TERVEZÉSI IRÁNYELVEK ÉS KATALÓGUSOK A MÓDSZERES GÉPTERVEZÉSBEN DESIGN PRINCIPLES AND CATALOGUES IN THE CONCEPTUAL DESIGN Takács Ágnes *, Szabados Veronika *, Dr. Kamondi László ** Miskolci Egyetem, Gépelemek Tanszéke ABSTRACT: Conceptual design is the most difficult and complex part of the whole design process and it is absolutely the responsibility of the designer-engineer. To ease the process there are different kind of methods that are recommending solution principles, clearing the whole process. There are different kind of design catalogues that can show a very useful help for the designer, on the basis of the knowledge stored in them, not only till the creation of the concept, but during the whole design method as well.
1. BEVEZETÉS Egy termék megszületésének legizgalmasabb és legnehezebb szakasza a koncepcionális tervezés. A tervezo mérnök rendszerint számos lehetoséget vizsgál meg annak érdekében, hogy a végül kifejlesztésre kerülo termék, gép tulajdonságai (olcsó, gazdaságos, stb.) a legjobb konstrukciót eredményezzék. Azonban a tervezo mérnök sem lehet biztos abban, hogy valóban számításba vett-e minden lehetoséget, ha csupán az intuíciójára, muszaki zsenijére, egyéni tapasztalataira támaszkodik. A benyomásokon alapuló tervezéssel szemben a módszeres géptervezés egyik legnagyobb elonye, hogy adott peremfeltételek mellett valamennyi változatot megmutatja. A tervezésmódszertan kidolgozói számos olyan eljárást fogalmaztak meg, melyek elore összeállított katalógusok segítségével nyújtanak támpontot a tervezo mérnök számára, segítik abban, hogy az általa tervezett konstrukció minél pontosabb, minél optimálisabb legyen. A cikk a legismertebb katalógus alapú eljárások lényeges tulajdonságait fogalmazza meg, illetve ezeket a módszereket hasonlítja össze.
* **
Ph.D. hallgató egyetemi docens Ph.D.
2. INTUÍCIÓTÓL AZ ELOÍRÁSIG Az intuíció az emberi gondolkodásnak az a sajátossága, amely a felhalmozott tapasztalatok eredményeképpen a logikai folyamat elemeit átugorva szolgáltatja a feladat egy-egy lehetséges megoldását. Benedetto Croce (1866-1952) olasz kritikus szerint az intuíció maga a muvészet, vagyis a muvészet nem más, mint benyomásokon alapuló szemléleti kép, mely az egyediség közvetlen megragadására irányul. Ha Croce irodalmi muvekre vonatkozó kritikáját a muszaki életben használatos szavakkal próbáljuk megfogalmazni, akkor az intuitív tervezés nem más, mint benyomásokon alapuló tervezési módszer. Az intuitív gondolkodás tehát teljes mértékben az ötleteken alapul, ahol a felismerés hirtelen tudatossá alakul és alig befolyásolható, vagy utánozható. Az ilyen formában történo tervezés során rendkívül sok jó megoldás született, és még fog is születni. Azonban az intuitív tervezés néhány szempontot tekintve hátrányos: § Igazi ötlet ritkán születik a megfelelo idopontban, mivel az intuíció nem kényszerítheto ki. § Nem rendelkezik mindenki ugyanakkora kreativitással, valamint szakmai tapasztalattal. § Fennáll annak a veszélye is, hogy az eredmények csupán a mérnök szakmai látókörén belül jelennek meg. Emiatt arra kell törekedni, hogy valamilyen útmutatásnak megfeleloen a tervezo, egy elore meghatározott folyamatot járjon végig. Az eloíró, vagy diszkurzív módszerek nem jelentik az intuíció teljes háttérbe szorulását, azonban segítik a konstruktort az adott feladat optimális megoldásának megtalálásában. Mindemellett lehetoséget biztosítanak arra, hogy akár egy teljesen új koncepció jelenjen meg a tervezési folyamat végén, mint legjobb megoldás. A cikk célja, hogy a diszkurzív tervezoi módszerek eszközrendszerének két alapveto elemét, az
irányelveket és a tervezoi katalógusokat bemutassa. 3. TERVEZÉS IRÁNYELVEKKEL A TRIZ elméletet 1946-ban Genrich Saulowitsch Altshuller (1926-1998) kezdte kifejleszteni az akkori Szovjetunióban. A módszer mozaikszavas neve az orosz Theorija Reschenija Izobretatel’skij Zadach elnevezésbol származik, mely nem más, mint a „Feltalálói Problémamegoldás Módszere”. A TRIZ elmélet megalkotása a „feltalálás általános alapelveinek” megfogalmazásával kezdodött, amely alapelveket a felmerült problémák vizsgálata során tapasztalt szabályszeruségek alapján állították össze. Az alapelvek összeállításához számos szabadalmat tanulmányoztak, osztályoztak leleményességük szintje szerint. Ez alapján három fontos megállapítás született: • A problémák és megoldások megismétlodnek az iparban és a tudományban. • A gyakorlati fejlodés sémája visszatér az iparban és a tudományban. • Az újítás a fejlesztésen kívüli tudományos eredményeket is felhasznál. Ezt az eljárást napjainkban már nem csupán a módszeres géptervezésben, de az üzleti tevékenység számos területén (menedzselés, financiális eljárások) is használják. A TRIZ elmélet szerint a fejlesztés öt különbözo szinten valósulhat meg: § Nyilvánvaló: már létezo megoldások, melyek könnyen elérhetok. § Fejlesztés: létezo rendszer kisebb fejlesztése (általában kompromisszummal).
§
Találmány paradigmán belül: már létezo rendszer, de lényeges fejlesztéssel. § Találmány paradigmán kívül: létezo rendszer új generációjának koncepciója, mely egy lényeges tulajdonság alapelvének megváltoztatásán ala pszik. § Felfedezés: úttöro jellegu találmány alapveton új rendszer kialakításához. A Feltalálói Problémamegoldás Módszere – csakúgy, mint a többi morfológiai tervezo eljárás– a legjobb megoldást keresi egy speciális eszközrendszer segítségével. A módszer általános modelljét az 1. ábra szemlélteti, mely jól tükrözi az eljárás lényegét: a felmerülo problémát általá nosítva, általánosan megoldva uj tunk el a saját probléma megoldásához. A TRIZ módszer alapgondolata, hogy az adott feladat (probléma) ellentmondásokra épül; a módszer ezen konfliktusok feloldásával keresi a megoldást, a megoldás megtalálását pedig iránye lvekkel segíti. Az irányelveket egy lista, az ún. 40 alapveto irányelv tartalmazza. Az ellentmondásokat két csoportra lehet osztani: § technikai ellentmondások, § fizikai ellentmondások. A technikai ellentmondások esetében a cél az ellentmondás kompromisszum nélküli feloldása. Tehát annak a törvényszeruségnek a kiküszöbölése, hogy egy adott mérnöki paraméter javítása egy másik mérnöki paraméter gyengülését eredményezi. A fizikai ellentmondás azt fejezi ki, hogy egyszerre kell teljesülnie két egymásnak ellentmondó állapotnak. Ebben az esetben valamilyen szeparációs eljárást kell alkalmazni.
1. ábra. A TRIZ általános modellje
2. ábra. Az ellentmondási mátrix egy részlete A technikai ellentmondások feloldásához nyújt segítséget az ún. Ellentmondási mátrix. Ez egy 39x39-es táblázat, sorai az adott feladatra je llemzo javuló tula jdonságokat tartalmazzák, oszlopai pedig az ezzel párhuzamosan gyengülo jellemzoket. Az -iedik sor és a -jedik oszlop metszéspontjában található eij mezo azokat a számokat tartalmazza, melyek a 40 alapelv valamelyikére utalnak. Az Ellentmondási mátrix tehát egy olyan adatbázis, mely az olyan ismert megoldásokat foglalja magába, melyek képesek az ellentmondások kiküszöbölésére. 4. VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE 1856. május 12-én Alexisbadban alakult meg a Német Mérnökök Egyesülete, vagyis a VDI (Verein Deutscher Ingenieure), azzal a meghatározott céllal, hogy „a technika minden szellemi erejét egybe gyúrva” összefoglalja. Ennek megfeleloen az elmúlt 150 évben számos olyan irányelvet gyujtött össze az egyesület, mely segíti a tervezo mérnököket munkájuk során. Ezek közül a koncepcionális tervezést leginkább segíto irányelveket a VDI 2222 foglalja magába (1977. május), mely a német mérnökök e témában elért eredményeit javaslatként fogla lja össze. Az egyesület további tevékenységei között szerepel, hogy 1857-ben már folyóiratot jelentetett
meg, mely csak a II. Világ Háború idejére szünetelt. A VDI szorgalmazására 1866-ban megalakul a Gozkazán Felügyeleti Egyesület, mely a mai TÜV (Technischen Überwachungsvereine /Muszaki Felügyeleti Egyesület) elofutára volt. A VDI hosszú évekig tartó elokészülete inek köszönhetoen 1877-ben megszavazzák az elso szabadalmi törvényt, mely alapveto je llemvonásait tekintve szinte változatlanul, ma is érvényben van. 1890-ben szintén a VDI-nek köszönhetoen megalakul Németországban az elso muszaki középiskola Kölnben, mely a mai foiskola megfeleloje; 1899-ben a muszaki foiskolák –a VDI nyomásának köszönhetoen– elnyerték az egyetemi rangot, valamint a doktorrá avatás jogát. A VDI müncheni közgyulése 1903-ban Oskar von Miller jóvoltából kezdeményezte a Deutschen Museum megalapítását. A VDI, mint fo kezdeményezo, társalapítója az 1917-ben megalapított Német Szabványügyi Bizottságnak (Deutschen Normenausschuss, ma: DIN). 1923-ban megalakul a VDI Verlag, a VDI könyvkiadója. 1946. szeptember 12-én újra megalakul a VDI, székhelyét Berlinbol Düsseldorfba helyezik át. 1956-ban megalakul az Atomtechnika Munkaközössége (Arbeitsgemeinschaft für Kerntechnik ), melyet 1959-tol Német Atomfórumként (Deutsche Atomforum) neveznek. Az egyesület az évek során számos
alkalommal rendezett konferenciát, Német Mérnöknapot (Deutscher Ingenieurtag), különbözo muszaki témákban, többek között a környezetvédelem területén, melyre egyre több energiát fordítanak az elmúlt 50 évben. 5. TERVEZOI KATALÓGUSOK A tervezoi katalógusok a tervezési problémák ismert és bizonyított megoldásainak gyujteményei. Ezek a katalógusok azonban kezdetben nem voltak elérhetok a mérnökök számára, hiszen számos esetben a gyártók titkos gyujteményeit gyarapították a szisztematikusan öszszeállított adat- és tulajdonságtáblázatok. Manapság azonban számos katalógus létezik, mely szabadon hozzáférheto, és a tervezést nagymértékben elosegíti. 1. táblázat
FELHASZNÁLÁSI TERÜLET Alapelvek tervezoi katalógusokhoz
Kötések
Vezetések, csapágyak Hajtástechnika, energiatermelés, eroátviteli vezeték
Kinematika, mechanizmuselmélet
Hajtás
Biztonságtechnika Ergonómia Kikészíto eljárások
SZERZO Roth Diekhöner, Ersoy, Ewald, Fuhrmann, Gießner, Grandt, Hinterwalder, Kastner, Kollmann, Kopowski, Lohkamp, Roth, Wölse, Diekhöner, Ewald, Roth Ewald, Jung, Kopowski, Raab, Roth, Schneider Schneider, Raab, Roth, VDI 2727 Blatt 2, VDI 2222 Blatt 2 Diekhöner, Ewald, Lohkamp, VDI 2222 Blatt 2 Neudorfer Neudorfer Roth
A tervezoi katalógusokat a felhasználási terület szerint az 1. táblázat szerinti csoportokra oszthatjuk. A táblázat azt is megmutatja, hogy az egyes területeken kik állítottak össze tervezési katalógust. Pahl és Beitz öt pontban foglalta össze a tervezoi katalógusok legfontosabb tulajdonságait: 1) A tervezoi katalógusoknak gyors és probléma orientált kapcsolatot kell biztosítaniuk a megoldással. 2) A katalógusoknak a megoldások széles spektrumát kell lefedniük 3) A megoldásoknak függetleneknek kell lenniük az alkalmazás specifikus területétol 4) Az adatoknak alkalmasaknak kell le nniük mind a hagyományos, mind pedig a számítógéppel segített tervezoi eljárások számára 5) A katalógusoknak egységes és értheto meghatározásokat, valamint szimbólumrendszert kell használniuk. 6. ROTH TERVEZOI MÓDSZERE A módszeres géptervezés alapgondolata az, hogy a konstruktor a megoldás keresése során ne csak saját ötletét vegye figyelembe, hanem használja fel mások dokumentált tudását, valamint a részfunkciók kombinációjából származtatható „mesterséges ötleteket”. Így a probléma legjobb megoldása nagyobb valószínuséggel található meg. A módszeres géptervezés egyik jelentos alakja és módszertanának kutatója Karlheinz Roth. Elmélete egy egyenesen elorehaladó koncepcionális tervezési folyamatot vázol fel, mely azonban mindig visszatér a feladatmegfogalmazáshoz, amennyiben a tervezési folyamat során nagy jelentoséggel bíró követelményjegyzékrol kiderül, hogy hiányos, nem pontos, vagy akár hibás. Ahogyan azt a 3. ábra is szemlélteti, Roth módszerének alapja a feladat pontos megfogalmazása, mely magába foglalja a funkciójegyzék és a követelményjegyzék összeállítását. A funkciójegyzék tulajdonképpen egy olyan lista, mely a fizikai hatások, hatáselvek meghatározásából megfogalmazott funkciókat sorolja fel. Roth ezeket a funkciókat általánosan fogalmazta meg. Teóriája háromféle funkcióstruktúrát ismertet, melyek a teljes koncepcionális tervezést lefedik. Ezen funkcióstruktúrák katalógusok segítségével egymásba átvihetok. Roth szerint egy feladatot (összfeladatot), mely folyamatok egész sorát tételezi fel, könnyebb
akkor megoldani, ha azt részfeladatokra lehet bontani. Ennek a módszernek az az elv az ala pja, mely szerint az összfeladatot olyan egyszeru feladatokra kell visszavezetni, melynek már léteznek jól muködo megoldásai. Érvényes ez a megállapítás a funkciók meghatározására is. Az összfeladat megfogalmazása tehát több, idoben egymás után következo olyan részfeladat meghatározásából tevodik össze, melyek mindegyikéhez adott funkciómegfogalmazások tartoznak. Ezek szerint nem csak az össz- és részfeladatok eloírása között, de az egyes funkciók között is hierarchikus kapcsolat figyelheto meg. Roth az általános funkciókból (energia /anyag /információ tárolása /vezetése /átalakítása /megváltoztatása és összekapcsolása) általános funkcióstruktúrákat épít fel. Ezek az általános funkcióstruktúrák egy-egy adott szerkezet elvi muködését írják le. Ezekhez katalógus segítségével fizikai elveket, hatásokat, axiómákat rendel, így fizikai funkcióstruktúrákat épít fel, melyek adott esetben logikai,- vagy vektoriális funkcióstruktúrával is helyettesíthetok. Ezen funkcióstruktúrákból katalógus segítségével geometriai funkcióstruktúrákat hoz létre, melyek egy-egy részegység mechanizmusok formájában történo egymáshoz való kapcsolódására mutatnak lehetoséget. Roth különös figyelmet szentel a követelményjegyzék összeállításának. Módszere szerint az igények listájának nem egy meghatározott tervezési szakaszhoz kell kötodnie, hanem az egész tervezési folyamatra érvényesnek kell lennie. Ily módon a követelményjegyzék a feladat megfogalmazásától kezdve folyamatosan bovül. Roth háromféle követelményjegyzéket gyujtött össze: • termékre vonatkozó kérdésgyujtemény • termékkörnyezet-analízis • a termék életszakaszainak vizsgálata A termék életszakaszainak vizsgálata a termék teljes élettartamára vonatkozik, így a három közül ez a módszer tekintheto a legösszetettebbnek. A követelményjegyzék a Franke által javasolt ún. kereso mátrixra épül. A kereso mátrix lényege, hogy a termékre, vagy annak egy részére a termékéletút során különbözo tulajdonságokat és feltételeket fogalmazunk meg. A Franke-mátrix 90 kereso mezojében 250 kérdés –köztük egészen konkrét is– található. A konstruktor feladata, hogy ezen kérdések alapján az adott termékre vonatkozó válaszokat elozetesen összeállítsa. A Roth által összeállított, a termék életszakaszainak vizsgálatára
irányuló követelményjegyzék meghatározó eleme a Franke-féle kereso mátrix. Roth morfológiai elmélete teljes egészében az általa összeállított tervezési katalógusokra épül. Ezeknek a táblázatoknak a legfobb elonye amellett, hogy a már meglévo elveket, megoldásokat rendszerezik, hogy számos kiegészíto tulajdonságot tartalmaznak a muszaki megoldás fizikai, mechanikai tulajdonságait illetoen. A Roth-féle tervezoi katalógusok három nagy egységre bonthatók úgy, mint: • csoportosítás, • fo rész, • kiegészíto jellemzok. A fo rész tartalmazza a rendszerezett elemek megnevezését, valamint egy-egy magyarázó ábrát. Ez a tulajdonság-táblázat a módszeres géptervezés kialakítási fázisában használható fel. A Roth-féle katalógusoknak három csoportja létezik, melyek a következok: • tárgykatalógusok • muveletkatalógusok • megoldás katalógusok. A tárgykatalógusok a tervezéshez szükséges, feladattól független, alapveto fizikai, geometriai, technológiai anyagszerkezettani ismereteket tartalmazzák. A muveletkatalógusok muveleteket, muveleti sorrendeket foglalnak magukba, illetve ezek alkalmazási feltételeire, valamint felhasználási kritériumaira vonatkozóan tartalmaznak leírást. A megoldás-katalógusok meghatározott feladathoz funkciókat, meghatározott funkciókhoz hatásokat, meghatározott hatásokhoz megfelelo hatáshordozókat, meghatározott hatáshordozókhoz megfelelo körvonalakat, illetve ezekhez, az eloállításhoz szükséges gyártási eljárásokat rendeli hozzá. Az 1. táblázat tanúsága szerint nem csupán a módszer alapjait fektette le, de a technika számos területén aktívan részt vett a különbözo katalógusok összeállításában. 7. ÖSSZEGZÉS Az intuitív tervezés nagymértékben támaszkodik a benyomásokra, az egyéni kreativitásra, a tervezo mérnök korábbi tapasztalataira. Azonban ezekkel a képességekkel és elozményekkel nem minden kons truktor rendelkezik. Ez tette szükségessé az iránye lvek, a különbözo módszerek szerint történo eloíró – vagy más néven diszkurzív – tervezést. Ezeknek az eljárásoknak köszönhetoen a koncepcionális terv ezés, az elvek és hatások megfogalmazása, az elv onatkozatás egyszerubbé válik, a mérnök társadalom ismeretei gyorsabban bovülnek.
3. ábra. A tervezés folyamata Roth szerint Megállapítható tehát, hogy az irányelvek, valamint a tervezoi katalógusok nélkülözhetetlenek a modern tervezés során, hiszen napjainkban számos lehetoséget kell megvizsgálnia a tervezo mérnöknek, hogy új, vagy újszeru megoldást tudjon eloállítani. A módszeres tervezés eszközei nem csupán egy jó megoldás konstruálá sát segítik, hanem lehetové teszik, hogy számos megoldás közül a legjobbat válassza ki a konstruktor. Irányelvek segítségével adnak tanácsot, hogy bizonyos variációk közül melyiket érdemes választani, katalógusok szisztematikusan felépített tudástárából ja vasolnak jól muködo elvet, hatást, funkciót, megoldást, az adott probléma konkrét muszaki realizációját. A módszeres tervezés eszközrendszerének hatékonyabb alkalmazása érdekében célszeru ezen eszközök automatizálása, számítógépi alkalmazása. Ez nem annyira a távoli jövo feladata, hiszen napjainkban is léteznek már számítógépes tudás-táblázatok, azonban ezek még korántsem teljes köruen alkalmazzák a már meglévo tervezoi katalógusokat. A módszeres tervezés jövobeni célja ezen számítógépes eszközök fejlesztése, bovítése. 8. IRODALOM [1] HANSEN, F.: Konstruktionssystematic – Grundlagen für eine allgemeine
Konstruktionslehre, ETO 621.002.2, VEB Verlag Technik, Berlin, 1965. [2] HUBKA, V.; EDER, W. E.: Einführung in die Konstruktionswissenschaft, ISBN 3 540 54832 7, Springer-Verlag, Berlin, 1992. [3] PAHL, G.; BEITZ W.: Konstruktionslehre– Handbuch für Studium und Praxis, ISBN 963 10 3796 7, Springer-Verlag, Berlin, 1981. [4] ROTH, K.: Konstruieren mit Konstruktionskatalogen, ISBN 0 387 09815 1, Springer-Verlag, Berlin, 1982. [5] VDI-RICHTLINIEN: VDI 2222 Blatt 1 Konstruktionsmethodik –Methodisches Entwickeln von Lösunsprinzipien [6] KOLLER, R.: Konstruktionsmethode für den Maschinen-, Geräte- und Apparatebau, Springer-Verlag, Berlin, 1979. [7] SZAKÁLY, D.: Innováció- és technológiamenedzsment, ISBN 963 9103 89 6, Bíbor Kiadó, Miskolc, 2002. [8] TAJNAFOI, J.: Szerszámgéptervezés I., Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 1973. [9] KAMONDI, L.: Tervezéselmélet, Phare HU0008-02, Miskolc , 2003. [10] FRANKE, H.-J.; LÖFFLER, S.; DEIMEL, M.: Increasing the efficiency of design catalogues by using modern data processing technologies, International Design ConferenceDESIGN 2004, Dubrovnik, 2004. május 18-21
