In diesem Kurstext gehen wir auf die Berechnungsgrundlagen in der Maschinentechnik näher ein. Diese Berechnungsgrundlagen sind das Fundament zur Lösung komplexer Aufgaben in der Maschinentechnik.
Für ein optimales Verständnis helfen dir einige anschauliche Beispiele und eine abschließende, umfangreiche Abbildung zu dem Thema.
Berechnungsgrundlagen – Einführung
Im vorherigen Kursabschnitt sind wir intensiv auf die Konstruktion von Maschinenbauteilen und dessen Einflussfaktoren eingegangen. Nun wenden wir uns den notwendigen Berechnungsgrundlagen zu, ohne die keine Konstruktion erfolgreich angefertigt werden kann.
Besonders zwei Fragestellungen entscheiden, ob eine Konstruktion letztlich über die Planungsphase hinaus realisiert wird:
- Ist das geforderte Maschinenteil derart ausgelegt, dass es seine geforderte Funktion (Funktionalität) erfüllt?
- Kann das Maschinenbauteil mit den gegebenen Mitteln (Maschinen, Personal, Werkstoffen) überhaupt erzeugt werden?
Beide Fragestellungen können zumindest weitestgehend mit den grundlegenden Berechnungen [Versagensbetrachtung] beantwortet werden.
Der Maschinenbauer möchte letztlich wissen, ob das Bauteil mit den gewählten Werkstoffen unter den vorgesehen Betriebsbedingungen besteht und es nicht zum Bauteilversagen kommt. Hinzu kommen wie beinahe immer im Leben die Kostenaspekte, welche sich in einer erforderlichen Minimierung des Werkstoffeinsatzes und Fertigungsaufwandes unter Aufrechterhaltung der Bauteilsicherheit und Funktionserfüllung niederschlagen.
Versagensbetrachtung
Bei der Versagensbetrachtung wird rechnerisch untersucht, ob die Bauteile
- funktionsgerecht,
- festigkeitsgerecht,
- werkstoffgerecht und
- fertigungsgerecht
ausgelegt sind.
Es gilt also in den Berechnungen besonderes Augenmerk auf die Formen der Beanspruchung unter Betriebsbedingungen zu legen.
So sollte jedes Bauteil mit Hilfe eines Tragfähigkeitsnachweises untersucht werden, um die Tragfähigkeit zu gewährleisten und ggf. noch vorhandene Schwachstellen aufzudecken. Direkt daran schließt sich die Dimensionierung des Bauteils, also die Festlegung der Bauteilgeometrie an.
Sollte sich im Verlauf der Untersuchung herausstellen, dass das Bauteil unter den gegebenen Bedingungen wohl nicht hält, ist dies nicht automatisch schlecht. Vielmehr bietet sich dem Konstrukteur dadurch die Möglichkeit alternative Ansätze auszuprobieren. Frei nach dem Motto: Trial & Error.
Dies umfasst eine Untersuchung des Bauteilverhaltens unter mechanischen, thermischen und chemischen Beanspruchungen. Mit den Berechnungsgrundlagen können diese Beanspruchungen hinsichtlich Höhe und Intensität ermittelt werden und ein Abgleich mit den Parametern der Konstruktion ist möglich.
Untersuchungsgegenstände
Den Maschinenbauer interessieren unterschiedlichste Faktoren einer Konstruktion. Die wichtigsten Untersuchungsgegenstände haben wir nachfolgend aufgeführt.
- Festigkeit des Werkstoffes / der Konstruktion zur Vermeidung von Brüchen,
- Formänderung durch elastische [reversible | temporäre ] und plastische [irreversible | dauerhafte] Verformung,
- Gestaltfestigkeit, also die Stabilität gegen Ausknicken,
- Materialänderung durch Verschleiß im Betrieb oder thermische bzw. chemische Einflüsse,
- Resonanz [Schwingungen] in Folge von Materialbeanspruchungen [zumeist dynamischer Betrieb]
Die Untersuchung dieser Faktoren findet nicht alleinig in der Maschinentechnik statt, sondern wird ebenfalls in anderen Fachbereichen wie der Thermodynamik, Mechanik, Werkstofftechnik und Strömungstechnik untersucht. Die einzelnen Auswertungen gehen dann wieder in die Maschinentechnik ein.
Hier zeigt sich bereits, dass die Erzeugung eines Maschinenteils in dem meisten Fällen erst durch das Zusammenspiel der unterschiedlichen Fachbereiche gelingt.
Du solltest dir merken, dass jeder der obigen Untersuchungsgegenstände wichtig ist. Einen Punkt davon auszulassen, kann eine Gefährdung der anderen Punkte bewirken und insgesamt ein Bauteilversagen viel wahrscheinlicher machen.
Konstruktionsablauf, Konstruktionsschema [Video & visuell]
Der Konstruktionsablauf folgt einem weitestgehend immer gleichem Muster. Im nachfolgenden Video erhältst du von Jan eine Erläuterung:
Dieses haben wir in der nachfolgenden Abbildung dargestellt. Auf jeder Stufe werden bestimmt Konstruktionsfragestellungen untersucht und beantwortet.
Nachdem wir uns nun ausführlich mit dem Thema Berechnungsgrundlagen der Maschinentechnik befasst haben, starten wir im nächsten Abschnitt mit der Beanspruchungsanalyse für die Maschinentechnik!
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