1 Zusammenfassung

2 Projektplan

3 Anforderungen an die Neuentwicklung

6 Berechnungen

10 Fertigungsunterlagen ( Nicht im Netz verfügbar )
 
 
 
 

1 Zusammenfassung

In der vorliegenden Arbeit wird der Weg von einer vagen Aufgabenstellung zu den Fertigungsunterlagen eines neuen Produktes beschrieben. Die Aufgabe war es, ein Gerät zur Inspektion und Wartung von Klimakanälen zu entwickeln.

Der erste Schritt ist die Aufstellung eines Projektplans, indem die einzelnen Projektschritte und der geplante Zeitaufwand für diese aufgestellt sind. Danach wird die Marktsituation beschrieben. Mittels Befragung potentieller Kunden und Sichtung von Herstellerunterlagen von Lüftungsbaufirmen wird eine Anforderungsliste erarbeitet. Für einen Überblick über die benötigten Funktionen des zu entwickelnden Produktes wird ein Funktionsplan erstellt. Eine mittels der Brainwriting Methode erstellte Morphologie liefert die Grundlage für die darauffolgende Phase der Lösungsbewertung und Auswahl. Im nächsten Schritt wird ein parametrisches Modell des Luftkanalroboters LuRo auf dem in der Firma neu eingeführtem 3-D CAE System Unigraphics Solutions erstellt. Parallel dazu werden einige Berechnungen zur Dimensionierung von kritischen Teilen des LuRo durchgeführt.

Das Ergebnis der Arbeit sind die aus dem 3-D Modell abgeleiteten Fertigungsunterlagen mit fertigungsgerechter Bemaßung, sowie die Stücklisten der einzelnen Module. Der LuRo ist ein sehr flexibel einsetzbares und modular aufgebautes Gerät für den harten gewerblichen Dauereinsatz. Er bietet die Möglichkeit Luftkanäle zu befahren, zu inspizieren und Arbeitsgeräte kontrolliert und Kamera überwacht an ihrem Einsatzort zu befördern. Zusammen mit der entwickelten Bürsteinheit ist der LuRo eine gute, brauchbare und schnelle alternative zu den bisher verwendeten Techniken.

Die bei der Einführung des 3-D Systems aufgetretenen Probleme und errungenen Vorteile werden kurz in Abschnitt 8 Methodenkritik 3-D CAD zusammen gefaßt.

Diese Diplomarbeit entstand in Zusammenarbeit mit der Firma DTI Dr. Trippe Ingenieurgesellschaft mbH, die Roboter zur Sanierung von Abwasserkanälen und die zugehörigen Einsatzfahrzeuge entwickelt. Das Konzept der Firma ist es robuste Geräte herzustellen die einfach zu bedienen und wartungsarm sind. Der neue LuRo kann an dem vorhandenen Mobilsteuerstand, der für Abwasserkanalroboter benutzt wird, angeschlossen werden.

Der Projektplan für die Entwicklung des Gerätes zur Inspektion und Wartung von Luftkanälen wird in Zusammenarbeit mit der Geschäftsleitung und dem Leiter der Konstruktion von DTI erstellt. Er gliedert sich wie folgt:

1 Erstellung der Anforderungslist
   Zeitbedarf ca. 3 Wochen

Durch Marktrecherche
Durch Gespräche mit potentiellen Kunden
Durch Literaturrecherche im Internet

3 Bewertung der verschiedenen Lösungsansätze
   Zeitbedarf ca. 3 Wochen

Bewertung der Lösungsvorschläge
Auswahl eines Entwurfes für die Weiterentwicklung

Erstellen von 3-D Modell
Ableiten der Konstruktionszeichnungen für den Prototypenbau

Bau des Prototyps
Parallel dazu weitestgehende Fertigstellung der schriftlichen Ausarbeitung

3 Anforderungen an die Neuentwicklung

In diesem Kapitel wird beschrieben, auf welchem Weg die Anforderungsliste für die Aufgabe entsteht.
 

3.1 Marktrecherche

1. potentielle Kunden befragt, die schon länger im Bereich der Klimaanlagenwartung tätig sind.
2. im Internet nach bereits vorhandenen Konkurrenzprodukten im Bereich der Luftkanalwartung gesucht.

Der Stand der Technik im Bereich der Kanalreinigung ist: Die vorhandenen Verschmutzungen in den Luftleitungen von Klimaanlagen werden mit einfacher Bürstentechnik gelöst und mit Hilfe eines am Ende der Rohrleitung angeschlossenen großen und leistungsstarken Staubsaugers aus der Anlage entfernt. Zu Bürsten werden oft flexible Wellen eingesetzt. Die Vorteile dieser Hilfsmittel sind die einfache Bedienung und die geringen Anschaffungskosten. Die Nachteile sind jedoch, daß der Staubsauger schwer zu transportieren ist, daß man sämtliche Abzweigungen und Lüftungsgitter zwischen Bürstwerk und Staubsauger verschließen muß, und daß die Reichweite dieser Systeme aufgrund der Strömungsverluste in den Kanalrohren sehr begrenzt ist. Außerdem ist zur Dokumentation des Reinigungserfolges ein zweiter Arbeitsgang mit einer Kamera erforderlich. Die Kamera wird dazu an einem Kabelaal, oder einem Roboterfahrzeug montiert.
Im Bereich der Roboterfahrzeuge zur Luftkanalreinigung sind nur zwei nennenswerte Produkte vorhanden. Zum einen der Bandy II von der Firma AirTec GmbH und zum anderen das Fahrzeug der Firma Danduct. Sie sind in den folgenden Abbildungen zu sehen. Zu beiden Systemen sind auch Anbaumodule zum Bürsten erhältlich. Bei der Befragung von Firmen, die diese Produkte einsetzen, ergibt sich jedoch, daß diese Roboterfahrzeuge sehr störanfällig sind. Außerdem werden die angebotenen Bürstmodule in der Praxis selten eingesetzt, da sie zu unflexibel und zu leistungsschwach sind.

Abbildung 1: Roboterfahrzeug Bandy II

Abbildung 2: Roboterfahrzeug der Firma Danduct
 
 

3.2 Befragung potentieller Kunden

Welcher minimale Kurvenradius soll bewältigt werden?

Welche Steigungen sollen überwunden werden?

Welche sonstigen Hindernisse müssen überwunden werden?

Welche Reichweite soll das Roboterfahrzeug haben?

Welche Arbeiten sollen im Lüftungsschacht ausgeführt werden?

Was stört Sie besonders an den bisher eingesetzten Produkten?

Was gefällt Ihnen an den eingesetzten Produkten?

Haben Sie noch andere Wünsche, welche das Produkt erfüllen soll?

Wünschen Sie eher ein extrem zuverlässiges high end Produkt oder eher ein sehr einfaches und preiswertes Sparprodukt?

3.3 Anforderungsliste

Im Rahmen der Diplomarbeit liegt der Schwerpunkt auf der Entwicklung eines Basisgerätes für die in der Praxis am häufigsten vorkommenden Luftkanäle. Diese haben einen flachen rechteckigen Querschnitt und werden unter Zwischendecken montiert. Das Gerät muß jedoch auch einfach für die restlichen Querschnittsbereiche, die in der Anforderungsliste aufgelistet sind, umgerüstet werden können.
 

1	Geometrie	Zu bewältigende Querschnitte	Rund Ø300mm bis Ø600mm	m
			Rechteck 250mm x 220mm bis  600mm x 600mm	m
			Rund <Ø300mm	w
			Rund >Ø600mm	w
			Rechteck <250x220	w
			Rechteck >600mm x 600 mm	w
		Minimaler Kurvenradius	90°Bogen in Ø300mm Rohr	m
		zu überwindende Hindernisse	1 cm Stufen	m
			2 cm Stufen	w
			Durchmessersprünge	w
		Anbaumöglichkeit für Module	zum Entstauben	w
			zum Entfetten	w
			zum Beschichten	w
			zur Entfernung von Styropor	w
			zur Entfernung verkrusteter Ablagerungen	w
2	Kinematik	Bewegung des Fahrzeugs	vorwärts / rückwärts	f
			Kurve links bzw. rechts	f
			Steigung bis 45°	m
			senkrecht	w
		Geschwindigkeit	>5m/Minute	f
			stufenlos regelbar	f
		Reichweite	>50m	m
			>80m	w
3	Statik und Dynamik	darf Kanalrohre nicht verformen		f
		maximales Gewicht	<30 kg	m
			so leicht wie möglich	w
		Stoßfest		w
		große Steifigkeit		w
		geringe Verformbarkeit		w
4	Energie	Elektrische Energie	Spannung < 48 V	m
		Pneumatische Energie	Druck <10 Bar	m
			Volumenstrom < 2 m³/min	m
		Länge der Versorgungsleitung	>50m	m
5	Stoff	alle Außenteile korrosionsfest		f
6	Signal	Fahrzeug	Bewegungsrichtung	f
			Geschwindigkeit	f
			Störung	f
			Position	w
			Bilderfassung der Umgebung	f
		Arbeitseinheit	An / Aus	f
			Bewegungsrichtung	f
			Geschwindigkeit	f
			Störung	f
			Position	w
7	Ergonomie	Bedienung	einfach	f
		Umrüstung	Schnell und einfach möglich	f
			gar nicht nötig	w
8	Herstellung	Verwendung von möglichst vielen Teilen aus dem Firmensortiment		w
		Montagefreundlich		w
		Reparaturfreundlich		w
9	Gebrauch und Wartung	Wasserdicht		w
		Explosionsgeschützt		w
		Wartung	Wartungsintervalle >3 Monate	m
			Wartungsfrei	w
10	Kosten	Herstellkosten	< 10.000 DM	m
11	Termin	Fertigstellung Juni 2000		w

 

4 Funktionsanalyse und Morphologie
 

4.1 Funktionsplan

4.2 Morphologie

In den auf die Morphologie folgenden Abschnitten werden die Vor- und Nachteile der einzelnen Lösungsmöglichkeiten für die wichtigsten Teilfunktionen Abstützen und Vortrieb erzeugen in Stichworten aufgelistet.

4.3 Vor- und Nachteile einzelner Lösungsmöglichkeiten zum Abstützen

Dreirad

Vorteile:

• Statisch bestimmt
• Wendig
• Klein
• Einfacher Aufbau

• Wenig Auflagefläche
• Kann ohne Verspannung keine großen Steigungen überwinden
• Kann ohne Verspannung nur wenig Kabel ziehen
• Bleibt hängen sobald ein Rad in eine Öffnung fällt
• Aufwendige Lenkung.

Vierrad

Vorteile:

• Einfacher symetrischer Aufbau
• Steuerung wie bei Raupenfahrwerk möglich
• Hat ein Rad mehr als benötigt (Redundanz)

• Wenig Auflagefläche

• Kann ohne Verspannung nur wenig Kabel ziehen
• Kann ohne Verspannung keine großen Steigungen überwinden

Vorteile:

• Große Auflagefläche
• Wendig
• Panzersteuerung möglich

• Stellt sich häufig an Hindernissen auf
• Um die Vorteile eines Raupenantriebs zu nutzen, ist eine aufwendige Ketten- bzw. Riemenführung nötig.

Scherenprinzip mit 2 Armen in einer Ebene

Vorteile:

• Hohe Zugkraft im Rohr
• Einfache Erzeugung der Spannkraft mit Hilfe von Spannkissen möglich

• Lange Bauform
• Wenig Platz für Anbaumodule
• Zentrische Durchführung von Versorgungs- und Signalleitungen erschwert

Scherenprinzip mit 3 Armen in 3 Ebenen

Vorteile:

• Zentriert sich in runden Rohren selbständig
• Kann Hindernisse überwinden
• Gute Steigfähigkeit durch die Verspannung im Rohr
• Durch das Scherenprinzip können Anschlußöffnungen überfahren werden

• Aufwendiger Aufbau
• Lange Bauform
• Wenig Platz für Zusatzmodule
• Kann keine engen Rohrbögen befahren
• Kann keine Rohre mit rechteckigem Querschnitt befahren

Scherenprinzip mit 4 Armen in 2 Ebenen

Vorteile:

• Zentriert sich im Rohr selbstständig
• Kann Hindernisse überwinden
• Besitzt eine gute Steigfähigkeit durch die Verspannung im Rohr
• Durch das Scherenprinzip können Anschlußöffnungen überfahren werden

• Aufwendiger Aufbau
• Lange Bauform
• Nur geringe Durchmessersprünge möglich

Zwei Radpaare an den Ecken eines Tetraeders

Vorteile:

• Einfacher Aufbau
• Wendig
• Statisch bestimmt
• Geringer Bauraum
• Kurvengängig
• Sehr einfacher Aufbau möglich

• Kann keine Hindernisse überwinden

• Schwierig zu lenken, kritisches Fahrverhalten in runden Querschnitten
• Bleibt hängen, sobald ein Rad in eine Öffnung fällt.

Mit Bürsten im Kanal abstützen

Vorteile:

• Große Auflagefläche
• Paßt sich gut an Oberflächenunebenheiten an

• Mögliche Widerhakenfunktion der Borsten

• Antrieb besonders aufwendig
• Lenkung schwierig bis unmöglich

Mit Saugnäpfen

Vorteile:

• Hohe Haftkräfte möglich

• Funktioniert nur bei glatter und sauberer Oberfläche

Magnetisch festhalten

Vorteile:

• Hohe Haftkräfte möglich
• Wenig mechanische Bauteile nötig

• Bei dickeren Isolationen nicht mehr genügend Anziehungskraft
• Magnete haften nur an ebenen Flächen kräftig genug

4.4 Vor- und Nachteile einzelner Lösungsmöglichkeiten zum Erzeugen des Vortriebs

Vortrieb mittels Zugseil

Vorteile:

• Keine Energiewandlung im Luftkanal nötig
• Sehr einfacher Aufbau

• Hohe Reibung des Seiles bei Rohrbiegungen
• Seil muß erst in das Rohr eingebracht werden

Vortrieb durch angetriebene Räder

Vorteile:

• Einfacher Aufbau
• Hohe Geschwindigkeiten möglich

• Relativ geringe Auflagefläche

Durch ein Schreitwerk

Vorteile:

• Überwindung von größeren Hindernissen möglich
• Wendig

• Aufwendiger Aufbau
• Aufwendige Steuerung
• Geringe Geschwindigkeit
• Kleine Auflagefläche

Mit Raupenprinzip

Vorteile:

• Große Auflagefläche
• Hohe Geschwindigkeit möglich

• Relativ aufwendiger Aufbau
• Stellt sich gerne an Hindernissen auf und fällt auf den Rücken.

Durch das Rohr blasen

Vorteile:

• Kein eigener Antrieb im Luftkanal nötig

• Alle Öffnungen des Luftkanals müssen verschlossen werden
• Aufwendige Anpassung an unterschiedliche Rohrprofile nötig
• Keine exakte Positionierung möglich
• Besonders aufwendig für Rechteckquerschnitte
• Kann keine Rohrverengungen und keine Hindernisse überwinden.

5 Lösungsauswahl

Zur Lösungsauswahl werden für drei günstig erscheinende Prinzipkombinationen die folgenden Tabellen aufgestellt. Sie enthalten für jede bedeutende Eigenschaft das Gewicht in einer Skala von 1 bis 3 (je größer desto wichtiger), die Wertigkeit in einer Skala von 1 bis 4 (je größer desto besser). Die Summe aus den gewichteten Wertigkeiten ist eine mögliche Grundlage für die Lösungsauswahl.
 

Prinzipkombination A10, B1, C2, D3, E2, F1

Fahrwerk mit Rädern an den Ecken eines Tetraeders, einer schwenkbaren Farbkamera, pneumatischer Verspannung und gelenkter Mittelsäule
 

 

Eigenschaft	Gewicht	Wertigkeit	Gewicht * Wertigkeit
Geschwindigkeit	2	4	8
Positionierung	3	3	9
Vortrieb	3	4	12
Überwindung von Hindernissen	2	1	2
Überwindung von Durchmessersprüngen	2	1	2
Wendigkeit	3	2	6
Störsicherheit	3	3	9
Robustheit	2	3	6
Handhabung	2	3	6
Platz für Anbaumodule	2	3	6
Komplexheit des Aufbaus	1	4	4
Anpassung an verschiedene Rohrquerschnitte	2	2	4
Gesamtwertigkeit	74

Zwei elektrisch angetriebene Vierradfahrwerke mit zwei schwenkbaren Farbkameramodulen, pneumatischer Verspannung und Panzersteuerung
 

 

Eigenschaft	Gewicht	Wertigkeit	Gewicht * Wertigkeit
Geschwindigkeit	2	4	8
Positionierung	3	4	12
Vortrieb	3	4	12
Überwindung von Hindernissen	2	2	4
Überwindung von Durchmessersprüngen	2	1	2
Wendigkeit	3	3	9
Störsicherheit	3	3	9
Robustheit	2	2	4
Handhabung	2	2	4
Platz für Anbaumodule	2	2	4
Komplexheit des Aufbaus	1	1	1
Anpassung an verschiedene Rohrquerschnitte	2	3	6
Gesamtwert	75

Prinzipkombination A12, B6, C5, D3, E3, F3

Pneumatisch angetriebenes Gerät, das sich mit Hilfe des Regenwurmprinzipes im Rohr festhält und fortbewegt, mit einer schwarz - weiß Infrarot Kamera
 

 

Eigenschaft	Gewicht	Wertigkeit	Gewicht * Wertigkeit
Geschwindigkeit	2	1	2
Positionierung	3	4	12
Vortrieb	3	4	12
Überwindung von Hindernissen	2	2	4
Überwindung von Durchmessersprüngen	2	1	2
Wendigkeit	3	1	3
Störsicherheit	3	2	6
Robustheit	2	2	4
Handhabung	2	3	6
Platz für Anbaumodule	2	1	2
Komplexheit des Aufbaus	1	1	1
Anpassung an verschiedene Rohrquerschnitte	2	1	2
Gesamtwert	56

Für das Abstützen im Rohr kommt nur ein System in Frage, das einen sicheren Halt gewährleistet. Zum einem um sich deutlich von der Konkurrenz abzusetzen und zum anderen um bei leicht gebogenen Rohrleitungen genug Vortrieb für die geforderte Reichweite zu erzeugen.

Saugnäpfe fallen zu diesem Zweck aus, da die Oberflächen in Lüftungsanlagen häufig nicht sauber genug sind, um ausreichend Haftkraft zu erzeugen. Ein weiteres, für Saugnäpfen sehr schwierig zu lösendes Problem, sind Stoßkanten zwischen den einzelnen Rohrteilen.

Der Einsatz von Magneten ist in der Praxis auch kritisch, da nicht alle Rohre aus magnetischen Materialien bestehen. Magnete mit ebenen Oberflächen haften zudem nicht vernünftig an gekrümmten Rohroberflächen.

Für den wirtschaftlichen Einsatz ist eine möglichst schnelle Fortbewegung und die Möglichkeit während der Bewegung zu arbeiten nötig. Deshalb kann nur ein System zum Einsatz kommen, das den sicheren Halt auch während der Bewegung gewährleistet. Ein Verspannen mit Ringen oder Bürsten ist aus diesem Grund eher unpraktisch.

Die in geraden Abwasserkanälen bewährte Technik des Scherenfahrwerks ist zu lang und nicht wendig genug, um in Lüftungskanälen zum Einsatz zu kommen. Die Lösungen, die am praktikabelsten erscheinen, sind folglich einfache mit Rädern verspannte Fahrwerke.

Deshalb wird eine Variante mit den Rädern an den Ecken eines Tetraeders und eine aus zwei Vierrad- Fahrwerken in die engere Wahl gezogen. Die in rechteckigen Querschnitten pfiffige Lösung mit dem Tetraederaufbau zeigte bei einem einfachen Test in Rundrohren ein sehr kritisches Fahrverhalten. Wegen der schwer zu realisierenden Lenkung und der kleinen Auflagefläche der Tetraederlösung wird die Lösung mit zwei Vierradantrieben bevorzugt.

Aufgrund der einfachen Handhabung, und der verhältnismäßig flexiblen und leichten Zuleitungen sollen Elektromotoren eingesetzt werden. Eine Versorgung dieser Motoren aus Akkumulatoren ist aus Platz- und Gewichtsgründen, sowie der durch die Akkukapazität beschränkten Einsatzdauer nicht möglich. Pneumatische und hydraulische Energiebereitstellung hat den großen Nachteil der aufwendigen Versorgungsleitungen und der benötigten Pumpen bzw. Kompressoren im Steuerstand. Deshalb kommen sie für den Antrieb von Rädern in diesem Fall nicht in Frage, obwohl sie für ein Schreitwerk oder das Regenwurmprinzip nahezu ideal wären.

Damit eine Versorgungsleitung um mehrere Kurven gezogen werden kann ist eine hohe Zugkraft erforderlich. Um bei einer möglichst kleinen Verspannkraft eine möglichst hohe Zugkraft zu bewirken, müssen alle Räder angetrieben werden. Dies gewährleistet zudem die Möglichkeit, im verspannten Zustand Hindernisse zu überwinden. Zusätzlich kann so auch im Fall, daß nicht alle Räder aufliegen, Vortrieb erzeugt werden.

Das Prinzip des Durchblasens eignet sich nicht, da die Vorbereitungszeit vor dem Einsatz zu groß ist.

Das Gerät an einem Seil zu ziehen, scheitert an dem Aufwand, vorher ein Seil in den Kanal einzubringen.

Zur Richtungsänderung wird das Prinzip der Panzersteuerung vorgesehen. Dieses Prinzip erfordert keine zusätzlichen mechanischen Bauteilen und läßt sich mit einfachen Mitteln elektronisch verwirklichen. Auf die Möglichkeit zur ferngesteuerten Richtungsänderung kann man nicht verzichten, da man sonst nicht in der Lage ist, mit dem Gerät unterschiedlich breite Kanäle zu bearbeiten bzw. Abzweigungen zu verfolgen.

Die Preis- und Größenunterschiede zwischen den erhältlichen Monochrom- bzw. Farbkameramodulen im Vergleich zum Endprodukt ist sehr gering. Da eine Lösung, die nur Schwarz - Weiß Bilder liefert, einen billigen Eindruck macht, fiel die Entscheidung auf die Verwendung von Farbkameras. Um die Lagerkosten so gering wie möglich zu halten, sollen die Module, die schon bei DTI verbaut werden, zum Einsatz kommen.

Zur Beleuchtung werden Leuchtdioden eingesetzt. Die Leuchtdioden sind zwar deutlich teurer als herkömmliche Glühbirnen, wiegen diesen Nachteil aber durch die längere Haltbarkeit auf. Außerdem sind sie stoßfest und entwickeln dank ihres besseren Wirkungsgrades weniger Abwärme. Ein weiterer großer Vorteil der Leuchtdioden ist deren geringe Bautiefe, da sie keine zusätzlichen Reflektoren benötigen.

Da es unmöglich erscheint, ein Reinigungsgerät zu entwickeln, mit dem man alle Arten von Verschmutzungen entfernen kann, wird eine einfache Schnittstelle zum Anschluß von verschiedenen Arbeitsmodulen vorgesehen. Im Rahmen meiner Diplomarbeit wird aus Zeitgründen nur ein einfaches Bürstwerk entwickelt, das jedoch problemlos durch andere Module ersetzbar ist.

6 Berechnungen

6.1 Lagerlebensdauerberechnug der Radlager

Gegeben sind:

Die Lagermittelpunktsabstände: , , 
Raddurchmesser: 
Zähnezahl des Zahnrades: 
Modul des Zahnrades: 
Eingriffswinkel des Zahnrades: 
Maximales Abtriebsmoment: 
Drehzahl: 
Radandruckskraft: 
Lagertragzahlen der Kugellager: , 
 

Kräfte am Zahnrad:
 

Kräftegleichgewicht in y Richtung

Daraus ergeben sich die resultierenden Radiallagerkräfte  und 

mit für Kugellager ergibt sich für die beiden Lager eine Lebensdauer von  mio Umdrehungen ,  mio Umdrehungen. Bei einer Tagesarbeitszeit von 8 Stunden und 300 Arbeitstagen pro Jahr ergeben sich für Lager A 6 Betriebsjahre und für Lager B 6927 Betriebsjahre. Trotz der hohen Lebensdauer des Lagers B ist es aus Herstell- und Montagegründen nicht sinnvoll, ein kleineres Lager einzusetzen.

6.2 Zylindrische Presspassung

Gegeben:

Nenndurchmesser: 
Länge der Presspassung: 
Außendurchmesser der Nabe: 
Zu übertragendes Moment: 
Material der Welle: 
Material des Zahnrades: 
Rauhtiefe von Welle und Nabe: 
Querkontraktionszahl für Stahl: 
Elastizitätsmodul für Stahl: 
Wärmeausdehnungskoeffizient: 
Raumtemperatur: 
Haftreibungsbeiwert für Stahl: 
Streckgrenze V2A: 
Streckgrenze 9SMn28K: 
 
 

Der minimal erforderliche Fügedruck ergibt sich aus

mit

Das mindestens erforderliche wirksame Übermaß () ergibt sich bei einer Vollwelle zu

Um die zu fertigenden Passmaße  und  zu erhalten, muß zu den oben ermittelten wirksamen Übermaßen der durch die Glättung von Oberflächenrauheiten beim Fügen entstehende Übermaßverlust addiert werden.

Bei der gewählten Passung 10 H7 u6 ergeben sich Übermaße von  und . Das führt zu einer Fügetemperatur von mindestens

7 Das Produkt

Um den Fertigungsaufwand und die Lagerkosten so klein wie möglich zu halten, werden möglichst wenig neue Einzelbauteile verwendet. Die elektrischen Steckverbindungen, die Antriebsmotoren und die Kameramodule werden auf Typen beschränkt, die schon im Firmensortiment vorhanden sind. Ein Großteil der verwendeten Kugellager und Dichtungen ist ebenfalls schon Bestandteil anderer Produkte. Alle Eigenbauteile sind auf den vorhandenen Maschinen mit den vorhandenen Werkzeugen leicht zu fertigen. Außerdem wiederholen sich große Teile der NC-Programme zur Fertigung der Einzelteile. An dem in der Produktpalette vorhanden Mobilsteuerstand sind nur kleine Änderungen nötig, um ihn auch für den LuRo einsetzen zu können.

Die Gestehungskosten für den LuRo zusammen mit dem entwickelten Bürstmodul liegen bei Einzelfertigung bei ca. 9000 DM. Dieser Preis ergibt sich aus den zum Teil geschätzten Herstellkosten von Eigenbauteilen, sowie den Einkaufspreisen für Zukaufteile, welche in den Stücklisten aufgeführt sind. Bei größerer Nachfrage können die Herstellkosten deutlich gesenkt werden. Zum einen durch günstigere Einkaufspreise und zum anderen indem verschiedene Teile nicht mehr gefräst werden, sondern im Spritzgußverfahren hergestellt werden.

Abbildung 3: Explosionsansicht des LuRo
 

7.1 Gesamtaufbau

Der obere Teil enthält zwei schwenkbare Farbkameramodule mit der dazugehörenden Diodenbeleuchtung. Beide Fahrwerkseinheiten sind über zwei Pneumatikzylinder miteinander verbunden. Für besonders flache Querschnitte ist es möglich, den unteren Teil auch eigenständig zu betreiben. Dadurch verliert man aber die Vorteile des sicheren Haltes im Rohr und den der hohen Zugkraft. Zusätzlich muß man in diesem Fall eine kleine Kamera mit integrierter Beleuchtung montieren.
 
 

7.2 Verspannmechanismus

Da im Luftkanal nur sehr wenig Platz zur Verfügung steht, werden beim LuRo zwei einfach wirkende Pneumatikzylinder mit verstärkten Kolbenstangen und vergrößerter Führungslänge eingesetzt, damit auf eine zusätzliche Führung verzichtet werden kann. Um ein Verkanten der Pneumatikzylinder zu vermeiden und eine optimale Auflage der Räder an eine unebene Kanaloberfläche zu ermöglichen, werden zwischen der oberen Einheit und den Kolbenstangen Gummidämpfer montiert. Für die größeren Rohrquerschnitte können die Pneumatikzylinder mit wenigen Handgriffen und ohne die gedichteten Fahrwerksgehäuse zu öffnen durch längere Modelle ersetzt werden. Dadurch wird dann auch die Überwindung größerer Durchmessersprünge möglich. Der Luftdruck in den Pneumatikzylindern wird vom Operateur über einen Druckminderer am Steuerstand in einem Bereich von 0-6 Bar eingestellt. Das führt bei dem Kolbendurchmesser von 30 mm zu einer maximalen Anpresskraft der Fahrwerke von ca. 450 N. Zum Verspannen werden keine Federn verwendet, um ein Festhaken des Fahrwerks im Störfall zu vermeiden.

7.3 Antrieb und Lenkung

7.4 Kameras mit Beleuchtung

Für die nötige Beleuchtung des Kanals sorgen pro Kameramodul 36 ultrahelle weiße Leuchtdioden, die in der Kameraabdeckung vergossen werden. Diese Leuchtdioden bieten bei einer hohen Lichtausbeute gleichzeitig eine verhältnismäßig niedrige Abwärme und eine hohe Lebensdauer. Außerdem sind sie im Gegensatz zu herkömmlichen Glühbirnen stoßunempfindlich.

7.5 Arbeitsmodul zum Bürsten

Auf den folgenden Seiten sind einige Ansichten des LuRo mit und ohne montiertes Bürstmodul zu sehen. Um mehr Details erkennen zu können, sind die Gehäuseteile zum Berechnen der Bilder durchsichtig gewählt. Im fertigen Produkt sind diese jedoch aus Aluminium.

Abbildung 4: Explosionsansicht des Bürstmoduls

Abbildung 5: LuRo mit montiertem Bürstmodul von hinten

Abbildung 6: LuRo in kleinst möglichem rechteckigem Rohrquerschnitt

Abbildung 7: LuRo von der Seite
 

8 Methodenkritik 3D CAD

8.1 Kosten eines 3D CAD-Systems

• Softwarekosten: Ein leistungsstarkes 3D CAD System ist verglichen mit einem 2D System um den Faktor 3 bis 6 mal teurer.

• Hardwarekosten: Ein leistungsstarkes 3D CAD System erfordert zusätzlich bessere und somit teurere Computer Hardware (3D Visualisirung). Die Mehrkosten hängen hierbei stark von dem Anspruch an die Visualisierungsleistung ab. Sie reichen von Mehrkosten von ca. 500 DM für eine PC 3D Grafikkarte bis zu 7- stelligen Summen für spezielle Grafik-rechner.

• Schulungskosten: Ein weiterer Nachteil von 3D Software ist es, daß das Konstruieren mit ihr erst neu erlernt werden muß, da sich die ebene Arbeitsweise am Zeichenbrett und an 2D Systemen deutlich von der volumenorientierten Arbeit an einem 3D System unterscheidet. Dies führt dazu, daß Mitarbeiter erst geschult werden müssen, um ein solches System in der Praxis einsetzen zu können

• Konvertierungskosten: Weitere Schwierigkeiten bei der Einführung ergeben sich bei der Übertragung von 2D CAD Daten auf das 3D System, da es in der Regel nicht möglich ist die verschiedenen Ansichten in einer 2D Zeichnung automatisch in ein 3D Volumenmodell zu transformieren. Dies bedeutet, daß für die Anfangszeit ein paralleles Verwenden von zwei Systemen notwendig ist.

8.2 Nutzen eines 3D Systems

• Visualisierungs-Nutzen: Es ist möglich, schon vor der Fertigstellung eines Produktes fotorealistische Bilder des Produktes zu erzeugen. Damit ist schnell und einfach ein anschauliches Modell erhältlich. Der Vorteil für den Konstruktionsprozeß liegt darin, daß die Möglichkeit besteht frühzeitig die Verknüpfungsbedingungen einzelner Bauteile zu überprüfen um Kollisionen zu vermeiden. Die größere Übersichtlichkeit eines 3D Modells im Vergleich zu einer 2D Zeichnung ermöglicht eine erheblich schneller Realisierung komplexer Bauteile.

• Fehlervermeidungs-Nutzen: Das bei fast allen 3D Systemen verwendete Master Model Konzept (alle Zeichnungen und Ansichten werden direkt aus den 3D Daten abgeleitet) hat den Vorteil, daß bei einer Änderung des 3D Modells alle davon abgeleiteten Ansichten und Zeichnungen automatisch entsprechend geändert werden. Fehler, die in der Praxis mit 2D Systemen beim Erzeugen der verschiedenen Ansichten häufig entstehen, werden so verhindert.

• Fertigungs-Nutzen: Die Integration der Planungsdaten in den Fertigungsprozeß kann durch die Verwendung eines 3D CAD Systems besser unterstützt werden. So ist es zum Beispiel mit entsprechenden Zusatzmodulen verhältnismäßig einfach, aus den 3D Daten Steuerprogramme für vorhandene CNC - Maschinen oder auch für Rapid-Prototyper abzuleiten. Dies ermöglicht einen schnellen und kostengünstigen Prototypenbau.

• Ableitungs-Nutzen: Der parametrische Aufbau der 3D Daten ermöglicht zusätzlich ein einfaches und schnelles Erzeugen von Baureihen. Indem man bei bereits bestehenden Konstruktionen nur einzelne Parameter variiert erhält man fertige Konstruktionsunterlagen für abgeleitete Baugruppen.

9 Literaturverzeichnis

W. Breitz und K.- H. Grote
Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau
Springer, 19. Auflage

K.+ R. Gieck
Technische Formelsammlung
Gieck Verlag, 30. deutsche Auflage

Mädler GMBH
Katalog 2000 Antriebselemente und Normteile
Maxxon Motor GMBH

Hauptkatalog 2000 hochpräzise Antriebe
Faulhaber Group

Antriebsysteme Katalog 2000
SKF

Wälzlager
Katalog Dd7420 1992-04
SKF

Gleitlager
Katalog 3500 T/III
INA Wälzlager Schaeffler KG

Nadellager & Zylinderrollenlager
Katalog 306

Microchip
Embedded Control Handbook Volume 1
Microchip Technology, USA 5/97, DS00092D

MINK
Hauptkatalog Bürsten

FAG
Kugellager Standardprogram

Festo
Produkte 2000 Antriebe

Pneumax
Pneumatik Hauptkatalog

Piab
Vakuumprodukte
Katalog 1999

Simrit
Standardkatalog Dichtelemente

Reiff
Technische Produkte Standardprogramm
Katalog 91/92