Maschinenelemente I / Konstruktionsübung I (ME I)10 ECTS
(englische Bezeichnung: Machine Elements I / Design Exercise I)
(Prüfungsordnungsmodul: Maschinenelemente I und konstruktionstechnisches Praktikum)

Lehrveranstaltungen:

• • Übungen zu Maschinenelemente I
    (Übung, 2 SWS, Michael Jüttner)
  • Konstruktionsübung I
    (Praktikum, 4 SWS, Anwesenheitspflicht, Andreas Winkler et al., Fr, 8:00 - 12:00, Zoom-Meeting; 8:00 - 12:00)
  • Vorlesung Maschinenelemente I
    (Vorlesung, 4 SWS, Marcel Bartz, Mi, 12:15 - 13:45, H7; Do, 8:30 - 10:00, H11)

Empfohlene Voraussetzungen:

Es werden empfohlen:

• Technische Darstellungslehre

• Statik

• Elastostatik und Festigkeitslehre

Inhalt:

Einführung

• Maschinenelemente

• Einordnung in die Konstruktionstechnik

• Einordnung in den Produktlebenszyklus

• Lehrziele
  

Einführung in die Produktentwicklung

• Synthese und Analyse als zentrale Aufgaben der Produktentwicklung

• Vorgehensmodelle zur methodischen Unterstützung des
  

Produktentwicklungsprozesses

Konstruktionswerkstoffe

• Richtlinien zur Werkstoffauswahl

• Festigkeit – Verformung – Bruch

• Stahl

• Gusseisenwerkstoffe

• Nichteisenmetalle: Leicht- und Schwermetalle

• Polymerwerkstoffe

• Nichtmetallisch-anorganische Werkstoffe

• Spezielle neue Werkstoffe
  

Grundlagen der Bauteilauslegung – Festigkeitslehre

• Typische Versagenskriterien von Maschinenelementen

• Festigkeitslehre

• Bauteildimensionierung und Festigkeitsnachweis
  

Einführung in die Gestaltung technischer Produkte

• Gestalten von Maschinen

• Fertigungsgerechtes Gestalten

• Sicherheitsgerechtes Gestalten
  

Normung, Toleranzen, Passungen und Oberflächen

• Normung, Richtlinien, Standardisierung

• Normzahlen

• Toleranzen und Abweichungen

• Technische Oberflächen
  

Elemente verbinden

• Elemente stoffschlüssig verbinden

• Elemente formschlüssig verbinden

• Elemente reibschlüssig verbinden

• Vorgespannte Formschlussverbindungen

• Schraubenverbindungen
  

Lernziele und Kompetenzen:

Fachkompetenz

Wissen

ME I
Im Rahmen von ME I erlangen die Studierenden Verständnis für das Konstruieren von Maschinen als methodischer Prozess unter besonderer Beachtung von Synthese und Analyse als zentrale Aufgaben der Produktentwicklung und auf Basis der Begriffe Merkmale und Eigenschaften nach der Definition von Weber. Die Studierenden erlernen die Anwendung von Vorgehensmodellen in Produktentwicklungsprozessen mit Fokus auf VDI 2221 ff.; hierbei das Aufzeigen von Querverweisen zu den in der Lehrveranstaltung Methodisches und rechnerunterstütztes Konstruieren zu erwerbenden Kompetenzen.

Die Studierenden gewinnen Verständnis für Konstruktionswerkstoffe, deren spezifische Eigenschaften sowie Möglichkeiten zur Beschreibung des Festigkeits-, Verformungs- und Bruchverhaltens. Unter Konstruktionswerkstoffen werden insbesondere Eisenwerkstoffe, daneben auch Nichteisenmetalle, Polymerwerkstoffe und spezielle neue Werkstoffe, z. B. Verbundwerkstoffe, verstanden. Die Studierenden erschließen Querverbindungen zu den in der Lehrveranstaltung Werkstoffkunde erworbenen Kompetenzen.

Die Studierenden gewinnen Verständnis für das Gestalten von Maschinenbauteilen unter besonderer Berücksichtigung der Fertigungsgerechtheit, hierbei werden Querverweise zu den in der Lehrveranstaltung Produktionstechnik erworbenen Kompetenzen und zu den in der Lehrveranstaltung Technische Produktgestaltung zu erwerbenden Kompetenzen aufgezeigt.

Die Studierenden gewinnen Verständnis für Normen (DIN, EN, ISO), Richtlinien (VDI, FKM) und Standards im Kontext des Maschinenbaus, hierbei werden Querverweise zu den in der Lehrveranstaltung Technische Darstellungslehre erworbenen Kompetenzen aufgezeigt.

Die Studierenden gewinnen Verständnis für herstell- und messbedingte Abweichungen sowie zu vergebende Toleranzen für Maß, Form, Lage und Oberfläche bei Maschinenbauteilen sowie Berechnung und Beurteilen von Maßtoleranzen, hierbei werden Querverweise zu den in der Lehrveranstaltung Messtechnik erworbenen Kompetenzen; Verständnis für Normzahlen und Rechnen mit Normzahlen aufgezeigt.

Die Studierenden gewinnen ein funktionsorientiertes Verständnis für und Überblick zu gängigen Maschinenelementen sowie Vertiefung zahlreicher Maschinenelemente unter Berücksichtigung derer spezifischen Merkmale, Eigenschaften und Einsatzbedingungen. Im Einzelnen:

• Gestaltung und Berechnung von Schweißverbindungen sowie Beurteilung der Tragfähigkeit von Schweißverbindungen nach dem Verfahren von NIEMANN und nach DS 952

• Gestaltung und Berechnung von Lötverbindungen, insbesondere Hartlötverbindungen sowie Beurteilung der Tragfähigkeit von Lötverbindungen unter Berücksichtigung der vorhandenen Unsicherheiten

• Gestaltung und Berechnung von Klebeverbindungen sowie Beurteilung der Tragfähigkeit von Klebeverbindungen unter Berücksichtigung vorhandener Unsicherheiten

• Gestaltung und Berechnung formschlüssiger Welle-Nabe-Verbindungen, insbesondere Pass- und Scheibenfederverbindungen auf Basis von DIN 6892, Keil- und Zahnwellenverbindungen und Polygonprofilverbindungen sowie Beurteilung der zugrunde gelegten Berechnungsmodelle im Hinblick auf deren Gültigkeitsgrenzen

• Gestaltung und Berechnung von Bolzen- und Stiftverbindungen sowie Beurteilung der zugrunde gelegten Berechnungsmodelle im Hinblick auf deren Gültigkeitsgrenzen

• Verständnis für formschlüssige Sicherungselemente, Auswahl geeigneter Sicherungselemente unter Berücksichtigung technischer Randbedingungen und Gestaltung der Verbindungsstelle

• Gestaltung und Berechnung auch komplexerer Nietverbindungen (z. B. Momenten¬anschlüsse mit mehreren Nietgruppen) sowie Beurteilung der Tragfähigkeit von Nietverbindungen auf Basis von DIN 18800 und DIN 15018 unter Berücksichtigung der Berechnungsmodelle und der damit verbundenen Annahmen; Wissen über Stanzniet- und Clinchverbindungen

• Verständnis für reibschlüssige Welle-Nabe-Verbindungen (Wirkprinzip) sowie Gestaltung, Berechnung und Herstellung von zylindrischen Quer- und Längspressverbänden in Anlehnung an DIN 7190 (elastische Auslegung, einschließlich Herleitung der Verformungen und Spannungen anhand des Modells des dickwandigen Hohlzylinders), von Kegelpressverbänden und von Klemmverbindungen. Wissen über gängige Spannelementverbindungen

• Verständnis für die Elemente von Schraubenverbindungen unter besonderer Berücksichtung des Maschinenelements Schraube (Gewinde) sowie Überprüfung längs- und querbelasteter, vorgespannter Schraubenverbindungen in Anlehnung an VDI 2230 im Hinblick auf Anziehdrehmoment, Bruch, Fließen und Dauerbruch der Schraube unter Einfluss von Setzvorgängen und Schwankungen beim Anziehen; Wissen um die Problematik des Lockerns und des Lösens von Schraubenverbindungen sowie der gängigen Schraubensicherungen und Auswahl geeigneter Schraubensicherungen unter Berücksichtigung technischer Randbedingungen

• Verständnis für Bewegungsschrauben und Berechnung von Trapezgewindespindeln.

KÜ I
Die Studierenden gewinnen ein Verständnis für das Konstruieren von Maschinen als methodischer Prozess unter besonderer Beachtung von Synthese und Analyse als zentrale Aufgaben des Konstruierens.

Evaluieren (Beurteilen)

ME I
Die Studierenden erlernen die Bewertung und Einschätzung von Maschinenbauteilen im Hinblick auf deren rechnerische Auslegung und konstruktive Gestaltung unter Berücksichtigung des Werkstoffverhaltens, der Geometrie und der auf das Bauteil einwirkenden Lasten. Hierzu:

• Analyse der auf ein Bauteil wirkenden Belastungen und Erschließen von Querverbindungen zu den in der Lehrveranstaltung Statik erworbenen Kompetenzen

• Analyse der aus den Belastungen resultierenden Beanspruchungen und Erschließen von Querverbindungen zu den in der Lehrveranstaltung Elastostatik erworbenen Kompetenzen. Hierbei Fokus auf die Beanspruchung stabförmiger Bauteile, Kontaktbeanspruchung sowie Instabilität stabförmiger Bauteile (Knicken)

• Unterscheidung von Nennspannungen und örtlichen Spannungen

• Analyse und Beurteilung von Lastannahmen sowie des zeitlichen Verlaufs von Beanspruchungen (statisch, dynamisch)

• Verständnis für mehrachsige Beanspruchungszustände und Festigkeitshypothesen in Verbindung mit den werkstoffspezifischen Versagenskriterien, Ermittlung von Vergleichsspannungen

• Verständnis für die Auswirkungen von Kerben auf Maschinenbauteile unter statischer und dynamischer Beanspruchung und Ermittlung von Kerbspannungen auf Basis von Kerbform-, Kerbwirkungszahlen und plastischen Stützzahlen unter Berücksichtigung von Oberflächeneinflüssen

• Verständnis für Werkstoffkennwerte und den Einfluss der Bauteilgröße und des Oberflächenzustandes sowie Gegenüberstellung zu dazugehörigen Versagenskriterien

• Überprüfung der Festigkeit von Maschinenbauteilen im Zuge von Dimensionierungsaufgaben und Tragfähigkeitsnachweisen in Anlehnung an die einschlägige FKM-Richtlinie sowie Beurteilung der durchgeführten Berechnungen unter besonderer Berücksichtigung von Unsicherheiten, welche Ausdruck in der Wahl von Mindestsicherheiten finden

• Verständnis für kritische Drehzahlen bei rotierenden Achsen und Wellen und überschlägige Bestimmung der ersten biege- und verdrehkritischen Drehzahl für einfache Lagerungsfälle, hierbei Aufzeigen von Querverweisen zu den in der Lehrveranstaltung Dynamik erworbenen Kompetenzen.

• Auswahl und Beurteilung gängiger Maschinenelemente für die Hauptfunktion „Elemente verbinden“ sowie Auslegung dieser Maschinenelemente

Die Studierenden gewinnen die Befähigung zur Einschätzung und Bewertung von Maschinenelementen, einschließlich der Befähigung, Berechnungsansätze und Gestaltungsgrundsätze auch auf andere Maschinenelemente, die nicht explizit im Rahmen der Lehrveranstaltung behandelt wurden, zu übertragen.

KÜ I
Die Studierenden analysieren eine konstruktive Aufgabenstellung aus dem Maschinenbau auf Basis einer Konzeptskizze und einer knappen technischen Beschreibung.

Die Studierenden bewerten verschiedene konstruktive Lösungsalternativen im Kontext der Aufgabenstellung und wählen bestgeeignete erscheinende Lösungsvarianten aus.

Die Studierenden gewinnen die Befähigung zum Bewerten des komplexen Zusammenwirkens unterschiedlichster Einflussgrößen auf Funktion und Beanspruchung von Maschinenelementen und dadurch Erlangung der Fähigkeit, eine solche ganzheitliche Betrachtungsweise auf neu zu entwickelnde Apparate, Geräte, Maschinen oder Anlagen übertragen zu können.

Erschaffen

KÜ I
Die Studierenden übertragen das vorgegebene Konzepts in einen funktionsgerechten Grobentwurf unter Nutzung von Technischen Freihandskizzen, hierbei Rückgriff auf die in der Lehrveranstaltung Technische Darstellungslehre I erworbenen Kompetenzen.

Die Studierenden übertragen den Grobentwurf in einen funktions-, fertigungs- und montagegerechten Detailentwurf unter Nutzung eines 3D-CAD-Systems, hierbei Rückgriff auf die in der Lehrveranstaltung Technische Darstellungslehre II erworbenen Kompetenzen.

Die Studierenden übertragen der in der Lehrveranstaltung Maschinenelemente I bzw. Grundlagen der Produktentwicklung vermittelten Fach- und Methodenkompetenzen auf eine neue Aufgabenstellung zur Auslegung und Gestaltung maßgeblicher Maschinenbauteile, hierzu insbesondere

• Rechnerische Auslegung und konstruktive Gestaltung einzelner Bauteile bzw. Baugruppen unter Berücksichtigung des Werkstoffverhaltens, der Geometrie und der einwirkenden Lasten

• Verständnis für die Gestaltung von Maschinenbauteilen unter besonderer Berücksichtigung der Fertigungs- und Montagegerechtheit

• Auswahl und Nutzung genormter Halbzeuge, Normteile und standardisierter Zukaufteile im Hinblick auf eine kosten- und funktionsgerechte Konstruktion.

• Übertragung der in weiteren Grundlagenlehrveranstaltungen des Maschinenbaus – insbesondere Statik, Elastostatik und Werkstoffkunde – vermittelten Fach- und Methodenkompetenzen auf eine neue Aufgabenstellung in einem fächerübergreifenden und fächerzusammenführenden Kontext.

Die Studierenden erstellen eine saubere und nachvollziehbare Berechnungsdokumentation, die insbesondere Auswahl, Dimensionierung und Nachrechnung der verwendeten Maschinenelemente enthält.

Die Studierenden erstellen einen komplexen Zusammenbauzeichnung in Form eines normgerechten Zeichnungssatzes einschließlich zugehöriger Stückliste auf Basis des 3D-CAD-Modells, hierbei Rückgriff auf die in den Lehrveranstaltungen Technische Darstellungslehre I und Technische Darstellungslehre II erworbenen Kompetenzen.

Die Studierenden erstellen eine normgerechte Fertigungszeichnung eines ausgewählten, komplexeren Bauteils aus der Gesamtkonstruktion (beispielsweise Drehteil, Schweißteil).

Lern- bzw. Methodenkompetenz

KÜ I
Die Studierenden erlernen die Befähigung zur selbständigen Arbeitseinteilung und Einhaltung von Meilensteinen sowie Reflexion der eigenen Stärken und Schwächen, hierbei Unterstützung durch Betreuer und studentische Tutoren.

Die Studierenden erlernen die Befähigung zum Präsentieren und Erläutern der Konstruktion einschließlich deren Auslegung in den verschiedenen Entwicklungsphasen gegenüber Betreuern und Tutoren.

Selbstkompetenz

KÜ I
Die Studierenden erwerben die Befähigung zur selbständigen Arbeitseinteilung und Einhaltung von Meilensteinen sowie Reflexion der eigenen Stärken und Schwächen, hierbei Unterstützung durch Betreuer und studentische Tutoren.

Die Studierenden erwerben die Befähigung zum Präsentieren und Erläutern der Konstruktion einschließlich deren Auslegung in den verschiedenen Entwicklungsphasen gegenüber Betreuern und Tutoren.

Sozialkompetenz

KÜ I
Die Studierenden erwerben die Befähigung zur kooperativen und verantwortungsvollen Zusammenarbeit in einer Kleingruppe bestehend aus 2-3 Personen.

Bemerkung:

Für eine erfolgreiche Teilnahme an der KÜ I ist die Anwesenheit zu den drei Testatsterminen zwingend erforderlich. Diese werden in der Einführungsveranstaltung bekannt gegeben.

Weitere Informationen:

Verwendbarkeit des Moduls / Einpassung in den Musterstudienplan:

1. International Production Engineering and Management (Bachelor of Science)
   (Po-Vers. 2022w | TechFak | International Production Engineering and Management (Bachelor of Science) | Gesamtkonto | Maschinenelemente I und konstruktionstechnisches Praktikum)

Studien-/Prüfungsleistungen:

Maschinenelemente I (Prüfungsnummer: 45301)

Prüfungsleistung, Klausur, Dauer (in Minuten): 90, benotet

Anteil an der Berechnung der Modulnote: 100.0 %

Erstablegung: WS 2021/2022, 1. Wdh.: SS 2022, 2. Wdh.: WS 2022/2023

1. Prüfer:

Sandro Wartzack

Termin: 14.04.2022, 15:30 Uhr, Ort: Mensa-Süd
Termin: 05.10.2022
Termin: 05.10.2022

Konstruktionsübung I (Prüfungsnummer: 45302)

Studienleistung, Praktikumsleistung, unbenotet

weitere Erläuterungen:
Für den Erwerb des Scheins als Dokumentation der erbrachten Studienleistung muss eine in schriftlicher und zeichnerischer Form vorliegende, eigenständig erstellte Ausfertigung, bestehend aus Berechnungen, Technischen Handskizzen, Technischen Zeichnungen sowie gegebenenfalls weiteren Unterlagen testiert sein. Die Technischen Zeichnungen werden aus einem 3D-CAD-Modell abgeleitet. Diese Ausfertigung stellt eine konstruktive Lösung einer gegebenen Aufgabenstellung dar. Die Ausarbeitung erfolgt eigenständig in der Regel gemeinsam durch 3 Personen. Der Fortschritt bei der Ausarbeitung wird zu 3 vorab definierten Terminen, bei denen vorab festgelegte Unterlagen vorzulegen sind, testiert. Zu diesen Terminen besteht Anwesenheitspflicht.

Erstablegung: WS 2021/2022, 1. Wdh.: WS 2022/2023, 2. Wdh.: keine Wiederholung

1. Prüfer:

Sandro Wartzack