[ME1] Technische Anforderungen an eine Konstruktion

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In diesem Kurstext gehen wir auf technische Anforderungen einer Konstruktion ein. Technische Anforderungen sind federführend bei einer Konstruktion.

Für ein optimales Verständnis helfen dir einige anschauliche Beispiele  zu dem Thema

 

Technik – Technische Anforderungen an eine Konstruktion

Für jedes technische Bauteil, unabhängig davon ob es sich um ein Schleifgerät oder um eine Turbine handelt, müssen bereits in der Konstruktionsphase alle zukünftigen Aspekte zu Thema Technische Anforderungen erfasst und überprüft werden. 

Hierbei können folgende Zustände auftreten:

  • technische Funktion kann erfüllt werden,
  • technische Funktion kann eingeschränkt erfüllt werden,
  • technische Funktion ist nicht realisierbar.

Treten Zustand 2 oder 3 auf, so muss diese Funktion überarbeitet werden.

Hieraus ergeben sich in Bezug auf technische Anforderungen nachfolgende Fragestellungen:

  • Ist die technische Funktion zwingend erforderlich?
  • Wie fatal äußert sich die Funktion auf die Ausführung anderer Funktionen?
  • Gibt es Alternativen zu der gewählten Funktion?
  • Welche Kosten entstehen durch die Behebung / den Austausch der untersuchten Funktion?

 

Technische Anforderungen, Konstruktion - Verbrennungsmotor
Technische Anforderungen, Konstruktion – Verbrennungsmotor

 

In vielen Fällen erfährt eine Konstruktion, sowie die darin ausgeführten Funktionen eine mehrfache Anpassung und Optimierung. 

 

 Beispiel – Heckenschere

Technische Anforderungen, Konstruktion - Heckenschere
Technische Anforderungen, Konstruktion – Heckenschere

 

Ein potentieller Käufer wird an einer Heckenschere, dessen Schneidwerk nur wenig Leistung aufbringt und selbst kleiner Äste nicht schneidet indem es blockiert, kaum Freude finden und dieses Produkt vermutlich relativ schnell stornieren. 

Nur wenn eine Konstruktion die Vorstellungen eines Kunden erfüllt oder übertrifft, hat der Konstrukteur einen ordentlichen Job erledigt. 

 

Funktionalität – Erfüllung der technischen Funktionen

Wie bereits oben aufgeführt, besitzen die meisten Konstruktion eine Vielzahl von Funktionen, die für sich selbst, aber auch im Wechselspiel mit anderen Funktionen einwandfrei ausgeführt werden müssen.

Dabei wird die Funktionalität der Konstruktion als

  • Ganzes (Gesamtfunktion, Hauptfunktion) und
  • in Teilen (Teilfunktionen, Nebenfunktionen, Unerwünschte Funktionen)

betrachtet. 

 

Merk’s dir!

Bei einer Funktionsanalyse wird immer eine (!) Hauptfunktion bestimmt und alle anderen Funktionen gelten als Nebenfunktionen

 

Beispiel Staubsauger

Technische Anforderungen - Funktionalität eines Staubsaugers
Technische Anforderungen – Funktionalität eines Staubsaugers

 

Ein Staubsauger hat wie der Name es bereits verrät eine Hauptfunktion. Diese würde man als Staub / Schmutz aufnehmen bezeichnen.

Nebenfunktionen wären in diesem Fall

Staubsauger bewegen [mit Rollen]

Staub abführen [über Saugrohr]

Staub sammeln [im Staubbeutel]

Unterdruck erzeugen [mit Gebläse über Motor]

Luft filtern [mit Filter]

usw

Für ein entsprechend gutes Ergebnis müssen alle Funktionen optimal miteinander agieren. Fällt eine der Funktionen aus, so ist die Gebrauchsfähigkeit stark gefährdet.

Saugroboter müssen ähnliche Funktionen erfüllen und darüber hinaus noch die Fähigkeit besitzen im Raum zu navigieren und sich eigenständig aufzuladen an der Ladestation. 

Technische Anforderungen - Funktionalität eines Staubsaugers - Saugroboter
Technische Anforderungen – Funktionalität eines Staubsaugers – Saugroboter

 

Technische Nutzungsdauer – product life cycle

Die Produktlebensdauer (product life cycle) kann erst nach einer langen Prüfphase inklusive Langzeitversuchen und Belastungstests ermittelt werden. Letztere erfolgen zumeist in späteren Abschnitten einer Konstruktionsphase mit Erstellung eines Prototypens.

 

Wie verhält sich der Kunde?…

Neben den hauseigenen Tests spielen auch Nutzerverhalten und Wartung eine wichtige Rolle. Diese können allerdings in der Konstruktionsphase nur schlecht vorausgesetzt werden. Die Hersteller gewähren dem Kunden daher neben der gesetzlichen Garantie auch eine zeitlich darüber hinauslaufende Gewährleistung.

 

Für einen Markenhersteller ist es von großer Bedeutung, dass die Konstruktion eine hohe Langlebigkeit besitzt. 

Beispiel – Generator

Ein Generator ist für eine mehrjährige Nutzungsdauer ohne Einschränkung ausgelegt. 

Technische Anforderungen an eine Konstruktion - Beispiel Generator
Technische Anforderungen an eine Konstruktion – Beispiel Generator

 

Sofern nicht anders geplant, geht man mitunter bei der Nutzungsdauer von mehreren Jahrzehnten aus.

 

Zuverlässigkeit – dauerhafte Funktionstüchtigkeit

Spricht man von der Produktlebensdauer, so geht man ebenfalls davon aus, dass die Konstruktion auch während dieser Zeit vollständige Zuverlässigkeit besitzt. Ist dies nicht gegeben, so wird der Kunde kurzfristig reklamieren. 

Beispiel – Sportwagen

Der Grund für den Ausfall eine Produkts kann vielfältig sein. Hier gilt es zu definieren ab wann eine Unzuverlässigkeit vorliegt, die den Nutzen aufhebt. Stellen wir uns hier zur reinen Verbildlichung ein vielleicht sehr unwahrscheinliches Szenario vor. 

Technische Anforderungen - Funktionstüchtigkeit eines Fahrzeugs (Konstruktion)
Technische Anforderungen – Funktionstüchtigkeit eines Fahrzeugs (Konstruktion)

 

Der schöne Sportwagen besitzt eine super Performance, würde jetzt aber aus irgendeinem Grund der Rückwärtsgang nicht mehr eingelegt werden können (irreparabel!), so wäre das Fahrzeug auch wenn es noch geradeaus fährt, für den Fahrer unbrauchbar. 

 

Anwenderfreundlichkeit, Anwendbarkeit

Die Anwenderfreundlichkeit sollte, sofern ein Mensch bei der Bedienung beteiligt ist, so einfach wir möglich gehalten werden. Ebenfalls spielt die Anwendbarkeit eine besondere Rolle. In der Fachliteratur findest du eine Vielzahl von unterschiedlichen Begriffen, die aber im Grundsatz das Gleiche beschreiben. 

  • Benutzerfreundlichkeit (Anwenderfreundlichkeit)
  • Handhabbarkeit (Anwenderfreundlichkeit)
  • Benutzbarkeit (Anwenderfreundlichkeit)
  • Nutzbarkeit (Anwendbarkeit)
  • Praktikabilität (Anwendbarkeit)

Handelt es sich um eine Maschine in einer Fertigung, so sollte der MAN (Maschinen-und-Anlagenführer) nach einer kurzen Einweisung in der Lage sein, die Maschine zu bedienen. 

Hier spielen Übersichtlichkeit der Schaltelement und deren Anordnung sowie deren Bedienung eine übergeordnete Rolle. 

Beispiel – Historische Maschinen

Noch vor nicht allzu langer Zeit (1900) wurde die Anwenderfreundlichkeit eher als Nebenaspekt einer Konstruktion angesehen. Arbeitsunfälle standen hier auf der Tagesordnung. 

Technische Anforderungen - Anwenderfreundlichkeit
Technische Anforderungen – Anwenderfreundlichkeit

 

Erst mit der Einführung der Arbeitssicherheit in Unternehmen, wurde zunehmend auf die Bedürfnisses des Arbeiters Rücksicht genommen.

 

Wirkungsgrad und Nutzungsgrad

Sobald in einer Konstruktion Energie (elektrisch, thermisch, chemisch, mechanisch) umgewandelt werden soll, spielt in der Konstruktionsphase der Wirkungsgrad eine bedeutende Rolle. Eine besondere Position nimmt hier die Energietechnik ein. In diesem Bereich wird versucht den Wirkungsgrade zu maximieren. Für den späteren Anwender ist der Nutzungsgrad aber von wesentlich größerer Bedeutung, da Wirkungsgrade immer unter optimalen (zumeist Labor-)Bedingungen ermittelt wird. 

Beispiel – Hybridfahrzeug

Herkömmliche Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor werden durch die Umwandlung von Chemischer Energie über einen Verbrennungsvorgang in mechanische Energie (Bewegungsenergie) angetrieben. Mit dem seriellen und parallelen Hybridantrieb wurde diese Technologie weiter optimiert. 

Hybridantrieb (Anzeige) - Technische Anforderungen
Hybridantrieb (Anzeige) – Technische Anforderungen

 

Serieller Hybridantrieb

Ein serieller Hybridantrieb setzt sich aus einem Verbrennungsmotor und einem Generator zusammen. Beide sind miteinander gekoppelt. Hinzu kommt eine Elektromaschine zum Antrieb der Räder. Der Verbrennungsmotor hat nur die Aufgabe, den Generator anzutreiben, der den Strom erzeugt.

Hauptvorteile dieses seriellen Konzepts: Der Verbrennungsmotor kann unabhängig vom Fahrzustand betreiben werden und die Batterie auch bei stehendem Fahrzeug laden. Auch erlaubt der serielle Hybrid rein elektrisches Fahren bei abgestelltem Verbrennungsmotor durch die in der Batterie gespeicherte Energie.

 

Paralleler Hybridantrieb

Hauptvorteile des parallelen Konzepts: Beim Parallelhybrid existiert eine mechanische Verbindung zwischen Verbrennungsmotor und Rad. Der verbrennungsmotorische und der elektrische Antriebsstrang lassen sich flexibel im Kraftfluss schalten. Der Pkw kann entweder rein elektrisch, rein verbrennungsmotorisch oder in einer Mischform mit beiden Antrieben gleichzeitig fahren.

Beim parallelen Hybrid addieren sich die Leistungen von Elektro- und Verbrennungsmotor zu einer Gesamtleistung. 

 

Instandhaltung und Instandsetzung

Vielleicht mag es auf den ersten Blick nicht sofort auffallen, aber jede Konstruktion sollte derart gestaltet werden, dass eine anschließende Instandhaltung, bzw. Instandsetzung nach längerer Nichtnutzung möglich ist. In diesem Zusammenhang spricht man auch von Montierbarkeit und Demontierbarkeit von Bestandteilen als Aspekt für technische Anforderungen an eine Konstruktion. 

Wird dieser Punkt während der Konstruktion nicht berücksichtigt, so kann diese im schlimmsten Fall dazu führen, dass die gesamte Maschine für den Austausch eines kleinen Elements zerlegt werden muss. 

Beispiel: Zahnräder

Technische Anforderungen - Wartung und Instandhaltung
Technische Anforderungen – Wartung und Instandhaltung

 

Bewegliche Bauteile (Zahnräder) sollten zudem Zugänge aufweisen, die es erlauben, dass Schmierstoffe (Fette, Öle, Suspensionen), welche die Reibung zwischen den Bauteilen reduzieren, auch den wichtigen Stellen zugeführt werden können.

 

Was kommt als Nächstes?

Nachdem wir uns nun ausführlich mit dem Thema Technische Anforderungen an Konstruktionen befasst haben, gehen wir im nächsten Abschnitt auf die Fertigungstechnischen Anforderungen an eine Konstruktion ein. 

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