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Keilverstellungen mit Skizzen entwerfen

Wie Hub, Endlagen und Geometrie von Keilverstellungen in Skizzenskeletten leicht entworfen werden können

Links zum Thema: Das Video über Keilverstellungen im Skizzenskelett und die Kurzpräsentation als PDF.

Keilverstellungen mit möglichst kleinem Aufwand auslegen

Keilverstellungen haben eine Anzahl verschiedener geometrischer Parameter, die sich gegenseitig beeinflussen. Meist ist als Eingangsgröße ein gewünschter Verstellhub und ein verfügbarer Bauraum gegeben, außerdem Lasten und Selbsthemmungsvorgaben, die den möglichen Winkelbereich einengen. Der genaue Winkel, die Länge der beteiligten Keile, die Überdeckung an den Endlagen und die Lage des Hubs müssen jedoch frei festgelegt werden und beeinflussen sich in hohem Maße gegenseitig. Wenn die Bauteile einzeln modelliert werden, bedeuten Änderungen an den Keilparametern die manuelle Anpassung mehrerer beteiligter Modelle und Einbaubedingungen in der Baugruppe. Anpassungen werden so zu einem fehleranfälligen und zeitraubenden Prozess.

Deshalb ist es sehr nützlich, eine Auslegungsskizze zu haben, in der die veränderbaren Parameter übersichtlich zugreifbar sind und alle relevanten Ergebnisse erfolgter Änderungen sofort sichtbar werden. Nach den bewährten Prinzipien der Top-Down-Modellierung folgen alle betroffenen Bauteile dieser Auslegungsskizze und sind somit immer konsistent, weil jede Änderung automatisch in alle beteiligten Bauteile übertragen wird.

Bewegungsvorgaben der Umgebung

Bevor die Keilverstellung entworfen werden kann, müssen die gestellten Anforderungen skizziert werden. Das Bauteil, das von der Verstellung bewegt werden soll, muss in allen relevanten Positionen gezeichnet werden. Im Beispiel soll eine Baugruppe mit Keilen gegen die Schwerkraft gehoben oder abgesenkt werden. Durch das Eigengewicht kann auf Führungen in Gegenrichtung verzichtet werden. Die Baugruppe wird in einer mittleren Lage dargestellt, die als "Standardposition" anzusehen ist. Von dieser Position aus soll es einen positiven und negativen Verstellhub geben. An die Unterseite der Baugruppe werden Keile fest montiert, darunter soll ein horizontal verfahrbarer Keil geführt werden. Als Betätigung wären Hydraulikzylinder oder Stellschrauben denkbar.

Die Standardposition wird im Beispiel (Bild 1.1) mit Volllinien gezeichnet, die obere Endlage mit Strich-3Punkt-Linien, die untere mit gestrichelten Linien in gleicher Farbe.

Bewegungsgeometrie der zu verstellenden Baugruppe
Bild 1.1: Bewegungsgeometrie der zu verstellenden Baugruppe

In der Skizze für die Keilverstellung selbst werden zunächst die relevanten Linien der Umgebung projiziert. Im Beispiel (Bild 1.2) ist das die Anschlussfläche für den fest montierten Keil in allen betrachteten Lagen. Die Seitenlinien der Standardposition können nützlich sein, müssen aber nicht unbedingt verwendet werden.

Projizierte Linien der verschiedenen Lagen
Bild 1.2: Projizierte Linien der verschiedenen Lagen

Auslegungsdaten der Keile abbilden

Zuerst zeichnen wir den fest montierten Keil an die Unterseite der zu bewegenden Baugruppe. Die für die Auslegung wichtigen Maße werden bemaßt und auf ungefähr passende Werte gesetzt. In diesem Beispiel ist die Höhe der dünnen Seite des Keils wichtig (so dünn wie möglich, aber nicht zu dünn soll die sein), außerdem die Länge des Keils, die hier etwas kleiner als die Anschraubfläche gesetzt wird. Der Keil soll auf der Anschlussfläche mittig sein und laut Berechnung eine Steigung von etwa 10° haben. Er bekommt eine eigene Farbe und, weil die Standardposition dargestellt wird, Volllinien. Die vertikale Lage des Keils bleibt vorerst variabel.

Passend zu diesem Keil wird der horizontal verschiebliche Betätigungskeil gezeichnet, mit einer eigenen Farbe und ebenfalls Volllinien. Die Kontaktflächen der beiden Keile werden kollinear gesetzt, auch der Betätigungskeil erhält eine Dicke an der dünnsten Stelle und vorerst eine Länge, damit die Linien nicht weglaufen. Er bleibt vorerst horizontal und vertikal verschieblich, da die vertikale Position erst durch die untere Endlage bestimmt wird und die horizontale Position während der Auslegung beweglich sein soll, um die Bewegung veranschaulichen zu können. Das Ergebnis zeigt Bild 1.3.

Keile in der Standardposition
Bild 1.3: Keile in der Standardposition

Als nächstes werden Kopien der beiden Keile für jede Endlage gezeichnet wie in Bild 1.4 und 1.5. Dabei erhält jede Kopie die Farbe ihrer Vorlage. Der Übersichtlichkeit halber kann man die beiden Kopien neben dem Einbauort zeichnen und erst zum Schluss mit Beschränkungen an den Einbauort schieben. Der Linientyp jeder Endlage wird für alle dieser Endlage zugeordneten Kopien verwendet. Die Maße der Keile werden mit der Vorlage gleichgesetzt. Die Unterseiten der horizontal verschieblichen Keile werden für alle 3 Exemplare kollinear gesetzt, die Oberseiten mit der jeweiligen Gegenkontur des fest montierten Keils. Die fest montierten Keile werden mit der Oberseite an die zugehörige Anschraubfläche der Endlage kollinear gesetzt und erst zum Schluss mit der Vorlage horizontal ausgerichtet, z. B. durch Kollinearität mit einer senkrechten Endlinie. Die Endlagenkeile sind damit vollständig bestimmt und nur noch die Keile für die Standardposition können verschoben werden.

Keile für obere Endlage
Bild 1.4: Keile für obere Endlage
Keile für untere Endlage
Bild 1.5: Keile für untere Endlage

Keile dimensionieren

Bei den so übereinander liegenden Endlagenkonturen kann jetzt festgelegt werden, wie weit die Keile in den Endlagen überdecken sollen. Dazu wird im Beispiel die Länge des treibenden Keils auf Referenzmaß umgestellt und ein Maß für die Überdeckung bzw. die Reduktion der Überdeckung in jeder Endlage angesetzt wird. Ich nehme hier den Abstand zur flachen Seite des Betätigungskeils in der untersten Position und den Abstand zur hohen Seite des Betätigungskeils in der höchsten Position, wie in Bild 1.6 zu sehen. Die Höhe der Keilunterseite und die Länge des Betätigungskeils werden durch diese beiden Maße zwingend festgelegt und kann nur noch durch Änderung der Umgebung oder der Keildicken direkt beeinflusst werden.

Ab diesem Punkt kann das Keilpaar der Standardposition durch Ziehen für die realistische Simulation der Bewegung verwendet werden. Wird dieser Freiheitsgrad nicht mehr benötigt, kann der obere Keil mit der Montagefläche in Standardposition kollinear gesetzt werden.

Überdeckungsreduktion in den Endlagen
Bild 1.6: Überdeckungsreduktion in den Endlagen

Nun können sämtliche Auslegungswerte der Keilverstellung beliebig angepasst werden, um die optimale Kombination zu finden. Durch Anpassung von Winkel und Keildicken kann der benötigte Bauraum in der Höhe gesteuert werden, durch Winkel, Keillänge und Überdeckung der Bauraum in der Breite sowie der Hub. Auch die Eingangswerte, zum Beispiel der auszuführende Hub, können natürlich angepasst werden.

Der Verstellweg des treibenden Keils kann als Eingangsgröße für die Auslegung beispielsweise eines Zylinders verwendet werden. Dann passt auch der Hub des Aktors immer zur Keilgeometrie. Die Bauteile werden wie gewohnt abgeleitet und in der Baugruppe mit realistischen Einbaubedingungen beweglich und ggf. mit Positionsansichten eingebaut, dann passen die beteiligten Bauteile immer zusammen, auch nach Änderungen.

Schlusswort

Dieses Beispiel ist bewusst einfach gehalten, um das Prinzip schnell und übersichtlich präsentieren zu können. Natürlich können auch Mehrfach-Keile, schräge Bolzenführungen, mitlaufende Befestigungen, Klemmungen oder unzählige andere ähnlich funktionierende Bewegungsmechaniken auf diese Weise entworfen werden. Entscheidend ist, dass für jede relevante Lage eine Situationskontur gezeichnet wird und die dadurch vorliegenden mehreren Instanzen derselben Bauteile maßlich synchronisiert werden. Ich hoffe, dass diese Anleitung einigen Konstrukteuren bei ihrer Arbeit hilft.

Falls Sie tiefergehende Beratung oder Schulungen zu CAD-Methoden benötigen, klicken Sie bitte auf Kontakt.

Sie können auch gerne die Kurzpräsentation zum Thema herunterladen. Sie darf in unveränderter Form unter Nennung der Quelle frei verwendet werden, auch kommerziell (Lizenz: CC BY-ND).

Das Modell im Zustand zum Ende dieses Tutorials können Sie ebenfalls herunterladen.

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Das Video: https://youtu.be/WwJPTcy2ekY

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