antriebsstrang (3), besteht aus einer Antriebsspindel mit Trapezgewinde (7), einer elastischen Klauenkupplung (8) und einem Getriebemotor (9). Zur Lagerung der Antriebsspindel wird eine Fest-Los-Lagerung (10), (11) eingesetzt. Die Schnittstelle zum Scherenhubsystem stellt eine drehbar gelagerte Mutter (12) dar, in der die Antriebsspindel des Antriebsstrangs läuft. Aus Kosten- und Beschaffungsgründen sind Grundgestell, Montagetisch und Scherenhubsystem des Hubmoduls soweit wie möglich als Stahl-Leichtbaukonstruktion beziehungsweise Blech-Schweiß-Leichtbaukonstruktion auszuführen. Auf eine beanspruchungsgerechte Konstruktion ist zu achten. Die Komponenten, wie zum Beispiel die Scherenhebel und das Grundgestell sind allgemein so zu gestalten, dass eine ausreichend hohe Festigkeit und Steifigkeit bei maximaler Belastung vorhanden ist. Beim Getriebemotor handelt es sich um ein Zukaufteil, das sachgerecht auszuführen und einzubauen ist. Alle weiteren Teile, bei denen es sich nicht um handelsübliche Maschinenelemente handelt, werden in Eigenfertigung hergestellt. Auf eine beanspruchungsgerechte Konstruktion ist zu achten. Werkstoffauswahl, Oberflächengüte und Ausführung aller bearbeiteten Flächen richten sich nach Funktion und Beanspruchung der jeweiligen Bauteile beziehungsweise Kontaktflächen und sind unter Berücksichtigung einer möglichst kostengünstigen Herstellung sinnvoll festzulegen. Der Scherenhubtisch ist grundsätzlich entsprechend der Anforderungsliste auszuführen.

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2 Aufgabenstellung 2.1

Organisation

Lesen Sie die Aufgabenstellung und alle dazugehörigen Anhänge (siehe StudOn) gewissenhaft. Notieren Sie sich offene Fragen zu Organisation, Aufgabenumfang (zum Beispiel Zeichnungserstellung) etc. und klären Sie diese in einer der ersten beiden Sprechstunden mit Ihrem Gruppenbetreuer (nicht Tutor!) ab. Hinweis:

Der Besuch einer der ersten beiden Betreuersprechstunden durch ein Gruppenmitglied ist verpflichtend für die weitere Teilnahme an der Konstruktionsübung I.

2.2

Entwurf – Grobkonstruktion und Handzeichnungen

Es sind verschiedene Grobentwürfe für das Hubmodul zu entwickeln und zu skizzieren. Recherchieren Sie hierfür verschiedene Teillösungen, beurteilen Sie diese und wählen Sie die am besten geeignete Lösung für Ihre Konstruktion aus! Dokumentieren Sie Ihre Entscheidung stichpunktartig. Je Entwurfszeichnung ist mindestens ein DIN A4 oder DIN A3 Blatt zu verwenden. Schraubenverbindungen dürfen vereinfacht dargestellt werden. 2.2.1

Skizzieren Sie drei verschiedene Entwürfe für Anordnung, Ausführung und Querschnitte der Scherenelemente.

2.2.2

Skizzieren Sie zwei Entwürfe für die Ausführung des Loslagers C.

2.2.3

Skizzieren Sie je einen Detailentwurf für das Festlager B und das Zentralgelenk Z.

2.2.4

Skizzieren Sie einen Gesamtentwurf für den Antriebsstrang, Dabei sind insbesondere die Antriebsspindel mit ihrer Lagerung, Kupplung, Mutter, Schnittstelle Mutter-Scherenhubsystem und die Anbindung des Antriebsstrangs an das Grundgestell darzustellen. Der Getriebemotor kann vereinfacht als „Black-Box“ dargestellt werden.

2.2.5

Skizzieren Sie einen Gesamtentwurf für das Hubmodul. Dabei sind insbesondere die Scherenhebel, Zentralgelenk, Schnittstelle Scherenhubsystem-Mutter und Lagerstellen (A, B, C, D) in ihrer vollständigen Funktionsweise darzustellen.

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2.3

Entwurf – Berechnungen verschiedener Elemente

Aufgabenspezifische Berechnungen 2.3.1 Ermittlung aller Lagerreaktionskräfte am Scherenhubsystem, sowie der resultierenden Kräfte an Antriebsspindel (Cres) und Zentralbolzen (Zres) in Abhängigkeit des Scherenwinkels  2.3.2

Darstellung des Kraftverlaufes in Abhängigkeit des Scherenwinkels  in den Gelenkpunkten A bis Z und Festlegung technisch sinnvoller Grenzwinkel (minimaler und maximaler Scherenwinkel). Ermitteln Sie außerdem die maximalen Kräfte die im gesamten Betrieb auftreten können. Hinweise, Annahmen und Vereinfachungen: 

Ziehen Sie für die Bestimmung der Grenzwinkel das maximale Drehmoment des Getriebemo-



Ziehen Sie für die Grenzwinkel verschiedene Trapezgewindesteigungen in Betracht.

tors nach Anhang A auf StudOn in Betracht.

Festigkeitslehre, Auswahl und Dimensionierung verschiedener Elemente 2.3.3

Dimensionierung des Trapezgewindes der Antriebsspindel entsprechend den Vorüberlegungen aus Aufgabe 2.3.2. Ermitteln Sie außerdem unter Annahme des maximalen Drehmoments des Getriebemotors den erforderlichen Durchmesser für den KupplungsZapfen der Antriebsspindel.

2.3.4

Dimensionierung der Zentralbolzenverbindung sowie der Bolzenverbindung am Gelenkpunkt D.

2.3.5

Wählen Sie geeignete Querschnitte für die Scherenhebel (entsprechend Ihres Entwurfs) und dimensionieren Sie diese auf Steifigkeit und auf Festigkeit. Überprüfen Sie hierzu die Durchsenkung ΔfG des Lastangriffspunktes.

2.3.6

Überschlägige Dimensionierung aller Schrauben an der Konstruktion nach Tabelle TH 4.55 des ME-/GPE-Skriptums. Ermitteln Sie außerdem die Mindesteinschraublängen für alle Grundlochgewinde (siehe Tabellenbuch Metall) und die Durchmesser für Durchsteckschraubenverbindungen (siehe Tabellenbuch Metall) Ihrer Konstruktion.

2.3.7

Dimensionieren Sie die Welle-Nabe-Verbindung zwischen Getriebemotor und Kupplung (siehe Anhang B) als Passfederverbindung.

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2.3.8

Dimensionieren Sie die Welle-Nabe-Verbindung zwischen Kupplung und Antriebsspindel als Keilwellenverbindung.

2.3.9

Legen Sie die Welle-Nabe-Verbindung zwischen Antriebsspindel und Kupplung alternativ als Querpressverband aus. Stellen Sie die Verbindungen qualitativ gegenüber und wählen Sie zwischen Passfeder, Keilwelle und Querpressverband aus. Begründen Sie Ihre Wahl.

Nachrechnung verschiedener Elemente 2.3.10 Führen Sie nach der vollständigen Ausgestaltung der Antriebsspindel einen Festigkeitsnachweis an allen als besonders kritisch erachteten Stellen durch (bei Verwendung der in 2.3.8 / 2.3.9 ausgewählten Welle-Nabe-Verbindung). 2.3.11 Nachrechnung der Schweißverbindungen an den Laschen der Gelenke D und B nach NIEMANN. 2.3.12 Tragfähigkeitsnachweis der Hebelarme. Hinweise, Annahmen und Vereinfachungen: 

Die Theorie zur Bestimmung der Kerbformzahl eines gelochten Trägers unter Biegung kann Anhang C auf StudOn entnommen werden.

2.4 2.4.1

Ausarbeitung – Zeichnungserstellung Gesamtzeichnung des Hubmoduls. Hinweise: 

Das Hubmodul ist in unterster Position, das heißt in der unteren Endlage darzustellen. In Strich-Zweipunktlinie sind zusätzlich die Umrisse in der oberen Endlage einzuzeichnen.



Verwenden Sie als Hilfestellung zur Zeichnungsnummerierung die Richtlinie für das Ausfüllen von Schriftfeldern für Technische Zeichnungen, welche Ihnen auf StudOn zur Verfügung gestellt wird.



Falls Gruppenzeichnungen erstellt werden, müssen diese in sich abgeschlossene, über definierte Schnittstellen einfach montierbare Einheiten beinhalten.



Achten Sie bei der Wahl Ihres Zeichnungsmaßstabs darauf, dass auf der gedruckten Zeichnung vor allem Funktion und Montage Ihrer Konstruktion vollständig erkennbar sind.

2.4.2

Vollständige Stücklisten zu allen Zeichnungen.

2.4.3

Einzelteilzeichnung für die Fertigung der Antriebsspindel mit allen erforderlichen Maßen und Toleranzen. Seite 6 von 9

3 Meilensteine zum Scheinerwerb 

Bis zum 1. Testat sind wenigstens die Punkte 2.2, 2.3.1 und 2.3.2 zu bearbeiten und die Ergebnisse vorzulegen.



Die Entwürfe sind dem Betreuer im 1. Testat zu präsentieren. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Erläuterung von Funktion, Fertigbarkeit und Montierbarkeit der Konstruktion anhand der erstellten Zeichnungen und Berechnungen.



Zum Termin Abgabe Zeichnungsdokumentation werden die Punkte 2.4.1, und 2.4.2 erwartet.



Zum 2. Testat kann zusätzlich der Punkt 2.4.3 zur Durchsicht vorgelegt und die Berechnungen zur Vorabkorrektur abgegeben werden.

4 Sonstige Hinweise 

Fehlende Angaben sind sinnvoll zu wählen.



Das Hubmodul ist bis zur Schnittstelle Befestigungsschrauben (vgl. Bild 1, (5)) zu konstruieren. Die Befestigungsfläche des FTF für Zusatzmodule ist als eben anzunehmen.



Das Eigengewicht der Montagefläche darf – bei entsprechend leichtbauender Ausführung und unter Angabe des Gewichts – bei allen Berechnungen vernachlässigt werden. Andernfalls ist das Gewicht der Montagefläche in die Berechnungen mit einzubeziehen.



Das Hubmodul ist ausreichend steif zu gestalten. Die Quersteifigkeit soll dazu mindestens 20 % der Längssteifigkeit betragen.



Die wirkende Kraft (maximale Belastung) darf vereinfacht als Einzelkraft angenommen werden.



In der Zusammenstellungszeichnung des Hubmoduls ist die Schnittstelle zum FTF sauber darzustellen und zu bemaßen. Das FTF selbst ist nicht darzustellen.



Die CAD-Daten für den Antriebsmotor werden Ihnen über StudOn zur Verfügung gestellt. Hinweis: Die Verantwortung für die saubere Integration der Modelle in die Konstruktion liegt bei den teilnehmenden Gruppen, das heißt die Modelle müssen gegebenenfalls angepasst beziehungsweise nachbearbeitet werden.



Folgende Komponenten, die üblicherweise zur vollständigen Konstruktion des Hubmoduls gehören, sind nicht Bestandteil dieser Übung: elektrische Komponenten (außer Getriebemotor) und die üblicherweise erforderliche Sicherheitsabdeckung für die Scherenmechanik beSeite 7 von 9

ziehungsweise sonstige nichttragende Abdeckungen. Diese Komponenten müssen nicht gezeichnet werden. 

Verwenden Sie für die überschlägige Dimensionierung von Schrauben an Ihrer Konstruktion Tabelle TH 4.55 im Tabellenheft zu Ihrem Skriptum.



Bei „kritischen“ Anbindungen/Bauteilen können nach Ermessen des Betreuers zusätzlich gruppenspezifisch rechnerische Nachweise gefordert werden.



In der Zusammenstellungszeichnung muss die Funktion, Fertigbarkeit und Montierbarkeit aller Teile vollständig erkennbar sein.

5 Richtlinien zur Scheinvergabe Die Konstruktionsübung I stellt eine konstruktive Aufgabe dar, die innerhalb eines Semesters (Wintersemester, vorzugsweise im 3. Fachsemester) zu bearbeiten ist. Die Aufgabe, die in der Regel in Gruppen, bestehend aus 3 Personen bearbeitet wird, beinhaltet einen Berechnungsund einen Zeichenteil. Für eine didaktisch sinnvolle und erfolgreiche Bearbeitung der Konstruktionsübung I wird empfohlen, parallel die Lehrveranstaltung Maschinenelemente I (Studiengang Maschinenbau) beziehungsweise Grundlagen der Produktentwicklung (übrige Studiengänge) zu besuchen und vorher die Lehrveranstaltungen Technische Darstellungslehre I und Technische Darstellungslehre II mit Erfolg abgelegt zu haben. Zunächst ist der Besuch einer der ersten beiden Betreuersprechstunden durch ein Gruppenmitglied verpflichtend für die weitere Teilnahme an der Konstruktionsübung I. Voraussetzung für den Scheinerwerb ist ferner die Erteilung des ersten, zweiten und dritten Testats. Für den organisatorischen Ablauf der Konstruktionsübung I sind die im Aufgabenblatt angegebenen Termine verbindlich. Die aktive Teilnahme an den Testatterminen ist für alle Teilnehmer verpflichtend. Zur Erteilung des 1. Testats sind von jeder Gruppe Handzeichnungen als Technische Skizze vorzulegen und erste Berechnungen abzugeben. Jede Handzeichnung kann mehrere Blätter umfassen, anhand derer die Konstruktion dem Betreuer im 1. Testat erläutert wird. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf Funktion, Fertigbarkeit und Montierbarkeit der Konstruktion. Zur Erteilung des 2. Testats beziehungsweise 3. Testats ist von jeder Gruppe eine vollständige und normgerechte Zeichnungsdokumentation (Gesamtzeichnung im Format DIN A2, DIN A1 oder DIN A0) entsprechend der Aufgabenstellung vorzulegen. Die Zeichnungen für das 2. und 3. Testat sind von jeder Gruppe mit Hilfe eines 3D-CAD-Systems auf weißem Papier in Seite 8 von 9

einmaliger Ausfertigung zu erstellen. Die Zeichnungen sind durch separate Stücklisten entsprechend den Lehrstuhlvorgaben zu ergänzen. Die Zeichnungen sind normgerecht beschnitten und gefaltet in einem Ordner oder Schnellhefter zum jeweiligen Abgabetermin dem zuständigen Gruppenbetreuer zu übergeben. Daneben ist zum 3. Testat von jeder Gruppe beim Gruppenbetreuer die Abgabe einer kompletten, sauberen und nachvollziehbaren Berechnungsdokumentation in einem separaten Schnellhefter mit voran geheftetem Deckblatt und Inhaltsverzeichnis erforderlich. Erfolgt die Abgabe verspätet, wird die Annahme und Korrektur verweigert. Erscheint die Gruppe zu einem der Testate zu spät, wird die Erteilung des jeweiligen Testats verweigert. Werden im Rahmen der Konstruktionsübung I zwei oder mehr identische Lösungen vorgelegt oder wird infolge gravierender Mängel ein Testat nicht erteilt oder erfolgt eine verspätete Abgabe zum 2. Testat oder zum 3. Testat, so ist die Konstruktionsübung im folgenden Wintersemester zu wiederholen. Beachten Sie am Ende des Wintersemesters die entsprechende Bekanntmachung über die erteilten Scheine auf MeinCampus.

Erlangen, im Oktober 2019

Prof. Dr.-Ing. S. Wartzack

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