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Bild: Konstruktiver Entwicklungsprozess (KEP)

Der Konstruktive Entwicklungsprozess (siehe Bild oben) beginnt mit einer gegebenen Aufgabenstellung, die aus verschiedenen Quellen resultiert. Es handelt sich dabei um den Markt, die Forschung und andere. Der erste wichtige Schritt ist das Präzisieren der Aufgabe mit dem Ziel, alle Forderungen an das zu entwickelnde Produkt zu bestimmen. Ergebnis sind:

  • Forderungsliste
  • Funktionsplan
  • Forderungsplan
  • Arbeitsplan für die Bearbeitung des Projektes

Aus diesen umfangreichen Daten ist als Ausgangsbasis die Gesamtfunktion des gewünschten Produkts zu erarbeiten. Diese beiden Arbeitsschritte bilden gemeinsam die Aufbereitungsphase.

Danach beginnt man mit der systematischen Suche nach Lösungen, wozu die Gesamtfunktion in Teilfunktionen zerlegt wird. Das Ergebnis ist das Verfahrensprinzip bzw. die Funktionsstruktur. Funktionsstrukturen wurden schon im vorhergehenden Kapitel für das Beispiel des Libellenprüfgerätes aufgestellt. In der Prinzipphase werden die für die Erfüllung der Funktionen wichtigen Elemente bestimmt und technische Prinzipe abgeleitet. Diesen Abschnitt des Konstruierens bestimmt das Konzept des zukünftigen Produktes und wird auch als konzeptionelle oder funktionelle Phase bezeichnet. Die Gestaltung kann sich je nach Komplexität des zu entwickelnden Produktes in Teilaufgaben gliedern. So sind z.B. elektrische und elektronische Baugruppen zu entwickeln und bei automatisierten Geräten die elektronische Hardware zu erstellen. Das Gestalten und Entwerfen der mechanischen Bauteile ist in jedem Fall erforderlich, da Geräte ohne mechanische Stützelemente oder Gehäuse nicht zu realisieren sind. Das alles muss in einem Gesamtaufbau zusammengefasst werden. So entstehen bereits während der Entwicklung intensive Wechselbeziehungen zwischen den Teilsystemen und dem Gesamtsystem. Zunehmend werden Teilfunktionen dieser Gesamtstruktur auch durch Software realisiert, welche die elektronischen Baugruppen steuert. Als Ergebnis liegt die Programmdokumentation für diesen Teil vor. Für die Gestalt des Produktes in seiner Gesamtheit ist dies die Konstruktionsdokumentation.

Der Ablauf des KEP wird an einem Beispiel näher betrachten. Das Beispiel zeigt die Entwicklung eines elektromechanischen Relais, das in der Lage ist, einen Stromkreis zu schalten.

Tabelle: Aufgabenpräzisierung, Aufstellen der Gesamtfunktion und Auswahl des Verfahrensprinzips am Beispiel einer Relaisentwicklung
  Entwicklungs-
zustände
Beispiel
Aufgabe



Präzisierte
Aufgaben-
stellung






Gesamt-
funktion







Verfahrens-
Prinzip
Entwicklung eines steuerbaren Schalters mit mechanischer Unterbrechung des Stromkreises
Gegebenheiten und Forderungen:
Funktion:

Max. Schaltleistung 30 VA
Ansprechzeit < 10 ms
Rückgangszeit < 4 ms
Kontaktkraft 15 ... 20
Lebensdauer 105 Schaltspiele
Struktur:

Raum
(20x20x12) mm
Einbaulage beliebig
Herstellung:

Großserie
500000 Stück / Jahr
- verbale Beschreibung

Schließen und Öffnen eines
elektr. Stromkreises
zu einem beliebigen Zeitpunkt
- symbolische Beschreibung

Schaltgröße  
Zum Schließen und Öffnen der Kontakte werden Kräfte benötigt

Varianten:

Schwerkraft
F= mg
Stat. Auftrieb
F = rVg
Zentrifugalkraft
F = mrv2
Elastizität
F = cs


Bimetall
F = kEbh2Dy/(4l)

Elektromagnet
F = m0v2I2A/l2
Gewähltes Prinzip:

Schließen durch E-Magnet
Öffnen durch Rückstellfeder

Die Aufgabenstellung wird zuerst präzisiert, das heißt Gegebenheiten und Forderungen für Funktion, Struktur und Herstellung werden formuliert.
Die Gesamtfunktion, die sich hieraus ergibt, wird vorerst verbal beschrieben, damit wird garantiert, dass auch Nichttechniker sie verstehen.

Sie lautet: Schließen und Öffnen eines elektrischen Stromkreises zu einem beliebigen Zeitpunkt, der durch das Auslösen eines entsprechenden Signals bestimmt wird.

Die Funktion kann man symbolisch darstellen. Es ist ein Stromkreis mit Stromstärke und Spannung und die Schaltgröße x vorgegeben, die den Zeitpunkt des Öffnens und Schießens des Schalters bestimmt.
Bei der Betätigung des Schalters wird eine Betätigungskraft benötigt, die diesen Vorgang ermöglicht. Dazu können die unterschiedlichsten physikalischen Effekte genutzt werden. Es bieten sich die Möglichkeit der Schwerkraft, die Anwendung eines Bimetalls, eines Elektromagneten, einer Feder u.a. an, deren Verknüpfung zu einem Verfahrensprinzip führt.

Es wurde das Prinzip ausgewählt, bei dem das Schließen des Schalters mit einem Elektromagneten realisiert wird. Wenn der Strom eingeschaltet wird, so schließt er den Stromkreis, öffnet ihn jedoch beim Unterbrechen des Stromes nicht selbständig. Man braucht also einen zweiten Effekt, welcher die Rückstellbewegung realisiert. Hierfür soll eine Feder eingesetzt werden. Der Effekt der dabei ausgenutzt wird, ist die Elastizität des Werkstoffs.

Auf der Grundlage dieses Ergebnisses kann nun die Funktionsstruktur abgeleitet werden. Um eine elektromagnetisch erzeugte Kraft Fm zu realisieren, braucht man eine Spule, die als Wandler das Magnetfeld erzeugt.

Tabelle: Aufstellen der Funktionsstruktur am Beispiel einer Relaisentwicklung
  Entwicklungs-
zustände
Beispiel




Funktions-
struktur









Technisches Prinzip


Technischer
Entwurf



Produkt-
dokumen-
tation
Beispiel einer möglichen Funktionsstruktur:





 
 

Der elektromagnetische Fluss H durchsetzt einen Weicheisenkreis mit einem beweglichen Anker der bei Stromfluss angezogen wird. Diese Bewegung überträgt z.B. ein Hebel zu den Schaltkontakten. Das Öffnen wird durch die in der Feder gespeicherte mechanische Energie realisiert. Die Feder wurde durch den Einschaltvorgang gespannt und gibt nach dem Abschalten des Magneten, die für das Öffnen erforderliche Rückstellkraft FR ab. Als nächster Schritt folgt das Aufstellen des technischen Prinzips.

Das technische Prinzip wird durch systematisches Zusammenstellen der verschiedenen Ausführungsvarianten ermittelt. Als Gliederungsgesichtspunkte dienen die Art der Ankerbewegung (Translation, Rotation) und die Magnetform.

Tabelle: Prinzipfindung und technischer Entwurf am Beispiel einer Relaisentwicklung
Technische Prinzipe für Triebsystem (Auszug):
Magnet-
form
Ankerbewegung
Translation Rotation
U 1.1  mehrere Luftspalte ein Luftspalt
1.2  1.3 
E 2.1  2.2  2.3 
Topf 3.1  3.2   
Zeichnungssatz, Stückliste, Montageanleitung, Justiervorschrift, Prüfvorschrift und andere Unterlagen

Es gibt U-, E- und topfförmige Magnete. Oft sind Drehbewegungen in der technischen Realisierung leichter und günstiger, weil Lager einfacher konstruierbar sind als Führungen. Außerdem spielt der Preis eine nicht vernachlässigbare Rolle. Die wichtigsten Prinzipvarianten wurden in der Übersicht dargestellt, aus der die günstigste Variante auszuwählen ist. Im vorliegenden Fall ist es das Klappankerprinzip 1.3. Es bildet die Grundlage für den technischen Entwurf. Bei den verschiedenen Ausführungen der Kontaktfedern garantieren die letzten beiden mit nachgiebigen Doppelkontakten einen zuverlässigen Schaltvorgang. In der Phase des technischen Entwurfs ist die Gestalt des Relais vollständig festzulegen. Auszugsweise zeigt das obere Bild Varianten für das Gestalten von Elementen.

Bei Auswahl und Gestaltung des Lagers ist zu berücksichtigen, dass eine schwingende Drehbewegung mit kleinem Winkel und möglichst kleinem Bewegungswiderstand zu realisieren ist. Das Gleitlager ist mit Gleitreibung belastet, die bei unvollständigen Umläufen lokalen Verschleiß hervorruft. Es ist also für diese Zwecke recht ungeeignet. Das Schneidenlager hat eine geringere Reibung, da der Reibradius kleiner ist als beim Gleitlager. Es können auch Schneidenlager konstruiert werden, die nicht aufeinander gleiten, sondern rollen. Die Rollreibung ist wesentlich kleiner als die Gleitreibung. Am günstigsten in Bezug auf Reibung, ist das Federgelenk. Es besitzt nur innere Reibung im Werkstoff. Favoriten für die praktische Ausführung der Lager sind also diese beiden. Das Gleitlager scheidet aus. Der Konstrukteur hat sich im vorliegenden Beispiel, für die Verwendung eines Schneidenlagers entschieden. Zum Abschluss des Entwicklungsprozesses ist die Produktdokumentation zu erarbeiten, welche den Zeichnungssatz und die Stückliste beinhaltet. Hinzu kommen je nach Bedarf Beschreibungen für die Montage, Justierung, Prüfung, Inbetriebnahme u.ä..

Der Konstruktionsablauf ist keine lineare Kette von Arbeitsschritten, sondern es sind immer wieder Korrekturen vorzunehmen. Im Bild ist angedeutet, wie diese optimierende und zyklische Arbeitsweise abläuft. Nach einem erreichten Zwischenstadium, z. B. einer Funktionsstruktur oder einem technischen Prinzip wird zunächst eine Synthese durchgeführt. In diesem Syntheseschritt entstehen Lösungsvarianten der nächst konkreteren Entwicklungsebene. Informationen aus Katalogen und Nachschlagewerken können zum Erarbeiten der Lösungen genutzt werden. Durch nachfolgende Analyse werden die Eigenschaften der neu entworfenen Strukturen festgestellt. Bewertung und Entscheidung selektieren die beste oder ggf. auch mehrere geeignete Varianten für die nächste Entwicklungsstufe.

Bild: Entwicklungszyklus in einer Prozessphase

Häufig ist vor der entgültigen Entscheidung über eine Lösungsvariante eine Verbesserung, also Korrektur, der ausgeführten Version in Betracht zu ziehen. Der Zyklus sollte also so lange durchlaufen werden, bis sich die Lösung als annehmbar herausgestellt hat. Diese Arbeitsweise ist in der Literatur als TOTE-Zyklus bekannt (Test - Operate - Test - Exit).

Zu Beginn des Zyklus wird das Stadium n einem Eingangstest unterzogen. 'Operate', umfasst Synthese, Analyse und Korrektur. Den nächsten Arbeitsschritt erreicht man über das 'Exit'. Der TOTE-Zyklus ist ein bekannter Begriff in der Methodik. Er ist eine typische Arbeitsweise beim Konstruieren. Mit einem einzigen Schritt die richtige und endgültige Lösung zu finden, ist sehr selten. Es sind immer wieder Optimierungs- und Korrekturzyklen einzubauen. Diese laufen nicht nur innerhalb einer Prozeßphase ab, sondern es finden Rückkopplungen über den gesamten Prozeß statt.

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