Bewegliche Unterbaugruppen im Skizzenskelett auslegen
Unterbaugruppen, die in sich beweglich sind, schnell dimensionieren
Links zum Thema: Das Video über Zylinderauslegung im Skizzenskelett und die Kurzpräsentation als PDF.
Zylinder und ähnliche bewegliche Teile effizient entwerfen
Wenn bewegliche Komponenten in einer Baugruppe vorgesehen sind, ändern sich deren Parameter oft während des Entwurfsprozesses. Wird von Anfang an mit vorgefertigten Modellen, z. B. importierten Modellen der Hersteller, gearbeitet, bedeutet jede Änderung der Dimensionierung einigen Aufwand. Außerdem kann es leicht zu Fehlern kommen, wenn sich der Entwurf ändert, aber das importierte Modell noch nicht ausgetauscht wurde. Bei Maßanfertigungen stehen die Modelle der Zulieferer natürlich auch erst lange nach der Entwurfsphase zur Verfügung, und für Anfragen muss von den betroffenen Teilen oft eine Anfragezeichnung erstellt werden.
Werden zu importierende Komponenten erst zum Ende der Entwurfsphase eingebaut, steigt das Fehlerrisiko, weil Bauraumkonflikte oder Auslegungsfehler leicht übersehen werden.
Die Skelettmodellierung bietet hier eine einfache Lösung, wie wir schon in der Entwurfsphase funktionsfähige und aussagekräftige Modelle von Katalogteilen in Baugruppen verwenden können, ohne dadurch bei Geometrieänderungen zusätzlichen Änderungsaufwand zu haben.
Dazu bauen wir ein skelettgesteuertes Ersatzmodell ein, der alle für den Entwurf wesentlichen Merkmale enthält und dabei vollständig vom Skelett gesteuert wird. Erst wenn die Geometrie endgültig fest steht, bauen wir die Importmodelle der Zulieferer ein. Dieses Tutorial zeigt am Beispiel eines einfachen Zylinders, wie man dabei vorgehen kann.
Bewegungsvorgaben der Umgebung
Bevor der Zylinder selbst entworfen werden kann, müssen die gestellten Anforderungen skizziert werden. Vorgesehene Anbindepunkte in den umgebenden Bauteilen müssen entworfen werden. Von beweglichen Anbindungen müssen die für die Auslegung relevanten Elemente in allen wichtigen Positionen gezeichnet werden, also mindestens in beiden Endlagen. In diesen Umgebungsskizzen können bereits Maße, ggf. als Referenzmaße, eingetragen werden, die als Eingangsgrößen für die überschlägige Berechnung verwendet werden.
Im Beispiel soll der Zylinder auf einer Fläche mit Lagerböcken und einem Schwenkzapfen befestigt und an seine Last mit einem Gelenkauge gekoppelt werden. An der Lastseite sind dafür Laschen vorgesehen. Bild 1.1 zeigt diese Ausgangslage. In einem echten Entwurf wären natürlich wesentlich mehr Bauteile der Umgebung gezeichnet, das habe ich in diesem Beispiel der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Außerdem habe ich die Auslegung direkt in der Zylinderbaugruppe gezeichnet, die wäre normalerweise im Skelett der Elternbaugruppe und würde in die Zylinderbaugruppe selektiv abgeleitet.
Für den Zylinder wird eine neue Skizze angelegt. Die für die Zylinderauslegung relevanten Elemente der Umgebung werden projiziert. In diesem Fall sind das nur die Mittelpunkte des Gelenkauges in den Endlagen. Soll die Lage des Schwenkzapfens passend zur Anschraubfläche festgelegt werden, wird diese ebenfalls benötigt. Der Hub wird, wie in Bild 1.2 zu sehen, als Referenzmaß eingefügt. Es bietet sich an, den Parameter zu benennen. Wenn Reservehub geplant ist, werden entsprechende Punkte versetzt zu den Referenzpunkten gezeichnet und alle den Hub betreffenden Maße an diesen statt an den Referenzpunkten angesetzt.
Auslegungsdaten des Zylinders abbilden
Als nächstes werden die Schnittstellen des Zylinders eingezeichnet. Dabei beschränken wir uns auf die für Funktion und Bauraumplanung relevanten Element. Vom Gelenkkopf benötigen wir den Bolzendurchmesser (kleiner Kreis), den Abstand von Bolzenmitte zum formalen Stangenende (senkrechte Linie) und den Außendurchmesser des Gelenkkopfes, wie Bild 1.3 zeigt. Außerdem wird die Befestigung des Zylindergehäuses, in diesem Fall ein Schwenkzapfen in der Seitenansicht als Kreis, eingezeichnet. Das Maß zur Befestigungsfläche ist das steuernde Maß. Das Maß zum Stangenende sollte als Referenzmaß erzeugt werden, um die Einhaltung des zulässigen Bereichs gemäß Katalog zu kontrollieren.
Der Kolben wird, soweit die Länge und das Dichtsystem nicht bekannt sind, einfach mit Länge = Durchmesser gezeichnet (Bild 1.4), ansonsten können hier natürlich auch Bauräume für Dichtungen gezeichnet werden. Kolbendurchmesser und Stangendurchmesser sind aus der Berechnung bzw. dem Katalog bekannt, die Stange sowie das meist vorhandene Stangengewinde können an die schon gezeichnete Stangendendlinie angeschlossen werden, die durch die Koinzident-Bedingungen am Ende ihre bisher undefinierte Länge erhält. Stange und Kolben werden symmetrisch zur Mittellinie beschränkt, so dass nur noch die Länge der Kolbenstange offen ist.
Beim Gehäuse entscheidet sich der Arbeitsaufwand bei Änderungen: Die Abhängigkeit der Gesamtlänge von Gehäuselänge und Hub muss abgebildet werden. Dafür benutze ich wie in Bild 1.5 zu sehen einen Punkt, an dem sowohl das Katalogmaß für die Gehäuselänge (oft L0 bezeichnet) als auch der von den Eingangsreferenzen per Referenzmaß übernommene Hub angesetzt werden. So passt sich das Gehäuse immer dem Hub der Eingangsreferenzen an. Das Maß für die Gesamtlänge wird üblicherweise vom Gehäuseende bis zum Stangenende exclusive Gewinde definiert. In diesem Beispiel habe ich das Gehäuse stark vereinfacht als Rechteck mit den Außenmaßen nach Katalog gezeichnet, weil meist für den Entwurf nur die größten Außenmaße relevant sind. Wenn die tatsächliche Kontur von Boden, Kopf, Rohr und Zwischenflansch relevant sind, kann man die natürlich auch einbringen.
Das Innenleben des Gehäuses besteht in dieser vereinfachten Betrachtung dann nur noch aus dem Hubraum, der von der Kolbenoberfläche aus gesehen nötig ist, um den Hub zu ermöglichen. Auch hier wird das Hubmaß übertragen. Wenn der genaue Aufbau von Kopf und Boden nicht bekannt ist, werden die Maße einfach gleichgesetzt, womit die Zylinderskizze vollständig definiert ist.
Im Beispiel wird auf eine zweite Ansicht für die Breiten der Bauteile verzichtet, bei einem Produktivmodell würde man die natürlich ebenfalls im Skelett zeichnen und nicht im Bauteil.
Die Einzelteile für Kolben und Gehäuse werden wie gewohnt abgeleitet (Bild 1.6 und 1.7).
Wenn Kolben und Gehäuse später durch Importmodelle ersetzt werden sollen, bietet es sich an, im Skelett an beiden Enden des Hubes Ebenen ("Hub Anfang" und "Hub Ende") zu platzieren gemäß Bild 1.8, um darauf später die Bewegungsreferenzen aufzubauen. Dadurch werden direkte Referenzen auf das Ersatzmodell vermieden. Im Kolbenbauteil wird entsprechend eine Ebene auf den Anbindepunkt (z. B. Mitte Gelenkauge) erzeugt wie in Bild 1.9.
Zusammenbau
In der Baugruppe wird das Gehäuse je nach Einbauart fixiert oder mit entsprechend beweglichen Bedingungen eingebaut. Der Kolben wird mit seiner Mittelachse auf die Mittelachse des Gehäuses eingebaut und die Rotation mit Einbaubedingungen auf Hauptebenen beschränkt. Um den realen Hub abzubilden, werden von beiden Enden des Hubes aus planare Abhängigkeiten mit Mindest- bzw. Maximalabstand (je nach Normalenrichtungen der Ebenen) 0 eingesetzt. Beim Einbau mit Hubend-Ebenen sieht das so aus wie in Bild 1.10 und 1.11, eine Baugruppen-Arbeitsebene kann zur Entkoppelung der Hubend-Bedingungen vom Ersatzbauteil verwendet werden, das Ersatzbauteil und später das importierte "echte" Modell werden auf diese Ebene eingebaut. Der Kolben ist dann genau im Bereich des definierten Hubes beweglich. Die genaue Platzierung kann dann entweder über flexiblen Einbau und die Elternbaugruppe erfolgen oder durch eine weitere Bedingung, die den konkreten Hubwert setzt. Gegebenenfalls vorgesehene Stangenenden wie Gelenkaugen können nach Bedarf z. B. auf die Kolbenstange eingebaut werden. Im Beispiel nehme ich einfach einen importierten, aber wenn die Größe noch variabel sein soll bietet sich auch hier ein Ersatzmodell an.
Die Lagerböcke können als neue Skizze im Skelett zwischen die Umgebung und den Schwenkzapfen gezeichnet werden, wie in Bild 1.12.
Wenn sich nun die Eingangswerte ändern, folgen die Längen von Kolbenstange, Gehäuse und Bewegungsbereich immer konsistent, wie man an den Bildern 1.13 bis 1.15 sehen kann. In Bild 1.14 ist die nicht aktualisierte Baugruppe mit dem schon geänderten Skelett gezeigt, um den Umfang der Veränderungen zu veranschaulichen.
Schlusswort
Ich hoffe, an diesem stark vereinfachten und aus dem Zusammenhang gerissenen Beispiel ist das Prinzip klar geworden. Es lässt sich auf viele andere bewegliche Teile übertragen, bei denen eine ähnliche Abhänigkeit von Eingangsgeometrie vorliegt. Durch diese Arbeitsweise können Bewegungsverläufe mit sehr geringem Aufwand von Beginn des Entwurfs an bis zum Ende der Detaillierung anschaulich und fehlersicher gezeigt, geplant und kontrolliert werden.
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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).
Die Modelle im Zustand zum Ende dieses Tutorials können Sie ebenfalls herunterladen (der fehlende Gelenkkopf CGAS 40 muss von Bosch-Rexroth runtergeladen werden).
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Das Video: https://youtu.be/QUudKPZZFMw