Gestaltungsprinzipien


Bschreibung

Es handelt sich hierbei um übergeordnete Prinzipien zur zweckmäßigen Gestaltung von Konstruktionen.

Bei der Anwendung von Gestaltungsprinzipien ist es durchaus denkbar, daß sie gewissen Anforderungen widersprechen. Diese Prinzipien stellen somit Strategien dar, die nur unter bestimmten Voraussetzungen zweckmäßig, aber nicht immer total anwendbar sind. Der Konstrukteur muß zwischen den einzelnen konkurrierenden Gesichtspunkten abwägen und sich für das jeweils geeignetere Gestaltungsprinzip entscheiden. Nachfolgend werden wichtige Prinzipien vorgestellt:

  1. Prinzip der Kraftleitung
    1. Kraftfluß und Prinzip der gleichen Gestaltfestigkeit
      • Stets geschlossener Kraftfluß
      • Vermeiden von Änderungen des Kraftflusses unter scharfen Umlenkungen und mit schroffen Querschnittsübergängen
      • Anstreben einer über die vorgesehene Betriebszeit überall gleich hoher Ausnutzung der Festigkeit durch geeignete Wahl von Werkstoff und Form
      • Streben nach Leichtbau
    2. Prinzip der direkten und kurzen Kraftleitung
      • Ist eine Kraft oder ein Moment von einer Stelle zu einer anderen bei möglichst kleiner Verformung zu leiten, dann ist der direkt und kürzeste Kraftleitungsweg der zweckmäßigste.
    3. Prinzip der abgestimmten Verformungen
      • Die beteiligten Komponenten sind so zu gestalten, daß unter Last eine weitgehende Anpassung mit Hilfe entsprechender, jeweils gleichgerichteter Verformungen bei möglichst kleiner Relativverformung entsteht
    4. Prinzip des Kraftausgleichs
      • Mit Ausgleichselementen oder mit Hilfe einer symmetrischen Anordnung werden die die Hauptgrößen begleitenden Nebengrößen auf kleinstmögliche Zonen beschränkt, damit Bauaufwand und Verlust so gering wie möglich bleiben

  2. Prinzip der Aufgabenteilung
    Ist es bei mehreren Funktionen nicht mehr möglich, den Funktionsträger hinsichtlich der zu fordernden Grenzleistung oder hinsichtlich seines eindeutigen Verhaltens optimal zu gestalten, so macht man vom Prinzip der Aufgabenteilung Gebrauch. Hier wird jeder Funktion ein besonderer Funktionsträger zugeordnet. Die Aufteilung einer Funktion auf mehrere Funktionsträger kann in Grenzfällen zweckmäßig sein.


  3. Prinzip der Selbsthilfe

    Nach ihm kann durch geschickte Wahl der Systemelemente und ihrer Anordnung im System selbst eine sich gegenseitig unterstützende Wirkung erzielt werden, die hilft, die Funktion besser zu erfüllen.

    1. Selbstverstärkende Lösungen
      Hier wird bereits unter Normallast die Hilfswirkung in fester Zuordnung aus einer funktionsbedingten Hauptgröße und/oder Nebengröße gewonnen, wobei sich eine verstärkende Gesamtwirkung ergibt. Haupt- und Nebengrößen wirken mit anderen Größen gleichgerichtet.
    2. Selbstausgleichende Lösungen
      Hier wird ebenfalls bereits unter Normallast die Hilfswirkung aus begleitenden Nebengrößen in fester Zuordnung zu einer Hauptgröße gewonnen, wobei die Hilfswirkung der Ursprungswirkung entgegenwirkt und dadurch einen Ausgleich erzielt, der eine höhere Gesamtwirkung ermöglicht.
    3. Selbstschützende Lösungen
      Sie beziehen ihre Hilfswirkung aus einem zusätzlichen anderen Krafteinleitungsweg, der bei Überlast im allgemeinen mittels elastischer Verformung erreicht wird. Dadurch entsteht eine andere Kraftflußverteilung und somit auch eine andere Beanspruchungsart, die insgesamt tragfähiger ist.

  4. Prinzip der Stabilität und Bistabilität

    Bei der Gestaltung von Lösungen muß stets der Einfluß von Störungen bedacht werden. Dabei ist anzustreben, daß das Verhalten des Systems stabil ist, d.h. auftretende Störungen sollten resultierende Wirkungen erzeugen, die der Störung entgegenwirken und sie aufheben oder wenigstens mildern. Würden Störungen eine sie verstärkende Wirkung haben, ist das Verhalten labil bzw. bistabil. Dieser Effekt ist für manche Lösungen erwünscht, sie erhalten dann ein gewollt labiles Verhalten.

  5. Prinzip der fehlerarmen Gestaltung
  6. Bei der Gestaltung technischer Systeme ist eine Fehlerminimierung anzustreben. Dies wird erreicht durch:

    • einfache Baustrukturen und Bauteile und dadurch wenig toleranzbehaftete Abmessungen
    • Minimierung von Fehlereinflußgrößen durch konstruktive Maßnahmen
    • Wahl von Wirkprinzipien* und -strukturen, bei denen die Funktionsgrößen weitgehend unabhängig von den Störgrößen sind (Invarianz) bzw. nur eine geringe Abhängigkeit voneinander aufweisen
    • Auftretende Störgrößen beeinflussen gleichzeitig zwei sich gegenläufig verändernde Strukturparameter (Kompensation)

* Das Wirkprinzip enthält den für die Erfüllung einer Funktion erforderlichen physikalischen Effekt sowie die geometrischen und stofflichen Merkmale (z.B.: Ein Wirkprinzip des Reibeffektes ist z.B. die Scheibenbremse)

Einsatzgebiet

In der Entwurfsphase

Durchführung

Welches Gestaltungsprinzip im einzelnen vorherrschend sein muß, läßt sich immer nur aus der Aufgabe und aus dem Fertigungshintergrund ableiten. Ihre übergeordnete Bedeutung ist damit eingeschränkt.

weiterführende Informationsquellen

Literatur, Veröffentlichungen etc.

  • Pahl,G./Beitz,W.
    Konstruktionslehre
    Springer-Verlag, Berlin, 1993
  • Beitz, W./ Grote, K.-H.
    Dubbel - Taschenbuch für den Maschinenbau
    Springer-Verlag, Berlin, 1997

© Dirk Schweinberger, Dirk.Schweinberger@mach.uni-karlsruhe.de
Modified: 28-Apr-2000