design conceptual

PR

OD

UC

TS

’ C

O

CE

PT

UA

L D

ES

IG

Dorin DIACOESCU Mircea EAGOE Codruţa JALIU Radu SĂULESCU

EDITURA UIVERSITĂŢII TRASILVAIA

BRAŞOV

ISB 978-973-598-230-0

Products’ Conceptual Design

Designul Conceptual al Produselor

IFORMATIO

BASE

Conceptual

variants

Overall

function

structure

1. Identification

of product overall

function

2.Overall

function

detailing

3. Conceptual variants

generation

4.

Technical-economical evaluation

Product

overall

function

Product

Concept

Requirements +

Evaluation criteria:

i = 100 ±±±± 1,5 %

ηηηηmin = 0,5

Product

Design

Specification

(PDS)

Prof.dr.ing. Dorin DIACOESCU

EDITURA UNIVERSITĂŢII TRASILVAIA BRAŞOV

2010

Prof.dr.ing. Mircea EAGOE

Prof.dr.ing. Codruţa JALIU

Şef lucr.dr.ing. Radu SĂULESCU

2010 EDITURA UIVERSITĂŢII TRASILVAIA BRAŞOV

Adresa: 500091 Braşov,

B-dul Iuliu Maniu 41A Tel:0268 – 476050

Fax: 0268 476051 E-mail : [email protected]

Tipărit la:

Tipografia Universităţii "Transilvania" din Braşov B-dul Iuliu Maniu 41A Tel: 0268 – 476050

Toate drepturile rezervate Editură acreditată de CCSIS Adresa nr. 1615 din 29 mai 2002

Referenţi ştiinţifici: Prof. univ. dr. ing., dr.h.c. Florea DUDIŢĂ

Prof. univ. dr. ing., dr.h.c. Ion VIŞA

Descrierea CIP a Bibliotecii aţionale a României Products' conceptual design / Dorin Diaconescu, Mircea Neagoe, Codruţa Jaliu, Radu Săulescu. - Braşov : Editura Universităţii "Transilvania", 2010 Bibliogr. ISBN 978-973-598-230-0

I. Diaconescu, Dorin II. Neagoe, Mircea III. Jaliu, Codruţa IV. Săulescu, Radu

658.512.2:62

5

Prefaţă

În anul 1982, sub conducerea ştiinţifică a subsemnatului, doi dintre foştii mei studenţi, deveniţi ulterior colegi de catedră, Dorin Diaconescu şi Ion Vişa, îşi susţineau cu brio, în aceeaşi zi, tezele lor de doctorat în domeniul mecanismelor. La finele anilor optzeci, ca urmare a unor preocupări intense, în Catedra de Organe de maşini şi mecanisme a Universităţii Transilvania din Braşov, a fost înfiinţată specilizarea Roboţi industriali. Către sfârşitul anilor nouăzeci, ca urmare a unor eforturi intense şi susţinute ale prof.univ.dr.ing. Ion Vişa, în aceeaşi catedră a mai apărut o nouă specilizare şi, ca o încununare a unei îndelungate experienţe ştiinţifico-didactice, în anul 2005 apare lucrarea deschizătoare de drumuri a talentatului prof.univ.dr.ing. Dorin Diaconescu, intitulată Designul conceptual al produselor. Această lucrare, care va deveni de referinţă în domeniu, rezonează în mod fericit cu noua denumire a catedrei noastre: Design de Produs şi Robotică. Nu pot decât să mă mândresc că primii mei doctoranzi, actualmente doi prestigioşi profesori universitari, şi-au legat numele de procesul de modernizare a învăţământului superior tehnic românesc şi implicit de integrarea lui în învăţământul superior tehnic european. În Dicţionarul explicativ al limbii române, prin design se înţelege un domeniu multidisciplinar interesat de ansamblul factorilor (social-economici, funcţionali, ergonomici, estetici etc.) care contribuie la aspectul şi calitatea produdului de mare serie, iar în Bertelsman Universal Lexicon, designul se referă la proiectarea estetică şi utilitară a produselor industriale fabricate în serie. Designul industrial al produselor, sau mai scurt designul de produs, este o metadisciplină, relativ recent cristalizată, al cărei obiect este determinarea pe baze ştiinţifice a soluţiilor de proiectare/ dezvoltare a produselor industriale.

Foreword

In 1982, two of my former students, who, later, became my colleagues, Dorin Diaconescu and Ion Vişa, presented, in the same day, their PhD theses in the field of mechanisms, under the supervision of the undersigned. At the end of the 80ths, as a result of some intensive concerns, it was set up the study program Industrial Robots in the Machine Elements and Mechanisms Department of Transilvania University of Brasov. In the 90ths, a new study program started in the same department as a result of intensive and sustained efforts of prof.univ.dr.eng. Ion Vişa; in 2005, crowning the long scientific and teaching experience, a paper of the talented prof.univ.dr.eng. Dorin Diaconescu appeared under the title Products’ conceptual design. This paper which will become a pace maker in the field, resonates successfully to the new denomination of our department: Product Design and Robotics. I can only be proud that my first PhD students, now two prestigious professors, linked their name to the process of Romanian technical high education modernization and, implicitly, to its integration into the European technical high education. In the Romanian language dictionary, through design it is understood a multi-disciplinary field interested in the ensemble of factors (social - economical, functional, ergonomic, aesthetical etc.) that contribute to the aspect and quality of a product, while in Bertelsman Universal Lexicon, design is referring to the aesthetic and subservient design of industrial products in gross production. The products’ industrial design, or, in brief, the product design is a meta-discipline, recently crystallized, whose object is the establishment on scientific basis of the solutions for the industrial products’ design/development.

6

Acest deziderat se realizează prin structurarea procesului de proiectare cu ajutorul unor noţiuni, algoritmi şi metode care asigură obţinerea soluţiei optime, atât d.p.d.v. utilitar, cât şi estetic. La rândul său, obţinerea soluţiei optime constă în corelarea compatibilă şi eficienţă a informaţiei din toate domeniile conexe, astfel încât produsul industrial proiectat să constituie, în condiţiile date, cel mai bun răspuns la exigenţele sociale de natură utilitară, economică, estetică, de siguranţă etc. În conformitate cu literatura apărută, cu precădere, în limba germană, dar şi în limba engleză, procesul de design se distinge prin patru faze relativ distincte: 1) elaborarea listei de cerinţe (în lb. engleză: specificaţiile designului de produs), 2) designul conceptual, 3) designul constructiv şi 4) designul de detaliere. Designul conceptual porneşte de la lista de cerinţe şi se încheie cu stabilirea soluţiei de principiu sau conceptul produsului; mai departe, pe baza acestui rezultat, designul constructiv elaborează varianta optimă a proiectului final. Lucrarea de faţă, destinată designului conceptual, abordează mai întâi terminologia specifică acestei discipline, cu ajutorul unor exemple intuitive. În această abordare, ca de altfel în toată lucrarea, este utilizată, cu precădere, experienţa şcolii germane, a cărei prioritate în domeniu este incontestabilă. Se prezintă apoi modelul german pentru ciclul de viaţă al unui produs, din care se dezvoltă o variantă generalizată. În contextul ciclului de viaţă al produsului, sunt trecute în revistă cele mai semnificative modele de algoritmizare a procesului de design, existente în literatură, şi se dezvoltă o nouă variantă generalizată de modelare. Din varianta generalizată de algoritmizare se explicitează pe larg etapa referitoare la designul conceptual al produselor, care este urmată de un exemplu didactic de aplicare. Sunt prezentate succint exemple de soluţii folosite în tehnică pentru rezolvarea următoarelor funcţii uzuale:

This desideratum is fulfilled by structuring the design process by means of concepts, algorithms and methods that ensure the generation of the optimal solution, both subserviently and aesthetically. The achievement of the optimal solution relies on a compatible and efficient correlation of information from all the connected fields, so that the designed industrial product to represent, in the given conditions, the best answer to the social exigencies of subservient, economic, aesthetic, safety etc. nature. According to the published literature, mainly in the German and English one, the design process is highlighted through four relatively distinct phases: 1) elaboration of the requirements list (in English: product design specifications), 2) conceptual design, 3) embodiment design and 4) detail design. The conceptual design starts from the requirements list and ends with the establishment of the principle solution or the product concept; further, based on this result, the embodiment design elaborates the optimal variant of the final project. The present paper, dedicated to the conceptual design, approaches the specific terminology of the discipline, based on intuitive examples. In this approach, as in the entire paper, it is mainly used the experience of the German school, whose priority in the field it is incontestable. It is then presented the German model for the product life cycle, from which a generalized variant is developed. In the context of the product life cycle, the most significant models of the design process algorithms from literature are presented and a new generalized modeling variant is developed. The step referring to the products’ conceptual design is explained starting from this generalized variant of algorithm, followed by an example of application. Examples of solutions used in technique for solving the following usual functions are briefly presented:

7

însumarea a două mişcări, distribuţia nedeterminată a unei mişcări în alte două mişcări, însumarea a două momente, distribuţia nedeterminată a unui moment în alte două momente, transmiterea energiei mecanice cu reducerea turaţiei sub un raport de transmitere constant şi propulsia în medii fluide. În final, este evidenţiat, pe baza unor exemple comparative, aportul imens pe care soluţiile bionice îl pot avea în rezolvarea celor mai diverse probleme tehnice. La finele lucrării este foarte bine gândit un minilexicon al terminologiei utilizate. Lucrarea se încheie cu o bibliografie selectivă de lucrări fundamentale, în domeniul designului conceptual. Designul conceptual al produselor, care, nu mă îndoiesc, va deveni o lucrare de referinţă în literatura de specialitate, va fi utilă inginerilor designeri şi cadrelor didactice, doctoranzilor şi studenţilor din învăţământul superior tehnic românesc.

summing of 2 motions, undetermined distribution of one motion into other two motions, summing of two torques, undetermined distribution of a torque in other two torques, transmission of mechanical energy with speed reduction under a constant transmission ratio, and propulsion in fluid mediums. Then, the huge contribution that the bionic solutions can have in solving the most diverse technical problems is highlighted on the basis of comparative examples. At the end, a mini-lexicon of the terminology used in the paper is very good conceived. The paper ends with selective references of fundamental papers from the conceptual design field. The products’ conceptual design, which will become a pace maker paper in the field, will be useful to the engineers, designers, professors, PhD students and students from the Romanian technical high education.

Prof.univ.dr.eng., dr.h.c. Florea Dudiţă

Apariţia acestei cărţi a fost posibilă cu sprijinul Ministerului Educaţiei şi Cercetării prin contractul de cercetare nr. 4GR28.05.2007- cod CNCSIS 923.

The publishing of this book was made possible with support from the Ministry of Education and Research by research contract no. 4GR28.05.2007- CNCSIS code 923.

8

CUPRINS

1. Introducere...................................................................................................................... 13

2. oţiuni de bază utilizate în designul conceptual al produselor................................... 17 2.1. Funcţia globală a unui produs; fluxurile şi subfuncţiile funcţiei globale .............. 17 2.2. Structura unui produs şi structura funcţiei globale a produsului........................... 24 2.3. Detalierea unei funcţii; principii de rezolvare şi variante conceptuale ................. 28 2.4. Sinteza conceptuală a unei funcţii compuse.......................................................... 44

3. Modelarea procesului de design al produselor tehnice ................................................ 53 3.1. Modelarea ciclului de viaţă al unui produs tehnic................................................. 53 3.2. Modelarea proiectării unui produs tehnic.............................................................. 57

3.2.1. Caracteristici de bază ale temei de proiectare.............................................. 57 3.2.2. Modelul lui Archer....................................................................................... 58 3.2.3. Modelul lui French ...................................................................................... 60 3.2.4. Modelul lui Pugh ......................................................................................... 62 3.2.5. Modelul lui Dieter........................................................................................ 63 3.2.6. Modelul Pahl & Beitz .................................................................................. 65 3.2.7. Modelul german VDI ................................................................................... 67 3.2.8. Concluzii şi dezvoltări ................................................................................. 72

4. Modelarea proiectării conceptuale a produselor tehnice ............................................ 81 4.1. Despre elaborarea listei de cerinţe (SDP).............................................................. 81 4.2. Algoritmi de modelare a proiectării conceptuale .................................................. 94

4.2.1. Modelul lui Cross’s...................................................................................... 94 4.2.2. Modelul Ulrich & Eppinger ........................................................................ 96 4.2.3. Modelul lui Dieter........................................................................................ 97 4.2.4. Modelul Pahl & Beitz .................................................................................. 97 4.2.5. Modelul german VDI ................................................................................. 100 4.2.6. Concluzii .................................................................................................... 101

4.3. Varianta generalizată de modelare a proiectării conceptuale .............................. 109 4.3.1. Structura algoritmului generalizat de proiectare conceptuală.................... 109 4.3.2. Algoritmul de sinteză a variantelor conceptuale........................................ 112 4.3.3. Concluzii .................................................................................................... 116

4.4. Stabilirea soluţiei conceptuale prin evaluarea variantelor conceptuale............... 120 4.4.1. Criterii de evaluare..................................................................................... 120 4.4.2. Evaluarea soluţiilor în literatura de limbă germană................................... 123 4.4.3. Evaluarea soluţiilor în literatura de limbă engleză .................................... 132 4.4.4. Despre cele două variante de evaluare fină. Formula FRISCO................. 133

5. Exemplu de proiectare conceptuală a unui produs tehnic......................................... 140 5.0. Despre specificaţiile de design ale produsului (SDP).......................................... 140 5.1. Identificarea funcţiei motoreductorului............................................................... 141 5.2. Detalierea funcţiei motoreductorului................................................................... 143 5.3. Generarea variantelor conceptuale ...................................................................... 146

5.3.1. Generarea (sinteza) variantelor de rezolvare ............................................. 146 5.3.2. Stabilirea variantelor conceptuale.............................................................. 147

5.4. Evaluarea variantelor conceptuale....................................................................... 156

9

CONTENTS

1. Introduction .................................................................................................................... 13

2. Basic concepts used in products’ conceptual design .................................................... 17 2.1. The overall function of a product; the flows and the sub-functions of the overall

function.................................................................................................................. 17 2.2. The product structure and the structure of the overall function ............................ 24 2.3. The function detailing; solving principles and solving structures......................... 28 2.4. Conceptual synthesis of a compound function...................................................... 44

3. Modeling of the technical products’ design process..................................................... 53 3.1. Modeling of a technical product life cycle............................................................ 53 3.2. Modeling of a technical product design ................................................................ 57

3.2.1. Basic characteristics of the design task........................................................ 57 3.2.2. Archer’s model............................................................................................. 58 3.2.3. French’s model ............................................................................................ 60 3.2.4. Pugh’s model ............................................................................................... 62 3.2.5. Dieter’s model ............................................................................................. 63 3.2.6. Pahl’s & Beitz’s model .............................................................................. 65 3.2.7. The German model VDI............................................................................... 67 3.2.8. Conclusions and developments.................................................................... 72

4. Modeling of the technical products’ conceptual design .............................................. 81 4.1. On the requirements’ list (PDS) elaboration ......................................................... 81 4.2. Algorithms for the conceptual design modeling ................................................... 94

4.2.1. Cross’s model .............................................................................................. 94 4.2.2. Ulrich’s & Eppinger’s model ..................................................................... 96 4.2.3. Dieter’s model.............................................................................................. 97 4.2.4. Pahl’s & Beitz’s model ............................................................................... 97 4.2.5. The German model VDI............................................................................. 100 4.2.6. Conclusions................................................................................................ 101

4.3. The generalized variant for the conceptual design modeling.............................. 109 4.3.1. The structure of the conceptual design generalized algorithm .................. 109 4.3.2. The algorithm for the synthesis of conceptual variants ............................. 112 4.3.3. Conclusions................................................................................................ 116

4.4. The conceptual solution settlement by the conceptual variants’ evaluation ....... 120 4.4.1. Evaluation criteria...................................................................................... 120 4.4.2. Solution evaluation in German literature................................................... 123 4.4.3. Solution evaluation in English literature.................................................... 132 4.4.4. On the two variants of fine evaluation. FRISCO formula ......................... 133

5. Example of a technical product conceptual design .................................................... 140 5.0. On the product design specifications (PDS)........................................................ 140 5.1. The identification of the motor-reducer function ................................................ 141 5.2. Detailing of the motor-reducer function............................................................. 143 5.3. Generation of the solving variants....................................................................... 146

5.3.1. Generation (synthesis) of the solving structures variants .......................... 146 5.3.2. Establishment of the conceptual variants................................................... 147

5.4. Evaluation of the conceptual variants ................................................................. 156

10

6. Exemple de soluţii ale unor funcţii cu utilizare tehnică uzuală................................. 161 6.1. Însumarea a 2 mişcări; distribuirea nedeterminată a unei mişcări în

alte 2 mişcări ....................................................................................................... 161 6.1.1. Exemple de utilizare .................................................................................. 161 6.1.2. Proprietăţi caracteristice unităţilor planetare diferenţiale .......................... 169

6.2. Însumarea a 2 momente; distribuirea nedeterminată a unui moment în alte 2 momente .................................................................................................... 177 6.2.1. Exemple de utilizare .................................................................................. 177 6.2.2. Proprietăţi caracteristice unui mecanism cu M = 1 şi L = 3 ...................... 180

6.3. Transmiterea puterii cu reducerea turaţiei sub raport constant ........................... 183 6.3.1. Reductoare cu axe fixe............................................................................... 184 6.3.2. Reductoare planetare cu două roţi centrale................................................ 188 6.3.3. Reductoare planetare cu o roată centrală ................................................... 196

6.4. Transmiterea energiei mecanice, fără modificarea turaţiei ................................. 207 6.4.1. Funcţiile cuplajelor mobile ........................................................................ 211 6.4.2. Tipurile cuplajelor mobile, după mişcările relative ale arborilor .............. 211 6.4.3. Tipurile cuplajelor mobile, după uniformitatea transmiterii mişcării ........ 212 6.4.4. Tipurile cuplajelor mobile, după particularităţile lor morfologice ............ 215 6.4.5. Despre funcţiile şi performanţele cuplajelor mobile.................................. 222

6.5. Soluţii de propulsie în medii fluide ..................................................................... 224 6.5.1. Privire filogenetică cu ajutorul unor exemple reprezentative .................... 225 6.5.2. Concluzie ................................................................................................... 233

6.6. Soluţii bionice şi soluţii tehnice echivalente ....................................................... 233

Anexe ..................................................................................................................................... 241 ANEXA A.1. Definirea principalelor noţiuni de bază.................................................. 243 ANEXA A.2. Modelarea randamentului unităţii planetare monomobile ..................... 254 ANEXA A.3. Modelarea reductorului planetar Vaucanson ......................................... 258 ANEXA A.4. Asupra metodei TRIZ (teoria rezolvării probemelor de

inventică)............................................................................................... 268

Bibliografie ........................................................................................................................... 277

11

6. Solving examples for functions with usual technical use ........................................... 161 6.1. Summation of two motions; distribution of a motion into other two motions 161

6.1.1. Examples of use ......................................................................................... 161 6.1.2. Characteristic properties of a planetary gear unit ...................................... 169

6.2. Summation of two torques. Indeterminate distribution of a torque into other two torques ................................................................................................. 177 6.2.1. Examples of use ......................................................................................... 177 6.2.2. Characteristic properties of a gear mechanism with M = 1 and L = 3....... 180

6.3. Power transmission with rotative speed reduction under a constant ratio .......... 183 6.3.1. Gear reducers with fixed axes.................................................................... 184 6.3.2. Planetary reducers with two sun gears....................................................... 188 6.3.3. Planetary reducers with a single sun gears ................................................ 196

6.4. Mechanical energy transmission without rotative speed modification ............... 207 6.4.1. Functions of the mobile joints.................................................................... 211 6.4.2. Types of mobile joints considering the shafts relative motions................. 211 6.4.3. Types of mobile joints considering the motion transmission uniformity .. 212 6.4.4. Types of the mobile couplings considering their morphological features. 215 6.4.5. On the functions and performances of the mobile joints ........................... 222

6.5. Propelling solutions in fluid mediums................................................................. 224 6.5.1. Phylogenetic view by means of some representative examples ................ 225 6.5.2. Conclusion ................................................................................................. 233

6.6. Bionic solutions and equivalent technical solutions............................................ 233

Appendices ............................................................................................................................ 241 APPENDIX A.1. Defining the main basic notions....................................................... 243 APPENDIX A.2. Efficiency modeling of the monomobile planetary unit .................. 254 APPENDIX A.3. Modeling of the Vaucanson planetary reducer ................................ 258 APPENDIX A.4. On the TRIZ method (theory of inventive problem

solving)............................................................................................ 268

References ............................................................................................................................. 277

12

BAZA

DE INFORMAŢII

Variante

concep-

tuale

Structura

funcţiei

globale

1. Identificarea funcţiei globale

a produsului

2.Detalierea

funcţiei globale

3. Generarea variantelor conceptuale

4. Evaluarea

tehnico-economică

Funcţia

globală a

produsului

Conceptul

produsului

Cerinţe +

Criterii de evaluare:

i = 100 ±±±± 1,5 %

ηηηηmin = 0,5

Lista de

cerinţe

(SDP)

13

1. INTRODUCERE Un produs industrial este un sistem tehnic rezultat ca soluţie tehnico-economică, a unei probleme generată de o anumită nevoie socială.

În concepţia şcolii germane [12], sistemele tehnice sunt sisteme artificiale, care pot fi clasificate astfel:

a) După scop, se deosebesc sisteme tehnice (artefacte) destinate, în principal, „manipulării şi/sau prelucrării“ de: a1) energie (care poate fi de natură: mecanică, pneumatică, hidraulică, termică, electrică şi/sau nucleară), a2) materiale (care pot fi de natură: solidă, lichidă şi/sau gazoasă) şi a3) informaţii (cu semnale de natură energetică şi/sau materială);

b) După domeniul de specialitate, se deosebesc sisteme (artefacte): b1) fizice (care pot fi: optice, mecanice, electronice, electrice, acustice, pneumatice, hidraulice, magnetice şi/sau termice), b2) chimice (organice şi anorganice) şi b3) biologice (care pot fi de natură: umană, zoologică, vegetală şi bacteriologică);

c) După nivelul ierarhic de complexitate, într-un sistem tehnic (artefact) pot fi identificate subsisteme de tip: c1) punct (vârf, colţ), c2) linie (muchie), c3) suprafaţă, c4) suprafeţe conjugate, c5) parte a unui corp, c6) parte constructivă (piesă), c7) grupă constructivă, obţinută prin asam-blarea mai multor părţi constructive (exemple: rulment, şurub cu bile etc.), c8) instrument, dispozitiv, aparat, maşină (de forţă, de lucru, de prelucrare, de transport etc.), c9) agregat, instalaţie, c10) sistem tehnic complex (exemplu: sistemul de telecomunicaţii prin satelit).

d) Un alt criteriu de sistematizare, folosit de Ulrich & Eppinger (SUA) [19], are în vedere destinaţia produsului; pe baza acestui criteriu se deosebesc produse (artefacte): d1) cu destinaţie tehnologică, d2) destinate utilizatorilor şi d3) cu destinaţie mixtă.

1. INTRODUCTION An industrial product is a technical system that is the outcome, as a technical and economical solution, of a problem generated by a social need.

In the German school view [12], the technical systems are artificial systems, which can be classified as follows:

a) In terms of their goal, there can be highlighted technical systems (artifacts) meant for „manipulation and/or processing“ of: a1) energy (that can be: mechanical, pneumatic, hydraulic, thermal, electrical and/or nuclear), a2) materials (that can be: solid, liquid and/or gaseous) and a3) information (with signals of energetic and/or material nature);

b) In terms of the specialty field, there are highlighted systems (artifacts): b1) physical (that can be: optical, mechanical, electronic, electrical, acoustical, pneumatic, hydraulic, magnetic and/or thermal), b2) chemical (organic and inorganic) and b3) biological (that can be of: human, zoological, vegetal and bacteriologic nature);

c) In terms of the hierarchical complexity level, in a technical system (artifact) there can be identified subsystems of type: c1) point (peak, corner), c2) line (edge), c3) surface, c4) adjoint surfaces, c5) part of a body, c6) constructive part, c7) constructive group, obtained by assembling more constructive parts (e.g. bearing, ball screw), c8) instrument, device, machine (prime mover, processing machine, transport machine etc.), c9) aggregate, installation, c10) complex technical system (e.g. the tele-communication system through satellite).

d) Another criterion of systematization, used by Ulrich & Eppinger (SUA) [19], takes into account the product destination; based on this criterion, the following products (artifacts) are highlighted: d1) with a technological destination, d2) destined to the users and d3) with a mixed destination.

14

Proprietăţile unui produs (artefact) sunt descrise cu ajutorul caracteristicilor. Se disting:

1) caracteristici de stare (exemple: gabarit, culoare, material, formă etc.),

2) caracteristici funcţionale (exemple: raport de transmitere, turaţie maximă, moment maxim, temperatură de funcţionare etc.) şi

3) caracteristici de relaţie cu mediul (exemple: preţ de cost, nivel acustic, locaţie etc.).

Comunicarea caracteristicilor poate fi realizată: verbal, grafic şi/sau numeric.

Pe baza caracteristicilor, un produs poate fi descris la diverse niveluri de abstractizare, adică de neglijare a unor caracteristici considerate de importanţă secundară; pot fi obţinute astfel diferite modele ale produsului, de la modelul concret până la modelul de maximă abstractizare, în care sunt păstrate doar caracteristicile considerate strict esenţiale.

Performanţele unui produs, descrise prin „valorile“ caracteristicilor de maximă importanţă, sunt direct dependente de gradul de dezvoltare atins de societate, în plan economic, tehnologic şi cultural.

Formularea problemelor (pe baza nevoilor sociale) şi rezolvarea acestora, cu dezvoltarea în timp a soluţiilor, formează obiectul unei metadiscipline, relativ recent cristalizată, denumită designul produselor industriale sau prescurtat: design industrial sau design de produs.

După Micul Dicţionar Enciclopedic (Ed. @tiinţifică şi Enciclopedică, Bucureşti), prin design industrial sau design se înţelege: activitatea de proiectare a produselor, care urmează a fi fabricate la scară industrială, în acord cu nevoile societăţii.

După DEX-S (Ed. Academiei, Bucureşti), designul se referă la un domeniu multidisciplinar interesat de ansamblul factorilor (social-economici, ergonomici, tehnici, estetici etc.) care contribuie la calitatea şi aspectul produsului de mare serie.

Product properties are described by means of the characteristics. There are highlighted:

1) state characteristics (e.g. overall size, color, material, form),

2) functional characteristics (e.g. transmission ratio, maximum speed, maximum torque, running temperature) and

3) characteristics of the relation with the environment (e.g. cost, acoustic level, location).

The characteristics can be communicated: verbal, graphic and/or numeric.

Based on its characteristics, a product can be described at different levels of abstraction, namely to neglect some characteristics of secondary importance; thus, there can be obtained different models of the product, from the concrete model to the model of maximum abstraction, in which there are kept only the characteristics that are considered essential, for the given data.

Product performances, described through the „values“ of the characteristics of maximum importance, are directly dependent of the society degree of development, in the economical, technological and cultural field.

Problems formulation (on the basis of the social needs) and their solving, with the solutions' development in time, form the object of a meta-discipline, crystallized relatively recent, called industrial products design or abr.: industrial design or product design.

In the Small Encyclopedic Dictionary (Scientific and Encyclopedic Publishing House, Bucharest), industrial design or design is explained through: the activity of designing products that will be manufactured at industrial level, according to the society needs.

In DEX-S (Academy’s Publishing House, Bucharest), design is referring to a multidisciplinary field that is interested in the factors assembly (social-economical, ergonomic, technical, aesthetic etc.), which contributes to the quality and aspect of the serialized product.

15

Spre deosebire de proiectarea tradiţională, în care stabilirea soluţiilor se realizează cvasi-empiric, designul industrial elimină empirismul prin determinarea pe baze ştiinţifice a soluţiilor de proiectare şi dezvoltare a produselor; acest deziderat se realizează prin structurarea procesului de proiectare cu ajutorul unor noţiuni, algoritmi şi metode care asigură obţinerea soluţiei optime, atât d.p.d.v. utilitar, cât şi estetic. Obţinerea soluţiei optime se realizează prin corelarea sistematică şi eficienţă a informaţiei din toate domeniile conexe, astfel încât produsul proiectat să constituie, în condiţiile date, cel mai bun răspuns la exigenţele de natură utilitară, economică, estetică, de siguranţă etc.

Conform teoriei designului industrial, dezvoltată cu precădere de şcolile germană, engleză şi americană, algoritmul general de proiectare a unui produs poate fi divizat în patru faze relativ distincte [16]:

1) formularea problemei (din nevoia socială identificată), sub forma unei liste de obiective: cerinţe şi criterii de evaluare tehnico-economică; acesată fază mai este cunoscută şi ca “planificarea şi clarificarea sarcinilor” ,

2) dezvoltarea soluţiilor conceptuale şi stabilirea conceptului sau soluţiei de principiu a produsului; această fază este denumită “design conceptual” ,

3) elaborarea proiectului constructiv, această fază este denumită “design constructiv” ,

4) detalierea proiectului constructiv şi elaborarea documentaţiei produsului, formată din documente cu referire la: fabricaţie, asamblare, testare, desfacere, utilizare, întreţinere şi reparaţie, refolosire, reciclare şi de scoatere din uz a produsului; această fază este denumită “design de detaliu” .

Monitorizarea tendinţelor şi schimbărilor, care intervin în timpul unui ciclu de viaţă al produsului, permit dezvoltarea produsului, prin reluarea ciclului la momentul oportun.

Unlike the traditional design, in which the solutions are established quasi-empirically, the industrial design eliminates the empiricism by establishing scientifically the solutions for the products design and development; this desideratum is obtained through the design process structuring by means of notions, algorithms and methods that allows obtaining the optimum solution, both utilitarian and aesthetical. The optimum solution is obtained by a systemic and efficient correlation of the information from all the connected fields, so that the designed product to represent, in given conditions, the best answer to the requirements of utilitarian, economical, aesthetical, safety nature.

According to the industrial design theory, developed mainly by the German, English and American schools, the general design algorithm of a product can be divided into four phases, relatively distinct [16]:

1) problem formulation (from the identified social need), in the form of a list of objectives: requirements and criteria of technical – economical evaluation; this phase, known as “planning and clarifying the task” ,

2) development of the product conceptual solutions and establishment of the product concept or principle solution; this phase is denominated “conceptual design” ,

3) elaboration of the layout; this phase is known as “embodiment design” ,

4) the layout detailing and elaboration of the product documentation, consisting of documents referring to the product: manufacture, assemblage, testing, sale, use, maintenance and reparation, reuse, recycling and disuse; this phase is known as “detail design”.

The audit of trends and changes that interfere in the product life cycle allows the product development, by resuming the cycle in the opportune moment.

16

În concluzie, procesul de design industrial, definit ca activitate destinată creaţiei şi dezvoltării de produse optime, are ca rezultat final documentaţia de produs. Elaborarea acesteia este precedată de obţinerea a trei rezultate-cheie intermediare:

a) Lista de cerinţe, ca rezultat al fazei de proiectare nr. 1),

b) Soluţia de principiu sau soluţia-concept a produsului, ca rezultat al fazei de proiectare nr. 2), şi

c) Proiectul definitiv al produsului, ca rezultat al fazei de proiectare nr. 3).

Faza secundă a algoritmului de proiectare prezentat formează obiectul unei discipline de graniţă, relativ recent cristalizată, intitulată design conceptual; această titulatură provine din scopul urmărit, adică din soluţia concept (sau, în formulare mai recentă, soluţia de principiu a produsului).

Deoarece operează cu substructuri specifice unor discipline foarte diferite, designul conceptual are ca obiectiv central crearea unei structuri metodologice (alcătuită din noţiuni, metode şi algoritmi) destinată să asigure găsirea celui mai bun concept de produs (în condiţiile date), prin realizarea unui management eficient al informaţiilor culese din ştiinţă, tehnologie, economie, piaţă, cultură, legislaţie, politică etc.

Principalele cuvinte-cheie, specifice acestei discipline, se referă la noţiunile de: cerinţă, criteriu de evaluare tehnico-economică, materie, energie, informaţie, funcţie, subfuncţie, structură de subfuncţii, efect (principiu) fizic, purtător de efecte, principiu de rezolvare, matrice morfologică (pentru compunerea combinatorie a soluţiilor parţiale), variantă de rezolvare, variantă conceptuală, soluţie de principiu (concept) etc.

Din diversele abordări ale designului conceptual apărute pe plan mondial, în această lucrare s-a preferat folosirea, cu precădere, a formalismului dezvoltat de şcoala germană [7, 8, 9, 11, 12, 16, 20], a cărei prioritate în domeniu, pe plan mondial, este unanim recunoscută.

In conclusion, the industrial design process, defined as an activity dedicated to the creation and development of optimal products, has as the final result – the product documentation. The obtaining of three intermediate key-results precedes its elaboration:

a) The requirements list, as the result of the design phase no. 1),

b) The product principle solution or concept-solution, as the result of the design phase no. 2), and

c) The product definitive layout, as the result of the design phase no. 3).

The second phase of the presented design algorithm forms the object of a boundary discipline, crystallized relatively recent, called conceptual design; this entitling proceeds from the traced goal, that is from the concept solution (or, in a more recent formulation, principle solution of the product).

Because operates with specific substructures of different disciplines, the conceptual design has as central objective the development of a methodological structure (consisting of notions, methods and algorithms) that is meant to ensure the best product concept (in given conditions), by making an efficient management of the information gathered from science, technology, economy, market, culture, legislation, politics etc.

The main keywords, that are specific to this discipline, are referring to notions of: requirement, technical-economical evaluation criterion, material, energy, information, function, sub-function, structure of sub-functions, physical effect (principle), effects carrier, solving principle, morphological matrix (for the combinatory composition of the partial solutions), solving variant, solving structure, principle solution (concept) etc.

Among the different international approaches of the conceptual design, in this book it was preferred the use of the formalism developed by the German school [7, 8, 9, 11, 12, 16, 20], whose priority in this field, on an international scale, is recognized unanimously.

17

2. NOŢIUNI DE BAZĂ UTILIZATE ÎN DESIGNUL CONCEPTUAL AL PRODUSELOR Pe baza unor exemple de produse relativ simple, în continuare se efectuează analiza conceptuală a acestora, adică se stabilesc proprietăţile semnificative ale fiecărui produs, din punctul de vedere al designului conceptual. Se creează astfel un cadru intuitiv pentru introducerea, definirea şi interpretarea noţiunilor primare cu care designul conceptual operează uzual.

Sunt considerate, ca exemple de analiză, produse de largă utilizare:

1) o râşniţă electrică de cafea (fig. 2.2,a),

2) o maşină electrică de spălat rufe (fig. 2.3,a),

3) o maşină electrică de stors rufe (fig. 2.4,a) şi

4) un cric de autoturism (fig. 2.5,a).

Fiecare etapă de analiză este urmată de precizări privind definirea şi interpretarea noţiunilor utilizate. 2.1. FUNCŢIA GLOBALĂ A UNUI PRODUS; FLUXURILE I SUBFUNCŢIILE FUNCŢIEI GLOBALE Identificarea funcţiei globale, pentru un produs dat, presupune identificarea entităţilor de intrare, a entităţilor de ieşire şi a corelaţiilor realizate de produs între acestea. În continuare, se identifică aceste aspecte, în formă simplificată, pentru cele patru exemple considerate mai sus.

În cazul râşniţei electrice de cafea, pe baza tab. 2.1 (stânga) şi a fig. 2.1, se pot identifica următoarele entităţi:

a) entităţi de intrare:

-de tip material: boabe prăjite de cafea;

-de tip energetic: energie electrică;

-de tip informaţional: a) date privind volumul de cafea-boabe care poate fi introdus şi granulaţia de măcinare dorită; b) date şi instrucţiuni cu referire la punerea în funcţiune; c) semnalul de pornire (toate aceste date sunt procesate de operatorul uman);

2. BASIC CONCEPTS USED IN PRODUCTS’ CONCEPTUAL DESIGN The conceptual analysis is further presented, based on some examples of relatively simple products; namely there are established the relevant properties for each product from the conceptual design point of view. Thus, it is created an intuitive frame for the introduction, definition and interpretation of the primary notions with which the conceptual design usually operates.

Products of large use are considered as examples of analysis:

1) an electric coffee mill (Fig. 2.2,a),

2) an electric washing machine (Fig. 2.3,a),

3) an electric wring machine (Fig. 2.4,a) and

4) a car jack (Fig. 2.5,a).

Each analysis step is followed by specifications regarding the definition and interpretation of the used concepts. 2.1 THE OVERALL FUNCTION OF A PRODUCT; THE FLOWS AND THE SUBFUNCTIONS OF THE OVERALL FUNCTION The identification of the overall function for a given product assumes the identification of the input entities, of the output entities and of the correlations between them, which are due to the product. Further on, there are identified these aspects, in a simplified form, for the four previously presented examples.

For the electrical coffee mill, the following entities can be identified, based on Table 2.1 (left) and on Fig. 2.3:

a) input entities:

-of material type: roasted coffee beans;

-of energetic type: the electrical energy;

- of informational type: a) data concerning the volume of coffee beans that can be introduced and the requested milling granulation; b) data and instructions referring to its putting into service; c) the starting signal (all these data are processed by the control system of the human operator);

18

b) entităţi de ieşire :

-de tip material: cafea măcinată;

-de tip energetic: căldură, zgomot şi energie musculară (pentru echilibrarea momentului-motor);

-de tip informaţional: granulaţia cafelei obţinută prin măcinare.

O cutie neagră (black box), cu intrările şi ieşirile precizate mai sus (fig. 2.1,a), exprimă grafic funcţia globală a produsului considerat; exprimată în cuvinte, această funcţie poate fi formulată succint astfel: râşniţa reduce mecanic granulaţia unui material de tip granular (cafeaua-boabe), cu ajutorul energiei electrice şi a unui sistem de control uman.

În funcţie de natura entităţilor cu care operează, cutia neagră din fig. 2.1,a poate fi descompusă în trei cutii negre distincte (fig. 2.1,b). Pe de o parte, aceste cutii negre

b) output entities:

-of material type: milled coffee;

-of energetic type: heat, noise and muscular energy (for the motor torque equilibration);

-of informational type: the granulation of the coffee, which is obtained by milling.

A black box, with the previously specified inputs and outputs (Fig.2.1,a), expresses graphically the overall function of the considered product; succinct, this function can be formulated as follows: the mill reduces mechanically the granulation of a material of a granular type (coffee beans), by using electric energy and a human control system.

In terms of the operational entities’ nature, the black box from Fig. 2.1,a can be decomposed into three distinct black boxes (Fig. 2.1,b). On one side, these black boxes

Funcţia globală

Overall function

M M*

E E*

I I*

Intrare Input

Ieşire Output

FM

FE

FI

M M*

E E*

I

I*

β γ

α

a b

Fig. 2.1,a. Funcţia globală a unui produs: (M,E,I)/(M*,E*,I*) = notaţiile entităţilor de intrare (M = material, E = energie, I = informaţie) şi respectiv de ieşire. b. Structura de funcţii, de ordinul 1M+1E+1I, derivată din funcţia globală prin detaliere (descompunere): FM, FE, FI = subfuncţia globală corespunzătoare fluxului de material, – de energie şi respectiv – de informaţie; α = comenzi de pornire/oprire, β = conectare/deconectare material-energie, γ = variaţii ale unor mărimi de stare: granulaţie (pentru râşniţă), culoarea apei (pentru maşina de spălat), debitul de apă scursă (pentru maşina de stors), înălţimea de ridicare (pentru cric).

Fig. 2.1,a. The overall function of the product: (M,E,I)/(M*,E*,I*) = the notations of the input

and output entities (M = material, E = energy, I = information). b. The structure (of the overall function) of 1M – 1E – 1I order, derived from the overall function by detailing: FM, FE, FI = the notations of the overall subfunction of the material flow, - energy flow and information flow respectively; α = start/stop, β = material-energy connection/disconnection, γ = granulation (for the coffee mill), water’s colour (for the washing machine), the flow of the water (for the wring machine), the lifting height (for the lifting jack).

19

pun în evidenţă cele trei fluxuri aferente funcţiei globale: 1) un flux de material (reprezentat cu linie groasă), 2) un flux de energie (reprezentat cu linie subţire) şi 3) un flux de informaţie (reprezentat cu linie întreruptă).

Pe de altă parte, fiecare cutie neagră din fig. 2.1,b desemnează câte o sub-funcţie globală distinctă:

1) subfuncţia desemnată de prima cutie neagră (FM): reducerea granulaţiei materialului (intră cafea boabe şi energie mecanică şi iese cafea măcinată);

2) subfuncţia descrisă de cutia secundă (FE): transformarea energiei electrice în energie mecanică (intră energie electrică, semnale de conectare şi de deconectare a acesteia şi iese energie mecanică de rotaţie însoţită de zgomot, căldură etc.);

3) subfuncţia desemnată de cutia terţă (FI): convertirea datelor de intrare (privind pregătirea punerii în funcţiune, granulaţia curentă şi granulaţia dorită etc.) în semnale de pornire/oprire şi în date de ieşire, referitoare la granulaţia realizată, volumul de cafea măcinată etc. (date înregistrate vizual în memoria operatorului uman).

Pentru funcţia globală a acestui produs (fig. 2.1), fluxul de material constituie fluxul principal, iar fluxurile de energie şi de informaţie constituie fluxuri secundare; implicit, subfuncţia FM devine subfuncţie principală, iar subfuncţiile FE şi FI devin subfuncţii secundare.

În mod analog se identifică entităţile de intrare şi de ieşire, funcţiile globale, fluxurile şi subfuncţiile globale pentru celelalte exemple de produse. Rezultatele obţinute sunt prezentate succint în tabelele 2.1 şi 2.2, coroborate cu fig. 2.1.

Analiza comparativă, a acestor exemple, evidenţiază următoarele două particularităţi:

1°. În toate aceste cazuri, fluxul de material este flux principal şi, ca urmare, subfuncţia globală aferentă FM (fig. 2.1,b) devine subfuncţie principală;

highlight the three flows that are afferent to the overall function: 1) a material flow (represented with a thick

line), 2) an energy flow (represented with a thin

line) and 3) an information flow (represented with a

dashed line).

On the other side, each black box from Fig. 2.1,b designates a distinct overall sub-function:

1) the subfunction designated by the first black box (FM): the mechanical reduction of the material granulation (coffee beans and mechanical energy go in and milled coffee goes out);

2) the subfunction described by the second box (FE): the transformation of electrical energy into mechanical energy (electrical energy, connecting and disconnecting signals go in and rotational mechanical energy, heat, noise etc. go out);

3) the subfunction designated by the third box (FI): the conversion of the input data (regarding the preparation of putting into service, the requested granulation and the current granulation etc.) into starting/stopping signals and into output data, regarding the obtained granulation, the volume of milled coffee etc. (data that are visually recorded in the human operator memory).

For the overall function of this product (Fig. 2.1), the material flow represents the main flow, while the energy and the information flows are secondary flows; implicitly, the subfunction FM becomes the main subfunction, while the subfunctions FE and FI become secondary subfunctions.

Analogous, there can be identified the input and output entities, the overall functions, the flows and the overall subfunctions for the other examples of products. The results are presented in Tables 2.1 and 2.2, corroborated with Fig. 2.1.

The comparative analysis of these examples highlights the following two specific features:

1°. In all these cases, the material flow is the main flow and, therefore, the afferent overall subfunction FM (Fig. 2.1,b) becomes the main subfunction;

20

Tab 2.1. Entităţile de intrare şi ieşire ale produselor de tip: râşniţă de cafea şi maşină de spălat (variante simplificate)

Produsul Entităţi RÂŞNIŢĂ ELECTRICĂ DE

CAFEA MAŞINĂ ELECTRICĂ DE

SPĂLAT

M Boabe prăjite de cafea Rufe

murdare+apă+detergent

E Energie electrică

INT

RA

RE

I

Control uman: date privind mărimile de stare ale materialelor la intrare şi mărimile de stare dorite la ieşire; date şi

instrucţiuni referitoare la punerea în funcţiune, semnal de pornire

M* Cafea măcinată la granulaţia

impusă

Rufe curate ude; amestec de

apă, detergent şi murdărie

Căldură şi zgomot E*

Energie musculară pentru echilibrarea carcasei

Energie potenţială a bazei pentru echilibrarea carcasei

maşinii

IEŞ

IRE

I* Date privind mărimile de stare ale materialelor rezultate la

ieşire (înregistrate în memoria operatorului uman)

,otaţii: M, M*= material; E, E*= energie; I, I*= informaţie.

Tab 2.2. Entităţile de intrare şi ieşire ale produselor de tip: storcător de rufe şi cric de autoturism (variante simplificate)

Produsul Entităţi STORCĂTOR ELECTRIC

DE RUFE CRIC DE AUTOTURISM

M Rufe ude Şasiu de autoturism

E Energie electrică Energie musculară

INT

RA

RE

I

Control uman: date privind mărimile de stare ale materialelor la intrare şi mărimile de stare dorite la ieşire; date şi

instrucţiuni referitoare la punerea în funcţiune, semnal de pornire

M* Rufe stoarse; apă evacuată Şasiu ridicat la înălţimea

necesară

E* Căldură, zgomot, energie potenţială a bazei pentru

echilibrarea carcasei

Căldură, energie potenţială a bazei pentru echilibrarea

cricului

IEŞ

IRE

I* Date privind mărimile de stare ale materialelor de ieşire

(înregistrate în memoria operatorului uman)

,otaţii: M, M*= material; E, E*= energie; I, I*= informaţie.

21

Tab. 2.1 The input and output entities for the products of the following types: coffee mill and washing machine (simplified variants)

PRODUCT: Entities

ELECTRIC COFFEE MILL ELECTRIC WASHING

MACHINE

M Roasted coffee beans Dirty laundry + water +

detergent

E Electric energy

INP

UT

I

Human control: data regarding the state parameters of the input materials and the state parameters that are wished at the

output; data and instructions regarding the putting into service, starting signal

M* Milled coffee at the imposed

granulation

Wet clean laundry; mixture

of water, detergent and dirt

Heat and noise E*

Muscular energy for the casing equilibration

The base potential energy for the equilibration of the

machine casing

OU

TP

UT

I* Data regarding the state parameters of the output materials

(recorded in the human operator memory)

,otations: M, M*= material; E, E*= energy; I, I*= information.

Tab. 2.2 The input and output entities of the products of following types: wring machine and car lifting jack (simplified variants)

PRODUCT: Entities ELECTRIC WRING

MACHINE CAR LIFTING JACK

M Wet laundry Car undercarriage

E Electric energy Muscular energy

INP

UT

I

Human control: data regarding the state parameters of the input materials and the state parameters that are wished at the

output; data and instructions regarding the putting into service, starting signal

M* Wrung out laundry;

evacuated water

The undercarriage lifted at

the necessary height

E* Heat, noise, base potential

energy for the casing equilibration

Heat, base potential energy for the lifting jack

equilibration

OU

TP

UT

I* Data regarding the state parameters of the output materials

(recorded in the human operator memory)

,otations: M, M*= material; E, E*= energy; I, I*= information.

22

2°. Deşi toate operează cu materiale, subfuncţiile principale din cele patru exemple sunt complet diferite între ele; astfel (v. tab.2.1 şi 2.2 şi fig.2.1):

a) subfuncţia din primul exemplu (tab. 2.1) se referă la reducerea mecanică a granulaţiei unui material (cafea);

b) în cazul exemplului secund (tab. 2.1), subfuncţia principală se referă la separarea mecanico – chimică a unui amestec de mai multe materiale (rufe murdare + apă + detergent) în două grupe distincte (rufe curate ude şi separat apă murdară + detergent);

c) în cel de-al treilea exemplu (tab. 2.2), subfuncţia principală se referă la separarea mecanică a unui amestec de două materiale (rufe ude) în cele două componente (rufe şi separat apă);

d) în ultimul exemplu (tab. 2.2), subfuncţia principală se referă la deplasarea unui corp material (ridicarea şasiului unui autoturism), dintr-o poziţie iniţială dată într-o poziţie necesară.

2.1* Definiţii şi semnificaţii ale noţiunilor utilizate: 1°. Produs tehnic: sistem deschis creat de om, în care sunt convertite materiale, energie şi/sau informaţie, pentru satisfacerea unei nevoi sociale.

Proprietăţi:

- Orice produs este dependent de contextul tehnic, economic şi cultural în care este realizat; modificările de context pot conduce la apariţia, dezvoltarea, înlocuirea şi/sau dispariţia produsului.

- Viaţa unui produs cuprinde următoarele faze principale: a) planificare, b) studiu preliminar, c) dezvoltare, d) fabricare, e) punere în funcţiune, f) exploatare şi g) înlocuire.

- Realizarea şi desfacerea oricărui produs urmăreşte obţinerea de profit.

- Nevoile (cerinţele) şi condiţiile, care determină apariţia şi/sau dezvoltarea unui produs, sunt modelate cu ajutorul listei de cerinţe, denumită şi Specificaţii de Design ale Produsului (SDP).

2°. Even if all of them operate with materials, the main subfunctions from the four examples are completely different from each other; thus, (see Tab. 2.1 and 2.2 and Fig. 2.1):

a) the subfunction from the first example (Tab. 2.1) reduces mechanically the material (coffee) granulation;

b) in the case of the second example (Tab. 2.1), the main subfunction separates mechanically and chemically a mixture of materials (dirty laundry + water + detergent) into two distinct groups (wet clean laundry and separately, dirty water + detergent);

c) for the third example (Tab. 2.2), the main subfunction separates mechanically a mixture of two materials (wet laundry) into the two components (laundry and, separately, water);

d) for the last example (Tab. 2.2), the main subfunction is referring to the displacement of a body (lifts the undercarriage), from the given initial position to a necessary position.

2.1* Definitions and meanings of the used notions 1°. Technical product: an open system, made by human being, in which there are converted materials, energy and/or information, in order to satisfy a social need.

Properties:

-Any product depends on the technical, economical and cultural context in which it is made; the context changes can lead to the appearance, development, replacement and/or disappearance of the product.

- The product life contains the following main phases: a) planning, b) preliminary study, c) development, d) manufacturing, e) putting into service, f) operation and g) replacement.

- The aim of any product development and manufacturing is to obtain profit.

- The needs (requirements) and conditions that cause the appearance and/or development of a product are modeled using a requirements list, denominated also as Product Design Specifications (PDS).

23

2°. Specificaţiile de design ale produsului cuprind:

a) Nevoile şi dorinţele clienţilor convertite în condiţii tehnice, estetice şi economice;

b) Restricţii concurenţiale, sociale, ecologice şi organizatorice;

c) Date privind posibilităţile de desfacere şi volumul de fabricaţie;

d) Date referitoare la mijloacele şi resursele tehnico-economice interne şi externe;

e) Condiţii referitoare la politica şi orientările firmei etc.

SDP este un document dinamic, în care se reflectă orice modificare din ciclul de viaţă al produsului. 3°. Funcţia unui produs: corelaţia sau ansamblul de corelaţii dintre mărimile de stare ale entităţilor de ieşire şi mărimile de stare ale entităţilor de intrare.

Proprietăţi:

- Pentru a sesiza uşor corelaţia ierarhică a unei funcţii, faţă de alte funcţii, se folosesc noţiunile derivate de: funcţie globală, subfuncţie globală şi subfuncţie. Aceeaşi funcţie poate fi îndeplinită de mai multe produse diferite între ele (de exemplu: deplasarea verticală a unui material poate fi realizată cu diverse produse: cric mecanic, cilindru hidraulic telescopic, lift, macara etc.).

- În raport cu entităţile cu care operează, într-o funcţie globală pot să intervină: un flux de material, un flux de energie şi/sau un flux de informaţie.

- Fiecare flux poate fi caracterizat, iniţial, printr-o funcţie unică, denumită subfuncţia globală a fluxului; ca urmare, funcţia globală a unui produs poate fi divizată, iniţial, într-un număr de subfuncţii (globale) egal cu numărul fluxurilor sale.

- În raport cu destinaţia produsului, unul dintre fluxurile acestuia este flux principal, iar celelalte sunt secundare; implicit, subfuncţia globală aferentă fluxului principal devine subfuncţie principală, iar celelalte devin subfuncţii secundare.

2°. Product design specifications contain:

a) The needs and wishes of the clients, converted into technical, aesthetical and economical conditions;

b) Concurrent, social, ecological and organizational restrictions;

c) Data regarding the sale possibilities and the manufacturing volume;

d) Data regarding the technical-economical internal and external means and resources;

e) The conditions regarding the company policy and orientations etc.

PDS is a dynamic document in which there are reflected any changes in the product life cycle. 3°. Product function: the correlation or the assembly of correlations between the state parameters of the output entities and the state parameters of the input entities.

Properties:

- In order to approach easily the hierarchical correlation of a function against other functions, the following derived notions are used: overall function, overall subfunction and subfunction. The same function can be fulfilled by more products, different from each other (for instance: the vertical displacement of a material can be obtained with different products: mechanical lifting jack, hydraulic telescopic cylinder, elevator, crane, etc.).

- In terms of the entities with which it is working, in an overall function can interfere: a material flow, an energy flow and/or an informational flow.

- Each flow can be initially characterized by a unique function, known as the flow overall subfunction; therefore, the overall function of a product can be initially divided into a number of (overall) subfunctions equal to the number of its flows.

- In terms of the product destination, one of its flows is the main flow, while the others are secondary; implicitly, the overall subfunction that corresponds to the main flow becomes the main subfunction and the others become secondary subfunctions.

24

TEMA DE CASĂ 2.1: Se consideră următoarele produse: 1) motor electric, 2) aspirator, 3) frigider, 4) maşină de şlefuit vibratoare, 5) ascensor, 6) sonerie electrică, 7) cântar de bucătărie, 8) cutie de viteze, 9) fierăstrău pendular, 10) moto-reductor. Se cere să se identifice entităţile de intrare şi de ieşire, să se reprezinte grafic şi să se formuleze funcţia globală pentru fiecare dintre aceste produse; se cere apoi să se reprezinte grafic fluxurile şi subfuncţiile globale aferente.

2.2. STRUCTURA UNUI PRODUS I STRUCTURA FUNCŢIEI GLOBALE A PRODUSULUI Prin identificarea fluxurilor, efectuată în fig. 2.1,b, s-a iniţiat procesul de dezasamblare (detaliere) a funcţiei globale. La început s-a considerat că (sub)funcţiile, care intervin într-un flux, sunt înglobate într-o (sub)funcţie unică denumită subfuncţia globală a fluxului considerat.

În acest fel, fiecare funcţie globală, identificată în subcap. 2.1 (v. fig. 2.1,a), a devenit un sistem deschis (v. fig. 2.1,b), format din k = 3 subfuncţii globale (k fiind numărul de fluxuri din funcţia globală).

Un astfel de sistem este denumit, în continuare, structură a funcţiei globale sau, prescurtat, structură de funcţii.

Având cel mai redus grad de detaliere (fiecare flux conţine o singură funcţie), o astfel de structură este numită, mai complet, structură de funcţii de ordinul 1M+1E+1I (adică dispune de: o funcţie în fluxul de Material + o funcţie în fluxul de Energie + o funcţie în fluxul de Informaţie).

În procesul analizei (când produsul este cunoscut), structura de funcţii se află într-o corespondenţă biunivocă cu structura produsului; aceasta înseamnă că fiecărei subfuncţii (din funcţia globală) îi corespunde un anumit modul din componenţa produsului şi reciproc. Aşa de exemplu, râşniţa electrică de cafea, ilustrată simplificat în fig. 2.2,a, are în structura sa următoarele module (subsisteme):

HOMEWORK 2.1: There are considered the following products: 1) an electrical motor, 2) an aspirator (cleaner), 3) a fridge, 4) a jolting sanding machine, 5) an elevator, 6) an electric bell, 7) a kitchen scale, 8) a gear box, 9) a circular saw, 10) a motor speed reducer It is requested to identify the input and output entities, to plot and formulate the overall function for each of the products; then, it is requested to plot the flows and the corresponding overall sub-functions. 2.2 PRODUCT STRUCTURE AND THE STRUCTURE OF THE OVERALL FUNCTION The disassembling process (detailing) of the overall function was initiated by the identification of the flows, presented in Figure 2.1,b. First, it was considered that the (sub)functions which interfere in a flow are included in a unique (sub)function, called the overall subfunction of the considered flow.

Thus, each overall function, which was identified in §2.1 (see Fig. 2.1,a), becomes an open system (see Fig. 2.1,b), made of k = 3 overall subfunctions (k being the number of flows from the overall function).

Further on, this kind of system is called structure of the overall function or, abridged, structure of functions.

Having the most reduced detailing degree (each flow contains only one function), this kind of structure is called, more complete, structure of functions of 1M+1E+1I order (meaning that it disposes of: one function in the Material flow + one function in the Energy flow + one function in the Information flow).

In the analysis process (when the product is known), the structure of functions is in a biunique correspondence with the product structure; this means that, for each sub-function from the overall function, corresponds a certain subassembly or module from the product structure, and reciprocally. Thus, for instance, the electric coffee mill from Fig. 2.2,a, contains in its structure the following modules (subassemblies):

25

- modulul care îndeplineşte subfuncţia globală FM (fig. 2.1,b) conţine (fig. 2.2,a): cuva metalică (în care se pun boabele de cafea), capacul de închidere, cuţitul rotativ şi carcasa;

- motorul electric, întrerupătorul, cablul de conexiune la reţea şi carcasa (fig.2.2,a), la care se adaugă (în timpul funcţionării) şi mâinile operatorului, alcătuiesc modulul care îndeplineşte subfuncţia globală FE;

- modulul de control, constituit de operatorul uman, asigură îndeplinirea subfuncţiei FI; deşi nu este o parte intrinsecă a produsului, acest modul însoţeşte întotdeauna produsul în timpul funcţionării sale.

Fiecare modul din componenţa produsului constituie o soluţie constructivă pentru subfuncţia pe care o îndeplineşte; dacă se face abstracţie de atributele constructive (prin simplificare şi reducere la aspectele de principiu, ca în reprezentarea din fig. 2.2,a), soluţia constructivă devine soluţie-concept sau soluţie de principiu a (sub)funcţiei considerate.

În designul conceptual, problemele de analiză ocupă, de regulă, poziţii secundare, poziţiile principale revenind, cu precădere, problemelor de sinteză.

În procesul sintezei (când produsul este necunoscut), orice subfuncţie, din funcţia globală, poate fi îndeplinită de una sau de mai multe „soluţii-concept potenţiale“, care pot fi total diferite între ele.

Agregarea acestor subsoluţii potenţiale, în conformitate cu structura de funcţii, conduce (pe baza unor prelucrări intermediare) la o clasă de soluţii potenţiale ale produsului căutat, numite variante conceptuale (sau structuri de lucru); dintre acestea pot fi decelate apoi, pe baza unor criterii tehnico-economice specifice, una sau câteva soluţii optime, denumite soluţii-concept (concepte) sau soluţii de principiu ale produsului.

Prin urmare, conceptul unui produs desemnează obiectul-scop pentru designul conceptual şi, implicit, obiectul-start pentru designul constructiv.

În concluzie, reprezentările principiale din fig. 2.2,a, 2.3,a, 2.4,a şi 2.5,a sunt, de fapt, soluţii de principiu ale produselor analizate.

- the module that fulfils the overall sub-function FM (Fig. 2.1,b) contains (Fig. 2.2,a): the metallic pan (in which there are put the coffee beans), the closing cover, the rotational knife and the casing;

- the electric motor, the switch, the connecting cable, the casing (Fig. 2.2,a) and the operator hands (when he operates) form the module that fulfils the overall subfunction FE;

- the control module, made of the human operator, ensures the performance of subfunction FI; although this module is not an intrinsic part of the product, it always accompanies the product while operating.

Each module from the product structure represents a constructive solution for the subfunction accomplished by it; if there are not considered the constructive attributes (by simplification and reduction to the principle aspects, like in the representation from Fig. 2.2,a), the constructive solution becomes the concept-solution or principle solution of the considered (sub)function.

As a rule, in the conceptual design, the analysis problems represent secondary problems, the main positions being occupied by the synthesis problems.

In the synthesis process (when the product is unknown), any subfunction from the overall function can be fulfilled by one or more „potential concept-solutions“, which can be totally different from each other.

Usually, by connecting these potential sub-solutions, according to the structure of functions, it is obtained a class of potential solutions of the searched product, called conceptual variants (or working structures); then, using specific technical and economic restrictions, there can be detected among them, one or more optimal solutions, called the product concept-solutions or principle solutions.

Thus, the product concept designates the goal-object for the conceptual design and, implicitly, the start-object for the embodiment design.

In conclusion, the representations from Fig. 2.2,a, 2.3,a, 2.4,a and 2.5,a are in fact principle solutions of the analyzed products.

26

Fig. 2.2,a. Râşniţă electrică de cafea

(soluţie de principiu): 1 - cuvă metalică, 2 - cuţit rotativ, 3 - capac transparent, 3a - buton (montat în capac) pentru pornirea motorului, 4 - rotorul motorului, 5 - statorul motorului, 5a - tija întrerupătorului electric, 5b - resort care menţine întrerupătorul electric normal deschis, 5c - perii pentru alimentarea rotorului prin colector, 6 - cablu de alimentare de la reţea, 7 - boabe de cafea.

Fig. 2.2,b. Structura de funcţii, de ordinul 3M+4E+4I, derivată din structura de ordinul 1M+1E+1I (fig. 2.1,b), prin detalierea (sub)funcţiilor globale FM, FE şi FI pe baza schemei din fig. 2.2,a.

Fig. 2.2,c. Reprezentarea simbolică a structurii de funcţii din fig. 2.2,b, pe baza simbolizării

VDI [20].

1

2

3

3a

4

5

5c

6

5a

5b

7

M*

FE3

I*

M

E

I

E*

Cafea boabe

Cafea măcinată

Energie electrică

Căldură, zgomot, energie potenţială

musculară

Sistem de control uman

Granulaţia cafelei

FM1 FM2 FM3

FE1 FE2 FE4

FI2

FI1 FI3 FI4

FM2

FM3

M*

FE4

FE1

FE3

FI2

FI1 FI5

FI4

I*

M

E

I

E* FE2

Cafea boabe

Cafea măcinată

Energie electrică


Granulaţia cafelei

Căldură, zgomot, energie potenţială musculară

FM1

27

1

2

3

3a

4

5

5c

6

5a

5b

7

M*

FE3

I*

M

E

I

E*

Coffee grains

Milled coffee

Electrical energy

Heat, noise, potential muscular energy

Human control system

Coffee granulation

FM1 FM2 FM3

FE1 FE2 FE4

FI2

FI1 FI3 FI4

Fig. 2.2,b. Function structure of order 3M-4E-4I, derived from the structure of the order 1M-1E-1I (Fig. 2.1,b) by detailing of the overall (sub)functions FM, FE and FI (based on the scheme from the Fig. 2.2,a).

FM2

FM3

M*

FE4

FE1

FE3

FI2

FI1 FI5

FI4

I*

M

E

I

E* FE2

Coffee grains

Milled coffee

Electrical energy


Coffee granulation

Heat, noise, potential

muscular energy

FM1

Fig. 2.2,c. Symbolic representation of the function structure from the Fig. 2.2,b (based on the VDI symbolization [20]).

Fig. 2.2,a. Coffee mill (principle solution):

1 - metallic pot, 2 - rotating knife, 3 - transparent cover, 3rd - button (mounted in the cover) to start the engine, 4 - rotor, 5 - stator 5th - electrical switch rod, 5b - spring which keeps normally open the electric switch, 5c - brushes for supplying the rotor through the collector, 6 - main cable, 7 - coffee beans.

28

2.3. DETALIEREA UNEI FUNCŢII; PRINCIPII DE REZOLVARE I VARIANTE CONCEPTUALE Conform subcap. 2.2, în sinteza conceptului unui produs (necunoscut), cea mai delicată etapă este stabilirea „soluţiilor-concept potenţiale“, pentru fiecare subfuncţie din structura funcţiei globale; în cazul unei subfuncţii simple, aceste soluţii sunt denumite principii de rezolvare (sau principii de lucru) ale (sub)funcţiilor considerate.

În stabilirea principiilor de rezolvare ale (sub)funcţiilor, o importantă simplificare se obţine prin detalierea structurii de funcţii: subfuncţia globală a fiecărui flux (v. fig.2.1,b) se descompune în (sub)funcţii mai simple.

În cazul produselor complexe, se detaliază mai întâi structura de funcţii până la un ordin convenabil, după care se izolează fiecare subfuncţie componentă şi se detaliază, mai departe, separat; evident, fiecare (sub)funcţie izolată va desemna un produs distinct, de complexitate mai redusă.

În cazul produselor mai puţin complexe, descompunerea poate continua până când subfuncţiile componente devin:

- fie funcţii simple (a căror descompunere nu mai este posibilă),

- fie funcţii ale căror structuri de rezolvare sunt deja cunoscute.

Astfel, în cazul râşniţei de cafea (fig. 2.2,a), prin detaliere după procedeul de mai sus, structura de funcţii de ordinul 1M+1E+1I (fig. 2.1,b) trece în structura de funcţii din fig. 2.2,b; în conformitate cu fig. 2.2,b, subfuncţiile globale ale fluxurilor din fig. 2.1,b se detaliază astfel:

1) Subfuncţia globală FM, a fluxului de material (fig. 2.1,b), devine o (sub)structură de funcţii formată din următoarele (sub)funcţii (v. fig. 2.2,b ):

FM1 – conectarea material - energie mecanică;

FM2 – reducerea granulaţiei materialului;

FM3 – înregistrarea granulaţiei curente. 2) Subfuncţia globală FE, a fluxului de energie (fig. 2.1,b), devine o (sub)structură de

2.3 THE FUNCTION DETAILING; SOLVING PRINCIPLES AND CONCEPTUAL VARIANTS According to §2.2, in the synthesis of the concept for a (unknown) product, the most delicate stage is the establishment of the “potential concept solutions“, for each sub-function from the global function structure; for a simple (sub)function, these solutions are called solving principles (or working principles) of the considered (sub)functions.

An important simplification in establishing the solving principles of the (sub)functions is obtained by detailing the structure of functions: the overall subfunction of each flow (see Fig. 2.1,b) is decomposed into simpler (sub)functions

In the case of complex products, firstly, the structure of functions is detailed up to a convenient order and then, each component subfunction is isolated and is detailed separately; obviously, each isolated (sub)function will designate a distinct product, of a more reduced complexity

In the case of less complex products, the decomposition can continue till the component subfunctions become:

- either simple functions (their decomposition is not possible),

- either functions for which the solving structures are already known.

Thus, for the coffee mill (Fig. 2.2,a), by detailing in accordance to the previous procedure, the structure of functions of 1M+1E+1I order (Fig. 2.1,b) turns in the structure of functions from Fig. 2.2,b; due to Fig. 2.2,b, the overall subfunctions of the flows from Fig. 2.1,b is detailed as follows:

1) The overall subfunction FM of the material flow (Fig. 2.1,b) becomes a (sub)structure of functions consisting of the following (sub)functions (see Fig. 2.2,b):

FM1 – material and mechanical energy connection;

FM2 – material granulation reduction;

FM3 – current granulation recording. 2) The overall subfunction FE of the energy flow (Fig. 2.1,b) becomes a (sub)structure

29

funcţii care conţine următoarele (sub)funcţii (v. fig.2.2,b ):

FE1 – conectarea/deconectarea tensiunii de la sursa electrică, la comanda de pornire/oprire; această funcţie poate fi descrisă cu ajutorul algebrei Booleene şi este denumită funcţie logică de tip AND (v. punctul 2.3).

FE2 – transformarea energiei electrice în energie mecanică de rotaţie;

FE3 – transmiterea energiei mecanice (de la motor la cuţitul rotativ);

FE4 – emiterea de căldură şi zgomot (în timpul procesului de transformare şi de transmitere a energiei), însoţită de inducerea unui moment reactiv în bază (mâna operatorului).

3) Subfuncţia globală FI, aferentă fluxului de informaţie (fig. 2.1,b), devine o (sub)structură de funcţii formată din următoarele (sub)funcţii (v. fig. 2.2,b ):

FI1 – emiterea semnalului de pornire (la îndeplinirea condiţiilor din instrucţiunile de utilizare) şi transmiterea informaţiei privind granulaţia dorită către (sub)funcţia FI3;

FI2 – comandă execuţia semnalelor de pornire şi oprire; spre deosebire de funcţia FE1, funcţia FI2 este o funcţie logică de tip INHIBITION (v. punctul 2.3);

FI3 – receptarea informaţiilor referitoare la granulaţia dorită şi granulaţia curentă şi compararea acestora;

FI4 – emiterea semnalului de oprire, când cele două granulaţii devin egale, şi înregistrarea granulaţiei finale.

Structura de funcţii, rezultată prin detaliere (fig. 2.2,b), conţine: 3 subfuncţii în fluxul de Material, 4 subfuncţii în fluxul de Energie şi 4 subfuncţii în fluxul de Informaţie; deci, în forma detaliată din fig. 2.2,b, structura de funcţii a produsului analizat are ordinul 3M + 4E + 4I.

Lcoala germană a propus mai multe variante de simbolizare a funcţiilor simple, în formă abstractizată (abstracţie făcând de natura concretă a materialului, a energiei şi respectiv a informaţiei utilizate); cea mai recentă variantă de simbolizare, normalizată prin VDI 2222, este prezentată şi explicitată, cu ajutorul unor exemple intuitive, în tab. 2.3.

of functions that contains the following (sub)functions (see Fig. 2.2,b):

FE1 – connection/disconnection of the voltage from the electric power source when the command of starting/stopping is given; this function can be described using Boolean algebra and is called logical function of AND type (see &2.3).

FE2 – transformation of the electric energy into rotational mechanical energy;

FE3 – transmission of mechanical energy (from the motor to the rotational knife);

FE4 – emission of heat and noise (during the energy transformation and transmission process), accompanied by induction of a reactive torque in the base (operator hand).

3) The overall subfunction FI that is afferent to the information flow (Fig. 2.1,b), becomes a (sub)structure of functions which is formed of the following (sub)functions (see Fig. 2.2,b):

FI1 – emission of the starting signal (when the conditions from the using instructions are fulfilled) and transmission of the information regarding the wished granulation to the FI3 (sub)function;

FI2 – commands the execution of the starting and stopping signals; unlike function FE1, the function FI2 is a logical function of INHIBITION type (see &2.3);

FI3 – reception of the information regarding the wished granulation and the current granulation and their comparison;

FI4 – emission of the stopping signal, when the two granulations become equal and recording of the final granulation.

The structure of functions that results from detailing (Fig. 2.2,b) contains: 3 subfunctions in the Material flow, 4 subfunctions in the Energy flow and 4 subfunctions in the Information flow; therefore, in the detailed form from Fig. 2.2,b the structure of functions for the analyzed product has the order 3M+4E+4I. The German school proposed more variants of symbolization for the simple functions, in an abstracted form (excepting the concrete nature of the used material, energy and information); the most recent variant of symbolization, standardized through VDI 2222, is presented and explained using the intuitive examples from Tab. 2.3.

30

P

erfo

rato

r de

ban

dă

Fu

ncţ

ii

(sub

func

ţii)

de

baz

ă

Măr

imi

gene

rale

Dep

ozi

tare

Tra

nsm

iter

e n

eram

ific

ată

de ti

p:

Con

duce

re s

au

tran

smit

ere

(cu

schi

mba

rea

pozi

ţiei

)

Mod

ific

are

(c

u sc

him

bare

a un

or m

ărim

i de

star

e)

Tra

nsf

orm

are

(cu

schi

mba

rea

natu

rii)

Tra

nsm

iter

e ra

mif

icat

ă de

tip:

Însu

mar

e D

istr

ibu

ire

Măr

imi d

e

acee

aşi n

atur

ă M

ărim

i de

ace

eaşi

nat

ură

Măr

imi d

e na

tură

dif

erit

ă M

ărim

i de

natu

ră d

ifer

ită

Material Energie Informaţie

Sim

bol

Exe

mpl

u

Sim

bol

Exe

mpl

u

Sim

bol

Exe

mpl

u

M

M

M

M

M

M

M

M

M

M

Gaz

det

onan

t

Reţ

ea d

e pl

atin

ă

Încă

lzit

or

Con

dens

are

Sep

arat

or

pneu

mat

ic

ulei

V

agon

cu

m

otor

lini

ar

Într

erup

ător

Ban

dă

perf

orat

ă

Mod

ific

are

cod

Cod

ific

are

Cal

cula

tor d

e bu

zuna

r T

ipăr

ire

2-ex

empl

are

Abţ

ibil

d

Pie

rder

e pr

in

prop

agar

e

M

M

M

M

M

M

Tab

. 2.3

. Tab

el s

inop

tic

cu s

imbo

liză

rile

VD

I pe

ntru

pri

ncip

alel

e fu

ncţi

i de

bază

(pr

eluc

rare

dup

ă V

DI

2222

).

Tri

odă

31

Tab

le 2

.3 S

ynop

tic

tabl

e w

ith

the

VD

I sy

mbo

ls o

f th

e m

ain

basi

c fu

ncti

ons

(pro

cess

ing

afte

r V

DI

2222

).

Tap

e pe

rfor

ator

Ba

sis

fun

ctio

ns

En

titi

es

Sto

rage

(s

tate

)

Un

-bra

nch

tra

nsm

issi

on

of

typ

e:

Lea

din

g or

tr

ansm

issi

on

(wit

h th

e ch

ange

of

the

plac

e )

Mod

ific

atio

n

(wit

h th

e ch

ange

of

som

e st

ate

para

met

ers

)

Tra

nsfo

rmat

ion

(wit

h th

e ch

ange

of

the

natu

re )

Bra

nch

tra

nsm

issi

on

of

typ

e:

Su

mm

atio

n

Dis

trib

uti

on

Siz

es o

f sa

me

natu

re

Siz

es o

f sa

me

natu

re

Siz

es o

f di

ffer

ent n

atur

e S

izes

of

diff

eren

t nat

ure

Material Information

Sym

bol

Exa

mpl

e

Sym

bol

Exa

mpl

e S

ymbo

l E

xam

ple

M

M

M

M

M

M

M

M

M

M

Ban

g-ga

s

Pla

tinu

m n

et

Hea

ter

C

onde

nser

Pne

umat

ic

sepa

rato

r Oil

E

lect

rom

agne

tic

carr

iage

S

wit

ch

Per

fora

ted

tape

C

ode

mod

ific

atio

n

Cod

ific

atio

n

Poc

ket c

alcu

lato

r

M

M

M

M

M

M

Tri

ode

32

Pe baza simbolizării VDI (tab. 2.3), structura de funcţii reprezentată în fig. 2.2,b se transformă (prin simbolizarea funcţiilor FMk, FEk şi FIk, k = 1,2,Q) în structura de funcţii ilustrată în fig. 2.2,c; în varianta simbolică (v. fig. 2.2,c), explicitările (sub)funcţiilor componente se deduc direct din semnificaţiile simbolurilor utilizate.

Se pot identifica acum principiile de rezolvare (în cazul subfuncţiilor simple), respectiv variantele conceptuale (în cazul subfuncţiilor compuse) utilizate în produsul dat, pentru îndeplinirea fiecăreia dintre subfuncţiile acestuia; evident, în cazul unui produs cunoscut (dat), principiul sau varianta conceptuală aplicată, pentru îndeplinirea unei subfuncţii, desemnează chiar soluţia-concept pentru acea subfuncţie.

În conformitate cu fig. 2.2,a şi c (care ilustrează conceptul râşniţei de cafea şi respectiv structura simbolică de funcţii a acestui produs), în rezolvarea (sub)funcţiilor componente sunt utilizate următoarele principii de rezolvare şi variante conceptuale (devenite prin aplicare concepte):

FM1: varianta conceptuală, pentru conexiunea material-energie mecanică, se bazează pe contactul dintre cuţit şi granule şi se realizează folosind (fig. 2.2,a): cuva metalică 1 + cuţitul rotativ 2 + capacul 3 + materialul granular 7 (cafeaua-boabe);

FM2: principiul de rezolvare, pentru sfărâmarea granulelor (de cafea) 7, utilizează efectul de ciocnire dintre cuţitul rotativ şi granule;

FM3: varianta conceptuală, destinată înregistrării granulaţiei curente, se bazează pe receptarea vizuală a imaginii granulelor, prin capacul transparent 3, urmată de prelucrarea mentală a acesteia; deşi aparţine fluxului de material, funcţia FM3 operează în fluxul de informaţii; evident, soluţia de principiu a acestei funcţii nu aparţine produsului, ci utilizatorului uman;

FE1: varianta conceptuală realizează conectarea (deconectarea) sursei electrice prin închiderea (respectiv deschiderea) unui întrerupător (normal deschis), format dintr-un buton de translaţie 3a (montat în capacul 3), o tijă de contact 5a şi un resort 5b

Based on the symbolization VDI (Tab. 2.3), the structure of functions from Fig. 2.2,b is transformed (by the symbolization of functions FMk, FEk and FIk, k = 1,2,Q) into the structure of functions shown in Fig. 2.2,c; in the symbolic variant (see Fig. 2.2,c), the explanations of the component (sub)functions are deduced directly from the meanings of the used symbols.

Now, there can be identified the solving principles (in the case of simple sub-functions), respectively, the conceptual variants (in the case of composed sub-functions), used in the given product to fulfill each of its subfunctions; obviously, in the case of a known (given) product, the applied solving principle or conceptual variant to fulfill a subfunction, designates even the concept-solution for that subfunction.

Due to Fig. 2.2,a and c (that illustrates the concept of the coffee mill and, respectively, the symbolic structure of functions for this product), there are used in solving the component (sub)functions, the following solving principles and conceptual variants (which became concepts by application):

FM1: the conceptual variant, for the connection material - mechanical energy, is based on the contact between the knife and the granules and is realized using (Fig. 2.2,a): the metallic pan 1 + the rotational knife 2 + the cover 3 + the granular material 7 (coffee beans);

FM2: the solving principle, for coffee granules smashing, uses the knocking effect between the rotational knife and the granules;

FM3: the conceptual variant, that is meant to register the current granulation, is based on the visual reception of the granules image, through the transparent cover 3, followed by mental processing; although it belongs to the material flow, the function FM3 operates in the information flow; obviously, the principle solution of this function doesn’t belong to the product but to the human user;

FE1: the conceptual variant connects (disconnects) the electric source by closing (respectively, opening) a switch (normally opened), which consists of a sliding button 3a (mounted in the cover 3), a contact rod 5a and a spring 5b

33

(care menţine în poziţie ridicată tija 5a şi butonul 3a); evident, închiderea întrerupătorului este posibilă numai cu capacul 3 montat (pentru a se evita accidentarea utilizatorului şi împrăştierea materialului);

FE2: varianta conceptuală, pentru transformarea energiei electrice în energie mecanică de rotaţie, se bazează pe efectul inducţiei electro-magnetice şi foloseşte conceptul de motor electric asincron;

FE3: principiul de rezolvare, destinat transmiterii energiei mecanice de la rotorul motorului 4 la cuţitul rotativ 2, utilizează un arbore rotativ care face legătura între rotor şi cuţit;

FE4: fiind o consecinţă „sine qua non“ a funcţiilor FE2 şi FE3, funcţia FE4 operează pe soluţiile de principiu ale funcţiilor FE2 şi FE3, fără să dispună de un concept propriu.

Conceptele funcţiilor FI1,Q,FI4 (v. fig. 2.2,c) aparţin utilizatorului uman, şi nu produsului analizat; ca urmare, aceste concepte nu sunt explicitate în acest capitol.

În mod analog, se generează structurile de funcţii detaliate şi pentru celelalte produse considerate ca exemple (fig. 2.3, 2.4 şi 2.5); în plus, se precizează faptul că simbolul subfuncţiei FE3, din fig. 2.5,c, se referă la transmiterea (conducerea) ireversibilă a energiei mecanice.

Identificarea efectelor, principiilor de rezolvare şi variantelor conceptuale, corespunzătoare subfuncţiilor din structurile acestor produse (fig. 2.3–2.5), se propune ca temă de casă.

2.3* Definiţii şi semnificaţii ale noţiunilor utilizate: 1°. Structura funcţiei globale a unui produs sau mai scurt structura de funcţii: reprezentare grafică detaliată a funcţiei globale, prin care sunt evidenţiate (v. fig. 2.1–2.5,b şi c):

- fluxurile componente (de materiale, de energie şi/sau de informaţie), cu intrările şi ieşirile aferente,

- subfuncţiile fiecărui flux component şi

- conexiunile dintre acestea.

(that maintains the rod 5a and the button 3a in a lifted position); obviously, the switch closing is possible only when cover 3 is mounted (to avoid user’s accidents and material dispersal);

FE2: the conceptual variant, for the transformation of electrical energy into rotational mechanical energy, is based on the effect of electromagnetic induction and uses the concept of asynchronous electric motor;

FE3: the solving principle for the transmission of mechanical energy from the motor 4 rotor to the rotational knife 2, uses a rotary shaft that links the rotor and the knife;

FE4: being a „sine qua non“ consequence of functions FE2 and FE3, the FE4 function operates on the principle solutions of FE2 and FE3 functions, without having its own concept;

The concepts of FI1,Q,FI4 functions (see Fig. 2.2,c) belong to the human user and not to the analyzed product; as results, these concepts are not explained in this chapter.

Analogous, there are generated structures of detailed functions also for the other products considered as examples (Fig. 2.3, Fig. 2.4 and Fig. 2.5); beside that, it is specified that the symbol of FE3 subfunction from Fig. 2.5,c, refers to the irreversible transmission (leading) of the mechanical energy.

The identification of effects, solving principles and conceptual variants that correspond to the subfunctions from these products structures (Fig.2.3-2.5), is proposed as homework. 2.3 Definitions and meanings of the used notions: 1°. The structure of the product overall function or, shorter, the structure of functions: the detailed graphical representation of the overall function, through which there are highlighted (see Fig.2.1-2.5,b and c):

- the component flows (material, energy and/or information), with the afferent inputs and outputs,

- the subfunctions of each component flow and the connections between them.

34

Fig. 2.3,a. Maşină electrică de spălat rufe (soluţie de principiu): 1 - cuva maşinii, 1a - capac, 1b - furtun pentru evacuarea apei murdare, 2 - disc cu nervuri pentru barbotarea apei, 3 - motor electric, 4 - transmisie cu curele, 5 - întrerupător electric, 6 - cablu de alimentare, 7 - rufe murdare + apă + detergent.

Fig. 2.3,b. Structura de funcţii, de ordinul 4M+5E+4I, derivată din structura de ordinul 1M+1E+1I (fig. 2.1,b), prin detalierea (sub)funcţiilor globale FM, FE şi FI, pe baza schemei din fig. 2.3,a.

Fig. 2.3,c. Reprezentarea simbolică a structurii de funcţii din fig. 2.3,b, pe baza simbolizării

VDI [20].

1a

1

5

4

3

6

1b

7

2

M1*

FE3

I*

M

E

I

E*

Rufe curate ude

Energie electrică

Căldură, zgomot, energie potenţială a bazei


Gradul de spălare

FM1 FM2 FM3

FE1 FE2 FE4

FI2

FI1 FI3 FI4

FE5

FM4

M2*

Apă + detergent + murdărie

Rufe murdare + apă + detergent


a bazei

FM2

FM4

M1*

FE5

FE1

FE4

FI2

FI1 FI4

FI3

I*

M

E

I

E* FE2

Energie electrică


Gradul de spălare

FM1

Rufe murdare + apă detergent

FM3

FM3

M2*

Rufe curate ude

Apă + detergent + murdărie

35

1a

1

5

4

3

6

1b

7

2

Heat, noise, potential energy of the base

M1*

FE3

I*

M

E

I

E*

Wet clean clothes

Electrical energy


Washing level

FM1 FM2 FM3

FE1 FE2 FE4

FI2

FI1 FI3 FI4

FE5

FM4

M2*

Water + detergent + dirt

Dirty clothes + water + detergent

Fig. 2.3,b. Functions’ structure of the order 4M-5E-4I derived from the structure of the order 1M-1E-1I (fig. 2.1,b) by detailing of the overall (sub)function FM, FE and FI (based on the scheme from the fig. 2.3,a).

Heat, noise, potential energy of the base

FM2

FM4

M1*

FE5

FE1

FE4

FI2

FI1 FI4

FI3

I*

M

E

I

E* FE2

Electrical energy


Washing level

FM1

Dirty clothes + water + detergent

FM3

FM3

M2*

Wet clean clothes

Water + detergent + dirt

Fig. 2.3,c. Symbolic representation of the functions’ structure from the fig. 2.3,b (based on the VDI symbolization [20]).

Fig. 2.3,a. Electric washing machine (principle solution): 1 - machine tank, 1a - cover, 1b - dirty water discharge hose, 2 - ribbed disc for water bubbling, 3 - electric motor, 4 - belt transmission, 5 - power switch, 6 - power cable, 7 - dirty laundry + water + detergent.

36

Fig. 2.4,a. Maşină electrică de stors rufe (soluţie de principiu): 1 - cuvă rotativă perforată, 2 - cuvă de colectare a apei centrifugate, 2a - curele de suspendare, 2b - furtun gofrat pentru evacuarea apei, 3 - motor electric, 4 - frână cu disc normal-cuplată, cu decuplare electromagnetică, 5 - cablu de alimentare, 6 - capac basculant (la închiderea capacului, maşina porneşte, iar la deschiderea acestuia, maşina se opreşte), 7 - întrerupător electric (pentru decuplarea frânei şi pornirea motorului) acţionat de capac printr-un mecanism articulat, 8 - rufe centrifugate, 9 - apă evacuată.

Fig. 2.4,b. Structura de funcţii, de ordinul 4M+4E+4I, derivată din structura de ordinul 1M+1E+1I (fig. 2.1,b), prin detalierea (sub)funcţiilor globale FM, FE şi FI, pe baza schemei din fig. 2.4,a.

Fig. 2.4,c. Reprezentarea simbolică a structurii de funcţii din fig. 2.4,b, pe baza simbolizării VDI [20].

2

2a

6 1 8

2b

9

5

7

3

4

M1*

FE3

I*

M

E

I

E*

Rufe stoarse

Energie electrică


a bazei Sistem de control

Gradul de stoarcere

FM1 FM2

FM3

FE1 FE2 FE4

FI2

FI1 FI3 FI4

FM4

M2*

Apă

Rufe ude

FM4

M1*

FE4

FE1

FE3

FI2

FI1

FI4

FI3

I*

M

E

I

E* FE2

Energie electrică

Sistem de control uman Gradul de

stoarcere


a bazei

FM1

Rufe ude

FM2

M2*

Rufe stoarse

Apă

FM3

37

2

2a

6 1 8

2b

9

5

7

3

4

M1*

FE3

I*

M

E

I

E*

Wrung clothes

Electrical energy

Heat, noise, potential energy of

the base Human control

system

Wrung level

FM1 FM2

FM3

FE1 FE2 FE4

FI2

FI1 FI3 FI4

FM4

M2*

Water

Wet clothes

Fig. 2.4,b. Functions’ structure of the order 4M-4E-4I derived from the structure of the order 1M-1E-1I (Fig. 2.1,b) by detailing of the overall (sub)functions FM, FE and FI (based on the scheme from the Fig. 2.4,a).

FM4

M1*

FE4

FE1

FE3

FI2

FI1

FI4

FI3

I*

M

E

I

E* FE2

Electrical energy


Wrung level

Heat, noise, potential energy of

the base

FM1

Wet clothes

FM2

M2*

Wrung clothes

Water

FM3

Fig. 2.4,c. Symbolic representation of the functions’ structure from the Fig. 2.4,b (based on the VDI symbolisation [20]).

Fig. 2.4,a Electric wring machine (principle solution): 1 - perforated rotating tank, 2 - collecting tank for centrifuged water, 2a – suspension belts, 2b - corrugated hose for water discharge, 3 - electric motor, 4 - disc-brake normally coupled, with electromagnetic decoupling, 5 - power cable, 6 - tilt cover (when the cover is closed, the machine starts, and at its opening, the machine stops), 7 - electrical switch (for decoupling the brake and starting the motor) driven by the cover through an articulated mechanism, 8 - centrifuged laundry, 9 - evacuated water.

38

Fig. 2.5,b. Structura de funcţii, de ordinul 3M+4E+4I, derivată din structura de ordinul 1M+1E+1I (fig. 2.1,b), prin detalierea (sub)funcţiilor globale FM, FE şi FI, pe baza schemei din fig. 2.5,a. Fig. 2.5,c. Reprezentarea simbolică a structurii de funcţii din fig. 2.5,b, pe baza simbolizării VDI [20].

Fig. 2.5,a. Cric de autoturism (soluţie de principiu): 1-2-3-4 – lanţ cinematic articulat de tip paralelogram; 5;6 – tălpi de contact cu şasiul şi respectiv cu solul; 7-8-9 – lanţ cinematic de tip R – E (R = cuplă de rotaţie, E = cuplă elicoidală); F – forţă motoare musculară; r – raza manivelei; ω – viteza unghiulară a manivelei; Q – forţă rezistentă; v – viteza de ridicare.

v

Q

1

5

2 6 3 9 8 7

4

r F

ω

M*

FE3

I*

M

E

I

E*

Energie musculară


FM1 FM2 FM3

FE1 FE2 FE4

FI2

FI1 FI3 FI4

Şasiu în poziţia iniţială

Înălţimea de ridicare


a bazei

Şasiu în poziţie ridicată

Energie musculară

Sistem de control uman Înălţimea

de ridicare


a bazei

Şasiu în poziţie iniţială

Şasiu în poziţie ridicată

FE2

M*

FE4

FE1

FI2

FI1

FI4

FI3

I*

M

E

I

E*

FM1

FM3

FM2

FE3

39

V

Q

1

5

2 6 3 9 8 10

4

r

F

ω

Muscular energy


The lifting height

Heat, potential energy of the base

Car frame in the descended position

Car frame in the lifted position

Fig. 2.5,c. Symbolic representation of the functions’ structure from the fig. 2.5,b (based on the VDI symbolisation [20]).

M*

FE3

I*

M

E

I

E*

Muscular energy


FM1 FM2 FM3

FE1 FE2 FE4

FI2

FI1 FI3 FI4

Car frame in the descended position

Fig. 2.5,b. Functions’ structure of the order 3M-4E-4I derived from the structure of the order 1M-1E-1I (Fig. 2.1,b) by detailing of the overall (sub)functions FM, FE and FI (based on the scheme from the Fig. 2.5,a).

The lifting height


Car frame in the lifted position

Fig. 2.5,a Jack (principle solution): 1-2-3-4 – linkage of parallelogram type; 5;6 – contact soles with the chassis and the ground; 7-8-9 – kinematical chain of RE type (R = revolute joint, E = helical joint), F – muscular motive force, r – crank radius, ω – crank speed; Q – resistant force, v – lifting speed.

FE2

M*

FE4

FE1

FI2

FI1

FI4

FI3

I*

M

E

I

E*

FM1

FM3

FM2

FE3

40

Proprietăţi:

a) Gradul de detaliere (descompunere), al unei structuri de funcţii, este exprimat prin ordinul structurii, care creşte odată cu numărul subfuncţiilor din fluxurile componente.

Exemple:

1) Structura de funcţii, ilustrată în fig. 2.1,b, are cel mai redus grad de detaliere şi are ordinul: 1M + 1E + 1I (adică are câte o subfuncţie în fiecare flux); o astfel de structură de funcţii se regăseşte la un număr mare de produse.

2) În cazul râşniţei de cafea (fig. 2.2,a), prin procesul de detaliere (descompunere) a subfuncţiilor din fig. 2.1,b, se obţine structura de funcţii din fig. 2.2,b, care are ordinul: 3M + 4E + 4I (adică în fluxul de material intervin 3 subfuncţii, în fluxul de energie intervin 4 subfuncţii şi în fluxul de informaţie intervin 4 subfuncţii).

b) În cazul unui produs complex, pentru detalierea (descompunerea) structurii de funcţii, se poate proceda astfel: se detaliază (descompune) mai întâi structura funcţiei globale până la un ordin convenabil; se izolează apoi câte o subfuncţie şi se continuă detalierea (descompunerea) acesteia, în premisa că subfuncţia considerată desemnează un produs distinct, de o complexitate mai redusă.

c) În cazul unui produs de complexitate mai redusă, detalierea (descompunerea) structurii de funcţii se poate continua până când subfuncţiile derivate devin:

- fie subfuncţii simple (care nu mai pot fi descompuse),

- fie subfuncţii a căror rezolvare este deja cunoscută în literatură (cel puţin calitativ).

d) In variantele ilustrate în schemele b din fig. 2.2–2.5, fiecare structură de funcţii devine determinată prin explicitarea în cuvinte (de tip acţiune-obiect) a fiecărei subfuncţii componente.

O importantă simplificare, în obţinerea structurilor de funcţii determinate, a fost adusă de şcoala germană prin (v. tab. 2.3):

Properties:

a) The detailing (decomposition) degree of a structure of functions is expressed through the structure order, which increases with the number of subfunctions from the component flows.

Examples:

1) The structure of functions, illustrated in Fig.2.1,b, has the most reduced detailing degree and has the order: 1M-1E-1I (has a subfunction for each flow); such a structure of functions can be found in a large number of products.

2) In the case of the coffee mill (Fig.2.2,a), through the detailing (decomposition) process of the subfunctions from Fig.2.1, b, it is obtained the functions’ structure from Fig.2.2,b, of order: 3M-4E-4I (meaning that in the material flow interfere 3 subfunctions, in the energy flow - 4 subfunctions and in the information flow - 4 sub-functions).

b) In the case of a complex product, for the detailing (decomposition) of the overall function, it can be proceeded as follows: first it is detailed (decomposed) the overall function up to a convenient order; then, each subfunction is isolated and detailed (decomposed), under the premises that the considered subfunction designates a distinct product of a lower complexity.

c) In the case of a product with a smaller complexity, the detailing (decomposition) of the functions’ structure continues till the derived subfunctions become:

- either simple subfunctions (that can not be decomposed),

- either subfunctions for which the solving is known from literature (at least qualitative).

d) In the variants that are illustrated in Fig. 2.2,b, Fig. 2.3,b, Fig. 2.4,b and Fig. 2.5,b, each functions’ structure becomes determined by explaining each component subfunctions, through words of action-object type.

An important simplification in obtaining determined structures (of functions) was brought by the German school through (see Tab.2.3):

41

- identificarea funcţiilor de bază utilizate în produsele tehnice,

- reducerea diversităţii prin abstractizarea funcţiilor (se face abstracţie de natura concretă a materialului, energiei şi respectiv informaţiei care intervin în funcţiile utilizate) şi prin

- simbolizarea funcţiilor de bază; în tab. 2.3 sunt sistematizate, cu exemplificare, funcţiile de bază şi simbolizările adoptate de Uniunea Inginerilor Germani, prin norma VDI 2222/1997. Prin utilizarea acestor simboluri, reprezentările structurilor de funcţii, din schemele b (fig. 2.2–2.5), se convertesc în reprezentările simbolice echivalente ilustrate în schemele c (fig. 2.2–2.5); evident, în cazul reprezentărilor simbolice, explicitarea fiecărei subfuncţii se deduce din simbolul acesteia.

2°. Soluţia constructivă a unei funcţii (subansamblul sau ansamblul) constructiv, care îndeplineşte (sub)funcţia considerată într-un produs dat.

Aşa de exemplu, în cazul unei râşniţe de cafea existente, motorul electric utilizat reprezintă soluţia constructivă a subfuncţiei FE2 (v. fig. 2.2,c): transformă energia electrică în energie mecanică de rotaţie.

Soluţia constructivă a unei (sub)funcţii se obţine prin „întruparea“ soluţiei conceptuale a (sub)funcţiei. 3°. Funcţie logică: funcţie în care sunt descrise, cu ajutorul algebrei Booleene, stările unor entităţi de ieşire, în funcţie de stările entităţilor de intrare; în astfel de cazuri, o anumită entitate poate avea două stări posibile, modelate numeric prin cifrele 0 şi 1. Se deosebesc următoarele tipuri reprezentative de funcţii logice:

a) funcţii cu o intrare X şi o ieşire A, care pot fi de tip IDENTITY, adică A = X, sau de tip NOT, adică A =X (undeX = nonX);

b) funcţii cu două intrări (X, Y) şi o ieşire (A). Funcţiile logice cu două intrări şi o ieşire sunt sistematizate succint în tabelul 2.4. Prin compunerea de funcţii simple pot fi generate funcţii logice compuse; astfel, funcţia NAND, din tab. 2.4, poate fi obţinută şi prin compunerea funcţiilor NOT şi AND.

- identification of the base functions that are used in technical products,

- reduction of diversity through functions abstracting (leaving the concrete nature of the material, energy and information that interfere in the used functions as abstraction) and through

- symbolization of the base functions; the base functions and the symbols that were adopted by the German Engineers Union in VDI 2222/1997 norm are systematized in Tab. 2.3, with examples. By using these symbols, the representation of the functions’ structures from diagrams b (Fig. 2.2–2.5), are converted in the equivalent symbolic representations from diagrams c (Fig. 2.2–2.5); obviously, in the case of the symbolic representations, the explanations for each subfunction are deduced from its symbol.

2°. Embodiment solution of a function: the constructive module (the subassembly or assembly), that fulfils the considered (sub)function in a given product.

For example, in the case of a given coffee mill, the electric motor that is used represents the constructive solution of the subfunction FE2 (see Fig. 2.2,c): transforms the electrical energy into rotational mechanical energy.

The constructive solution of a (sub)function is obtained by the embodiment of the (sub)function conceptual solution. 3°. The logical function: the function in which are described, using Boolean algebra, the states of some output entities in relation with the states of the input entities; in these cases, a certain entity can have two possible states, which are numerically modeled by the figures 0 and 1. The following representative types of logical functions can be highlighted:

a) functions with one input X and one output A, which can be of IDENTITY type, like A = X, or of NOT type, like A =X (whereX = nonX);

b) functions with two inputs (X, Y) and one output (A). The logical functions of this type are systematized succinctly in Tab. 2.4. The compound logical functions can be generated by combining simple functions; thus, the function NAND from Tab.2.4, can be obtained by combining the functions NOT and AND.

42

Tab.2.4. Exemple de funcţii logice. Tab.2.4. Examples of logical functions.

X 0 0 1 1 Intrare Input Y 0 1 0 1

Denumire Denomination

A1 0 0 0 0 A2 1 0 0 0 NOR A3 0 1 0 0 INHIBITION 1 A4 0 0 1 0 INHIBITION 2 A5 0 0 0 1 AND A6 1 1 0 0 A7 1 0 1 0 A8 1 0 0 1 EQUIVALENT A9 0 1 1 0 EXCLUSIVE – OR A10 0 1 0 1 A11 0 0 1 1 A12 1 1 1 0 NAND A13 1 1 0 1 IMPLICATION A14 1 0 1 1 A15 0 1 1 1 OR

Ieşire Output

A16 1 1 1 1

Exemple de simbolizare DI, / Examples of DI, symbolisation

AND: A5 = XΛY EQUIVALENT: A8 = YVXYX ΛΛ

NAND:A12 = YXΛ EXCLUSIV – OR: A9 = YYVXX ΛΛ

OR: A15 = XVY INHIBITION 2: A4 = YXΛ

NOR: A2 = XVY IMPLICATION: A13 = YXV

IDENTITY: A= X

NOT: A = X

Ak

X

Y

& A5

X

Y

= A8

X

Y

& A12

X

Y

=1 A9

X

Y

1≥ A15

X

Y

& A4

X

Y

1≥ A2

X

Y

1≥ A13

X

Y

A X 1

A X 1

43

În partea inferioară a tab. 2.4 sunt prezentate succint simbolurile funcţiilor logice uzuale, în consens cu norma germană DIN 40700, şi ecuaţiile logice ale acestora.

Ca exemple de aplicare, în continuare se prezintă modelarea (sub)funcţiilor FE1 şi FI2, din fig. 2.2,c:

a°. Intrările X, Y şi ieşirea A din funcţia FE1 modelează următoarele stări:

X = 0 <=> ştecher neintrodus în priză,

X = 1 <=> ştecher introdus în priză,

Y = 0 <=> comandă de oprire,

Y = 1 <=> comandă de pornire şi

A = 0 <=> motor oprit,

A = 1 <=> motor pornit.

Valorile ieşirii A sunt descrise de funcţia logică AND (tab. 2.4).

b°. Intrările X, Y şi ieşirea A din funcţia FI2 modelează următoarele stări:

X = 0 <=> fără semnal de pornire la intrare,

X = 1 <=> cu semnal de pornire la intrare,

Y = 0 <=> fără semnal de oprire la intrare,

Y = 1 <=> cu semnal de oprire la intrare,

A = 0 <=> tensiune deconectată,

A = 1 <=> tensiune conectată.

Valorile ieşirii A sunt descrise de funcţia logică INHIBITION 2 (tab. 2.4).

TEMA DE CASĂ 2.2: Considerând soluţiile conceptuale (fig. 2.3,a, 2.4,a, şi 2.5,a) şi structurile de funcţii (fig. 2.3,b, c, 2.4,b, c şi 2.5,b, c) ale unor produse tehnice, se cer:

a) să se identifice fiecare subfuncţie din structurile de funcţii prezentate;

b) să se stabilească principiile de rezolvare şi variantele conceptuale aplicate în cazul subfuncţiilor identificate.

TEMA DE CASĂ 2.3: Considerând, ca produs tehnic, un moto-reductor a cărui soluţie conceptuală (schemă structurală) este dată în fig. 2.6, se cer:

a) entităţile de intrare şi de ieşire;

b) reprezentarea grafică a funcţiei globale;

c) reprezentarea structurii de funcţii de ordinul 1M+1E+1I;

The usual logical functions symbols, according to the German norm DIN 40700, and their logical equations are presented succinctly in the lower part of Tab. 2.4.

The modeling of (sub)functions FE1 and FI2 from Fig.2.2,c are further presented as examples:

a°. The inputs X, Y and the output A from function FE1 model the following states:

X=0 <=> the product is not plugged,

X=1 <=> the product is plugged in,

Y=0 <=> stop command,

Y=1 <=> start command and

A=0 <=> stopped motor,

A=1 <=> started motor.

The values of output A are described by the logical function AND (Tab.2.4).

b°. The inputs X, Y and the output A from function FI2 model the following states:

X=0 <=> without starting signal at the input,

X=1 <=> with starting signal at the input,

Y=0 <=> without stopping signal at the input,

Y=1 <=> with stopping signal at the input,

A=0 <=> the voltage disconnected,

A=1 <=> the voltage connected.

The values of output A are described by the logical function INHIBITION 2 (Tab.2.4)

HOMEWORK 2.2: Considering the conceptual solutions (Fig.2.3,a, 2.4,a, and 2.5,a) and the functions’ structures (Fig.2.3,b, c, 2.4,b, c and 2.5,b, c) of some technical products, it is required:

a) To identify each subfunction from the presented structures;

b) To establish the solving principles and the conceptual variants those are applied in the case of the identified subfunctions.

HOMEWORK 2.3: Considering a motor speed reducer as a technical product, having the conceptual solution (structural scheme) in Fig.2.6, there are required:

a) The input and output entities;

b) The graphical representation of the overall function;

c) The representation of the structure of functions of 1M-1E-1I order;

44

d) detalierea structurii de funcţii, de la punctul c), şi prezentarea simbolică a acesteia;

e) soluţiile conceptuale ale subfuncţiilor din structura de funcţii de la punctul d).

f) să se modeleze, pe baza tab. 2.4, funcţia cuplajului cu decuplare electro-magnetică, din fig. 2.6

2.4. SINTEZA CONCEPTUALĂ A UNEI FUNCŢII COMPUSE Conform celor expuse anterior, sinteza conceptuală a unei funcţii compuse înseamnă determinarea soluţiei conceptuale a acestei funcţii şi presupune parcurgerea următoarelor etape:

1) stabilirea soluţiilor conceptuale potenţiale ale (sub)funcţiilor componente (adică: principii de rezolvare şi/sau variante conceptuale partiale);

2) generarea variantelor conceptuale ale funcţiei compuse date, prin combinarea, compunerea soluţiilor potenţiale partiale si eliminarea variantelor nesatisfacatoare;

3) identificarea soluţiei conceptuale a funcţiei compuse prin decelarea variantei conceptuale optime.

Ca exemplu, în continuare se prezintă sinteza conceptuală a funcţiei compuse descrisă prin structura simbolică din fig. 2.7 (preluată din fig. 2.5); evident, sinteza se efectuează în premisa că produsul este necunoscut! Exemplul este preluat şi adaptat din norma germană VDI 2222/1997.

d) The detailing of the structure of functions from point c) and its symbolic representation;

e) The conceptual solutions of the subfunctions for the functions’ structure from point d);

f) To model the function of the coupling with electromagnetic decoupling from Fig. 2.6, based on Tab.2.4

2.4 CONCEPTUAL SYNTHESIS OF A COMPOUND FUNCTION According to the previous subchapters, the conceptual synthesis of a compound function represents the establishment of the conceptual solution of this function and presumes the following steps:

1) establishment of the potential conceptual solutions of the component (sub)functions (meaning: solving principles and/or partial conceptual variants);

2) generation of conceptual variants for the given compound function, by combining, compounding the partial potential solutions and removing the unsatisfactory solutions;

3) identification of the compound function conceptual solution by detecting the optimal conceptual variant.

As an example, it is presented further, the conceptual synthesis of the compound function described through the structure from Fig. 2.7 (undertaken from Fig. 2.5); obviously, the synthesis is made under the premises that the product is unknown! The example is taken and processed from the German norm VDI 2222.

1

h

2

3 6 4 5 7

Fig. 2.6. Motoreductor planetar cu frână (soluţie de principiu): 1-2-3-h = reductor planetar; 4-5 = rotorul şi statorul motorului electric; 6 = elice de răcire; 7 = frână cu comandă electromagnetică. Fig.2.6. Motor speed reducer (principle solution): 1-2-3-h = planetary reducer; 4-5 = rotor and stator of the electromotor; 6 = cooling screw; 7 = brake with electromagnetic decoupling.

45

Sinteza conceptuală a funcţiei compuse date (fig. 2.7) se reduce la sinteza şi compunerea subfuncţiilor: FM1, FM2, FE2 şi FE3 (celelalte subfuncţii nu intervin în sinteză, fiind îndeplinite de operatorul uman).

Sinteza celor 4 subfuncţii este prezentată sinoptic în fig. 2.8, sub forma unei “matrice morfologice” care (citită de-a lungul unei linii) cuprinde:

a) simbolul subfuncţiei (coloana 1);

b) efectul fizic specific subfuncţiei (coloana 2);

c) schiţele de principiu privind purtătorii potenţiali ai efectului specificat mai sus (coloanele 3, 4,Q).

Alegând, din fiecare linie, câte un purtător de efect (sau o combinaţie a unora dintre aceştia), prin compunerea compatibilă a purtătorilor de efecte selectaţi se obţine o variantă de rezolvare a funcţiei compuse; evident, varianta de rezolvare obţinută constituie o soluţie conceptuală potenţială a produsului căutat, care îndeplineşte cel puţin calitativ cerinţele impuse.

Pentru exemplificare, în fig. 2.8 sunt ilustrate, cu linie întreruptă, şase astfel de compuneri, numerotate de la 1 la 6.

The conceptual synthesis of the given compound function (Fig. 2.7) can be reduced to the synthesis and composition of subfunctions: FM1, FM2, FE2 and FE3 (the other subfunctions don’t interfere in the synthesis, being accomplished by the human operator).

The synthesis of the 4 subfunctions is presented synoptically in Fig. 2.8, as a “morphological matrix”, which contains (when reading on line):

a) The symbol of the subfunction (column 1);

b) The mechanical effect, that is specific to the subfunction (column 2);

c) The principle sketches concerning the potential carriers of the effect, previously specified (columns 3, 4,Q).

Choosing from each line one effect carrier (or a combination of some of them), a solving variant of the compound function can be obtained by a compatible composition of the selected effects carriers; obviously, the obtained solving variant represents a potential conceptual solution of the searched product, that can fulfill at least qualitatively the imposed requirements.

For exemplification, six compositions, counted from 1 to 6 are illustrated with a dashed line in Fig. 2.8.

Energie musculară Muscular energy

Sistem de control uman Human control system

Înălţimea de ridicare The lifting height

Căldură, zgomot, energie potenţială a

bazei

Şasiu în poziţie iniţială Car frame in the descended position

Şasiu în poziţie ridicată Car frame in the lifted position

Fig. 2.7. Structura simbolică a funcţiei compuse privind ridicarea şasiului unui autoturism (v. fig. 2.5). Fig.2.7. Symbolic structure of a compound function regarding the lifting of a car chassis (see Fig.2.5).


FE2

M*

FE4

FE1

FI2

FI1

FI4

FI3

I*

M

E

I

E*

FM1

FM3

FM2

FE3

46

Fig. 2.8. Exemple de generare a variantelor de rezolvare, pentru funcţia compusă din fig. 2.7,

cu ajutorul matricei morfologice (adaptare după VDI 2222): 1.1 - Conectare material-energie, 2.1 - Conducere material, 3.1 - Transmiterea energiei cu amplificarea forţei, 4.1 - Transmiterea ireversibilă a energiei.

Fig.2.8 Six examples of solving variants generation by means of morphological matrix in the case of the compound function from the Fig.2.7 (adapted from VDI 2222): 1.1 - Material-energy summation, 2.1 - Material leading, 3.1 - Energy transmission with force amplification, 4.1 - Energy irreversible transmission. Se remarcă faptul că, în variantele cu numerele de ordine 2,Q,6, există şi linii în care purtătorul de efect considerat este o combinaţie a doi sau chiar trei purtători de pe aceeaşi linie.

Schemele de principiu ale variantelor de rezolvare astfel obţinute, sunt ilustrate în fig. 2.9. În mod analog, prin efectuarea tuturor compunerilor posibile, pot fi obţinute

It can be remarked that in the variants from 2 to 6 there are lines in which the considered effect carrier is a combination of two or even three carriers from the same line. The principle schemes of the obtained solving variants are illustrated in Fig. 2.9. Analogous, by making all the possible compositions, there can be obtained all the

Subfuncţii Subfunctions

Nr ,o

Simbol Symbol

Efecte fizice

Physical effects

Principii de rezolvare (purtători de efecte + config.) Solving principles (effect carriers + config.)

1

1.1

1.2

Efectul de sprijinire Prop-effect

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

2

2.1

2.2

Efectul de conducere Leading effect

2.3

2.4

2.5

2.6

2.7

3

3.1

3.2

Efectul amplificării forţei Force amplification effect

3.3

3.4

3.5

3.6

3.7

4

4.1

4.2

Efectul de ireversibilitate Irreversibility effect

4.3

4.4

4.5

4.6

4.7

Variante de rezolvare (exemple): Nr.3 Nr.1 Nr.4 Nr.5 Nr.2 Nr.6 Solving structures (examples): No.3 No.1 No.4 No.5 No.2 No.6

MM

M

E

M

E

E

47

Variante de rezolvare generate în fig. 2.8 Solving variants generated in the fig.2.8

Su

bfu

ncţ

ia

Su

bfu

nct

ion

Nr. 1 Nr. 2 Nr. 3 Nr. 4 Nr. 5 Nr. 6

1 1.3 1.3 1.3 1.3 1.3 1.3 2 2.3 2.3+2.6 2.3 2.3 2.4+2.6 2.5 3 3.3 3.3+3.6 3.3+3.4 3.3+3.5 3.3+3.5+3.6 3.3+3.5 4 4.4 4.6 4.3 4.4 4.6 4.6

Sch

ema

stru

ctur

ală

Stru

ctur

al s

chem

e

Fig. 2.9. Principiile de rezolvare componente şi schemele de principiu (schemele structurale) ale variantelor de rezolvare exemplificate în fig. 2.8 (adaptare după VDI 2222). Fig.2.9. The component solving principles and the principle schemes (structural schemes) of the six solving variants from the Fig.2.8.

toate variantele de rezolvare valide ale funcţiei compuse, adică toate soluţiile conceptuale potenţiale ale produsului căutat. Sinteza (generarea) variantelor de rezolvare este urmată de prestabilirea caracteristicilor tehnice pentru fiecare variantă în parte.

În urma eliminării variantelor, ale căror caracteristici tehnice nu îndeplinesc cantitativ cerinţele impuse, se obţin variantele conceptuale ale funcţiei compuse date. Dintre acestea, se stabileşte apoi varianta conceptuală optimă, pe baza unor criterii tehnico-economice adecvate; varianta conceptuală, astfel obţinută, desemnează soluţia de principiu, conceptul sau soluţia conceptuală a funcţiei compuse considerate şi, implicit, a produsului căutat.

Observaţie: În cazul exemplului din fig. 2.5,a, soluţia conceptuală a cricului coincide cu structura de rezolvare nr. 6, obţinută în urma compunerii: 1.3 + 2.5 + (3.3 + 3.5) + 4.5 (v. fig. 2.8 şi 2.9)

valid solving variants of the compound function, namely all the potential conceptual solutions of the searched product. After generation of the solving variants, their technical features are pre-established, for each of them.

Ousting the variants that don’t fulfill the imposed requirements quantitatively, the conceptual variants of the given compound function are obtained. Then, among these structures, the optimal conceptual variant, under the conditions of some given technical and economical restrictions is established; the conceptual variant, obtained in this way, designates the principle solution, the concept or the conceptual solution of the considered compound function and, implicitly, of the searched product.

Observation: In the case of the example from Fig. 2.5,a, the conceptual solution of the lifting jack coincides to the solving structure no. 6, which is a result of the composition: 1.3 + 2.5 + (3.3 + 3.5) + 4.5 (see Fig. 2.8 and 2.9)

48

2.4*. Definiţii şi semnificaţii ale noţiunilor utilizate: 1°. Soluţia de principiu sau soluţia-concept a unei funcţii poate fi derivată, din soluţia constructivă a subfuncţiei considerate, prin simplificare şi reducere la aspectele de principiu. Aşa de exemplu, reprezentările de principiu din schemele a, ale fig. 2.2-2.5, constituie soluţii de principiu pentru funcţiile globale ale produselor analizate: râşniţă de cafea (fig. 2.2), maşină electrică de spălat rufe (fig. 2.3), maşină electrică de stors rufe (fig. 2.4) şi, respectiv, cric de autoturism (fig. 2.5).

Proprietăţi:

a) Din aceeaşi soluţie conceptuală (sau soluţie de principiu) pot fi derivate, prin „întrupare”, mai multe soluţii constructive distincte; reciproc: pot exista soluţii constructive distincte care sunt „întrupări” ale aceleaşi soluţii conceptuale.

b) Soluţia conceptuală a unei funcţii compuse este rezultanta obţinută prin compunerea soluţiilor conceptuale ale subfuncţiilor sale (în conformitate cu structura funcţiei compuse). Soluţia conceptuală a unei subfuncţii poate fi:

- un principiu de rezolvare aplicat (în cazul unei funcţii simple) sau

- o variantă conceptuală aplicată (în cazul unei funcţii compuse).

c) Soluţia conceptuală a unui produs constituie:

- rezultatul final al proiectării conceptuale şi, implicit,

- baza de plecare pentru proiectarea constructivă.

2°. Principiu de rezolvare sau principiu de lucru al unei funcţii: soluţie de principiu potenţială (posibilă) a funcţiei simple, în faza de sinteză a unui produs (nou); în variantă simplificată, un principiu de rezolvare este caracterizat: - printr-un efect fizic, adică o manifestare

(fizică, chimică etc.) care poate fi reprodusă şi descrisă (cantitativ sau calitativ) printr-o lege sau printr-un principiu natural,

2.4*. Definitions and meanings of the used notions:

1°. The principle solution or the concept solution of a function: it can be derived from the constructive solution of the considered (sub)function, by simplification and reduction to the principle aspects. As an example, the principle representations from schemes a of Fig.2.2-2.5, represent the principle solutions for the overall functions of the analyzed products: the coffee mill (Fig. 2.2), the electric washing machine (Fig. 2.3), the electric wring machine (Fig. 2.4) and, respectively, the car lifting jack (Fig. 2.5).

Properties:

a) By embodiment, more distinct constructive solutions can be derived from the same conceptual solution (or principle solution); reciprocally: there can be distinct constructive solutions that are embodiments of the same conceptual solution.

b) The conceptual solution of a compound function can be obtained by composing the conceptual solutions of its subfunctions, according to the compound function structure. The conceptual solution of a subfunction can be:

- an applied solving principle (in the case of a simple function) or

- an applied conceptual variant (in the case of a compound function).

c) The conceptual solution of a product represents:

- the final result of conceptual design and, implicitly,

- the starting point for the embodiment design.

2°. The solving principle or the working principle of a simple function: a potential (possible) principle solution of a simple function, in the synthesis phase of a (new) product; in a simplified variant, a solving principle is characterized through:

- a physical effect, namely a (physical, chemical etc.) manifestation that can be reproduced and described (quantitative or qualitative) through a law or a natural principle,

49

- printr-un sistem purtător de efect (capabil să reproducă efectul considerat) şi

- printr-o configurare a elementelor din componenţa sistemului purtător de efect, de tipul schemelor structurale, cinematice şi/sau dinamice.

În literatura de specialitate, cu precădere germană, sunt realizate cataloage în care sunt sistematizate principalele efecte fizice utilizate în sistemele mecanice şi mecatronice; sunt realizate, de asemenea, cataloage în care sunt sistematizate principalele principii de rezolvare ale unor funcţii cu largă utilizare tehnică.

Pentru exemplificare, în tab. 2.5 este prezentat un extras dintr-un catalog de efecte fizice [9], iar în tab. 2.6 este ilustrat un extras dintr-un catalog [20], în care sunt sistematizate principiile de rezolvare ale funcţiei privind: modificarea mişcării continue de rotaţie, printr-un raport de transmitere constant.

3°. Variantă de rezolvare (sau de lucru) a unei funcţii compuse: soluţie conceptuală potenţială (posibilă) a funcţiei compuse, generată (în faza de sinteză a unui produs nou) prin compunerea principiilor de rezolvare din oricare combinaţie de principii compatibile. Ca urmare, orice variantă de rezolvare îndeplineşte cel puţin calitativ cerinţele impuse.

4°. Variantă conceptuală a unei funcţii compuse: variantă de rezolvare, a unei funcţii compuse, ale cărei caracteristici tehnice îndeplinesc şi cantitativ cerinţele impuse (obiectivele principale din SDP).

Proprietăţi:

a) Varianta conceptuală (specifică unei funcţii compuse) reprezintă noţiunea ierarhic superioară principiului de rezolvare (caracteristic unei funcţii simple). Ambele noţiuni sunt soluţii conceptuale potenţiale şi intervin în sinteza produselor (noi); variantele conceptuale şi implicit principiile de rezolvare aplicate, în procesul de sinteză, desemnează soluţiile conceptuale (propriu-zise) ale funcţiilor pe care le îndeplinesc.

- an effect carrier system (able to reproduce the considered effect) and

- a configuration of the elements from the effect carrier system structure, like the structural, kinematical and/or dynamic schemes.

In the technical literature, especially in the German one, there are made catalogs in which are systematized the main physical effects that are used in the mechanical and mechatronic systems; there are also, presented catalogs in which are systematized the main solving principles of some functions of large technical use.

As an example, an extract from a catalog of physical effects [9] is presented in Tab. 2.5, while in Tab. 2.6 it is illustrated an extract from a catalog [20], in which are systematized the solving principles of a function regarding: the change of the continuous rotary motion under a constant transmission ratio.

3°. Solving variant (or working variant) of a compound function: a potential (possible) conceptual solution of a compound function that is generated, in the synthesis phase of a (new) product, by the composition of some solving principles, from any combination of compatible principles. So, any solving variant fulfills the imposed requirements qualitatively

4°. Conceptual variant of a compound function: a solving variant, of the compound function, whose technical features fulfill the imposed requirements (the main objectives from PDS) quantitatively too.

Properties:

a) The conceptual variant (specific for a compound function) represents the hierarchically superior notion to the solving principle (the characteristic of a simple function). Both notions are potential conceptual solutions and interfere in the (new) products synthesis; in the synthesis process, the applied conceptual variants and, implicitly, the applied solving principles designate the (proper) conceptual solutions of the fulfilled functions.

50

Tab. 2.5. Exemple de efecte (principii) fizice utilizate în generarea principiilor de rezolvare (prelucrare după [9]).

Table 2.5. Examples of the phisical effects what are used for the generation of the solving principles (processed from [9]).

Efectul fizic (principiul fizic) Physical effect (physical principle)

Schema de principiu Principle scheme

Denumire şi ecuaţie ,ame and equation

Schema de principiu Principle scheme

Denumire şi ecuaţie ,ame and equation

Efectul de pârghie Lever effect

12

12 F

r

rF ⋅=

Efectul de genunchi Knee effect

21

12 αα tantan

FF

+=

Efectul de pârghie Lever effect

rFM ⋅=

Efectul de presiune Pressure effect

12

12 F

A

AF ⋅=

Efectul Coulomb Coulomb effect

nFF ⋅= µ

µ - coeficient de frecare /

frictional coefficient

Efectul de pană Wedge effect

2

112 x

xFF ⋅=

Efectul de elasticitate Elasticity effect

l

lAEl

lcF

∆∆

∆

⋅⋅=

⋅=

Efectul electrostatic Electrostatic effect

221

04

1

l

QQF

r

⋅⋅

⋅⋅⋅=

εεπ

Efectul magnetic Magnetic effect

221

04

1

lF

r

ΦΦµµπ

⋅⋅

⋅⋅⋅=

Efectul Magnus Magnus effect

vlRF ⋅⋅⋅⋅⋅⋅= ωρπ 22

Efectul inerţial Inertial effect

amF ⋅=

Efectul centrifugal Centrifugal effect

2ω⋅⋅= rmF 2ω⋅= ran

Efectul Coriolis Coriolis effect

rc vmF ⋅⋅⋅= ω2

ω⋅⋅= rc va 2

Legea Biot-Savart Biot-Savart’s law

IlBF ⋅⋅=

Efectul electromagnetic Electromagnetic effect

2

2

2

Il

A,F ⋅

⋅⋅=

µ

, - nr. de spire / the number of the turns

Efectul inducţiei electromagnetice Electromagnetic induction effect

vlBU ⋅⋅=

F2 F1

r1 r2

F2

F1

a1

a2

Q1 F

Q2

l F

l

Dl c A

v F

R l

wwww

a F m m

F

r

wwww

vr

m

S B

N

I F

l

F1

F2

A1 A2

F

r

M

mmmm

Fn v

F

v

U B

l

I A

l F

S

FFFF1

FFFF2 S

N

N l

F

F1

x1

x1

F2 aaaa

51

Tab.2.6. Principii de rezolvare pentru modificarea mişcării continue de rotaţie, printr-un raport de transmitere constant (extras şi prelucrare din VDI 2222/1997).

Table 2.6 Solving principles regarding the modification of the continuous rotary motion under a constant transmission ratio (processing after VDI 2222).

For

ţa s

e tr

ansm

ite

/ F

orce

is tr

ansm

ited

Dir

ecţi

a fo

rţei

/ F

orce

dir

ecti

on

Efe

ctul

fiz

ic /

Phy

sica

l eff

ect

Poz

iţia

axe

lor

/ T

he a

xes

are

Den

umir

e /

Den

omin

atio

n

Exe

mpl

e /

Exa

mpl

es

Mom

ent /

T

orqu

e [N

m]

Rap

ort d

e tr

ansm

iter

e /

Spe

ed r

atio

Put

ere

/ P

ower

[K

w]

Ran

dam

ent

glob

al /

Glo

bal e

ffic

ienc

y [%

] V

itez

a pe

rife

ică

/ P

erip

hera

l spe

ed

[ms-1

] T

uraţ

ie /

Rot

ary

spee

d [m

in-1

]

Par

alel

e/

Par

alle

l

AC / PAG

<105

20

1

20

−≤

≤− i

<90 (50000) <3000

(18500)

99…96 <100 (200)

<7000 (100000)

Con

cure

nte/

în

cruc

işat

e C

oncu

rren

t or

cro

ssed

ACH / BHG

61 ≤≤ i <450

(4000) 96…92

<15 (125)

<10000

AM / WG

⋅> 21, 105

12010 ≤≤ i <500 (1000)

80…45 →i

<25 (70) <40000

Per

pend

icul

ară

pe s

upra

faţă

/

Per

pend

icul

ar o

n th

e su

rfac

e

Hooke

Încr

uciş

ate

/ C

ross

ed

AE / CAHG

51 ≤≤ i <70 (70) 92…50 <20 (50) <25000

Para

lele

/ P

aral

lel

110 −≤≤− i

8em

ijlo

cit /

Dir

ectl

y

Tang

enţia

lă la

su

praf

aţă

/ Tan

gent

ial

at th

e su

rfac

e

Coulomb

Con

cure

nte

/ C

oncu

rren

t

MRF / FG

101 ≤≤ i

<250 (250) 98…95 <20 (25) <70000

(500000)

<105 3232 ≤≤− i 01…15000

(80000) 98…30

→i <15

(100) <10000

Coa

xial

e /

Coa

xial

UP / PG

⋅> 7

104 855 ≤≤ i 0,1…315 98…86

→i <15 (25) <500

TLR / RCG

66

1≤≤ i

<220 (4000)

99…95 <25 (40) <6000

(10000)

TLD / TCG

66

1≤≤ i

0,1…220 (2200)

<80 <10000

Par

alel

e /

Par

alle

l

TCD / TBG

1212

1≤≤ i 0,2…500 0,99 <1

<20000 (50000)

Mij

loci

t / M

edia

tely

Per

pend

icul

ară

pe s

upra

faţă

/

Per

pend

icul

ar o

n th

e su

rfac

e

Hooke

Para

lele

sau

în

cruc

işat

e /

Par

alle

l or

cros

sed

TLB / BCG

1010

1≤≤ i <0,05 <90 <30 (60) <100

AC / PAG = Angrenaj cilindric / Parallel axis gears; ACH / BHG = Angrenaj conic sau hipoid / Bevel gears or hypoid gears; AM / WG = Angrenaj melcat / Worm and worm gear; AE / CAHG = Angrenaj elicoidal / Crossed axis helical gears; MRF / FG = Mecanism cu roţi de fricţiune / Friction gears; UP / PG = Unitate planetară / Planetary gearset; TLR / RCG = Transmisie cu lanţ cu role / Roller chain gearing; TLD / TCG = Transmisie cu lanţ dinţat / Toothed chain gearing; TCD / TBG = Transmisie cu curea dinţată / Toothed belt gearing; TLB / BCG = Transmisie cu lanţ cu bile / Ball chain gearing.

52

b) În sinteza unui produs (nou), fiecare subfuncţie componentă poate fi îndeplinită de mai multe principii de rezolvare sau variante conceptuale; prin compunerea combinatorie a acestora se obţin mai multe variante de rezolvare ale funcţiei globale. Prin eliminarea variantelor ale căror caracteristici tehnice nu îndeplinesc şi cantitativ cerinţele impuse, se obţin variante conceptuale ale funcţiei globale. Pe baza unor criterii tehnice şi economice adecvate, dintre variantele conceptuale obţinute se decelează varianta optimă; aceasta desemnează soluţia concep-tuală (propriu-zisă) a produsului căutat.

c) Obiectivele, formulate pe baza nevoilor, dorinţelor, restricţiilor şi condiţiilor sintetizate în SDP sau lista de cerinţe, se împart în obiective principale, sau prescurtat cerinţe, şi obiective secundare.

Obiective principale sunt utilizate pentru decelarea variantelor conceptuale, dintre variantele de rezolvare; obiective secundare intervin în formularea criteriilor tehnice, economice şi de siguranţă, pe baza cărora este decelată soluţia conceptuală (sau conceptul) dintre variantele conceptuale.

d) O “asamblare” intuitivă şi unitară a noţiunilor introduse este propusă în fig. 4.16 (din cap. 4). De asemenea, în anexa A.1 sunt sistematizate definiţiile principalelor noţiuni de bază utilizate.

TEMA DE CASĂ 2.4: Considerând funcţia compusă stabilită la tema de casă 2.3, se cere să se efectueze sinteza conceptuală a acestei funcţii, în premisa că produsul este necunoscut. Conform listei de cerinţe, moto-reductorul trebuie să asigure transmiterea ireversibilă a energiei, iar reductorul trebuie să realizeze un raport de transmitere constant i = 50, cu un randament minim de 70%.

b) In the synthesis of a (new) product, each component subfunction can be fulfilled by more solving principles or conceptual variants; more solving variants of the overall function are obtained by a combinative composition of them. Ousting the variants that don’t fulfills the imposed requirements quantitatively, there are obtained the conceptual variants of the overall function; the optimal structure, chosen among the obtained solving structures by mean of some specific technical and economical criteria, designates the (proper) conceptual solution of the searched product.

c) The objectives, formulated on the basis of the needs, wishes, constraints and conditions synthesized in the PDS or the requirements list, can be divided into main objectives, or abridged requirements, and secondary objectives.

The requirements are used in the establishment of the conceptual variants among the solving variants; the secondary objectives allow the formulation of the technical, safety and economical criteria, which are used in the detection of the conceptual solution (or concept) among the conceptual variants.

d) An intuitive and unitary “assemblage” of the included notions is proposed in Fig. 4.16 (from the chapter 4). Also, in the Annex A.1 there are systematized the definitions of the used basic notions.

HOMEWORK 2.4: Considering the compound function that was established in homework 2.3, it is required to perform the conceptual design of this function, under the premises that the product is unknown. According to the requirements list, the motor speed reducer must ensure the irreversible transmission of energy, while the speed reducer must accomplish a constant transmission ratio i = 50, with a minimum efficiency of 70%.

53

3. MODELAREA PROCESULUI DE DESIGN AL PRODUSELOR TEHNICE În acest capitol sunt prezentate succint principalele modele propuse în literatura de specialitate pentru algoritmizarea ciclului de viaţă şi a procesului de design (proiectare), în cazul unui produs tehnic. Pe baza modelelor prezentate, sunt dezvoltate apoi variante noi, integratoare, într-o exprimare grafică simplificată. 3.1. MODELAREA CICLULUI DE VIAŢĂ AL UNUI PRODUS TEHNIC În fig. 3.1 este detaliat, sub formă de algoritm, modelul ciclului de viaţă al unui produs tehnic, în concepţia şcolii germane [16, 20]. Alăturat, în fig. 3.2, este ilustrată o variantă simplificată a aceluiaşi model [20], pe care sunt precizate normele VDI primare, al căror obiect se referă la etapele surprinse sub „lupă“.

În conformitate cu fig. 3.1 şi 3.2, în algoritmul ciclului de viaţă al unui produs tehnic pot fi identificate şase etape principale:

1°. Formularea şi planificarea temei;

2°. Proiectarea şi dezvoltarea produsului;

3°. Fabricare şi testare;

4°. Vânzare şi instalare;

5°. Exploatare şi întreţinere;

6°. Reciclare, reutilizare şi înlăturare.

În condiţiile designului modern, asistat de calculator, informaţiile pot fi stocate şi procesate într-o bază comună de date, denumită în continuare bază de informaţii; în acest context, din modelul ilustrat în fig. 3.1 poate fi derivată o nouă variantă de modelare, al cărei algoritm este prezentat în fig. 3.3. Acesta se distinge prin particularităţile următoare (fig. 3.3):

a) cele şase activităţi, care modelează etapele, sunt încadrate în contururi poligonale (de tip patrulater), dispuse într-un flux circular, orientat (în sens orar);

b) rezultatele activităţilor sunt ilustrate prin cercuri, dispuse intercalat în fluxul circular al etapelor; ca urmare, în fluxul circular orientat, cercurile, adiacente unui contur poligonal, desemnează entităţile de intrare şi

3. MODELING OF THE TECHNICAL PRODUCTS' DESIGN PROCESS The main models that are proposed in literature for establishing an algorithm for a technical product life cycle and design process are succinctly presented in this chapter. On the basis of the presented models, there are then developed new and integrated variants, in a simplified graphical form. 3.1 MODELING OF A TECHNICAL PRODUCT LIFE CYCLE The model of a technical product life cycle, in the German school vision [16, 20], is detailed, as an algorithm, in Fig. 3.1. Next, in Fig. 3.2, it is illustrated a simplified variant of the same model [20], on which there are specified the primary VDI norms, their object referring to the steps that are under a “magnifier”.

According to Fig. 3.1 and Fig. 3.2, six main steps can be identified in the algorithm of a technical product life cycle:

1°. Task statement and planning;

2°. Product design and development;

3°. Production and testing;

4°. Sale and installation;

5°. Use and maintenance;

6°. Recycling, reuse and disposal.

Under the modern computer aided design conditions, the information can be stored and processed in a joint data basis, which is further called information basis; in this context, a new modeling variant, with the algorithm from Fig. 3.3, can be derived from the model illustrated in Fig. 3.1. The new algorithm has the following features (Fig. 3.3):

a) the six activities that model the algorithm steps are bordered in polygonal contours (of quadrilater type), being disposed in a circular clockwise oriented flow;

b) the activities’ results are illustrated through circles that are interposed in the circular flow of activities; therefore, in the oriented circular flow, the circles, which are adjacent to a polygonal contour, designate

54

respectiv de ieşire ale activităţii desemnate de conturul patrulater;

c) baza de informaţii, care ocupă poziţia centrală a algoritmului, asigură:

- stocarea şi procesarea informaţiilor oferite de sursele externe (piaţă, ştiinţă, tehnologie, legislaţie, societăţi comerciale şi bancare etc.) şi interne (firma proprie);

- procesarea şi livrarea informaţiilor

necesare în desfăşurarea fiecărei etape;

- înregistrarea şi procesarea informaţiilor rezultate din fiecare activitate;

- conexiunea inversă dintre etape;

- procesarea informaţiilor acumulate în timp şi reluarea ciclului, atunci când evoluţia situaţiei o impune;

d) intrările algoritmului sunt desemnate prin:

- impulsul creativ, care demarează procesul de creaţie al produsului, şi prin

- resursele financiare, umane, materiale şi energetice, necesare în desfăşurarea fiecărei etape;

input and, respectively, output entities of the activity nominated by the quadrilater contour;

c) the information basis, which is in the central position of the algorithm, ensures:

- information storing and processing offered by the external sources (market, science, technology, legislation, companies, banks etc.) and internal sources (the own company);

- processing and delivering the necessary information for each step;

- recording and processing of the infor-mation that outcomes from each activity;

- the inverse connection between steps;

- processing of information that is stored in time and release of cycle resumption, when the situation evolution imposes it;

d) the algorithm inputs are designated through:

- the creative impulse that starts the product creation process and through

- the financial, human, material and energetic resources that are needed in each step;

Use / Consumption / Maintenance

Energy recovery

Recycling

Market / Need / Problem

Potential / Goals of company

Product planning /

Task setting

Design / Development

Production / Assembly / Test

Marketing / Consulting / Sales

Pro

duct

life

cyc

le m

anag

emen

t

Disposal / Environment

Fig. 3.1. The German school variant of the product life cycle [16, 20].

Req

uire

men

ts

Utilizare / Consumare / Întreţinere

Recuperare energie

Refolosire

Piaţă / Cerinţe / Problemă

Potenţial / scopuri firmă

Planificare / formulare temă

Proiectare / Dezvoltare

Producţie / Asamblare / Testare

Marketing / Consultanţă / Vânzări

Man

agem

entu

l cic

lulu

i de

viaţ

ă al

pro

dusu

lui

Înlăturare/ Mediu

Fig. 3.1. Ciclul de viaţă al unui produs în concepţia germană [16, 20].

Cer

inţe

. Obi

ecti

ve

55

pentru a evita încărcarea excesivă a modelului, în fig. 3.3 nu au mai fost figurate intrările de tip resurse;

e) ieşirile algoritmului sunt desemnate prin:

- efectele informaţionale, energetice şi/sau materiale generate de produsul creat pentru satisfacerea nevoii sociale;

- părţile de produs destinate reciclării şi reutilizării;

- părţile de produs destinate înlăturării;

- „deşeurile“ energetice şi materiale apărute în desfăşurarea fiecărei etape;

pentru a evita încărcarea excesivă a modelului din fig. 3.3, ieşirile de tip „deşeuri“ nu au mai fost figurate.

În conformitate cu modelul din fig. 3.3, dezvoltarea în timp a produsului este asigurată prin baza de informaţii, care declanşează reluarea ciclului, atunci când contextul informaţional o cere.

in order to avoid the excessive loading of the model, in Fig. 3.3 there are not illustrated the inputs of resources;

e) the algorithm outputs are designated through:

- the informational, energetic and/or material effects, generated by the product that was built to achieve the social need;

- the product parts which are meant for recycling and reuse;

- the product parts which are meant for disposal;

- energetic and material „waste“ from each step;

the output of „waste“ type are not illustrated in Fig. 3.3 in order to avoid an excessive model loading.

According to the model from Fig. 3.3, the product in-time development is ensured through the information basis, which releases the cycle resumption when the informational context requires it.

Cerinţe piaţă

Formulare temă

Proiectare / Dezvoltare

Potenţial firmă

Fabricare, testare

Desfacere

Utilizare

Reciclare

Alte utilizări

VDI 2221

VDI 2220

VDI 2222

VDI 2223

Înlăturare

Fig. 3.2. Norme VDI primare dedicate etapelor dispuse sub “lupă” (prelucrare după VDI 2222).

Market demands

Task formulation

Design / Development

Company’s potential

Manufacturing, testing

Sale

Utilization

Recycling

Another utilization

VDI 2221

VDI 2220

VDI 2222

VDI 2223

Disposal

Fig. 3.2. Primary VDI norms dedicated to the steps that are under “magnifier” (processing after VDI 2222).

56

Fig. 3.3. Ciclul de viaţă al unui produs tehnic într-o nouă variantă de modelare.

PROIECTAREA PRODUSULUI

Docum. produsului

Nevoia socială

Fabricarea produsului

Produs finit

Vânzare şi instalare

Identificarea nevoii sociale

Părţi înlăturate

Părţi reutilizate/ reciclate

Produs uzat

Produs instalat

Exploatare şi întreţinere

Reciclare, reutilizare şi

înlăturare

BAZĂ DE

I FORMAŢII

2.

1. 3.

4.

5.

Fig. 3.3. The technical product life cycle in a new modeling variant.

PRODUCT DESIGN

Product document

Social need

Product manufacture

Finished product

Sell and installation

Social need identification

Disposal parts

Recycling parts

Worn-out

product

Installed product

Use and maintenance

Recycling and disposal

I FORMATIO

BASIS

2.

1. 3.

4.

5.

6.

57

În conformitate cu titlul prezentului capitol, etapa secundă din fig. 3.3, intitulată proiectarea produsului, s-a reprezentat umbrit (împreună cu entităţile de intrare şi ieşire ale acesteia); în continuare, în subcap. 3.2, se trece la detalierea, sub formă de algoritm, a acestei etape, întâlnită uzual sub denumirea de design de produs. 3.2. MODELAREA PROIECTĂRII UNUI PRODUS TEHNIC În acest subcapitol sunt enumerate, mai întâi, cele mai reprezentative caracteristici ale temei de proiectare, în consens cu viziunea şcolii germane [16]; sunt prezentate apoi succint cele mai reprezentative modele, propuse în literatura de limbă germană şi engleză [1, 9, 16, 17, 20], pentru algoritmizarea procesului de design (proiectare) al unui produs tehnic. Pe baza acestor modele, este derivată, în final, o nouă variantă de algoritmizare de tipul celei din fig. 3.3. 3.2.1. Caracteristici de bază ale temei de proiectare Pentru a sugera intuitiv diversitatea cazurilor de aplicare a designului de produs, în continuare sunt prezentate succint principalele caracteristici ale temei de proiectare, în consens cu sistematizarea propusă de Pahl şi Beitz [16]:

a) Originea temei, a cărei sursă poate fi: - planificarea produsului; - cererea unui client; - o temă de proiectare ierarhic superioară

(în care tema considerată este inclusă); - fabricarea şi/sau testarea produsului.

b) Noutatea temei, desemnată prin tipul de proiectare; în concepţia germană se disting trei tipuri de proiectare:

- proiectare originală (dacă funcţia globală a produsului conţine elemente de noutate);

- proiectare adaptivă (dacă funcţia globală este cunoscută, dar o parte dintre purtătorii de efecte ai soluţiei de principiu sunt reconfiguraţi);

- proiectare variantă (dacă soluţia de principiu este cunoscută atât în planul efectelor, cât şi în planul configuraţiei).

According to this chapter title, the second step from Fig. 3.3, entitled the product design, was represented shadowed (together with its input and output entities); this step, which is usually met as product design, is further detailed as a distinct algorithm in subchapter 3.2. 3.2 MODELING OF THE TECHNICAL PRODUCT DESIGN The most representative characteristics of the design task, according to the German School vision [16], are enumerated in this subchapter; then, there are succinctly presented the most representative models that are proposed in the German and English literature [1, 9, 16, 17, 20], for establishing an algorithm for a technical product design process. Finally, a new variant of algorithm, like the one from Fig. 3.3, is derived from these models. 3.2.1 Basic characteristics of the design task In order to suggest intuitively the diversity of cases for the product design application, the main characteristics of the design task, according to the systematization proposed by Pahl and Beitz [16], are further presented succinctly:

a) The task origin, whose source can be: - Product planning; - A client demand; - A hierarchically superior design task (in

which the considered task is enclosed); - Product manufacture and/or testing.

b) Task newness, designated by the type of design; in German vision, three types of design are highlighted:

- The original design (when the product overall function contains elements of novelty);

- The adaptive design (when it is known the overall function, but a part of the principle solution effects' carriers are reconfigured);

- The variant design (when it is known the principle solution: in the effect plane and also in the configuration plane).

58

c) Producţia produsului, care poate fi de tip: unicat, serie mică, serie mare sau producţie de masă.

d) Ramura tehnică a produsului, care poate să aparţină:

- ingineriei mecanice; - ingineriei electro-mecanice; - ingineriei chimice; - ingineriei transporturilor; - ingineriei de precizie; - informaticii etc.

e) Complexitatea produsului, care poate fi de tip:

- uzină, - maşini, instrumente şi accesorii; - ansamble şi părţi; - tipizate etc.

f) Obiectivele temei, care pot aparţine: - optimizării funcţiei; - minimizării costurilor; - creşterii performanţelor; - îmbunătăţirii aspectului estetic; - respectării unor criterii ergonomice,

ecologice etc.

Caracteristicile precedente evidenţiază clar diversitatea tematică enormă care poate să intervină în proiectarea produselor.

Pe baza numitorului comun al acestei diversităţi, în continuare se prezintă succint principalele modele, propuse în literatură, pentru algoritmizarea procesului de proiectare a produselor tehnice. 3.2.2. Modelul lui Archer Modelul propus de Archer [1] se bazează pe un algoritm de tipul celui ilustrat în fig. 3.4,a.

Conform acestui algoritm, procesul de proiectare are trei entităţi de intrare şi o entitate de ieşire; entităţile de intrare sunt descrise prin: - rezumatul cerinţelor, - instruirea echipei de proiectare şi - experienţa acumulată în domeniu, iar entitatea de ieşire este reprezentată de: soluţiile produsului.

În concepţia lui Archer, algoritmul de proiectare este compus din şase etape (fig. 3.4,a):

c) Product production that can be of different type: unique, small series, large series or mass production.

d) The product technical branch, which can belong to:

- Mechanical engineering; - Electro-mechanical engineering; - Chemical engineering; - Transports engineering; - Precision engineering; - Computer science, etc.

e) The product complexity, which can be of type:

- Factory, - Machines, instruments and accessories; - Assemblies and parts; - Standard types etc.

f) The task objectives, which can belong to: - The function optimization; - The costs minimization; - The increase of performances; - The improvement of aesthetic aspect; - The keep of ergonomic, ecological

criteria etc.

The previous characteristics highlight clearly the enormous thematic diversity that can interfere into products design.

The main models that are proposed in literature for establishing an algorithm for the technical products design process are further presented succinctly on the basis of this diversity common denominator. 3.2.2. The Archer’s Model The model proposed by Archer [1] is based on an algorithm like the one from Fig. 3.4,a

According to this algorithm, the design process has three input entities and one output entity; the input entities are described through: - the abstract of requirements, - the design team training level and

- the experience accumulated in the domain, while the output entity is represented by the product solutions.

In Archer’s modeling, the design algorithm consists of six steps (Fig. 3.4,a):

59

Programare

Colectare informaţii

Analiză

Sinteză

Dezvoltare

Comunicare

Cerinţe Experienţă

Soluţii

Pregătire

Programare

Colectare informaţii

Comunicare

Analiză

Sinteză

Dezvoltare

Faza de analiză

Faza de creaţie

Faza executivă

Observaţii Măsurări Raţionamente inductive

Evaluare Judecată Raţionamente deductive Decizie

Descriere Traducere Transmitere

Fig. 3.4. Modelarea procesului de design al unui produs tehnic după Archer [1].

a b

Programming

Information collecting

Analysis

Synthesis

Development

Communication

Requirements Experience

Solutions

Preparation

Programming

Information collecting

Communication

Analysis

Synthesis

Development

Analysis phase

Creative phase

Executive phase

Observations Measurements Inductive reasoning

Evaluation Judgement Deductive reasoning Decision

Description Translation Transmission

Fig. 3.4. Modeling of a technical product design process after Archer [1].

a b

60

1°. Programarea, prin care se stabilesc punctele esenţiale şi modul de acţiune.

2°. Colectarea de date, care include colectarea, clasificarea şi stocarea de informaţii.

3°. Analiza, care cuprinde identificarea subproblemelor, pregătirea SDP (listei de cerinţe), revizuirea şi estimarea programului propus pentru algoritmizarea procesului de proiectare a produselor tehnice.

4°. Sinteza, prin care se stabilesc schematic soluţiile de proiectare.

5°. Dezvoltarea, care cuprinde elaborarea şi validarea proiectului prototip, şi

6°. Comunicarea, care include ca principală activitate: pregătirea documentaţiei de fabricaţie.

Conexiunile inverse, dintre etapele 2°I5°, permit optimizarea iterativă a produsului, atunci când în una dintre aceste etape este identificat un punct slab.

În conformitate cu fig. 3.4,b, după Archer procesul de proiectare se divide în trei faze:

- faza de analiză, care include primele două etape şi cuprinde activităţi de observare, măsurare şi elaborare de raţionamente inductive;

- faza creativă, care include etapele 3°, 4° şi 5° şi conţine activităţi de evaluare, judecată, elaborare de raţionamente deductive şi decizii;

- faza executivă, care se referă la etapa finală şi cuprinde activităţi de descriere, traducere, transmitere etc.

3.2.3. Modelul lui French Modelul propus de French [1] are la bază algoritmul din fig. 3.5. Conform acestui algoritm, procesul de proiectare conţine 4 etape sau „activităţi reprezentative“, ilustrate prin dreptunghiuri; entităţile de intrare şi de ieşire ale acestor activităţi sunt ilustrate prin cercuri.

Prima etapă (activitate), denumită Analiza problemei, porneşte de la un anumit set de cerinţe (entitate de intrare) şi are ca rezultat formularea problemei (entitate de ieşire).

Etapa secundă, intitulată proiectare conceptuală, utilizează ca entitate de intrare formularea problemei şi are ca rezultat (entitate de ieşire): schema sau schemele selectate ale produsului.

1°. Programming, through which the essential points and the way of action are established,

2°. Data collecting, which includes data co-llection, classification and storing,

3°. Analysis, which consists of sub-problems identification, preparation of the PDS (the requirements list) and the proposed program revision and estimation.

4°. Synthesis, through which there are schematically established the design solutions,

5°. Development, which contains the proto-type project elaboration and validation, and

6°. Communication, which includes as the main activity: preparation of the manufacturing documentation.

The inverse connections between steps 2°I5° allow the product iterative optimization when in one of the steps a weak point is identified.

According to Fig. 3.4,b, after Archer, the design process is divided into three phases: - The analysis phase that includes the

first two steps and contains activities of observation, measurement and elaboration of inductive inferences;

- The creative phase that includes steps 3°, 4° and 5° and contains activities of evaluation, judgment, elaboration of deductive inferences and elaboration of decisions;

- The executive phase that refers to the final step and contains activities of description, translation, transmission etc.

3.2.3. The French’s Model The model proposed by French [1] is based on the algorithm from Fig. 3.5. According to this algorithm, the design process consists of 4 steps or “representative activities”, which are illustrated by rectangles; the input and output entities of these activities are illustrated through circles.

The first step (activity), called the problem analysis, starts from a certain Need (input entity) and has as a result (output entity) the Statement of problem.

The second step, entitled the conceptual design, uses as an input entity the Statement of problem and has as a result (output entity): the scheme or the product selected schemes.

61

Ultimele două etape, denumite „întruparea schemei“ (proiectare constructivă) şi detaliere, pornesc de la schema selectată şi au ca rezultat: calcule, desene etc.

Aşadar, în concepţia lui French, procesul de proiectare porneşte de la un anumit set de cerinţe şi se finalizează prin desenele, calculele etc. care descriu în mod determinat produsul.

The last two steps, called the scheme embodiment (embodiment design) and detailing, start from the Selected scheme and ends through Calculations, Drawings etc.

Thus, in French’s modeling, the design process starts from a certain Need and ends through Drawings, Calculations etc. that describe the product in a determined way.

Cerinţe

Formulare problemă

Scheme selectate

Prelucrare, desenare

etc.

Analiza problemei

Proiectare

conceptuală

Proiectare constructivă

Detaliere

Fig. 3.5. Modelul procesului de design după French [10].

Need

Statement of problem

Selected schemes

Working, drawings

etc.

Analysis of problem

Conceptual

design

Embodiment of schemes

Detailing

Fig.3.5. French’s model of the design process [10].

62

Conform fig. 3.5, French introduce conexiuni inverse între primele trei etape; prin acestea se asigură optimizarea iterativă a produsului, atunci când în etapa terţă sau secundă sunt identificate puncte slabe, care reclamă anumite corecţii ale etapelor precedente. 3.2.4. Modelul lui Pugh Modelul propus de Pugh [17], pentru procesul de design, se bazează pe algoritmul ilustrat în fig. 3.6.

În concepţia lui Pugh, conform fig. 3.6, procesul de design porneşte de la nevoia identificată pe baza informaţiilor rezultate din studiul de piaţă şi se încheie cu lansarea produsului pe piaţă: vânzare; între acestea, Pugh introduce 4 etape intermediare:

1°. Formularea SDP (listei de cerinţe); în această etapă, pe baza prelucrării informaţiilor rezultate din studiul de piaţă, precum şi a celor obţinute din alte surse, sunt formulate şi ordonate cerinţele produsului; acestea sunt simbolizate în fig. 3.6 prin săgeţile radiale a, b, c, d,I, care însoţesc atât etapa 1°, cât şi etapele ulterioare (2°, 3° şi 4°).

2°. Designul conceptual; în această etapă sunt generate soluţiile schematice ale produsului, în conformitate cu lista de cerinţe, şi se stabileşte soluţia finală, prin evaluarea soluţiilor generate.

3°. Designul de detaliu, prin care Pugh înţelege de fapt designul tehnic propriu-zis, are ca obiective: elaborarea proiectului constructiv al produsului, în conformitate cu lista de cerinţe, şi a documentelor necesare în fabricaţie.

4°. Fabricarea produsului; această etapă cuprinde, mai întâi, fabricarea, verificarea şi asamblarea părţilor şi apoi testarea produsului.

În fig. 3.6, prin săgeţile axiale îngroşate s-a marcat fluxul principal de parcurgere al algoritmului, iar prin săgeţile longitudinale dublu-sens, reprezentate cu linie subţire, s-au marcat conexiunile iterative dintre etape, care intervin atunci când în una dintre etape se identifică un punct slab.

According to Fig. 3.5, French introduces inverse connections between the first three steps; through these it is ensured the product iterative optimization when in the third or second step there are identified weak points that require some corrections of the previous steps. 3.2.4 The Pugh’s Model The model proposed by Pugh [17], for the design process is based on the algorithm from Fig. 3.6.

In Pugh’s model (Fig. 3.6), the design process starts from the need that is identified based on the information which outcomes from the market analysis and ends with product selling; among them, Pugh introduces 4 intermediate steps:

1°. Formulation of the PDS (the requirements list); in this step, the product requirements are formulated and arranged on the basis of processing the information obtained from the market study and from other sources; in Fig. 3.6, the requirements are symbolized through radial arrows a, b, c,I, which interfere in step 1° and in the subsequent steps, too (2°, 3° and 4°).

2°. Conceptual design; in this step there are generated the product schematic solutions, according to the requirements list, and it is established the final solution, by evaluating the generated solutions.

3°. Detailing design, through which Pugh understands in fact the properly technical design, has as objectives: elaboration of the product embodiment project, according to the requirements list and of the documents necessary in manufacture.

4°. Product manufacture; this step contains, in the first stage, parts’ manufacture, control and assembling and, then, product testing.

In Fig. 3.6, through the thick axial arrows it is marked the main algorithm flow, while through the longitudinal double arrows, represented with thin lines, there are marked the iterative connections between steps, which interfere when in one step a weak point is identified.

63

3.2.5. Modelul lui Dieter În concepţia lui Dieter (SUA) [2], procesul de design se modelează printr-un algoritm, de tipul celui din fig. 3.7, format din 8 etape:

1°. Definirea problemei, care include : formularea temei, elaborarea SDP (listei de cerinţe) şi planificarea activităţilor;

3.2.5. The Dieter’s Model The design process is modeled by Dieter

(SUA) [2] through an algorithm like the one from Fig. 3.7, formed of 8 steps:

1°. Task definition, which includes: task formulation, PDS (requirements list) drawing up and activities planning;

c

b

d e

f

g

Fabricare

Vânzare

Cerinţe

Piaţă

Formulare listă de cerinţe

Proiectarea tehnică

(de detaliu)

Proiectarea

conceptuală

h

g

a b

c

d

b

c

a h

g

c

b

c

d h

f

a

g e

Fig. 3.6. Modelul procesului de design după Pugh [17].

c

b

d e

f

g

Manufacture

Sell

Elements of specification

Market

Specification

Tehnical design

Conceptual

design

h

g

a b

c

d

b

c

a h

g

c

b

c

d h

f

a

g e

Fig. 3.6. Pugh’s model of the design process [17].

64

2°. Colectarea informaţiei, care foloseşte ca surse principale: internetul, literatura de specialitate, brevetele de invenţie etc.

3°. Generarea soluţiilor conceptuale, care se bazează, în principal, pe detalierea (decompunearea) funcţiei, stabilirea soluţiilor parţiale şi compunerea acestora cu ajutorul diagramei (matricei) morfologice.

4°. Evaluarea conceptelor (soluţiilor conceptuale) cu ajutorul matricelor de decizie şi selectarea soluţiei optime.

5°. Elaborarea arhitecturii produsului, pe structura conceptului selectat.

6°. Elaborarea proiectului preliminar; care cuprinde, în principal, stabilirea preliminară a materialelor şi dimensionarea părţilor.

7°. Elaborarea proiectului final, prin care sunt elaborate desenele de ansamblu, sunt stabilite toleranţele, sunt determinate dimensiunile finale etc.

8°. Detalierea proiectului final şi elaborarea specificaţiilor de fabricaţie.

Conform fig. 3.7, procesul de design este împărţit de Dieter în trei faze:

2°. Collecting of information, which uses as main sources: internet, literature, patents etc.;

3°. Generation of conceptual solutions, which is based mainly on the function detailing (decomposition), on partial solutions establishing and on their composition by using the morphological diagram (matrix);

4°. Evaluation of concepts (conceptual solutions) by using the decision matrixes and the optimal solution(s) selection;

5°. Elaboration of the product architecture, on the structure of the selected concept;

6°. Elaboration of the preliminary project, which contains mainly the preliminary establishment of materials and the parts dimensioning;

7°. Elaboration of the final project, through which the assembly drawings are elaborated, the tolerances and the final dimensions are established etc.;

8°. Detailing of the final project and elaboration of the manufacturing specifications.

According to Fig. 3.7, Dieter divided the design process into three phases:

Proiectare conceptuală

Fig. 3.7. Modelul procesului de design după Dieter [2].

1. D

efin

irea

pro

blem

ei

2. C

olec

tare

info

rmaţ

ii

3. G

ener

are

vari

ante

4. E

valu

are

vari

ante

5. A

rhit

ectu

ra p

rodu

sulu

i

6. P

roie

ct p

reli

min

ar

7. P

roie

ct f

inal

8. D

etal

iere

Proiectare constructivă

Conceptual design

Fig. 3.7. Dieter’s model of the design process [2].

1. D

efin

e pr

oble

m

2. G

athe

r in

form

atio

n

3. C

once

pt

gen

erat

ion

4. C

once

pt v

aria

nts

eva

l.

5. P

rodu

ct a

rchi

tect

ure

6. C

onfi

gura

tion

des

ign

7

. Par

amet

ric

desi

gn

8. D

etai

l des

ign

Embodiment design

65

Faza I: Proiectarea conceptuală, care cuprinde etapele 1°-4°;

Faza II: Proiectarea constructivă, compusă din etapele 5°,6° şi 7° şi

Faza III: Detalierea, care conţine ultima etapă. 3.2.6. Modelul Pahl & Beitz Algoritmul cuprinde, conform fig. 3.8, cinci etape, ilustrate prin dreptunghiuri, şi cinci rezultate, reprezentate prin contururi de tip hexagonal:

1°. Clarificarea sarcinii şi elaborarea cerinţelor.

Rezultat: Lista de cerinţe (specificaţia).

2°. Elaborarea conceptului, care are ca principale activităţi: - identificarea problemelor esenţiale, - stabilirea structurilor de funcţii, - căutarea principiilor de rezolvare, - combinarea principiilor de rezolvare şi

consolidarea variantelor conceptuale, - evaluarea variantelor obţinute pe baza

unor criterii tehnice şi economice adecvate.

Rezultat: Conceptul (soluţia de principiu).

3°. Elaborarea proiectului preliminar, care cuprinde: - dezvoltarea de proiecte preliminare şi

elaborarea desenelor aferente, - selectarea celor mai bune proiecte

preliminare, - rafinarea şi evaluarea acestora pe baza

unor criterii tehnice şi economice adecvate.

Rezultat: Proiectul preliminar.

4°. Elaborarea proiectului definitiv, care are ca principale activităţi: - optimizarea şi finalizarea desenelor, - verificarea şi depistarea erorilor şi

verificarea eficienţei costurilor, - pregătirea listei preliminare de repere şi a

documentelor de fabricaţie. Rezultat: Proiectul definitiv.

5°. Elaborarea documentaţiei, care cuprinde: - finalizarea detaliilor, - completarea desenelor de execuţie

(detaliu) şi a documentelor de fabricaţie, - verificarea tuturor documentelor. Rezultat: Documentaţia de produs.

Phase I: The conceptual design, which contains steps 1°- 4°;

Phase II: The embodiment design, consisting of steps 5°, 6° and 7° and

Phase III: Detailing, containing the last step. 3.2.6. The model of Pahl and Beitz According to Fig. 3.8, the algorithm consists of five steps, illustrated through rectangles, and five results, represented through contours of rhombic type:

1°. Clarification of the task and elaboration of requirements;

Result: Requirements list (specification).

2°. Elaboration of the concept, which has as main activities: - identification of the essential problems, - establishment of the structure of functions, - search of the solving principles, - combination of the solving principles and

consolidation of the conceptual variants, - evaluation of the obtained variants on

the basis of adequate technical and economical criteria.

Result: The concept (the principle solution).

3°. Elaboration of the preliminary project contains: - development of preliminary projects and

elaboration of the afferent drawings, - selection of the best preliminary

projects, - refining and evaluation of the best

preliminary projects on the basis of adequate technical and economical criteria.

Result: The preliminary project.

4°. Elaboration of the definitive project, which has as main activities: - drawings optimization and finalizing, - errors’ control and elimination and costs

efficiency control, - preparation of the preliminary list of

component parts and of the manufacture documents.

Result: The definitive project. 5°. Elaboration of documentation, which contains: - details finalizing, - completion of the detail drawings and of

the manufacture documents, - control of all documents. Result: The product documentation.

66

Sarcină

1. Clarificare sarcină Elaborare listă cerinţe

Listă de cerinţe

2. Identificarea problemelor esenţiale Stabilirea structurilor de funcţii

Căutarea principiilor de rezolvare Combinarea şi alcătuirea variantelor conceptuale

Evaluarea tehnico – economică

Concept

3. Dezvoltarea proiectelor preliminare

Selectarea celor mai bune proiecte Rafinarea şi evaluarea tehnico – economică

Proiect preliminar

Documentaţie

5. Finalizarea detaliilor Completarea desenelor de detaliu

şi a documentelor de fabricaţie Verificarea documentelor

Proiect definitiv

4. Optimizarea şi finalizarea desenelor

Verificarea proiectului şi a costurilor

Pregătirea documentelor de fabricaţie

Soluţie

Rev

enir

e şi

îmbu

nătă

ţire

Info

rmaţ

ii p

entr

u aj

usta

rea

list

ei d

e ce

rinţ

e

Cla

rifi

care

sa

rcin

ă

Pr.

co

nce

ptu

ală

P

r. c

on

stru

ctiv

ă

Pr.

de

det

ali

u

Fig. 3.8. Modelul procesului de design după Pahl şi Beitz [16].

Task

1. Clarify the task

Specification

2. Identify essential problems Establish function structures

Search for solution principles Combine and firm up into concept variants Evaluate against tehnical and economic

criteria

Concept

3. Develop preliminary layouts and form designs

Select best preliminary layouts Refine and evaluate against tehnical

and economic criteria

Preliminary layout

Documentation

5. Finalize details Complete detail drawings and

production documents Check all documents

Definitive layout

4. Optimize and finalize designs Check for errors and cost -effectiveness Prepare the preliminary parts list and

production documents

Solution

Upg

rade

and

impr

ove

Info

rmat

ion:

ada

pt th

e sp

ecif

icat

ion

Cla

rifi

cati

on

of

the

task

C

on

cep

tua

l d

esig

n

Em

bo

dim

ent

des

ign

D

etail

des

ign

Fig. 3.8. The Pahl’s and Beitz’s model of the design process [16].

67

După Pahl şi Beitz, procesul de design cuprinde patru faze distincte (fig.3.8):

Faza I: Clarificarea sarcinii, care conţine prima etapă;

Faza II: Proiectarea conceptuală, care conţine etapa secundă;

Faza III: Proiectarea constructivă, formată din etapele 3° şi 4°;

Faza IV: Proiectarea de detaliu, care conţine etapa finală.

Conexiunile inverse dintre etape, necesare în optimizarea iterativă, sunt evidenţiate prin modulul dreptunghiular din dreapta (fig. 3.8), intitulat Revenire şi îmbunătăţire, şi prin liniile orientate care fac legătura dintre acest modul şi etapele algoritmului. Prin linia întreruptă, din partea stângă (fig. 3.8), este evidenţiat circuitul informaţiei destinat readaptării listei de cerinţe la diversele modificări care intervin în etapele din aval.

Acest model, care are o recunoaştere internaţională unanimă, a reprezentat una din principalele surse care au stat la baza elaborării modelului german VDI (prezentat în continuare). 3.2.7. Modelul german VDI Conform normei VDI-Richtlinien 2221, Uniunea Inginerilor Germani (Verein Deutcher Ingenieure) modelează procesul de design, al produselor tehnice, printr-un algoritm de tipul celui ilustrat în fig. 3.9.

Acest algoritm reprezintă, evident, o variantă rafinată şi dezvoltată a algoritmului din fig. 3.8, propus de Pahl şi Beitz.

În consens cu fig. 3.9, modelul VDI [20] conţine şapte etape (activităţi), reprezentate prin dreptunghiuri ordonate numeric, şi prin şapte rezultate, ilustrate prin contururi de tip paralelogram (v. comparativ şi fig. 3.8):

1°. Clarificarea, definirea şi planificarea sarcinii.

Rezultat: Lista de cerinţe (SDP).

2°. Determinarea funcţiei produsului şi a structurii acestei funcţii.

Rezultat: Structura funcţiei (structura de subfuncţii)

In Pahl’s and Beitz’s opinion, the algorithm contains four distinct phases (Fig. 3.8):

Phase I: The task clarification, which contains the first step,

Phase II: The conceptual design, which contains the second step,

Phase III: The embodiment design, consisting of steps 3° and 4°,

Phase IV: Detailing design, which contains the final step.

The inverse connections between steps, necessary in the iterative optimization, are highlighted through the rectangular module from the right (Fig. 3.8), entitled Upgrade and improve, and through the oriented lines that link this module to the algorithm steps. The information circuit (which meant to readapt the requirements list when the different changes interfere in the downstream steps) is highlighted through the dashed line from the left side (Fig. 3.8).

This model, that has a unanimous international recognition, represented one of the main sources that underlain the German model VDI elaboration (further presented). 3.2.7. The German Model VDI According to VDI-Richtlinien 2221 norms, the German Engineers Union (Verein Deutcher Ingenieure) models the design process of the technical products through an algorithm like the one from Fig. 3.9.

Obviously, this algorithm represents a fine and developed variant of the algorithm from Fig. 3.8 developed by Pahl and Beitz.

According to Fig. 3.9, the VDI model [20] contains seven steps (activities), represented through rectangles that are numerically arranged, and seven results, illustrated through contours of parallelogram type (see also Fig. 3.8):

1°. Task clarification, defining and planning.

Result: The requirements list (PDS).

2°. Establishment of the product function and its structure detailing.

Result: The function structure (the structure of the product function).

68

3°. Căutarea principiilor de rezolvare şi a combinaţiilor acestora.

Rezultat: Soluţia de principiu (conceptul).

4°. Divizarea soluţiei de principiu în module fezabile constructiv.

Rezultat: Structura de module.

5°. Dezvoltarea de proiecte pentru modulele cheie.

Rezultat: proiecte preliminare.

6°. Definitivarea proiectului global.

Rezultat: proiectul definitv.

7°. Pregătirea fabricaţiei şi a instrucţiunilor de operare.

Rezultat: Documentaţia produsului.

3°. Search of the solving principles and of their combinations; the variants’ evaluation.

Result: The principle solution (the concept).

4°. Dividing the principle solution into constructively feasible modules.

Result: The structure of modules.

5°. Project development for the key modules.

Result: the preliminary projects.

6°. Finalization of the global project.

Result: The definitive project.

7°. Preparation of manufacture and operation instructions.

Result: The product documentation.

Realizarea mai departe

1

Clarificarea şi definirea sarcinii

2 Determinarea funcţiilor şi

structurilor de funcţii

3 Căutarea principiilor de rezolvare

şi a combinaţiilor acestora

4

Divizarea în module fezabile

5 Dezvoltarea proiectelor preliminare

pentru modulele cheie

7 Pregătirea fabricaţiei şi a instrucţiunilor de operare

6

Completarea proiectului global

Sarcină

Proiecte preliminare

Listă de cerinţe

Structura de funcţii

Soluţii de principiu

Structura de module

Proiect definitiv

Documentaţie produs

Co

nex

iun

i it

era

tive

in

vers

e în

tre e

tap

e

Com

plet

area

şi r

eviz

uire

a ce

rinţ

elor

Faza I

Faza II

Faza III

Faza IV

Etape Rezultate Faze

Fig. 3.9. Abordarea generală a designului după VDI 2221 [20].

69

Ji în acest caz (fig. 3.9), procesul de design cuprinde patru faze relativ distincte:

Faza I: Clarificarea, definirea şi planificarea sarcinii: porneşte de la nevoia socială şi are ca rezultat lista de cerinţe, completată cu planificarea termenelor de realizare.

Faza II: Proiectarea conceptuală: porneşte de la lista de cerinţe şi are ca rezultat final soluţia de principiu (conceptul produsului).

Faza III: Proiectarea constructivă: are ca entitate de intrare soluţia de principiu şi ca entitate de ieşire proiectul definitiv.

Faza IV: Proiectarea de detaliu: are ca entitate de intrare proiectul definitiv şi ca entitate de ieşire documentaţia de produs.

In this case (Fig. 3.9), the design process consists of four relatively distinct phases too:

Phase I: Task clarification, definition and planning; this phase starts from the social need and has as result the requirements list, completed with the timing planning.

Phase II: The conceptual design starts from the requirements list and has as final result the principle solution (the product concept).

Phase III: The embodiment design has as input entity the principle solution and as output entity the definitive project.

Phase IV: Detailing design has as input entity the definitive project and as output entity the product documentation.

Further realisation

1

Clarify and define the task

2

Determine function and its structure

3

Search for solution principles

4

Divide into feasible modules

5

Develop layouts of key modules

7

Prepare production and operating instructions

6

Complete overall layout

Task

Preliminary layouts

Requirements’ list

Function structure

Principles solution

Module structure

Definitive layout

Product documents

Iter

ate

fo

rward

s a

nd

ba

ckw

ard

s b

etw

een

sta

ges

Ful

fill

and

ada

pt r

equi

rem

ents

Phase I

Phase II

Phase III

Phase IV

Stages Results Phases

Fig. 3.9. The VDI 2221 general design approach [20].

70

Tab. 3.1. Exemplu simplificat de aplicare intuitivă a modelului VDI (fig. 3.9), în cazul unei plăci hidraulice de control (prelucrat după VDI 2221).

Etape Rezultate Exemplu: Placă hidraulică de control Lista de cerinţe

Puterea de ieşire:…………. Temperatură de funcţionare: …… Lungime maximă: ………… ……………………………. D

efin

ire

sarc

ină

Relaţia funcţiei logice globale ….. Schema logică de cuplare a subfuncţiilor Structura funcţiei Efecte ……………………………. Soluţia de principiu - efecte (Schema hidraulică)

Purtători de efecte

Conducere

Conectare

Acţionare

Soluţie de principiu - configuraţie

(schemă geometrică)

Purtător de efecte Sub-funcţii 1 2 3

conducere axial radial şurub

conectare piston tr. cursor piston rot.

acţionare arc presiune magnet

Cilindru de presiune

Piston

Arc

Des

ign

con

cep

tual

(fu

ncţ

ion

al)

Des

ign

cons

truc

tiv

Des

ign

de

deta

liu

Temă

R1

R2

R3’

R3”

R4

R5

R6

R7

1

2

7

6

5

4

3.2

3.1

x …………… x …

Structuri de rezolvare

71

Tab. 3.1. Simplified example of a VDI model application (see Fig.3.9): a control hydraulic plate (after VDI 2221)

Steps Results Example: Control hydraulic plate Requirements list

Output power:…………. Working temperature: …… Maximum length: ……… ……………………………….

Tas

k de

fini

tion

Global logical function relation .. Logical scheme of the sub-functions Function structure Effects……………………………. Principle solution - effects (Hydraulic scheme)

Effects carriers

Conduction

Connection

Actuation

Principle solution -

configuration

(geometrical scheme)

Effects carrier Sub-functions 1 2 3 conduction axial radial screw

connection tr. piston cursor rot.

piston actuation spring pressure magnet

Pressure cylinder

Piston

Spring

Con

cep

tual

des

ign

Em

bodi

men

t des

ign

Det

aili

ng

Task

R1

R2

R3’

R3”

R4

R5

R6

R7

1

2

7

6

5

4

3.2

3.1

x …………… y …

72

În concepţia germană (şi nu numai), prin aceste faze sunt sintetizate componentele-cheie, relativ autonome, ale procesului de design; fiecare dintre acestea formează obiectul unei discipline distincte.

Conexiunile inverse, indispensabile în optimizarea iterativă şi în readaptarea listei de cerinţe, sunt similare cu cele din fig. 3.8, dar dispuse diferit. 3.2.8. Concluzii şi dezvoltări a) Modelul de referinţă. Ţinând seama că modelul VDI integrează şi explicitează sintetic modelele precedente, acesta va fi considerat în continuare ca model de referinţă al procesului de design.

Ca exemplu de aplicare, în tab. 3.1 sunt explicitate intuitiv etapele de proiectare din fig. 3.9, în cazul unei plăci hidraulice de control (sursă: VDI 2222); conform tab. 3.1, în acest exemplu, se obţine o structură de funcţii logice, iar etapa 3° (v. fig. 3.9) este divizată în două subetape:

3.1. Căutarea principiilor de rezolvare şi a structurilor acestora în planul efectelor;

3.2. Căutarea principiilor de rezolvare şi a structurilor acestora în planul configuraţiei purtătorilor de efecte.

La subetapa 3.1, efectele sunt descrise prin relaţii analitice, iar soluţia de principiu (solutia conceptuală) din planul efectelor este ilustrată printr-o schemă hidraulică.

La subetapa 3.2, din structurile de rezolvare, rezultate din matricea morfologică, s-a obţinut soluţia de principiu (conceptuală), din planul configuraţiei, reprezentată sub formă de schemă geometrică (purtătorii de efecte corespunzători sunt ilustraţi în amonte, de asemenea, sub formă de scheme geometrice). b) Domenii de aplicare. Modelul VDI, în varianta din fig. 3.9, este un model general de proiectare/dezvoltare, destinat cu precădere produselor tehnice, în care componenta mecanică ocupă un loc important; pentru exemplificare, în fig. 3.10 este explicitată extinderea modelului în cazul unui produs mecatronic, din ramura mecanicii fine [20]. Modelul VDI (fig. 3.9) poate fi extins, de asemenea, pentru proiectarea şi dezvoltarea de tehnologii şi software [20].

In German modeling (and not only) these phases synthesize the relatively autonomous key-components of the design process; each of them represents the subject of a distinct discipline.

The inverse connections, that are essential to the iterative optimization and to the requirements list readapting, are similar to those from Fig. 3.8, but are disposed differently. 3.2.8. Conclusions and developments a) The reference model. Taking into account that the VDI model integrates and explains synthetically the previous models, this will be further considered as the reference model of the design process.

The design steps from Fig. 3.9 are explained intuitively in Tab. 3.1 for a representative example: the case of a control hydraulic plate (source: VDI 2221); in the case of this example and according to Tab. 3.1, a structure of logical subfunctions is obtained and step 3° (see Fig. 3.9) is divided into two substeps:

3.1. Search of the solving principles and of their structures in the effects plane and

3.2. Search of the solving principles and of their structures in the effects carriers’ configuration plane.

In the step 3.1, the effects are described by analytical relations and the principle (conceptual) solution, from the effects’ plane, is illustrated by a hydraulic scheme.

In the second substep 3.2, from the solving structures that were obtained from the morphological matrix, the principle (concept-tual) solution (from the configuration plane) was obtained; this was represented as a geometrical scheme (the corresponding effects’ carriers are illustrated in upstream as geometrical schemes too). b) The domains of application. The VDI model, in the variant from Fig. 3.9, is a general model of design/development, designated mainly to the technical products in which the mechanical component occupies an important place; for instance, the extension of the model for a mechatronic product from fine mechanics [20] is explained in Fig. 3.10. The VDI model (Fig. 3.9) can be extended for design and development of technologies and software too [20].

73

c) Dihotomia divergenţă-convergenţă

Această dihotomie însoţeşte generarea şi selectarea soluţiilor, din etapele oricărui proces de design. Acest aspect este evidenţiat şi ilustrat grafic în fig. 3.11 (sursă: VDI 2222/77); conform fig. 3.11, într-o etapă intermediară cu mai multe variante de rezolvare (divergenţă), variantele înnegrite sunt selectate (prin evaluare tehnico- economică) ca entităţi de plecare pentru etapa următoare (convergenţă). d) Proiectare serială, proiectare paralelă (sau simultană) şi proiectare concurentă. Aceste tipuri de proiectare se referă la fluxul cronologic de rezolvare a fazelor şi etapelor dintr-un proces de proiectare

Proiectarea serială este proiectarea de tip tradiţional, în care fluxul principal de rezolvare (abstracţie făcând de feedback-urile iterative de optimizare) parcurge pe rând fiecare etapă/fază.

Aceasta înseamnă că rezolvarea unei etape/faze este declanşată numai după finalizarea etapei/fazei precedente.

Aplicată produselor noi şi complexe, proiectarea serială este caracterizată prin risipă de timp şi de resurse; obţinerea calităţii este, de asemenea, costisitoare deoarece corectarea oricărei erori, depistate într-o etapă finală, impune realuarea ciclului în condiţiile unor cheltuieli suplimentare ridicate

Proiectarea paralelă, întâlnită şi sub denumirea de proiectare simultană, se deosebeşte de proiectarea serială prin aceea că soluţionarea unei etape (sau subetape), nu aşteaptă rezolvarea etapei precedente, ci este declanşată în momentul în care s-a acumulat un minimum necesar de informaţie.

Evident, realizarea acestui deziderat impune o organizare dinamică a echipei de proiectare şi, implicit, a comunicării dintre grupele din componenţa acesteia.

Explicitarea modelului VDI (fig. 3.9), în condiţiile proiectării de tip paralel, este ilustrată grafic în fig. 3.12 [20]; conform acestei figuri, prin divizarea etapei 3° (v. fig. 3.9) în k subetape relativ autonome, intervin k fluxuri în paralel, a căror rezolvare poate fi abordată simultan.

c) The divergence-convergence dichotomy

This dichotomy accompanies the generation and selection of solutions, from any design process steps. This aspect is highlighted and graphically illustrated in Fig. 3.11 (the source: VDI 2222); according to Fig. 3.11, in an intermediate step with more solving variants (divergence), the blacked variants are selected (through the technical and economical evaluation) as input entities for the next step (convergence). d) Serial design, parallel design (or simultaneous) and concurrent design. These design types refer to the chronological flow of solving the phases and steps from a design process.

The serial design is the traditional design, in which the main solving flow (excepting the iterative optimization feedbacks) finalizes in turn each step / phase.

This means that the resolution of a phase/step is released only after the previous phase/step is finished.

When is applied to new and complex products, the serial design is characterized by waste of time and resources; quality achievement is expensive too because the correction of each error (found in the final step) imposes the cycle resuming under the conditions of high supplementary costs.

The parallel design, known also as simultaneous design, differs from the serial design by the fact that a step (or sub-step) solving doesn’t wait the previous step finalization, but is released when a minimum of necessary information is accumulated.

Obviously, this desideratum imposes a dynamic organization of the design team and, implicitly, of the communication between the team groups.

The explanation of the VDI model (Fig. 3.9), under the parallel design conditions, is graphically illustrated in Fig. 3.12 [20]; according to this figure, by dividing step 3° (see Fig. 3.9) into k sub-steps that are relatively autonomous, there interfere k parallel flows, which can be solved simultaneously.

74

Eta

pe

R

ezu

ltat

e

F

aze

Tem

ă

Cla

rifi

care

a şi

def

inir

ea

tem

ei

1

Sta

bili

rea

func

ţiil

or ş

i a

stru

ctur

ilor

ace

stor

a 2

Cău

tare

a pr

inci

piilo

r de

rezo

l-va

re ş

i a s

truc

turi

lor a

cest

ora

3

Div

izar

ea în

mod

ule

fez

abil

e 4

Con

figu

rare

a di

men

sion

ală

a m

odul

elor

5

Con

figu

rare

a pr

odus

ului

gl

obal

6

Pre

lucr

area

dat

elor

7

Rea

liza

rea

în c

onti

nuar

e

Conexiuni iterative inverse între etape

Sch

emă

opti

că

Mod

ul d

e m

işca

re

Mod

ul d

e an

tren

are

Stru

ctur

ă de

con

ecta

re

Stru

ctur

a pr

ogra

mul

ui

Opt

ică

Mec

anic

ă

Ele

ctro

mec

anic

ă

Ele

ctro

nică

Sof

twar

e

Str

uctu

ri d

e fu

ncţi

i

Lis

ta d

e ce

rinţ

e

Pro

iect

area

si

stem

ului

opt

ic

Pro

iect

pre

lim

inar

al

sis

tem

ului

de

miş

care

Pl

anul

logi

c şi

pr

oiec

tul a

cest

uia

Prog

ram

e

Pro

iect

glo

bal

Prog

ram

ul d

e fu

ncţio

nare

Doc

umen

tele

cu

date

le

D

ocum

enta

ţie

P

lanu

rile

D

ocum

enta

ţia

opti

ce ş

i ane

xele

de

fabr

icar

e

cons

truc

tivă

flux

uril

or

prog

ram

elor

Adaptarea şi completarea listei de cerinţe

Solu

ţii d

e pr

inci

piu

Proiectare conceptuală

Proiectarea constructivă

Proiectarea de detaliu

Fig

. 3.1

0.

Exe

mpl

u de

ext

inde

re a

mod

elul

ui V

DI

în c

azul

unu

i pro

dus

mec

atro

nic,

din

ram

ura

mec

anic

ii fi

ne (s

ursă

VD

I 22

21)

74

75

Ste

ps

Res

ult

s

Ph

ases

Tas

k

Tas

k cl

arif

icat

ion

and

defi

niti

on

1

Fun

ctio

n an

d it

s st

ruct

ure

esta

blis

hmen

t 2

Sear

ch o

f the

sol

ving

pr

inci

ples

and

thei

r stru

ctur

es

3

Div

isio

n in

to f

ezab

le

mod

ules

4

Mod

ules

dim

ensi

onal

co

nfig

urat

ion

5

Glo

bal p

rodu

ct

conf

igur

atio

n 6

.

Dat

a pr

oces

sing

7

Fur

ther

rea

liza

tion

Inverse iterative connections between steps

Opt

ical

sch

eme

Mov

emen

t mod

ule

Act

uati

on m

odul

e

Con

nect

ing

stru

ctur

e

Prog

ram

str

uctu

re

Opt

ics

Mec

hani

cs

Ele

ctro

mec

hani

cs

Ele

ctro

nics

Sof

twar

e

Fun

ctio

n st

ruct

ure

Req

uire

men

ts’

Lis

t

Opt

ical

sys

tem

de

sign

P

reli

min

ary

proj

ect o

f th

e

mov

emen

t sys

tem

L

ogic

al p

lane

an

d its

pro

ject

Prog

ram

s

Glo

bal p

roje

ct

Func

tioni

ng

prog

ram

Doc

umen

ts w

ith

opti

cal

Em

bodi

men

t

Flo

ws

Pro

gram

s da

ta a

nd m

anuf

actu

re

docu

men

tati

on

pl

anes

docu

men

tati

on

Adapting and completion of the list requirement

Pri

ncip

le s

olut

ions

Conceptual design

Embodiment design

Detailing design

Fig

. 3

.10

. Exa

mpl

e of

ext

endi

ng th

e V

DI

mod

el f

or a

mec

hatr

onic

pro

duct

fro

m f

ine

mec

hani

cs (

sour

ce V

DI

2221

).

75

76

Sarcini

Funcţie globală

Subfuncţii

Principii de

rezolvare

Structuri de

rezolvare

Variante – concept

Proiecte dimensionale

Asamblări selectate

Variante –

proiect pentru subansambluri

Proiect final

Proiectarea de

detaliu a componentelor

Documentaţie de

fabricaţie

Des

ign

de d

etal

iu

Des

ign

cons

truc

tiv

Des

ign

conc

eptu

al

Pla

nifi

care

Fig. 3.11. Divergenţe şi convergenţe în procesul de design. Elementele înnegrite indică variantele alese pentru demararea fazei următoare (sursă: VDI 2222).

Tasks

Global function

Subfunctions

Solving

pronciples

Solving

structures

Concept variants

Dimensional projects

Selected assemblings

Project –

variants for subassemblies

Final project

Components

detailing

Manufacture

documentation

Det

aili

ng

Em

bodi

men

t des

ign

Con

cept

ual

desi

gn

Pla

ning

Fig. 3.11. Divergences and convergences in the design process. The blacked elements indicate the chosen variants for the following phase start (source: VDI 2222).

77

Proiectarea concurentă se referă la utilizarea unui model de proiectare, în condiţiile aplicării ingineriei concurente.

Ingineria concurentă este o abordare sistemică care optimizează managementul informaţiei, în faza de proiectare-dezvoltare, prin integrarea adecvată a acestei faze cu toate celelalte faze ale ciclului de viaţă al produsului. Ca urmare, luarea deciziilor, în faza de proiectare-dezvoltare, are loc prin armonizarea punctelor de vedere din toate componentele ciclului de viaţă al produsului. Ingineria concurentă se distinge prin trei aspecte principale [2]:

a) utilizarea echipelor mixte multifuncţionale (d.p.d.v. profesional),

b) aplicarea proiectării paralele şi

c) parteneriatul furnizorilor cu echipele mixte.

Ingineria Concurentă (denumită uneori şi Dezvoltarea Integrată a Produselor sau Inginerie Simultană) a fost definită prima dată de către Institutul pentru Analiza Apărării (IDA), în raportul său din decembrie 1988 [22] ca fiind: o abordare sistematică a proiectării concurente integrate a produselor şi proceselor lor conexe, inclusiv fabricarea şi procesele suport; această abordare este menită să genereze dezvoltatori, care să ţină

The concurrent design refers to the utilization of a design model in the conditions of simultaneous or concurrent engineering.

Concurrent engineering is a systemic approach that optimizes the information management in the design – development phase, by an adequate integration of this phase with all the other phases of the product life cycle. Therefore, taking a decision in the design – development phase is made through the harmonization of the points of view from all the components of the product life cycle. Three main aspects define the concurrent engineering [2]:

a) use of mixed or cross-multifunctional teams (from the professional point of view),

b) application of parallel design and

c) partnership of the suppliers with the mixed teams.

Concurrent Engineering (called also some-times Integrated Product Development or Simultaneous Engineering) was first defined by the Institute for Defence Analysis (IDA) in its report from December 1988 as [22]: a systematic approach to the integrated concurrent design of products and their related processes, including manufacture and support; this approach is intended to cause the developers, from the outset, to

3IV 3 III 3 II 3 I

2

1

4 IV 4 III 4 II 4 I

5 IV 5 III 5 II 5 I

6 IV 6 III 6 II 6 I

7 IV 7 III 7 II 7 I

Fig. 3.12. Explicitarea modelului VDI în condiţiile proiectării de tip paralel (sursă: VDI 2221).

Fig. 3.12. The VDI model explanation in the conditions of parallel design (source: VDI 2221).

78

Fig. 3.13,a. Algoritm generalizat de modelare a ciclului de viaţă al unui produs.

PROIECTAREA PRODUSULUI

Docum. produsului

Nevoia socială

Fabricarea produsului

Produs finit

Vânzare şi instalare

Identificarea nevoii sociale

Părţi înlăturate

Părţi reutilizate/ reciclate

Produs uzat

Produs instalat

Exploatare şi întreţinere

Reciclare, reutilizare şi

înlăturare

BAZĂ DE

I FORMAŢII

2.

1. 3.

4.

5.

6.

BAZĂ DE I FORMAŢII

Soluţia

concep-

tuală

SDP

(Lista de

cerinţe)

Proiect final

4.

Elaborarea documentaţiei de

produs

1. Elaborarea SDP (listei de cerinţe)

2.PROIECTAREA CO CEPTUALĂ

3.


5ev

oia

soci

ală

Documentaţia produsului

Fig. 3.13,b. Algoritm generalizat pentru detalierea proiectării unui produs (etapa 2 din schema a).

79

I FORMATIO BASIS

Concep-

tual

solution

PDS (Require-ments list)

Final layout

4.

Product documentation

establishing

1.

PDS (Require-ments’ list) elaboration

2.CO CEPTUAL DESIG

3.

Embodiment design

Soci

al n

eed


Fig. 3.13,b. A generalized algorithm for the detailing of a product design (step 2 from Fig. 3.13,a).

Fig. 3.13,a. A generalized algorithm for the modeling of the product life-cycle.

PRODUCT DESIGN

Product document

Social need

Product manufacture

Finished product

Sell and installation

Social need identification

Disposal parts

Recycling parts

Worn-out product

Installed product

Use and maintenance

Recycling and disposal

I FORMATIO BASIS

2.

1. 3.

4.

5.

6.

80

seama, de la început, de toate elementele ciclului de viaţă al produsului, de la concepţie la eliminare, inclusiv calitatea, costul, calendarul, precum şi cerinţele utilizatorului.

Prin utilizarea ingineriei concurente, cu precădere în cazul produselor noi şi complexe, se asigură scurtarea timpului de proiectare-dezvoltare, creşterea calităţii şi reducerea costului pe un ciclu de viaţă al produsului. Acest tip de proiectare şi-a dovedit eficienţa, mai ales în aviaţie.

e) Variantă generalizată de modelare a procesului de design

Pornind de la noua variantă de modelare a ciclului de viaţă al unui produs, ilustrată în fig. 3.13,a (v. şi fig. 3.3), în fig. 3.13,b s-a propus o nouă variantă de modelare care detaliază etapa umbrită din fig. 3.13,a: proiectarea produsului.

Modelul din fig. 3.13,b este o variantă derivată din modelul VDI (fig.3.9), prin simplificare şi generalizare.

Conform fig. 3.13,b, această variantă de modelare este centrată pe o bază de informaţii adecvată, porneşte de la o nevoie socială (anterior identificată) şi cuprinde patru etape şi patru rezultate, respectiv: 1°. Elaborarea SDP (listei de cerinţe); Rezultat: SDP (lista de cerinţe), însoţită de planificarea termenelor de realizare, 2°. Proiectarea conceptuală; Rezultat: Soluţia conceptuală, soluţia de principiu sau conceptul produsului, 3°. Proiectarea constructivă ; Rezultat: Proiectul final (definitiv) şi 4°. Elaborarea documentaţiei de produs; Rezultat: Documentaţia produsului.

După cum se observă, etapele variantei propuse (fig. 3.13,b) coincid cu fazele modelului VDI (fig. 3.9), iar rezultatele acestei variante coincid cu rezultatele-cheie din modelul VDI.

Conexiunile inverse dintre etape (fig. 3.13,b), necesare pentru optimizarea iterativă şi pentru readaptarea listei de cerinţe, pot fi realizate atât direct, prin fluxul periferic de informaţie, cât şi indirect prin baza de informaţii.

În continuare, în cap. 4, urmează să fie detaliată etapa reprezentată umbrit în fig. 3.13,b: proiectarea conceptuală a produselor tehnice.

consider all elements of the product life cycle from conception through disposal, including quality, cost, schedule, and user requirements.

By applying concurrent engineering, mainly for the new and complex products, there are ensured time shortening for design – development, quality increase and cost reduction on the product life cycle. This type of design proved its efficiency mostly in aircraft industry.

e) The generalized variant of the design process modeling

A new modeling variant, that details the product design (the shadowed step from Fig. 3.13,a), is proposed in Fig. 3.13,b, starting from the new modeling variant of the life cycle (Fig. 3.13,a and Fig. 3.3).

The model from Fig. 3.13,b is a variant derived from the VDI model (Fig. 3.9) by simplification and generalization.

According to Fig. 3.13,b, this modeling variant is centered on an adequate information basis, starts from a social need (previously identified) and contains four steps and four results: 1°. PDS (requirements’ list) elaboration: Result: the PDS (requirements’ list), accompanied by timing planning, 2°. Conceptual design; Result: the conceptual solution, principle solution or the product concept, 3°. The embodiment design; Result: the final (definitive) project and 4°. Elaboration of product documentation; Result: Product documentation.

The proposed variant’s steps (Fig. 3.13,b) coincide to the VDI model phases (Fig. 3.9), and its results coincide to the key-results from the VDI model.

The inverse connections between steps (Fig. 3.13,b), which are necessary in the iterative optimization and in readapting the requirements list, can be made directly, through the peripheral information flow and indirectly, through the information basis.

The technical products’ conceptual design (the shadowed step from Fig. 3.13,b) will be further detailed in chapter 4.

81

4. MODELAREA PROIECTĂRII CONCEPTUALE A PRODUSELOR TEHNICE Denumirile de proiectare conceptuală şi proiectare funcţională sunt sinonime. Prima denumire, mai des întâlnită în literatură, este derivată din mai vechea noţiune, de concept al produsului, folosită pentru rezultatul acestei proiectări. Noua terminologie promovează noţiunea de soluţie de principiu a produsului, în locul noţiunii de concept; momentan, în literatură coexistă încă ambele noţiuni.

Denumirea de proiectare funcţională este derivată din noţiunea de funcţie a produsului, care constituie instrumentul de bază cu care operează curent acest proces de proiectare; cu toate că funcţia produsului este o noţiunea frecvent utilizată, denumirea de proiectare funcţională este mult mai puţin întâlnită decât cea de proiectare conceptuală.

În continuare este utilizată, cu precădere, prima denumire, care este comună principalelor şcoli de design industrial.

Pentru o mai bună înţelegere, modelarea proiectării funcţionale este precedată de o succintă prezentare a elaborării SDP sau listei de cerinţe (v. fig. 3.13,b).

Sunt prezentaţi apoi succint cei mai reprezentativi algoritmi propuşi în literatură, pentru modelarea proiectării conceptuale; pe baza acestora, este derivată apoi o nouă variantă de modelare generalizată, descrisă printr-un algoritm de tipul celor din fig.3.13.

În finalul capitolului sunt explicitate etapele noului algoritm de proiectare funcţională, mai puţin abordate în capitolele precedente. 4.1. DESPRE ELABORAREA LISTEI DE CERINŢE (SDP) Elaborarea listei de cerinţe (SDP), întâlnită în literatura germană şi sub numele de planificarea produsului, este prima etapă a oricărui proces de proiectare (fig. 3.13,b).

Această activitate, multidisciplinară şi deosebit de laborioasă, porneşte de la o anumită nevoie socială şi se finalizează printr-o listă de cerinţe(SDP), completată cu

4. CONCEPTUAL DESIGN MODELING OF TECHNICAL PRODUCTS The denominations of conceptual design and functional design are synonymous. The former, much more used in literature, is derived from an older notion, of product concept, used for the result of this design. The new terminology promotes the notion of product principle solution, instead of the concept notion; momentary, both notions still coexist in literature.

The denomination of functional design is derived from the notion of product function, which represents the base instrument with which this design process currently operates; although the product function is a very used notion, the denomination of functional design is much less met than conceptual design.

Further, the denomination of conceptual design is used, as it is common to the main industrial design schools.

For a better understanding, the conceptual design modeling is preceded by a succinct presentation of the PDS or requirements’ list elaboration (see Fig. 3.13,b).

Then, there are succinctly presented the most representative algorithms, proposed in literature, for the conceptual design modeling. Afterwards, a new variant of generalized modeling (described through an algorithm like those from Fig. 3.13) is derived from the previous ones.

The steps of this new variant, less approached in the previous chapters, are explicated at the end of this chapter. 4.1. ON THE REQUIREMENTS’ LIST (PDS) ELABORATION The requirements’ list (PDS) elaboration, met in the German literature as product planning, is the first step of any design process (fig. 3.13,b).

This multi-disciplinary and extremely laborious activity starts from a certain social need and is finished through a requirements’ list (or PDS, see Fig. 3.13,b), completed with

82

termene de realizare. În locul listei de cerinţe, în literatura de limbă engleză este preferată prescurtarea PDS (Product Design Specification), adică Specificaţia de Design a Produsului (SDP); în paralel însă, se foloseşte frecvent şi denumirea simplă de specificaţie (specification).

În fig. 4.1 este ilustrat algoritmul de elaborare a listei de cerinţe (SDP), după Pahl şi Beitz [16], iar în fig. 4.2, este prezentat un exemplu simplificat de listă de cerinţe, prelucrat din aceeaşi sursă [16]; în concepţia autorilor Pahl şi Beitz [16], principalele proprietăţi, care intervin uzual în formularea tehnică a cerinţelor, sunt descrise prin următoarele titluri (însoţite de date calitative şi cantitative):

1) Geometrie (mărime, lungime, lăţime, înălţime, diametru, volum, gabarit etc.);

2) Cinematică (tipul mişcării, poziţie iniţială şi finală, deplasare liniară, deplasare unghiulară, viteză, acceleraţie etc.);

3) Forţe (sensul şi mărimea forţei/cuplului, greutatea, deformaţia, rigiditatea, elasticitatea, frecvenţa, stabilitatea etc.)

4) Energie (electrică, mecanică, chimică etc., parametrii de stare, intrări, ieşiri, randament etc.);

5) Material (proprietăţi fizice şi chimice,

materiale auxiliare, materiale prescrise, reguli de aprovizionare etc.);

6) Semnale (intrări şi ieşiri, formă, afişare, echipament de control etc.);

7) Siguranţă (principiile siguranţei directe, sisteme de protecţie, siguranţa operatorului şi a mediului etc.);

8) Ergonomie (relaţia om-maşină, tipul operaţiei, iluminare, estetică etc.);

9) Fabricaţie (precizia şi calitatea de fabricaţie posibile, metode de fabricaţie preferate, mijloace de producţie, limite de fabricaţie etc.);

10) Controlul calităţii (posibilităţi şi mijloace de testare şi măsurare, norme şi standarde speciale etc.);

11) Montaj (reguli speciale de montaj, instalare, fundaţie etc.);

terms of realization. Instead of requirement’s list, in the English literature it is met the abbr. PDS (Product Design Specification); however, it is frequently used the simple denomination of specification, in parallel to this term.

The algorithm for the elaboration of the requirements’ list (PDS), after Pahl and Beitz [16], is illustrated in Fig. 4.1, while in Fig. 4.2 it is presented a simplified example of a requirements’ list, processed from the same source [16]; in Pahl’s and Beitz’s view [16], the main properties that usually interfere in the technical formulation of requirements, are described through the following titles (accompanied by essential qualitative and quantitative data):

1) Geometry (e.g. size, length, width, height, diameter, volume, overall size);

2) Kinematics (e.g. motion type, initial and final position, linear or angular displacement, velocity, acceleration);

3) Forces (e.g. force/torque direction and module, weight, deformation, rigidity, elasticity, frequency, stability);

4) Energy (e.g. electrical energy, mechanical energy, chemical energy, state parameters, inputs, outputs, efficiency);

5) Material (e.g. physical and chemical properties, auxiliary materials, prescribed materials, supplying rules );

6) Signals (e.g. inputs and outputs, form, display, control equipment);.

7) Safety (e.g. principles of the direct safety, protection systems, operator and environment safety);

8) Ergonomics (e.g. relation man-machine, operation type, lighting, aesthetics);

9) Manufacture (e.g. possible manufacture accuracy and quality, favorite manufacture methods, production means, manufacture limits);

10) Quality control (e.g. possibilities and means of testing and measurement, special norms and standards);

11) Assembling (e.g. assembling special rules, installation, foundation);

83

12) Transport (restricţii de transport, spaţiu, mijloace de transport, condiţii de manipulare şi despachetare etc.);

13) Punere în funcţiune (silenţiozitate, condiţii speciale de încărcare etc.);

14) Întreţinere (revizii periodice, completare, schimbare sau reparare, curăţire etc.);

15) Reciclare (reutilizare, reprocesare,

depozitare, înlăturare etc.);

16) Costuri (costuri maxime admise pentru fabricare, costuri de uzinare, investiţii, pierderi etc.);

17) Programare (date de finalizare pentru etapele dezvoltării, data de livrare etc.).

O altă variantă germană de identificare a cerinţelor, în funcţie de fazele de viaţă ale produsului, este prelucrată calitativ în fig. 4.3, după Ehrlenspiel [8, 9, 20]: pe coloane sunt desemnate tipurile de cerinţe (tehnice, economice, organizatorice, legislative etc.), iar pe linii sunt desemnate fazele de viaţă ale produsului.

Pentru comparaţie, în fig. 4.4,a este ilustrată, sub formă de algoritm, aria de cercetare şi analiză utilizată de Pugh [17] în elaborarea SDP (listei de cerinţe); alăturat, în fig. 4.4,b, este reprezentat calitativ, după aceeaşi sursă [17], formularul PDS. Conform fig. 4.4,a şi b, în abordarea de tip Pugh, un loc important revine analizei celui mai bun produs concurent.

Un instrument relativ recent, promovat de literatura de limbă engleză, pentru a evalua şi ordona cerinţele, se referă la analiza QFD (Quality Function Deployment), care ar putea fi tradusă liber prin: analiza funcţional-calitativă a unui produs. Această metodă de analiză [2, 15, 18], destinată dezvoltării produselor, se bazează pe un tabel (v. fig. 4.5), denumit plastic „casă a calităţii“.

Pentru a sugera intuitiv modul de operare al acestei metode, în fig. 4.5 s-a ilustrat un exemplu de aplicare (adaptat după [2, 18]), pentru un produs de tip geantă de voiaj.

În conformitate cu fig. 4.5, tabelul de analiză (casa calităţii) cuprinde 8 compartimente (A, A1, A2, B, AB, B1, B2, B3), cu următoarele semnificaţii:

12) Transport (e.g. transport restrictions, space, transport means, manipulation and unpacking conditions);

13) Putting into service (e.g. noiseless, special conditions of loading up);

14) Maintenance (e.g. periodical revisions, completion, change or reconditioning, cleaning);

15) Recycling (e.g. reuse, reprocessing, depositing, removal);

16) Costs (e.g. admissible maximum costs for manufacture, manufacture costs, investments, losses);

17) Programming (e.g. data for finishing the development steps, delivery date).

Another German variant for the identification of requirements, in terms of the product life phases, is qualitatively processed in Fig. 4.3, after Ehrlenspiel [8, 9, 20]: in columns there are enclosed the requirements’ types (technical, economical, organizational, legislative etc.) and in rows - the product life phases.

For comparison, in Fig. 4.4,a it is illustrated, as an algorithm, the research and analysis area used by Pugh [17] in the PDS (requirements’ list) elaboration; nearby, in Fig. 4.4,b, it is represented qualitatively the PDS blank form, taken from the same source [17]. According to Fig. 4.4,a and b, an important place in Pugh’s approach, is given to the analysis of the best competitive product.

A relative recent instrument, promoted by the English literature, for the assessment and ordering of requirements, is referring at the QFD analysis (Quality Function Deployment). This analysis method [2, 15, 18], dedicated to the products development, is based on a table (see Fig. 4.5), which is plastically called “house of quality”.

In order to suggest intuitively the way this method operates, in Fig. 4.5 was illustrated an example of application (adapted after [2, 18]), for a product of handbag type.

According to Fig. 4.5, the analysis table (house of quality) consists of 8 compartments (A, A1, A2, B, AB, B1, B2, B3), with the following meanings:

84

Analiza situaţiei 1

Formularea strategiei de căutare 2

Găsirea ideilor de produs 3

Selectarea ideilor de produs 4

Definirea produselor 5

Clarificare şi elaborare 6

Ideea de produs selectată

Idei de produs

Câmpuri de căutare

Analiza situaţiei

- Recunoaşterea fazei ciclului de viaţă - Construirea matricei produs – piaţă - Aprecierea competenţei propriei firme - Determinarea stării tehnologice - Estimarea dezvoltării viitoare

-Identificarea oportunitatilor strategice: fluctuaţii, împărţiri de piaţă, noi domenii, limite produs.

-Identificarea necesităţilor şi tendinţelor -Considerarea ţintelor firmeii -Delimitarea câmpurilor de căutare

-Analiza câmpurilor externe de căutare: Structuri de functii Principii de rezolvare Proiecte constructive Structuri de sisteme

-Evaluare pe baza unor criterii adecvate

-Elaborarea mai detaliată a ideilor selectate -Definirea cerinţelor produsului

Propunere produs

Lista de cerinţe

-Completarea cerintelor externe -Adăugarea cerinţelor interne -Completarea criteriilor de evaluare

Proiectare

Fig. 4.1. Algoritmul elaborării listei de cerinţe (SDP) după Pahl şi Beitz [16].

Piaţă Alte surse Firmă

85

State analysis 1

Formulation of the searching strategy 2

Find of product ideas 3

Selection of product ideas 4

Products defining 5

Clarification and elaboration 6

The selected ideas

Product ideas

Searching fields

State analysis

- Recognition of the life-cycle phase - Buiding of the product –market matrix - Estimation of the own firm competence - Establishment of the technological state - Estimation of the future development

-Identification of the strategic opportunities: fluctuations, market partitions, new domains, product limits.

-Identification of necessities and trends -The firm’s targets taking into consideration -Delimitation of the searching fields

-Analysis of the external searching fields: Structure of functions Solving principles Constructive projects Systems’ Structures

-Evaluation based on adequate criteria

-More detailed elaboration of the selected ideas -Defining of the product requirements

Product proposal

The requirements’ list

-Completion of external requirements -Adding of internal requirements -Completion of evaluation criteria

Design

Fig. 4.1. Algorithm for the requirements’ list (PDS) elaboration by Pahl and Beitz [16].

Market Other sources Firm

86

LISTA DE CERIŢE pentru proiectul de produs: &IVELMETRU de COMBUSTIBIL

Pag 1

Modificări (date)

C (

ceri

nţă)

sa

u

D (

dori

nţă)

Cerinţe

Persoana respon-sabilă

C

C

D

C

D

C

D

C

D

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

D

C

1. Recipient, fixare, distanţă

Volumul recipientului 20 – 160 l, formă precizată

Material: oţel sau plastic

Fixare pe recipient :

Cu flanşă

Pe faţa superioară la înălţimea H:

H = 150 – 600 mm

d = Ø71 mm, h = 20 mm

Distanţa de la recipient la instrumentul indicator: 3–4 m

1–20 m

2. Combustibil, plaja de temperatură

Benzină sau motorină: -25oC … +65oC (operare) şi

-40oC … +100oC (mediu ambiant)

3. Semnal, energie

Ieşire nivelmetru: semnal electric Sursă disponibilă de energie: curent continuu la 6, 12, 24 V cu variaţie între –15 …

+25%

Precizia semnalului de ieşire: ± 3%

Sensibilitatea de răspuns: 1% din semnalul maxim de ieşire

Semnal neafectat de unghiul suprafeţei de lichid

Posibilitate de calibrare a semnalului

Conţinut minim măsurabil: 3% din valoarea maximă

4. Condiţii de funcţionare

Acceleraţie orizontală: ± 10 m/s2

Acceleraţie ascensională: până la ± 30 m/s2

Înclinare longitudinal 30o şi laterală max. 45o

Recipient nepresurizat

5. Cerinţe de testare

Teste de stropire cu soluţie de sare a componentelor

6. Durata de viaţă preconizată: 5 ani

7. Fabricaţie: Simplu de adaptat la diferite mărimi de recipient

8. Întreţinere

Fără întreţinere (se înlocuieşte)

9. Cantitate: 5000 buc / zi pentru cel mai solicitat tip

10. Costuri: costuri de fabricare ≤ 1,5 E / buc

Fig. 4.2. Lista de cerinţe (SDP) pentru proiectul de produs: nivelmetru de combustibil (exemplu simplificat, prelucrat după: Pahl şi Beitz [16]).

d

h

H

87

REQUIREMETS’ LIST for the product project: FUEL SURVEYOR’S LEVEL

Pag 1

Mod

ific

atio

ns

(dat

a)

C

(req

uire

men

t)

or D

(w

ish)

Requirements

Responsi-ble person

C

C

D

C

D

C

D

C

D

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

D

C

11. Recipient, fastening, distance

The recipient volume 20 – 160 l, specified form

Material: steel or plastic

Fastening on the recipient:

With flange

On the superior face at a height H:

H = 150 – 600 mm

d = Ø71 mm, h = 20 mm

The distance from the recipient to the indicating apparatus: 3–4 m

1–20 m

12. Fuel, temperature range

Petrol or diesel oil: -25oC … +65oC (operation) and

-40oC … +100oC (environment)

13. Signal, energy

Apparatus output: electrical signal Available energy source: direct current at 6, 12, 24 V with variation between –15 …

+25%

Accuracy of the output signal: ± 3%

Responsiveness: 1% from the maximum output signal

Signal unaffected by the angle of the liquid surface

Possibility of calibrating the signal

Minimum measurable content: 3% from the maximum value

14. Working conditions

Horizontal acceleration: ± 10 m/s2

Ascending acceleration: up to ± 30 m/s2

Longitudinal inclination 30o and lateral max. 45o

Un-pressurized recipient

15. Testing requirements

Tests of spraying with salt solution of the components

16. Recommended life time: 5 years

17. Manufacture: Simple to adapt to different recipient sizes

18. Maintenance

Without maintenance (it is replaced)

19. Quantity: 5000 pieces / day for the most required type

20. Costs: manufacture costs ≤ 1,5 E / piece

Fig. 4.2. The requirements’ list (PDS) for the product project: fuel surveyor’s level (simplified example, after: Pahl and Beitz [16]).

d

h

H

88

Fizico -

tehnice

Referitoare

la OM Economice &ormative Organizatorice Diverse

Tipul cerinţelor

Etapele vieţii produsului

1 2 3 4 5 6 Planificarea 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6

Proiectarea 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6

Fabricarea 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6

Desfacerea 4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6

Instalare / exploatare 5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6

Reciclare / înlăturare 6 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6

Fig. 4.3. Variantă matriceală simplificată de generare a cerinţelor, în funcţie de fazele de viaţă ale produsului (prelucrare după [8, 9, 20]).

Produs……… Data………… Ediţia………

Parametrii Cel mai bun

produs concurent

Modelul nostru

curent Prezentul proiect

(intenţie) Poziţie în lume

(ţintă)

Performanţa:

Descriere

Siguranţa:

Descriere

b

Fig. 4.4,a. Sistematizarea ariei de cercetare şi analiză pentru elaborarea SDP (listei de cerinţe), după Pugh [17] şi b. Tip de formular pentru redactarea PDS, după aceeaşi sursă [17].

Tema

Literatura de specialitate

Rapoarte, procedee, manuale

Brevete

Produse concurente şi produse

asemănătoare

Persoane oficiale şi particulare

reprezentative

Date statistice

Caracteristicile produselor

Publicaţii despre piaţă

Identificarea ofertelor pieţei

Opinii / reacţii la produsele în exploatare

Analiza parametrică

Identif. cerinţelor pieţei

Formularea SDP

Analiza necesităţilor

Chestionare

Grafice cu ofertele pieţei

Analiza matriceală

Identif. celui mai bun produs concurent

a

89

Physical -

technical

With respect to

the Human

Being

Economical &ormative Organizational Others

Requirements

type

Steps of product life 1 2 3 4 5 6 Planning 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 Design 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 Manufacture 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 Sale 4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 Installation / exploitation 5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 Recycling /removal 6 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6

Fig. 4.3. Simplified matrix for requirements generation, in terms of the product life phases

(processed from [8, 9, 20]).

Product……… Date………… Edition………

Parameters The best competitive

product

Our current model The present project (intention)

Position in the world (target)

Performance:

Description

Safety:

Description

b

Fig. 4.4,a. Systematization of the research and analysis area for elaboration of the PDS (requirements’ list) after Pugh [17] and b. Type of blank form for drawing up the PDS, from the same source [17].

Task

Technical literature

Reports, procedures, handbooks

Patents

Competitive products and similar

products

Representative officials and private persons

Statistic data

statistice

Products characteristics

Publications about the market

Identification of the market offers

Opinions/ reactions at the products

under exploitation

Parametric analysis

Identif. of the market requirements

Formulation of the PDS

Needs analysis

Questionnaires

Graphics with the market offers

Matrixes analysis

Identif. of the best competitive product

a

90

1. V

olum

2. G

reut

ate

netă

3. N

umăr

ul m

işcă

rilo

r pe

ntru

de

schi

dere

4. N

umăr

de

com

part

imen

te

5. M

ater

ial

6. S

igur

anţa

de

încu

iere

7. F

orţa

de

încu

iere

8. N

umăr

ul c

iclu

rilo

r de

în

cuie

re

Imp

ort

an

ţa c

erin

ţelo

r (p

entr

u

clie

nt)

A

pre

cier

ea p

rod

usu

lui

con

cure

nt

A

pre

cier

ea p

rod

usu

lui

pro

pri

u

Va

lori

ţin

tă p

entr

u c

erin

ţe

Ra

ta d

e îm

bu

nă

tăţi

re

Pon

der

ea a

bso

lută

Po

nd

erea

rel

ati

vă

1. Uşor de închis

3 / 0,27

9 / 0,81

3 / 0,27 3 4 4 4 1 3 0,09

2. Uşor de deschis

9 / 1,8

1 / 0,2

3 / 0,6

4 4 3 5 1,67 6,68 0,20

3. Uşor de purtat 9 / 2,7

3 / 0,9

1 / 0,3

4 3 2 5 2,5 10 0,30

4. Acces uşor la compartimente

1 / 0,09

9 /

0,81 3 3 4 4 1 3 0,09

5. Durabilitate 1 /

0,18 9 /

1,62

9 / 1,62

3 /

0,54 9 / 1,62 5 2 4 5 1,25 6.25 0,18

6. Acces privat 3 /

0,24

9 / 0,72

2 4 3 4 1,33 2,67 0,08

7. Poziţie verticală stabilă

3 / 0,18

3 / 0,18

1 /

0,06 2 3 3 3 1 2 2,06

33,6 1

Importanţă

absolută 2,97 1,26 3,66 1,01 1,98 1,59 1,35 1,89

15,71

Importanţa

relativă 0,19 0,08 0,24 0,06 0,13 0,1 0,08

0,12 1

Produs

concurent 800 3,9 5 3 j y 0,6 4x103

Produsul

propriu 750 3,5 6 3 k z 0,5 5x103

Valori ţintă 750 3,5 4 4 k z 0,5 5,4x103

Unităţi de măsură

cm3 kg - - tip tip N cicl.

Fig. 4.5. Exemplu de aplicare a metodei QFD în cazul unui produs de tip geantă de voiaj (adaptare după [2,18]): A = cerinţele clientului, A1 = importanţa cerinţelor şi aprecierea produselor, A2 = obiectivele dezvoltării, B = caracteristici tehnice, AB = matricea corelaţiei dintre cerinţe şi

caracteristici tehnice, B1 = analiza caracteristicilor tehnice, B2 = valorile ţintă ale caracteristicilor

tehnice, B3 = matricea corelaţiei dintre caracteristicile tehnice.

1

1

3

3

1 1

9 3

3

9 = corelaţie puternică 3 = corelaţie medie 1 = corelaţie slabă

B3

B

A

A1 A2

B1

B2

AB

Scala de apreciere 1…5

91

1. V

olum

e

2. N

et w

eigh

t

3. T

he n

umbe

r of

mot

ions

for

op

enin

g

4. N

umbe

r of

com

part

men

ts

5. M

ater

ial

6. L

ocki

ng s

afet

y

7. L

ocki

ng f

orce

8. N

umbe

r of

lock

ing

cycl

es

Th

e re

qu

irem

ents

im

po

rta

nce

(fo

r th

e cl

ien

t)

Ass

essm

ent

of

the

com

pet

itiv

e

pro

du

ct

Ass

essm

ent

of

the

ow

n

pro

du

ct

Ta

rget

va

lues

fo

r

req

uir

emen

ts

Ra

te o

f im

pro

vem

ent

Ab

solu

te w

eigh

t

Rel

ati

ve w

eig

ht

1. Easy to close 3 /

0,27 9 /

0,81 3 / 0,27 3 4 4 4 1 3 0,09

2. Easy to open 9 / 1,8

1 / 0,2

3 / 0,6

4 4 3 5 1,67 6,68 0,20

3. Easy to carry 9 / 2,7

3 / 0,9

1 / 0,3

4 3 2 5 2,5 10 0,30

4. Easy access at compartments

1 / 0,09

9 /

0,81 3 3 4 4 1 3 0,09

5. Durability 1 /

0,18 9 /

1,62

9 / 1,62

3 /

0,54 9 / 1,62 5 2 4 5 1,25 6.25 0,18

6. Private access 3 /

0,24

9 / 0,72

2 4 3 4 1,33 2,67 0,08

7. Stable vertical position

3 / 0,18

3 / 0,18

1 /

0,06 2 3 3 3 1 2 0,06

33,6 1

Absolute

importance 2,97 1,26 3,66 1,01 1,98 1,59 1,35 1,89

15,71

Relative

importance 0,19 0,08 0,24 0,06 0,13 0,1 0,08

0,12 1

The competitive

product 800 3,9 5 3 j y 0,6 4x103

The own

product 750 3,5 6 3 k z 0,5 5x103

Target values 750 3,5 4 4 k z 0,5 5,4x103

Units of measurement

cm3 kg - - type type N cycles

Fig. 4.5. Example of application the method QFD for the case of a product of handbag type (adaptation after [2, 18]): A = the client requirements, A1 = the requirements’ importance and products

assessment, A2 = the development objectives, B = the technical characteristics, AB = the matrix of the

correlation between requirements and technical characteristics, B1 = the analysis of the technical

characteristics, B2 = the target values for the technical characteristics, B3 = the matrix of the

correlation between the technical characteristics.

1

1

3

3

1 1

9 3

3

9 = strong correlation 3 = medium correlation 1 = weak correlation

B3

B

A

A1 A2

B1

B2

AB

Assessment scale 1 … 5

92

A = cerinţele clientului;

A1 = aprecierea importanţei cerinţelor (din punctul de vedere al clientului), aprecierea produsului propriu şi a unui produs concurent, privind îndeplinirea acestor cerinţe (aprecierea se face pe o scară valorică de la 1 la 5);

A2 = obiectivele dezvoltării, care cuprind:

- valorile ţintă ale cerinţelor (preconizate prin dezvoltarea produsului, pe o scală valorică de la 1 la 5);

- rata de îmbunătăţire (a fiecărei cerinţe), dată de raportul dintre valoarea ţintă a cerinţei şi valoarea indicată (pentru aceeaşi cerinţă) de aprecierea produsului propriu (existent);

- ponderea absolută (a fiecărei cerinţe), dată de produsul dintre importanţa cerinţei (d.p.d.v. al clientului) şi rata de îmbunătăţire a cerinţei;

- ponderea relativă (a fiecărei cerinţe), descrisă prin raportul dintre ponderea absolută a cerinţei şi suma ponderilor absolute;

B = caracteristicile tehnice ale produsului;

AB = matricea corelaţiilor dintre cerinţe şi caracteristici tehnice; în această matrice, fiecare corelaţie (dacă există) este apreciată atât prin nota de la numărător (9 = corelaţie puternică, 3 = corelaţie medie şi 1 = corelaţie slabă), cât şi prin punctajul de la numitor (rezultat ca produs dintre nota de la numărător şi ponderea relativă a cerinţei);

B1 = analiza caracteristicilor tehnice, care cuprinde:

- stabilirea importanţei absolute (a fiecărei caracteristici tehnice), prin însumarea punctajelor (de la numitor) situate pe coloana caracteristicii analizate;

- determinarea importanţei relative (a fiecărei caracteristici), ca raport între importanţa absolută (a caracteristicii analizate) şi suma importanţelor absolute;

- valorile şi datele caracteristicilor unui produs concurent competitiv;

- valorile şi datele caracteristicilor produsului propriu;

A = client’s requirements;

A1 = estimation of the requirements importance (from the client’s point of view), assessment of the own product and of a competitive product, regarding these requirements fulfillment (the assessment is made on a value scale from 1 to 5);

A2 = development objectives, which contain:

- the target values of the requirements (recommended through the product development, on a scale from 1 to 5);

- the rate of improvement (of each requirement) given by the ratio between the requirement’s target value and the value (for the same requirement) indicated by the own product assessment (existent);

- absolute weight (for each requirement) given by the product between the requirement importance (from the client’s point of view) and the requirement rate of improvement;

- relative weight (for each requirement) described through the ratio between the current requirement absolute weight and their sum of all absolute weights ;

B = product technical characteristics;

AB = the matrix of correlations between requirements and technical characteristics; in this matrix, each correlation (if exists) is assessed both through the note from the numerator (9 = strong correlation, 3 = medium correlation and 1 = weak correlation), and through the score from the denominator (which is the product between the note from the numerator and the requirement relative weight);

B1 = analysis of the technical characteristics, which contains:

- establishment of the absolute importance (of each technical characteristic) by summing the scores (from the denominator) placed in the column of the analyzed characteristic;

- establishment of the relative importance (of each characteristic) as the ratio between the current absolute importance and sum of all absolute sizes;

- the values and data of a competitive product characteristics;

- the values and data of the own product characteristics;

93

B2 = valorile ţintă ale caracteristicilor tehnice (preconizate prin dezvoltarea produsului) şi unităţile de măsură ale acestora;

B3 = matricea corelaţiilor dintre caracteristicile tehnice ale produsului.

Conform analizei din fig. 4.5, prin dezvoltarea produsului se urmăreşte îmbunătăţirea îndeplinirii cerinţelor cu o pondere relativă de: 30% pentru cerinţa 3, 20% pentru cerinţa 2, 18% pentru cerinţa 5 şi sub 10% pentru fiecare din celelalte cerinţe.

În realizarea acestor îmbunătăţiri, influenţa caracteristicilor tehnice este desemnată de importanţa lor relativă (v. fig. 4.5): 24% caracteristica nr. 3, 19% caracteristica nr. 1, 13% caracteristica nr. 5, 12% caracteristica nr. 8, 10% caracteristica nr. 6 şi sub 10% celelalte caracteristici.

Rezultatele analizei QFD constituie un suport util pentru elaborarea SDP (listei de cerinţe).

Succinta prezentare de mai sus evidenţiază următoarele aspecte :

1) SDP sau lista de cerinţe este un document de importanţă majoră, în care sunt stocate informaţii privind aspectele semnifica-tive ale produsului, din toate fazele vieţii sale.

2) Acest document dinamic, permanent reactualizat, stă la baza deciziei privind declanşarea ciclului următor de dezvoltare a produsului. Principalele surse externe de informaţie, folosite pentru documentare şi reactualizare, se referă la:

a) literatura de specialitate şi de patente (brevete de invenţie) din domeniu vizat,

b) rapoarte şi documente elaborate de surse guvernamentale sau private,

c) legislaţia în vigoare,

d) interviuri cu utilizatorii,

e) chestionare adresate unor eşantioane reprezentative de populaţie,

f) investigaţii privind comportamentul utilizatorilor,

g) performanţele produselor similare concurente etc.

B2 = the target values of the technical characteristics (recommended through the product development) and their units of measurement;

B3 = the matrix of the correlations between the product technical characteristics.

According to the analysis from Fig. 4.5, the product development is meant to improve the requirements fulfillment with a relative weight of: 30% for requirement 3, 20% for requirement 2, 18% for requirement 5 and below 10% for each of the other requirement.

In fulfilling these improvements, the technical characteristics’ influence is designated through their relative importance (see Fig. 4.5): 24% characteristic no. 3, 19% characteristic no. 1, 13% characteristic no. 5, 12% characteristic no. 8, 10% characteristic no. 6 and under 10% the other characteristics.

The results of the QFD analysis represent a support useful in elaborating the PDS (requirements list).

The previous succinct presentation highlights the following aspects:

1) The requirements’ list or the PDS is a document of a major importance, in which it is stored information on the product relevant aspects, from all the phases of its life.

2) The decision regarding the release of the next cycle in the product development is based on this dynamic document, put up-to-date continuously. The main external sources of information, used in documentation and in bringing up-to-date, are referring at:

a) technical literature and patents from the domain,

b) reports and documents elaborated by governmental and private sources,

c) operative legislation,

d) interviews with users,

e) questionnaires addressed to some representative samples of populations,

f) investigations regarding the users’ behavior,

g) performances of similar competitive products etc.

94

3) Elaborarea SDP (sau listei de cerinţe) este o activitate laborioasă, multidisciplinară, în modelarea căreia se resimte nevoia generalizării şi unificării strategiei de abordare, prin sinteza experienţei acumulate pe plan internaţional.

4.2. ALGORITMI DE MODELARE A PROIECTĂRII CONCEPTUALE În continuare sunt prezentate succint cinci modele reprezentative, propuse în literatură, pentru algoritmizarea procesului de proiectare conceptuală. Din acestea este derivată apoi o nouă variantă generalizată de modelare, de tipul celor din fig. 3.13. 4.2.1. Modelul lui Cross Modelul propus de Cross [1] este descris printr-un algoritm de tipul celui din fig. 4.6. Comparând acest algoritm (v. fig. 4.6) cu structura germană de rezolvare a unei probleme (v. fig. 4.13 ) [20], se observă că modelul lui Cross poate fi considerat o dezvoltare a acestei structuri, sub forma unui algoritm, de tip dreptunghiular, al cărui traseu orientat conţine 7 etape (fig. 4.6):

3) The elaboration of the PDS (or requirements’ list) is a laborious, multidisciplinary activity, in its modeling being felt the need of generalization and unification of broaches strategies by the synthesis of the accumulated international.

4.2. ALGORITHMS FOR THE CONCEPTUAL DESIGN MODELING Further there are presented succinctly five representative models that are proposed in literature, for establishing an algorithm of the conceptual design process. From these models is then derived a new generalized modeling variant like those from Fig. 3.13. 4.2.1. The Cross’s Model The model proposed by Cross [1] is described through an algorithm like the one from Fig. 4.6. The comparison between this algorithm (see Fig. 4.6) and the German solving structure (see Fig. 4.13) [20] shows that Cross’s model can be considered a development of this structure, in the shape of an algorithm of rectangular type, of which oriented trace contains 7 steps (Fig. 4.6):

I. Problemă globală

IV. Soluţie globală

II. Subproblme

III. Subsoluţii

Clarificare obiective

Stabilire funcţii

Formulare cerinţe

Îmbunătăţirea detaliilor

Evaluare alternative

Generare alternative (variante)

Determinare caracteristici

Fig. 4.6. Modelul procesului de design conceptual după Cross [1].

95

1°. Clarificarea obiectivelor,

2°. Stabilirea funcţiilor,

3°. Formularea cerinţelor,

4°. Determinarea caracteristicilor,

5°. Generarea alternativelor,

6°. Evaluarea variantelor,

7°. Îmbunătăţirea detaliilor.

Conform fig. 4.6, cele 4 faze ale modelului lui Cross, din colţurile conturului dreptunghiular, corespund celor 4 subetape extremale ale structurii din fig. 4.13:

I. Formularea problemei globale,

II. Descompunerea problemei globale în subprobleme,

III. Stabilirea subsoluţiilor prin rezolvarea subproblemelor şi

IV. Determinarea soluţiei globale prin compunerea subsoluţiilor.

În fig. 4.6, legăturile dintre faze sunt caracterizate prin următoarele fluxuri şi etape:

- între fazele I şi II intervine un flux unisens care include etapele 1°-3°,

1°. Clarification of objectives,

2°. Establishment of functions,

3°. Formulation of requirements,

4°. Determination of characteristics,

5°. Generation of alternatives,

6°. Assessment of variants,

7°. Improving of details.

According to Fig. 4.6, the 4 phases of the Cross’s model (from the corners of the rectangular contour) correspond to the 4 extrema sub-steps of the structure from Fig. 4.13:

I. Formulation of the global problem,

II. Decomposition of the global problem into sub-problems,

III. Establishment of sub-solutions by solving the sub-problems and

IV. Determination of the global solution by composing the sub-solutions.

In Fig. 4.6, the links between phases are characterized through the following flows and steps:

- between the phases I and II interferes a one way flow, which includes steps 1°-3°,

I. Global problem

IV. Global solution

II. Sub-problems

III. Sub-solutions

1º Clarification of objectives

2º Establishment of functions

3º Formulation of requirements

7º Improvement of details

6º Evaluation of alternatives

5º Generation of

alternatives (variants) 4º Determination of characteristics

Fig. 4.6. The model of the conceptual design process, after Cross [1].

96

- fluxul dintre faza II şi faza III este bisens şi conţine etapele 3°-5°,

- între fazele III şi IV intervine un flux unisens care conţine etapele 5°-7°, iar

- fluxul dintre faza III şi faza IV este bi-sens şi conţine etapele 5° şi 1°.

Sensul orar al fluxurilor dintre fazele II-III şi IV-I se referă la revenirile iterative necesare pentru corectare şi optimizare. 4.2.2. Modelul Ulrich & Eppinger Algoritmul ilustrat în fig. 4.7 stă la baza modelului propus de Ulrich şi Eppinger(SUA) [19]; acest algoritm, intitulat de autori dezvoltarea conceptului [19], are 5 etape principale:

1°. Identificarea nevoilor resimţite de clienţi,

2°. Stabilirea specificaţiilor (cerinţelor) ţintă, ţinând seama şi de analiza produselor concurente,

3°. Generarea variantelor-concept ale produsului, care reprezintă etapa cheie a modelului,

4°. Selectarea unui concept şi

5°. Revizuirea specificaţiilor (cerinţelor). Dezvoltarea conceptului, descrisă prin etapele precedente, este urmată apoi de dezvoltarea proiectului, bazată pe analiza economică a soluţiei (v. fig.4.7).

Mai departe, prin algoritmul din fig. 4.8, este detaliată etapa cheie a modelului Ulrich & Eppinger şi anume generarea variantelor-concept; conform fig.4. 8, algoritmul de generare conţine cinci subetape:

3.1°. Clarificarea problemei, care include:

a) înţelegerea problemei,

b) descompunerea problemei în subprobleme şi

c) focalizarea pe rezolvarea subproblemelor critice;

3.2°. Căutarea de surse externe pentru rezolvarea subproblemelor: reprezentanţi ai utilizatorilor, experţi, patente, literatură etc.; se obţin astfel variantele-concept existente ale subproblemelor analizate;

- the flow between phase II and phase III is in both directions and contains steps 3°-5°,

- between phases III and IV interferes a flow in one direction that contains steps 5°-7°, and

- the flow between phase III and phase IV is in both directions and contains steps 5° and 1°.

The clockwise direction of the flows between phases II-III and IV-I is referring to the iterative returns that are necessary in correction and optimization. 4.2.2. The Ulrich & Eppinger’s Model The model proposed by Ulrich and Eppinger (USA) is based on the algorithm proposed in Fig. 4.7 [19]; this algorithm, called by the authors the concept development [19], has 5 main steps:

1°. Identification of clients needs,

2°. Establishment of target specifications (requirements), taking also into account the competitive products analysis,

3°. Generation of product concept-variants, which represent the model key step,

4°. Selection of a concept and

5°. Revision of specifications (requirements). The concept development, described through the previous steps, is followed by the project development, based on the solution’s economical analysis (see Fig. 4.7).

Further, through the algorithm from Fig. 4.8, it is detailed the key step of the Ulrich & Eppinger’s model, mainly the generation of the concept-variants; according to Fig. 4.8, the algorithm contains five sub-steps:

3.1°. Problem clarification, which includes:

a) problem understanding,

b) problem decomposition into sub-problems and

c) concentrating on solving the critical sub-problems;

3.2°. Search of external sources for solving the sub-problems: representatives of users, experts, patents, literature etc.; thus, there are obtained the existent concept-variants of the analyzed sub-problems;

97

3.3°. Căutarea de surse interne pentru rezolvarea subproblemelor (individual sau în grup), care pot oferi variante-concept noi pentru subproblemele abordate;

3.4°. Explorarea sistematică a variantelor-concept care, pe baza arborelui de clasificare şi a tabelei de combinare, stabileşte soluţiile integrate ale problemei globale;

3.5°. Corectarea soluţiilor în contextul conexiunilor inverse ale întregului proces de proiectare; în această subetapă un rol important revine corecţiilor induse de dezvoltarea constructivă a proiectului. 4.2.3. Modelul lui Dieter Modelarea proiectării conceptuale, în viziunea lui Dieter (SUA)[2], se bazează pe algoritmul format din primele patru etape ale modelului din fig. 3.7 (v. punctul 3.2.5):

1°. Definirea problemei, al cărei obiectiv principal este elaborarea specificatiilor;

2°. Colectarea informaţiei, care utilizează ca surse de informare: internetul, literatura de specialitate, brevetele de invenţie etc.;

3°. Generarea soluţiilor conceptuale, care se bazează pe detalierea (descompunerea) funcţiei, stabilirea soluţiilor parţiale şi compunerea acestora;

4°. Evaluarea conceptelor (soluţiilor conceptuale) şi selectarea soluţiei (soluţiilor) optime.

Pentru generarea soluţiilor conceptuale, Dieter [2] foloseşte un algoritm similar cu cel din fig. 4.8, utilizat de Ulrich şi Eppinger [19]. 4.2.4. Modelul Pahl & Beitz În concepţia autorilor germani Pahl şi Beitz, modelul proiectării conceptuale, rezultat prin detaliere din fig. 3.8 [16], se bazează pe algoritmul ilustrat în fig. 4.9; în acest algo-ritm se pleacă de la lista de cerinţe (SDP) şi se ajunge la soluţia de principiu (conceptul produsului) prin intermediul a 7 etape:

1°. Abstractizarea şi identificarea problemelor esenţiale,

3.3°. Search of internal sources for solving the sub-problems (individual or inside a group), which can offer new concept-variants for the approached sub-problems;

3.4°. Systemic exploitation of the concept-variants that, based on the classification tree and combination table, establishes the integrated solutions of the global problem;

3.5°. Correction of solutions in the context of inverse connections for the entire design process; an important role in this sub-step belongs to the corrections induced by the project constructive development. 4.2.3. The Dieter’s Model The modeling of the conceptual design, in Dieter’s (SUA) view [2], is based on the algorithm formed by the first four steps of the model from Fig. 3.7 (see point 3.2.5):

1°. Defining the problem, having as main objective the elaboration of the specification;

2°. Collecting the information, which uses as information sources: the internet, the technical literature, patents etc.;

3°. Generating the conceptual solutions, which is based on the function detailing (decomposition), the partial solutions establishment and their composition;

4°. Evaluation of concepts (conceptual solutions) and selection of the optimal solution(s).

For generating the conceptual solutions, Dieter [2] uses an algorithm similar to the one from Fig. 4.8, used by Ulrich and Eppinger [19]. 4.2.4. The Pahl & Beitz’s Model In the German authors Pahl and Beitz view, the model of the conceptual design, obtained by detailing from Fig. 3.8 [16], is based on the algorithm illustrated in Fig. 4.9; in this algorithm, it is started from the requirements’ list (PDS) and it is reached the principle solution (the product concept) through 7 steps:

1°. Abstracting and identifying the essential problems,

98

Abstractizarea şi identificarea problemelor esenţiale

Stabilirea structurilor de funcţii

Funcţie globală – subfuncţii

Căutarea principiilor de

rezolvare a subfuncţiilor

Combinarea principiilor de rezolvare în structuri de rezolvare

Selectarea combinaţiilor potrivite

Fixarea structurilor de rezolvare

Evaluarea tehnico - economică

Soluţia de principiu

(concept)

Listă de cerinţe

Pro

iect

area

con

cept

uală

Fig. 4.9. Algoritmul proiectării conceptuale după Pahl şi Beitz [16].

Dezvoltarea conceptului

1. Identificarea

nevoilor

clientului

2. Stabilirea

specificaţiilor

ţintă

3. Generarea

conceptelor

produsului

4. Selectarea

unui concept

de produs

5. Actualizarea

specificaţiilor

Dezvoltarea proiectului

Efectuarea analizei

economice

Analiza produselor concurente

Fig. 4.7. Modelul dezvoltării conceptului după Ulrich şi Eppinger [19].

3.1. Clarificarea problemei

3.2. Căutare externă pentru rezolvarea subproblemelor

3.3. Căutare internă pentru rezolvarea subproblemelor

3.4. Explorare sistematică

3.5. Corectarea soluţiilor

Subprobleme

Soluţii integrate

Fig. 4.8. Algoritmul de generare a conceptelor produsului după Ulrich şi Eppinger [19].

Concepte

existente

Concepte

noi

99

Abstracting and identifying the essential problems

Establishing the structure of functions

Global Function – subfunctions

Searching the solving principles of the subfunctions

Combining the solving principles into solving structures

Selecting the appropiate combinations

Fixing the working structures

Technical-economical evaluation

Principle solution

(concept)


Co

nce

ptu

al

des

ign

Fig. 4.9. The algorithm of the conceptual

design, after Pahl and Beitz [16].

Concept development

1. Identification

of clients’ needs 2. Establishment

of target

specifications

3. Generation of

product

concepts

4. Selection of

a product

concept

5. Actualization

of specifications

Project

development

Accomplishment of economical

analysis

Analysis of competitive

products

Fig. 4.7. The model of the concept development, after Ulrich and Eppinger [19].

3.1. Clarification of the problem

3.2. External search for solving the subproblems

3.3. Internal search for solving the subproblems

3.4. Systemic exploration

3.5. Corection of solutions

Subproblems

Integrated

solutions

Fig. 4.8. The algorithm for the product concepts

generation, after Ulrich and Eppinger [19].

Existent

concepts

<ew

concepts

100

2°. Stabilirea structurilor de funcţii prin identificarea funcţiei globale şi a subfuncţiilor acesteia,

3°. Căutarea principiilor de rezolvare care îndeplinesc subfuncţiile identificate,

4°. Combinarea principiilor de rezolvare în structuri de rezolvare,

5°. Selectarea combinaţiilor potrivite,

6°. Concretizarea variantelor apte să devină concepte (soluţii de principiu),

7°. Stabilirea soluţiei de principiu (sau conceptului) prin evaluare tehnică şi economică. 4.2.5. Modelul german VDI În conformitate cu fig. 3.9, modelul VDI al proiectării conceptuale poate fi descris prin algoritmul umbrit din fig. 4.10. Pentru explicitare, norma VDI 2222 [20] detaliază etapele 2 şi 3 din fig. 4.10 şi obţine un algoritm de tipul celui ilustrat în fig. 4.11; conform fig. 4.11, algoritmul proiectării conceptuale (evidenţiat prin umbrire) porneşte de la lista de cerinţe (SDP), conţine 2 + 2 subetape cu 2 + 2 rezultate, şi foloseşte patru baze de date specializate, stocate în calculator.

În consens cu fig. 4.11, etapa 2 din fig.4.10, este divizată în subetapele 2.1 şi 2.2 :

2.1. Stabilirea funcţiei globale;

Rezultat: Funcţia globală a produsului;

2.2. Identificarea subfuncţiilor şi a structurilor de funcţii;

Rezultat: Structuri de funcţii.

În mod analog, etapa 3 din fig. 4.10, este divizată în subetapele 3.1 şi 3.2:

3.1. Căutarea principiilor de rezolvare în planul efectelor fizice;

Rezultat: Soluţii de principiu descrise în planul efectelor;

3.2. Căutarea principiilor de rezolvare în planul configuraţiilor purtătorilor de efecte;

Rezultat: Soluţii de principiu descrise în planul efectelor şi configuraţiilor.

2°. Establishing the structures of functions by identifying the global function and its subfunctions,

3°. Searching the solving principles that fulfill the identified subfunctions,

4°. Combining the solving principles into solving structures,

5°. Selecting the appropriate combinations,

6°. Concretizing the variants able to become concepts (principle solutions),

7°. Establishing the principle solution (or concept) through technical and economical evaluation. 4.2.5. The German Model VDI According to Fig. 3.9, the VDI model of conceptual design can be described through the shaded algorithm from Fig. 4.10. The VDI 2222 norm [20] details the steps 2 and 3 from Fig. 4.10 and obtains an algorithm like the one illustrated in Fig. 4.11; according to Fig. 4.11, the conceptual design algorithm (highlighted by shading) starts from the requirements’ list (PDS), contains 2 + 2 sub-steps with 2 + 2 results and uses four specialized data basis, stored in the computer.

According to Fig. 4.11, step 2 from Fig. 4.10, is divided into sub-steps 2.1 and 2.2:

2.1. Establishment of the global function;

Result: the product global function;

2.2. Identification of sub-functions and sub-functions’ structures;

Result: Structures of functions.

Analogous, step 3 from Fig. 4.10 is divided into sub-steps 3.1 and 3.2:

3.1. Search of the solving principles in the plan of the physical effects;

Result: Principle solutions described in the effects’ plan;

3.2. Search of the solving principles in the plan of the effects’ carriers’ configurations;

Result: Principle solutions described in the effects’ and configurations’ plan.

101

4.2.6. Concluzii Din analiza comparativă a modelelor prezentate pot fi desprinse concluzii utile, pe baza cărora se pot dezvolta apoi noi abordări.

a) Asupra listei de cerinţe (SDP) Spre deosebire de primele trei modele (Cross, Ulrich & Eppinger şi Dieter), în care elaborarea SDP (listei de cerinţe) este considerată etapă a proiectării conceptuale, în modelele germane (Pahl & Beitz şi VDI) lista de cerinţe (SDP) este adoptată ca entitate de intrare; aşadar, în concepţia germană, elaborarea listei de cerinţe (SDP) este o activitate distinctă, relativ autonomă, cu obiective şi metode de abordare diferite de cele ale proiectării conceptuale propriu-zise.

b) Despre rigoarea terminologiei Din analiza terminologiei utilizate, în modelele prezentate mai sus, se desprind câteva observaţii interesante:

- Modelul lui Cross foloseşte o terminologie relaxată, în care sunt utilizate noţiuni de tip general, precum (v. fig. 4.6): obiectiv, problemă şi subproblemă, funcţie şi subfuncţie, cerinţă, caracteristică, alternativă (variantă), subsoluţie şi soluţie etc.

- Modelele autorilor americani, Ulrich & Eppinger şi Dieter, utilizează o terminologie mai elaborată, în care sunt folosite şi noţiuni specializate, precum (v. fig. 4.7 şi 4.8): specificaţie ţintă, concept al produsului, dezvoltarea conceptului, conceptul unei subprobleme, soluţie integrată, dezvoltarea proiectului etc.

- Modelele germane utilizează cea mai riguroasă terminologie, iar dintre acestea, modelul VDI se remarcă prin forma cea mai finisată. Pe lângă noţiunile generale, sunt folosite noţiuni strict specializate; exemple (v. fig. 4.10 şi 4.11): structura de funcţii, principiu de rezolvare, efect fizic, purtători de efecte, configuraţia purtătorilor de efecte, structura de rezolvare, soluţie de principiu, soluţie de principiu din planul efectelor, soluţie de principiu din planul configuraţiilor etc.

4.2.6. Conclusions From the comparative analysis of the presented models, the following useful conclusions, on which new approaches can be developed, come out

a) On the requirements’ list (PDS) Unlike the first three models (Cross, Ulrich & Eppinger and Dieter), in which the PDS (requirements’ list) elaboration is considered a step of the conceptual design, in the German models (Pahl & Beitz and VDI) the requirements’ list (PDS) is adopted as an input entity; therefore, in the German modeling, the requirements’ list (PDS) elaboration is a distinct activity, relatively autonomous, with objectives and approach methods different from those of the properly conceptual design.

b) On the strictness of terminology From the analysis of the used terminology in the previously presented models, some interesting observations come out:

- Cross’s model uses a relaxed terminology, in which there are used notions of general type, like (see Fig. 4.6): objective, problem and sub-problem, function and sub-function, requirement, characteristic, alternative (variant), sub-solution and solution etc.

- The models of the American authors, Ulrich & Eppinger and Dieter use a more elaborated terminology, in which there are also used specialized notions, like (see Fig. 4.7 and 4.8): target specification, product concept, concept development, the concept of a sub-problem, integrated solution, project development etc.

- The German models use the most rigorous terminology, and among them, the VDI model has the most finished form. Beside the general notions, there are used strictly specialized notions; examples (see Fig. 4.10 and 4.11): structure of functions, solving principle, physical effect, effects’ carrier, effects carrier’s configuration, working structure, principle solution, principle solution from the effects’ plan, principle solution from the configuration plan etc.

102

Realizarea mai departe

1

Clarificarea şi definirea sarcinii

2 Determinarea funcţiilor şi

structurilor de funcţii

3 Căutarea principiilor de rezolvare

şi a combinaţiilor acestora

4

Divizarea în module fezabile

5 Dezvoltarea proiectelor pentru

modulele cheie

7 Pregătirea fabricaţiei şi a instrucţiunilor de operare

6

Completarea proiectului global

Sarcină

Proiecte preliminare

Listă de cerinţe

Structura de funcţii

Soluţii de principiu

Structura de module

Proiect definitiv

Documentaţie

produs

Con

exiu

ni i

tera

tive

inve

rse

într

e et

ape

Com

plet

area

şi r

eviz

uire

a ce

rin

ţelo

r

Faza I

Faza II

Faza III

Faza IV

Etape Rezultate Faze

Fig. 4.10. Evidenţierea prin umbrire a algoritmului proiectării conceptuale din algoritmul de proiectare a unui produs după metoda VDI [20].

103

Further accomplishment

1

Task clarification and defining

2 Establishment of functions and

structure of functions

3 Search of solving principles and of

their combinations

4

Division into feasible modules

5 Development of projects for the

key modules

7 Preparation of production and

operation instructions

6

Completion of the global project

Task

Preliminary projects


Structure of functions

Principle solutions

Structure of modules

Definitive project


Inve

rse

iter

ativ

e co

nn

ecti

on b

etw

een

ste

ps

Com

plet

ion

and

rev

isio

n of

req

uire

men

ts

Phase I

Phase II

Phase III

Phase IV

Steps Results Phases

Fig. 4.10. The algorithm of the conceptual design, highlighted through shading, from the algorithm for a product design, from VDI method [20].

104

Matricea de căutare

pentru formularea

problemelor

Clarificarea şi precizarea problemei

Tema principală Lista de cerinţe

„Funcţii generale” Stabilirea funcţiei

globale

Funcţia

globală

„Funcţii generale”

Identificarea sub-

funcţiilor şi a structurilor de funcţii

Structuri de

funcţii

„Efecte fizice” Căutarea principiilor de

rezolvare în planul efectelor fizice

Soluţii de

principiu (efecte)

„Mecanisme

cinematice”

Căutarea principiilor de

rezolv. în planul config.

Soluţii de principiu (efecte

şi config.)

„Organe de maşini”

„Tipuri de legături”

Împărţirea în module fezabile şi configurare până la documentaţie


Tema

Realizarea în continuare

Etape de lucru Baza de date Rezultate

Pro

iec

tare

a c

on

ce

ptu

ală

Fig. 4.11. Detalierea algoritmului proiectării conceptuale prin divizarea etapelor 2 şi 3 din fig. 4.10 [20].

3.2

4 … 7

3.1

2.2

2.1

1

105

The searching matrix for

problems’ formulation

Task clarification and specification

The main task Requirements’ list

„General functions” Establishment of the

global function

The global

function

„General functions”

Identification of sub-

functions and structures

of subfunctions

Structures of

functions

„Physical effects” Search of the solving

principles in the physical

effects plan

Principle

solutions (effects)

„Kinematical

mechanisms”

Search of the solving

princip. in the config. plan

Principles solutions (effects

and config.)

„Machine elements”

„Types of inks”

Division into feasible modules and configuration

up to documentation Product

documentation

Task

Further accomplishment

Working steps Data basis Results

C

o n

c e

p

t u

a l

d

e

s i

g n

Fig. 4.11. Detailing of the conceptual design algorithm by dividing steps 2 and 3 from Fig. 4.10 [20].

3.2

4 … 7

3.1

2.2

2.1

1

106

c) Despre numitorul comun al modelelor

Deşi au formulări diferite, toate modelele de design analizate mai sus se reduc, prin abstractizare şi simplificare, la acelaşi numitor comun, ilustrat prin algoritmul din fig. 4.12 (adaptare după VDI 2221); acest algoritm desemnează de fapt ciclul de rezolvare a unei probleme tehnice, în cinci etape (fig. 4.12):

1) Analiza problemei (include formularea şi detalierea problemei în subprobleme),

2) Sinteza sistemului tehnic (căutarea şi

găsirea variantelor de sisteme tehnice, care pot fi soluţii ale problemei),

3) Analiza sistemului, care constă în stabilirea caracteristicilor fiecărei variante,

4) Evaluarea comparativă a variantelor pe baza unor criterii tehnice şi economice adecvate şi

5) Decizia privind selectarea variantei (variantelor) care urmează să fie dezvoltate.

Prin liniile orientate din fig. 4.12 sunt desemnate fluxurile de informaţie dintre etape: fluxul principal este reprezentat cu linie groasă, iar fluxurile iterative inverse (necesare în corectare şi optimizare) sunt trasate cu linie subţire.

Conform concepţiei germane, în rezolvarea problemelor tehnice, etapa nr. 1 şi etapa nr. 2 pot fi structurate după un algoritm de tipul celui din fig. 4.13 (adaptat după VDI 2221), care cuprinde următoarele subetape principale:

1.1. Formularea problemei globale,

1.2. Detalierea problemei globale în probleme parţiale ,

1.3. Detalierea problemelor parţiale în probleme singulare;

2.1. Căutarea în planul soluţiilor şi găsirea combinaţiilor compatibile de soluţii singulare, numerotate cu i = 1;2;3;N

2.2. Stabilirea soluţiei parţiale nr. i (i = 1;2;3;N) prin compunerea soluţiilor singulare din combinaţia nr. i şi

2.3. Determinarea soluţiei globale nr. i, prin compunerea soluţiilor parţiale din combinaţia nr. i (i = 1;2;3;N).

c) On the models’ common denominator

Although they have different formulations, all the analyzed design models can be reduced, through abstracting and simplifying, to the same common denominator, illustrated through the algorithm from Fig. 4.12 (adapted after VDI 2221); in fact, this algorithm designates the solving cycle of a technical problem, in five steps (Fig. 4.12):

1) The problem analysis (includes problem formulation and detailing into sub-problems),

2) The technical system synthesis (search and find technical systems variants that can be solutions of the problem),

3) The system analysis, which consists in establishing each variant characteristics,

4) Comparative evaluation of the variants, based on adequate technical and economical criteria and

5) Decision regarding the selection of variant(s) that will be constructive developed.

Through the oriented lines from Fig. 4.12 there are designated the information flows between steps: the main flow is represented with a thick line, while the inverse iterative flows (necessary in correction and optimization) are traced with a thin line.

According to the German modeling, in solving the technical problems, step no. 1 and step no. 2 can be structured following an algorithm like the one from Fig. 4.13 (adapted after VDI 2221), which consists of the following main sub-steps:

1.1. Formulation of the global problem,

1.2. Detailing the global problem into partial problems,

1.3. Detailing of the partial problems into singular problems;

2.1. Searching in the solutions plan and finding the compatible combinations of singular solutions, numbered with i = 1;2;3;N

2.2. Establishing the partial solution no. i (i = 1;2;3;N) by composing the singular solutions from combination no. i and

2.3. Establishing the global solution no. i, by composing the partial solutions from combination no. i (i = 1;2;3;N).

107

Problemă

Faza următoare

Analiza problemei (Descompunerea problemei în subprobleme de diverse ordine)

1

Sinteza sistemului (Căutarea subsislemelor - soluţii

care rezolvă subproblemele de ordin superior şi determinarea sistemelor -

soluţii, prin compunerea

combinatorie a subsistemelor găsite)

2

Analiza sistemului

(Determinarea caracteristicilor realizate de sistemele - soluţii

obţinute)

3

Evaluarea (Aprecierea sistemelor - soluţii

obţinute pe baza unor criterii tehnice şi economice adecvate)

4

Decizia (Selectarea sistemelor - soluţii care

urmează să fie dezvoltate)

5

Fig. 4.12. Ciclul de rezolvare a unei probleme tehnice (adaptare după VDI 2221).

Problem

&ext phase

Problem analysis (Problem decomposition into sub-

problems of different orders)

1

System synthesis (Search of subsystems – solutions that

solve the sub-problems of superior order and establishment of systems -

solutions, through combining and composing the found subsystem)

2

System analysis

(Establishment of the characteristics accomplished by the obtained

system-solutions)

3

Evaluation (Estimation of the obtained system-solutions based on some adequated technical and economical criteria)

4

Decision (Selection of the system-solutions

that will be developed)

5

Fig. 4.12. The solving structure of a technical problem (adapted after VDI 2221).

108

Fig. 4.13. Structura de rezolvare a unei probleme tehnice prin divizare în subprobleme şi compunere a subsoluţiilor din fiecare combinaţie (adaptare după VDI 2221).

2.3 Soluţie globală nr. i (rezultanta soluţiilor din

combinaţia nr. i)

2.2 Soluţii parţiale (comb. nr. i)

2.1 Soluţii singulare (comb. nr. i)

1.3 Probleme singulare

1.2 Probleme parţiale

1.1 Problemă globală

1. A

na

liza

pro

ble

mei

2.

Sin

teza

sis

tem

ulu

i

Planul soluţiilor

Fig. 4.13. The solving structure of a technical problem by dividing it into sub-problems and composing the sub-solutions from different combinations (adapted after VDI 2221).

2.3 Global solution no. i (the resultant of the partial solutions from comb. no. i)

2.2 Partial solutions (comb. no. i)

2.1 Singular solutions (comb. no. i)

1.3 Singular problems

1.2 Partial problems

1.1 Global problem

1. P

rob

lem

an

aly

sis

2. S

yste

m s

ynth

esis

Solutions’ plan

109

În varianta sa simplificată, de tip: problemă globală → subprobleme → subsoluţii → soluţie globală, acest algoritm se regăseşte în structura dezvoltării fiecărui model de design prezentat mai sus.

4.3. VARIANTA GENERALIZATĂ DE MODELARE A PROIECTĂRII CONCEPTUALE Pornind de la varianta de modelare a proiectării unui produs, ilustrată în fig. 4.14,a (preluată din fig. 3.13,b), în fig. 4.14,b s-a propus o nouă variantă de modelare care detaliază etapa umbrită din fig. 4.14,a: proiectarea conceptuală a produsului. Modelul din fig. 4.14,b este o variantă derivată din modelele analizate în subcap. 4.2, prin simplificare şi generalizare. 4.3.1. Structura algoritmului generalizat de proiectare conceptuală Conform fig. 4.14,b, noua variantă de modelare este centrată pe o bază adecvată de informaţii, porneşte de la SDP (lista de cerinţe anterior identificată) şi cuprinde patru etape şi patru rezultate principale, respectiv:

1°. Identificarea funcţiei globale;

Rezultat: Funcţia globală a produsului,

2°. Detalierea funcţiei globale sub formă de structuri de subfuncţii, de diverse ordine;

Rezultat: Structura funcţiei globale a produsului,

3°. Generarea variantelor conceptuale, care se bazează pe rezolvarea sub-funcţiilor şi compunerea combinatorie a subsoluţiilor obţinute; variantele conceptuale se stabilesc prin determinarea şi analiza caracteristicilor fiecărei variante obţinute, urmată de eliminarea variantelor care nu îndeplinesc cerinţele din listă.

Rezultat: Variante conceptuale,

4°. Identificarea variantei / variantelor conceptuale optime prin evaluarea tehnico-economică.

Rezultat: Soluţia conceptuală a produsului (conceptul sau soluţia de principiu a produsului).

This algorithm, in its simplified variant of type: global problem → sub-problems → sub-solutions → global solution, can be found in the development structure of each design model that was previously presented.

4.3. A GENERALIZED VARIANT OF THE CONCEPTUAL DESIGN Starting from the modeling variant of the product design, illustrated in Fig. 4.14,a (taken from Fig. 3.13,b), in Fig. 4.14,b is proposed a new modeling variant that details the shaded step from Fig. 4.14,a: the product conceptual design. The model from Fig. 4.14,b is a variant derived from the models analyzed in subchapter 4.2, by simplification and generalization. 4.3.1. The structure of the generalized algorithm for the conceptual design According to Fig. 4.14,b, the new modeling variant is centered on an adequate base of information, starts from the PDS (require-ments’ list previously identified) and con-tains four steps and four main results:

1°. Identification of the global function;

Result: The product global function,

2°. Detailing the global function in structures of sub-functions, of different orders;

Result: The product structure of the global function,

3°. Generating the conceptual variants, which are based on solving the sub-functions, through combining and composing the obtained compatible sub-solutions; the conceptual variants are established by determining and analyzing the characteristics of each obtained variant, followed by the elimination of the variants that do not fulfill the requirements from the list.

Result: conceptual variants,

4°. Identification of the optimal conceptual variant(s) by a technical and economical evaluation.

Result: The product conceptual solution (the product concept or product principle solution).

110

BAZA DE INFORMAŢII

Soluţia

concep-

tuală

SDP (Lista de cerinţe)

Proiect final

4.

Elaborarea documentaţiei de

produs

1. Elaborarea SDP (listei de cerinţe)

2.PROIECTAREA COCEPTUALA

3.


&ev

oia

soci

ală


BAZA DE INFORMAŢII

Clasa

variantelor

conceptu-

ale

Structura

funcţiei

globale

Soluţia conceptuală

a

produsului

1. Identificarea funcţiei globale

a produsului

2.Detalierea

funcţiei globale

3. Generarea variantelor conceptuale

4. Evaluare

tehnico-economică

Funcţia

globală a

produsului

SDP

(Lista de

cerinţe)

Fig. 4.14,b. Algoritm generalizat pentru detalierea proiectării conceptuale (etapa 2 din fig. 4.14,a).

Fig. 4.14,a. Algoritm generalizat de proiectare a unui produs.

111

THE INFORMATION

BASE

Concep-

tual

solution

PDS

(Requir.

list)

Final project

4.

Elaboration of the product

documentation

1.

Elaboration of the PDS

(requir. list)

2. COCEPTUAL DESIG

3.

Embodiment design

Soc

ial n

eed


INFORMATION BASE

The class

of the

conceptual

variants

The

structure of

the global function

The

product

conceptual

solution

1. Identification of the product

global function

2.The global

function detailing

3. Generation of conceptual

variants

4. Technical

and economical evaluation

The

product

global

function

PDS

(Requir.

List)

Fig. 4.14,b. Generalized algorithm for detailing the conceptual design (step 2 from Fig. 4.14,a).

Fig. 4.14,a. Generalized variant of the technical product design algorithm.

112

Conexiunile inverse dintre etape (fig. 4.14,b), necesare pentru optimizarea iterativă şi pentru readaptarea SDP (listei de cerinţe), pot fi realizate atât direct, prin fluxul periferic de informaţie, cât şi indirect prin baza de informaţii.

Dintre cele patru etape, ale algoritmului de proiectare conceptuală, generarea variantelor conceptuale (etapa 3°) constituie etapa-cheie; de aceea, etapa 3° a fost ilustrată umbrit în fig. 4.14,b (împreună cu entităţile de intrare şi de ieşire aferente).

Pentru această etapă, în fig. 4.15 s-a detaliat un algoritm general de sinteză a variantelor conceptuale, ţinând seama de exemplele şi de noţiunile prezentate în cap. 2 (vezi şi anexa A.1). 4.3.2. Algoritmul de sinteză a variantelor conceptuale Algoritmul din fig. 4.15, destinat sintezei variantelor conceptuale (etapa 3°, din fig. 4.14,b), este derivat din algoritmul omonim propus de Ulrich şi Eppinger (v. fig.4.8), pe baza terminologiei promovată de VDI.

Conform fig. 4.15, algoritmul este centrat pe o baza adecvată de informaţii, porneşte de la o structură de subfuncţii cunoscută şi cuprinde patru etape (dreptunghiuri) şi cinci rezultate (cercuri):

1°. Identificarea şi gruparea subfuncţiilor componente în:

a) funcţii de tip P.R.N. (ale căror Principii de Rezolvare sunt Necunoscute) şi

b) funcţii de tip P.R.C. (ale căror Principii de Rezolvare sunt Cunoscute);

Rezultate: Funcţii de tip P.R.N. şi funcţii de tip P.R.C.

2°. Sinteza principiilor de rezolvare pentru funcţiile de tip P.R.N., la care se adaugă funcţiile de tip P.R.C. ale căror soluţii existente sunt nesatisfăcătoare pentru produsul proiectat sau dezvoltat.

Sinteza principiilor de rezolvare se realizează prin identificarea efectelor fizice şi prin configurarea purtătorilor de efecte, urmată, în cazul subfuncţiilor compuse, de compunerea soluţiilor parţiale.

The inverse connections between steps (Fig. 4.14,b), which are necessary in the iterative optimization and readapting the PDS (requirements’ list), can be made directly, through the peripheral information flow, or indirectly through the information base.

Among the four steps of the conceptual design algorithm, the conceptual variants generation (step 3°) represents the key step; therefore, in Fig. 4.14,b step 3° was illustrated shaded (together with the afferent input and output entities).

For this step, in Fig. 4.15 was detailed a general algorithm for the synthesis of the conceptual variants, taking into account the examples and the notions presented in chapter 2 (see also appendix A.1). 4.3.2. The algorithm for the synthesis of conceptual variants The algorithm from Fig. 4.15, for the synthesis of the conceptual variants (step 3°, from Fig. 4.14,b), is derived from the homonymous algorithm proposed by Ulrich and Eppinger (see Fig. 4.8), on the basis of the terminology promoted by VDI.

According to Fig. 4.15, the algorithm is centered on an adequate information base, starts from a known structure of sub-functions and contains four steps (rectangles) and five results (circles):

1°. Identifying and grouping the component sub-functions into:

a) functions of S.P.U. type (whose Solving Principles are Unknown) and

b) functions of S.P.K. type (whose Solving Principles are Known);

Results: Functions of S.P.U. type and functions of S.P.K. type.

2°. The synthesis of the solving principles for the functions of S.P.U. type, at which there are added the functions of S.P.K. type, whose existent solutions are unsatisfactory for the designed or developed product.

The synthesis of the solving principles is made by the identification of the physical effects and by the configuration of the effects’ carriers, followed (for composed sub-functions) by the composition of the compatible partial solutions.

113

Rezultat: Principii şi/sau variante de rezolvare noi.

3°. Identificarea şi sistematizarea soluţiilor existente.

Rezultat: Clasa soluţiilor existente,

4°. Generarea variantelor conceptuale, care cuprinde două subetape:

4.1° Se generează mai întâi variantele de rezolvare, prin compunerea combinatorie a soluţiilor compatibile din etapele 2° şi 3°;

4.2° a) se efectuează o primă configurare (sinteză geometrico-cinematică) a variantelor obţinute;

b) se prestabilesc principalele caracteristici tehnice ale acestor variante;

c) se elimină apoi variantele de rezolvare ale căror caracteristici tehnice nu satisfac cantitativ cerinţele (obiectivele principale) din SDP (lista de cerinţe).

Rezultat: Clasa variantelor conceptuale.

Aşadar o variantă conceptuală este o variantă de rezolvare care rezolvă funcţia globală a produsului, în conformitate cu obiectivele principale din SDP (lista de cerinţe), atât calitativ, cât şi cantitativ.

În rezolvarea etapelor 1°N 3°, baza de informaţii şi experienţa echipei de proiectare joacă un rol decisiv.

În cazul funcţiilor de tip P.R.C., identificarea soluţiilor existente se bazează pe două izvoare principale:

a) analiza literaturii de specialitate şi

b) analiza sistemelor tehnice existente.

Sursele curente de informare din literatură se referă la: reviste, buletine şi periodice ştiinţifice, tehnice şi economice din domeniu cercetat; monografii şi cursuri universitare, buletine de referinţe, dicţionare, lexicoane şi enciclopedii, memoratoare matematice şi tehnice, teze de doctorat, proiecte de cercetare ştiinţifică, norme legislative, norme şi standarde tehnice, literatura de patente (brevete de invenţie), cataloage de proiectare (cataloage de efecte fizice, cataloage pentru soluţii de principiu ale unor funcţii uzuale, cataloage de soluţii constructive etc.), cataloage şi prospecte de produse (editate de firme producătoare

Result: New solving principles and/or solving variants.

3°. Identification and systematization of the existent solutions.

Result: The class of existent solutions,

4°. Generation of the conceptual variants, which contains two sub-steps:

4.1° Firstly, there are generated the solving variants, through combining and composing the compatible solutions from steps 2° and 3°;

4.2° a) it is made an initial configuration (geometrical-kinematical synthesis) of the obtained variants;

b) there are pre-established the main technical characteristics of these variants;

c) then, there are eliminated the solving variants whose technical features don’t satisfy quantitatively the requirements (main objectives) from the PDS (requirements’ list).

Result: The class of the conceptual variants.

Hence, a conceptual variant is a solving variant that solves the product global function, according to the main objectives from the PDS (requirements’ list), both qualitatively and quantitatively.

In solving steps 1°N 3°, a decisive role is played by the information base and the experience of the design.

In the case of the functions of S.P.K. type, the identification of the existent solutions is based on two main sources:

a) The analysis of the technical literature and

b) The analysis of the existent technical systems.

The present information sources from literature are referring to: technical and economical periodicals, bulletins and magazines from the research field; monographs and academic courses, reference bulletins, dictionaries, lexicons and encyclopedias, mathematical and technical agendas, PhD thesis, research projects, legislative norms, technical norms and standards, patents, design catalogues (catalogues of physical effects, catalogues of principle solutions for usual functions, catalogues of constructive solutions etc.), catalogues and prospects of products (edited by the producer companies and/or sale

114

1. Identificarea (sub)funcţiilor componente: • cu Principii de Rezolvare

<ecunoscute (PRN) şi • cu Principii de Rezolvare

Cunoscute (PRC).

2. SINTEZA principiilor de

rezolvare prin identificarea efectelor şi configurarea

purtătorilor de efecte; compunerea principiilor de rezolvare (dacă este cazul)

3. Identificarea şi sistematizarea soluţiilor

existente

4. Generarea variantelor conceptuale: 4.1. generarea variantelor de rezolvare, prin compunerea combinatorie a soluţiilor parţiale; 4.2. a) Configurarea iniţială a variantelor obţinute (sinteză cinematică); b) Prestabilirea caracteristicilor tehnice; c) Eliminarea variantelor de rezolvare ale căror caracteristici tehnice nu satisfac cantitativ cerinţele din SDP (lista de cerinţe).

BAZA DE

INFORMAŢII

Principii şi variante de

rezolvare

noi

Clasa

variantelor

conceptuale

Clasa soluţiilor

existente

Funcţii P.R.

Structura

funcţiei

globale

Funcţii P.R.C

Fig. 4.15. Algoritm pentru detalierea generării variantelor conceptuale (etapa 3 din fig. 4.14,b).

115

1. Identification of the component (sub)functions: • with Solving Principles which are

Unknown (SPU) and • with Solving Principles which are

Known (SPK).

2. The SYNTHESIS of the solving principles by

identifying the effects and configuring the effects’ carriers;

composition of solving principles (if it is the case)

3. Identification and systematization of existent

solutions

THE

INFORMATION BASE

<ew solving

principles

and solving

variants

The class of conceptual

variants

The class of existent

solutions

S.P.U. functions

The

structure of

the global

function

S.P.K. functions

Fig. 4.15. Algorithm for detailing the generation of the solving structures (step 3 from Fig. 4.14,b).

4. Generation of conceptual variants: 4.1. Generation of the solving variants, through combining and composing the partial solutions; 4.2. a) Initial configuration of the obtained variants (kinematical synthesis); b) Pre-establishment of technical features; c) Elimination of the solving variants whose technical features don’t satisfy quantitatively the requirements from the PDS (requirements’ list).

116

şi/sau de desfacere), rapoarte ştiinţifice, tehnice şi economice elaborate de diverse instituţii şi asociaţii, site-uri existente pe internet în domeniu cercetat etc.

În cazul funcţiilor de tip P.R.N., găsirea efectelor fizice şi/sau a configuraţiei purtătorilor de efecte (din principiile de rezolvare căutate) poate fi realizată prin:

- metode convenţionale [7, 9, 15, 16]; exemple: analiza sistemelor naturale, analogia, testarea şi măsurarea modelelor,

- metode intuitive [2, 7, 8, 9, 11, 12, 16, 17]; exemple: brainstorming, metoda 635, metoda Gallery, sinectica, metoda Delphi,

- metode logice [2, 9, 12, 16, 23]; exem-ple: modelarea şi simularea numerică a proceselor fizice, căutarea sistematică cu ajutorul matricelor şi cataloagelor de efecte, variaţia configuraţiei purtătorilor de efecte ale unor soluţii cunoscute; o alta abordare de acest tip este oferita de teoria TRIZ (v. Anexa A.4).

Generarea variantelor de rezolvare, prin combinarea şi compunerea soluţiilor parţiale (subetapa 4.1° din fig. 4.15), poate fi realizată cu ajutorul metodelor matematice de combinare sau pe baza „matricelor morfologice“ (v. cap. 2); dintre acestea, alternativa secundă, analizată în cap. 2, are cea mai largă utilizare, pe plan mondial [1, 2, 7, 9, 11, 16, 17, 20]. 4.3.3. Concluzii Pe baza algoritmilor din fig. 4.14 şi 4.15 pot fi formulate următoarele concluzii:

a. Fiecare etapă a modelului din fig. 4.14,a constituie o activitate distinctă, relativ autonomă, cu noţiuni şi metode proprii.

b. Pentru a crea o imagine intuitivă şi unitară asupra ierarhiei şi corelaţiilor dintre noţiunile utilizate, în fig. 4.16 s-a propus o variantă sintetică şi simplificată a algoritmilor din fig. 4.14,b şi 4.15.

c. În conformitate cu fig. 4.14,b şi 4.15, funcţia globală a unui produs prezintă elemente de noutate dacă:

companies), scientific, technical and economical reports, elaborated by different institutions and associations, web-sites in the field etc.

For the functions of S.P.U. type, the physical effects and/or the configuration of the effects’ carriers (from the solving principles that we are looking for) can be found through:

- conventional methods [7, 9, 15, 16]; examples: the analysis of the natural systems, models analogy, testing and measurement,

- intuitive methods [2, 7, 8, 9, 11, 12, 16, 17]; examples: brainstorming, 635 method, Gallery method, synectics, Delphi method,

- logical methods [2, 9, 12, 16, 23] as: modeling and numerical simulation of physical processes, systematical search by using matrixes and catalogues of physical effects, the variation of the effects carriers for known solutions; another approach of this type is offered by TRIZ Theory (see Appendix A.4).

The generation of solving variants, through combining and composing the compatible partial solutions (sub-step 4.1° from Fig. 4.15), can be done using mathematical combining methods or „morphological matrixes“ (see chapter 2); between them, the second alternative, which was analyzed in chapter 2, is the most used world-wide [1, 2, 7, 9, 11, 16, 17, 20]. 4.3.3. Conclusions The following conclusions can be drawn based on the algorithms from Fig. 4.14 and Fig. 4.15:

a. Each step of the model from Fig. 4.14,a represents a distinct activity, relatively autonomous, with its own notions and methods.

b. In order to create an intuitive and unitary image on the hierarchy and correlations among the notions that are used, a simplified and synthetic variant of the algorithms from Fig. 4.14,b and 4.15 was proposed in Fig. 4.16.

c. According to Fig. 4.14,b and 4.15, the global function of a product present elements of novelty if:

117

Cerinţe (Obiective principale: nevoi; restricţii)

Entităţi de intrare / ieşire; caracteristici

Funcţia globală

Structura de subfuncţii

Subfuncţii

cu principii de rezolvare

necunoscute

cu principii de rezolvare

cunoscute

În planul efectelor fizice

În planul configuraţiilor

Soluţii existente: în planul efectelor şi

configuraţiilor

Sinteza efectelor fizice

Configurarea purtătorilor de efecte (soluţii noi)

Sistematizarea soluţiilor parţiale (noi şi existente)

Generarea variantelor de rezolvare (prin combinarea şi compunerea soluţiilor parţiale)

Configurarea şi prestabilirea caracteristicilor fiecărei variante

Decelarea variantelor conceptuale (prin eliminarea variantelor ale căror caracteristici nu îndeplinesc cantitativ cerinţele)

Decelarea soluţiei conceptuale (prin stabilirea variantei conceptuale care răspunde cel mai bine criteriilor de evaluare)

Fig. 4.16. Explicitarea algoritmului de proiectare conceptuală din fig. 4.14,b.

SDP

Criterii de evaluare (Obiective secundare: dorinţe;

condiţii de protecţie)

SDP (Lista de Cerinţe)

Conexiuni

Soluţia Conceptuală (conceptul)

S.C.

118

Requirements (main objectives: needs; restrictions)

Input/output entities; characteristics

Global function

Structure of sub-functions

Sub-functions

With unknown solving

principles

With known solving

principles

In the plan of physical effects

In the plan of configurations

Existent solutions: in the plan of effects and configurations

The synthesis of physical effects

Configuration of effects’ carriers (new

solutions) noi)

Systematization of partial solutions (new and existent)

Generation of solving variants (by combining and composing the compatible partial solutions)

Configuration and pre-establishment of each variant characteristics

Selection of the conceptual variants (by eliminating the variants whose characteristics do not fulfill the requirements quantitatively)

Election of the conceptual solution (by establishing the conceptual variant that responds to the evaluation criteria in the best way)

Fig. 4.16. Detailing of the conceptual design algorithm from Fig. 4.14,b.

PDS

Evaluation criteria (Secondary objectives:

wishes; protection conditions)

PDS (Req. List)

Connections

Conceptual Solution (the concept)

C.S.

119

c1) are cel puţin o subfuncţie de tip P.R.N. (cu principiu de rezolvare necunoscut) şi/ sau dacă:

c2) în structura de subfuncţii intervine cel puţin o conexiune originală.

d. În funcţie de elementele de noutate, din funcţia globală a unui produs, se deosebesc mai multe tipuri [2; 15; 16] şi variante de design (v. tab. 4.1):

d1) Proiectarea originală (PO), cu şapte variante distincte (PO-I,N,PO-VII),

d2) Proiectarea adaptivă (PA), cu două variante distincte (PA-I şi PA-II) şi

d3) Proiectarea variantă (PV), cu o singură alternativă.

Diferenţele dintre ele decurg din tab. 4.1:

- în proiectarea originală, soluţia conceptuală conţine elemente de originalitate cel puţin în planul efectelor sau cel puţin în planul conexiunilor;

- în proiectarea adaptivă, soluţia conceptuală aduce elemente de noutate doar în privinţa configuraţiei purtătorilor de efecte,

c1) it has at least a sub-function of S.P.U. type (with an unknown solving principle) and/or if:

c2) in the structure of sub-functions interferes at least an original connection.

d. In terms of novelty, from the global function of a product can come out more design types [2; 15; 16] and variants (see Tab. 4.1):

d1) Original design (OD), with seven distinct variants (OD-I,N,OD-VII),

d2) Adaptive design (AD), with two distinct variants (AD-I and AD-II) and

d3) Variant design (VD), with a single alternative.

The following differences derive from Tab. 4.1:

- in the original design, the conceptual solution contains elements of originality at least in the effects plan or at least in the connections plan;

- in the adaptive design, the conceptual solution brings elements of novelty only regarding the configuration of the effects’ carriers,

Tab. 4.1. Design types and variants

Solving principles known

The solutions of the component

sub-functions The structure contain of the global function contains

new With RE-

configuration

In the existent

configuration

O.D. type V O.D. type VII O.D. type I O.D. type VI ew connections

O.D. type II A.D. type I V.D. O.D.

type III A.D. type II Known connections O.D. type IV

Legend: O.D. = Original Design; A.D. = Adaptive Design; V.D. = Variant Design

Tab. 4.1. Tipuri şi variante de proiectare

Principii de rezolvare cunoscute

Soluţiile subfuncţiilor

componente Structura conţin

funcţiei globale conţine

noi cu REconfigurare în configuraţie existentă

P.O. tip V P.O. tip VII P.O. tip I P.O. tip VI Conexiuni noi

P.O. tip II P.A. tip I P.V. P.O. tip

III P.A. tip II Conexiuni cunoscute P.O. tip IV

Legendă: P.O. = Proiectare Originală; P.A. = Proiectare Adaptivă; P.V. = Proiectare Variantă

120

- în proiectarea variantă, soluţia conceptuală este cunoscută în toate cele trei plane: al efectelor, al configuraţiei purtătorilor de efecte şi al conexiunilor; ca urmare, proiectarea variantă este o formă de proiectare constructivă prin similitudine (după „model“); în [2], acest tip de proiectare este numit, de asemenea, modificare.

La aceste tipuri de proiectare, poate fi adăugată [2]:

d4) Proiectarea de selectare, care este o selecţie a componentelor necesare, din cataloagele de firma, după performanţe şi costuri.

e. Deoarece în capitolul 2 au fost deja abordate principalele aspecte referitoare la etapele 1°, 2° şi 3°, ale modelului din fig. 4.14,b, în subcapitolul următor sunt prezentate succint principalele metode de evaluare tehnico-economică, folosite în etapa 4° (fig. 4.14,b), pentru stabilirea soluţiei de principiu. 4.4. STABILIREA SOLUŢIEI CONCEPTUALE PRIN EVALUAREA VARIANTELOR CONCEPTUALE Etapa finală a algoritmului de proiectare conceptuală (v. etapa 4° din fig. 4.14,b), porneşte de la variantele conceptuale, obţinute în etapa precedentă, şi se încheie cu identificarea soluţiei conceptuale (conceptului sau soluţiei de principiu a produsului). Identificarea soluţiei conceptuale presupune evaluarea tehnico-economică a variantelor conceptuale obţinute şi decelarea celei mai bune variante conceptuale.

Deoarece informaţiile despre produs, în această fază, nu sunt suficient de precise, pot fi decelate 2 sau chiar 3 variante optime, dacă punctajele de evaluare ale acestora sunt suficient de apropiate. 4.4.1. Criterii de evaluare Evaluarea comparativă a variantelor conceptuale se efectuează pe baza unor criterii tehnice, economice şi de siguranţă stabilite cu ajutorul SDP (listei de cerinţe).

- in the variant design, the conceptual solution is known in all the three plans: of effects, of the effects’ carriers’ configurations and of connections; therefore, the variant design is a form of embodiment design through similitude (by using a „pattern“); in [2], this design type in named also modification.

Near these design types, can be added [2]:

d4) Select design, which is a selection of the needed components, from the firm catalogs, upon performances and costs.

e. Because the main aspects regarding steps 1°, 2° and 3° of the model from Fig. 4.14,b were already approached in chapter 2, in the next subchapter there are presented succinctly the main methods of technical and economical evaluation, used in step 4° (Fig. 4.14,b) for establishing the principle solution. 4.4. THE CONCEPTUAL SOLUTION SETTLEMENT BY THE CONCEPTUAL VARIANTS’ EVALUATION

The final step of the algorithm for the conceptual design (see step 4° from Fig. 4.14,b), is starting from the conceptual variants that were obtained in the previous step and is concluding with the identification of the conceptual solution (concept or principle solution). The identification of the conceptual solution supposes the technical and economical evaluation of the obtained conceptual variants and the election of the best conceptual variant.

If their evaluation scores are close enough two or even three optimal variants can be obtained because in this phase the information on the product is not sufficiently accurate. 4.4.1. Evaluation criteria The comparative evaluation of the conceptual variants is made on the basis of some technical, economical and safety criteria that were established using the PDS (requirements’ list).

121

După cum s-a precizat anterior (v. cap. 3), obiectivele din SDP (lista de cerinţe) se grupează în: obiective principale sau prescurtat cerinţe şi în obiective secundare. Cerinţele sunt utilizate în configurarea purtătorilor de efecte şi în decelarea variantelor conceptuale dintre variantele de rezolvare generate anterior. Ca urmare, cerinţele din SDP nu pot fi folosite în calitate de criterii de evaluare!

Exemplu: dacă în SDP se solicită proiectarea unui reductor de turaţie care, printre altele, trebuie să realizeze următoarele obiective principale: un raport de transmitere i = 40 ± 5% şi un randament η ≥ 70%. Evident, prin definiţie, toate structurile de rezolvare ale acestui reductor vor îndeplini cerinţele: i = 40 ± 5% şi η ≥ 70%; ca urmare, aceste restricţii nu pot fi, în acelaşi timp, şi criterii de evaluare!

Formularea criteriilor de evaluare se bazează pe utilizarea obiectivelor secundare (din SDP), care de obicei sunt conexe obiectivelor principale.

În cazul exemplului considerat, pot fi utilizate, în calitate de criterii de evaluare, următoarele obiective secundare (conexe cerinţelor de mai sus):

- minimizarea gradului de complexitate (criteriu tehnico-economic);

- simplificarea montajului şi a întreţinerii (criteriu tehnico-economic);

- minimizarea costurilor tehnologice (criteriu economic);

- minimizarea gabaritului radial şi axial (criteriu tehnico-economic);

- minimizarea riscului de accidentare (criteriu de siguranţă);

- minimizarea pierderilor prin frecare (criteriu tehnico-economic) etc.

Pentru orientare, în literatura germană [16] sunt sistematizate, cu exemplificare, sursele uzuale ale obiectivelor secundare, din care pot fi selectate criteriile de evaluare; iată cele mai importante surse, cu exemple de obiective secundare:

a) Funcţia produsului: optimizarea caracteristicilor purtătorilor de efecte ale subfuncţiilor secundare importante.

As it was previously specified, the objectives from the PDS (requirements list) are grouped into: main objectives or, abridged, requirements and secondary objectives. The requirements are used in configuring the effects, the effects’ carriers and in electing the conceptual variant from the solving variants that were previously generated. Therefore, the requirements from the PDS can not be used as evaluation criteria!

Example: if in PDS, it is claimed to design a speed reducer that, among others, must fulfill the following main objectives: a transmission ratio i = 40 ± 5% and an efficiency η≥70%. Obviously, by its definition, all the solving structures of this reducer can fulfill the previous requirements; therefore, these conditions can not be evaluation criteria in the same time!

The formulation of the evaluation criteria is based on the use of secondary objectives (from the PDS), which are usually complementary objectives to the main objectives.

In the case of the considered example, the following secondary objectives (complementary objectives to the previous requirements) can be used as evaluation criteria:

- minimization of the complexity degree (technical-economical criterion);

- simplification of assemblage and maintenance (technical-economical criterion);

- minimization of technological costs (economical criterion);

- minimization of the radial and axial overall dimensions (technical-economical criterion);

- minimization of the accidents risk (safety criterion);

- minimization of losses due to friction (technical-economical criterion) etc.

For orientation, in the German literature [16] are systematized the usual sources of the secondary objectives, with exemplification, from which can be selected the evaluation criteria; these are the most important sources, with examples of secondary objectives:

a) The product function: optimization of the characteristics of the effects’ carriers from the important secondary sub-functions.

122

b) Structura produsului: reducerea numărului de componente, reducerea complexităţii, reducerea gabaritului etc.

c) Siguranţa omului şi a mediului: utilizarea preferenţială a tehnicilor directe de siguranţă, protejarea mediului.

d) Ergonomia produsului: îmbunătăţirea corelaţiei om-maşină, îmbunătăţirea aspectului estetic.

e) Fabricaţie: simplificarea metodelor şi procedeelor de fabricaţie; evitarea echipamentelor scumpe.

f) Control calitate: simplificarea procede-elor de testare şi verificare.

g) Montaj: simplificarea şi reducerea timpului de montaj, evitarea mijloacelor speciale.

h) Transport: evitarea mijloace speciale de transport, eliminarea riscurilor.

i) Instalare şi întreţinere: simplificarea operaţiilor de instalare şi utilizare, simplificarea şi reducerea operaţiilor de întreţinere.

j) Reciclare/înlăturare: recuperarea uşoară a componentelor, înlăturarea în condiţii de siguranţă.

k) Costuri: eliminarea costurilor curente speciale şi costurilor asociate, eliminarea riscurilor de depăşire a termenelor.

În urma stabilirii criteriilor de apreciere comparativă, se poate trece la evaluarea propriu-zisă. În cazurile produselor cu structuri de rezolvare numeroase, evaluarea se desfăşoară, de regulă, în două faze succesive:

A. Se efectuează mai întâi o evaluare grosieră, denumită şi „cernere“, în care criteriile de evaluare sunt considerate egale ca importanţă. Prin cernere se obţine o reducere semnificativă a numărului iniţial de soluţii (structuri).

B. Pentru structurile rămase (în urma cernerii), se efectuează apoi o evaluare fină, numită şi „notare ponderată“, în care criteriile de evaluare sunt diferenţiate prin coeficienţi de pondere (importanţă), care au valori diferite. Prin aplicarea notării ponderate se ajunge la soluţia de principiu, desemnată de soluţia (structura) cu punctajul maxim; dacă diferenţa de punctaj dintre primele soluţii clasate este mică, atunci soluţia de principiu poate fi formată din două sau chiar trei soluţii (structuri) considerate optime.

b) The product structure: diminution of the number of components, diminution of complexity, diminution of the overall size etc.

c) Human and environmental safety: preferential use of direct safety techniques, environment protection.

d) Product ergonomics: improvement of the correlation man-machine, improvement of aesthetic aspect.

e) Manufacture: simplification of manufacturing methods and procedures; avoidance of expansive equipments.

f) Quality control: simplification of the testing and inspection procedures.

g) Assemblage: simplification and diminution of the assembling time, avoidance of special means.

h) Transport: avoidance of special transportation means, elimination of risks.

i) Installation and maintenance: simplification of installing and using operations, simplification and diminution of the maintenance operations.

j) Recycling/removal: easy recovery of components, removal in safety conditions.

k) Costs: elimination of the special current costs and associated costs, elimination of the risks of exceeding terms.

By establishing the criteria of comparative appreciating, the properly evaluation can be started. As a rule, in the case of products with numerous solving structures, the evaluation takes place in two successive phases:

A. Firstly, it is made a rough evaluation, also called „screening“, in which the evaluation criteria are considered equally important. By screening, a significant diminution of the initial number of solutions (structures) is obtained.

B. Then, for the rest of structures (after screening), it is made a fine evaluation, also called „weight evaluation“, in which the evaluation criteria are differentiated through weight (importance) coefficients that have different values. By applying the weight evaluation it is obtained the principle solution, designated through the solution (structure) with the maximum score; if the difference of scores between the first graded solutions is small, then the principle solution can be formed of two or even three solutions (structures) that are considered optimal.

123

În continuare sunt prezentate succint aceste tipuri de evaluare, în cele două variante de abordare existente în literatură: abordarea germană şi abordarea promovată cu precădere în literatura de limbă engleză. 4.4.2. Evaluarea soluţiilor în literatura de limbă germană Se exemplifică evaluarea soluţiilor unui excitator axial (dintr-un stand cu circuit închis de putere), destinat să genereze forţe axiale într-un cuplaj dinţat (încărcat cu moment de torsiune variabil).

Exemplul de evaluare, prelucrat după Pahl şi Beitz [16], porneşte de la un număr iniţial de 5 soluţii (structuri de rezolvare), ale excitatorului axial, notate prin: I,5,V.

Se efectuează mai întâi o evaluare grosieră a celor 5 soluţii, în conformitate cu norma VDI 2225. Această evaluare cuprinde două etape: o evaluare tehnică şi, separat, o evaluare economică. Cu acest scop s-au propus, pe baza listei de cerinţe, 5 criterii tehnice de evaluare (v. fig. 4.17,a) şi respectiv 4 criterii economice (v. fig. 4.17,b); criteriile din fiecare grupă sunt considerate egale ca importanţă.

Pe baza unei scale de apreciere de la 0 la 4 (adoptată de VDI 2225), se acordă fiecărei variante un număr de note, egal cu numărul criteriilor de evaluare (v. fig.4.17,a şi b). Pentru fiecare soluţie, se determină apoi punctajul total (prin însumarea notelor obţinute) şi se calculează rata de evaluare tehnică Rt (v. fig. 4.17,a) şi rata de evaluare economică Re (v. fig. 4.17,b).

Rata de evaluare se obţine ca raport între punctajul total realizat şi punctajul obţinut în condiţii ideale (nota max. 4 x 5 criterii = 20 puncte, în cazul evaluării tehnice, şi nota max. 4 x 4 criterii = 16 puncte, în cazul evaluării economice).

Conform fig. 4.17,a şi b, soluţiile III şi IV sunt cele mai bune soluţii (la „egalitate“), urmate îndeaproape de soluţia II. În premisa că ratele Rt şi Re au importanţă egală, analiza numerică poate fi simplificată prin utilizarea unei rate medii Rm, calculată fie ca medie aritmetică: Rm = (Rt + Re)/2, fie ca medie geometrică: Rm

2 = Rt Re; în ambele cazuri se obţine o valoare cuprinsă între 0 şi 1.

Further, there are presented succinctly these types of evaluation in the two approaching variants that exist in literature: the German approach and the approach promoted mainly in the English literature. 4.4.2. Solutions’ evaluation in German literature It is exemplified the evaluation of the solutions of axial exciter (from a test rig with a closed power circuit), meant to generate axial forces in a claw coupling (loaded with a variable torque).

The example of evaluation, adapted from Pahl and Beitz [16], starts from an initial number of five solutions (solving structures) of the axial exciter, denoted by: I,N,V.

Firstly, it is made a rough evaluation of the five solutions, according to the VDI 2225 norm. This evaluation consists of two steps: a technical evaluation and, separately, an economical evaluation. With this aim and based on the requirements’ list, 5 technical criteria of evaluation (see Fig. 4.17,a) and 4 economical criteria (see Fig. 4.17,b) were proposed; the criteria from each group are considered equally important.

On the basis of a scale from 0 to 4 (adopted by VDI 2225), each variant will receive a number of grades, equal to the number of evaluation criteria (see Fig.4.17,a and b). Then, for each solution, it is established the total score (by summing the obtained grades) and it is calculated the technical evaluation rate Rt (see Fig. 4.17,a) and the economical evaluation rate Re (see Fig. 4.17,b).

The evaluation rate is obtained as a ratio between the total score and the score obtained in ideal conditions (maximum grade 4 x 5 criteria = 20 points, in the case of technical evaluation, and maximum grade 4 x 4 criteria = 16 points, in the case of economical evaluation).

According to Fig. 4.17,a and b, the solutions III and IV are the best solutions (on „equality“), followed closely by solution II. In the premise that rates Rt and Re have an equal importance, the numerical analysis can be simplified by using a medium rate Rm, calculated either as an arithmetical mean: Rm = (Rt +Re)/2, or as a geometrical mean: Rm

2 = Rt Re; in both cases it is obtained a value between 0 and 1.

124

I. II. III. IV. V. Soluţia

Criterii

tehnice

1. Perturbaţii mici

ale cinematicii de

cuplare

3 4 4 4 3

2. Punere simplă în

funcţiune 3 4 4 4 3

3. Schimbarea

uşoară a

cuplajului

4 3 4 4 4

4. Siguranţa

funcţională 2 4 3 3 3

5. Construcţie

simplă 2 2 2 2 3

Total 14 17 17 17 16

20

TotalRt = 70

20

14,= 850

20

17,= 850

20

17,= 850

20

17,= 80

20

16,=

a

I. II. III. IV. V. Soluţia

Criterii

economice

1. Costuri

reduse de

materiale

2 3 4 4 2

2. Costuri

reduse de

reasamblare

2 1 3 3 3

3. Timp scurt

de testare 2 4 3 3 2

4. Posibilitate

de realizare în

atelierul

propriu

3 3 3 3 2

Total 9 11 13 13 9

16

TotalRe = 560

16

9,= 690

16

11,= 810

16

13,= 810

16

13,= 560

16

9,=

b Fig. 4.17,a şi b. Exemplu de evaluare grosieră, aplicată unui număr de cinci soluţii

(variante conceptuale) ale unui excitator axial (prelucrare după Pahl şi Beitz [16]): a) Matricea de evaluare tehnică şi b) Matricea de evaluare economică.

125

131

I. II. III. IV. V. Solution

Technical

criteria

1. Small

perturbations of the

coupling

kinematics

3 4 4 4 3

2. Simple setting

into service 3 4 4 4 3

3. Easy change of

the coupling 4 3 4 4 4

4. Functional safety 2 4 3 3 3 5. Simple

construction 2 2 2 2 3

Total 14 17 17 17 16

20

TotalRt = 70

20

14,= 850

20

17,= 850

20

17,= 850

20

17,= 80

20

16,=

a

I. II. III. IV. V. Solution

Economic

criteria

1. Reduced

materials costs 2 3 4 4 2

2. Reduced

reassembling

costs

2 1 3 3 3

3. Short testing

time 2 4 3 3 2

4. The

possibility of

manufacturing

in the own

workshop

3 3 3 3 2

Total 9 11 13 13 9

16

TotalRe = 560

16

9,= 690

16

11,= 810

16

13,= 810

16

13,= 560

16

9,=

b Fig. 4.17,a and b. Example of rough evaluation, applied to a number of five solutions (conceptual

variants) referring to an axial exciter (adapted after Pahl and Beitz [16]): a) The matrix of technical evaluation and b) The matrix of economical evaluation.

126

131

Uzuri reduse ale

părţilor mobile

Wk1111 = 0,056

W1111 = 0,2

Sensibilitate

redusă la vibraţii

Wk1112 = 0,14

W1112 = 0,5

Puţini factori

perturbatori

Wk1113 = 0,084

W1113 = 0,3

&umăr mic de

componente

Wk1311 = 0,03

W1311 = 0,5

Complexitate

redusă a

componentelor

Wk1312 = 0,012

W1312 = 0,2

Multe părţi sunt

normalizate şi se

pot cumpăra

Wk1313 = 0,018

W1313 = 0,3

Schimbare rapidă

a legăturilor la

testare

Wk1421 = 0,084

W1421 = 0,6

Buna accesibi-

litate a sisteme-

lor de măsură.

Wk1422 = 0,056

W1422 = 0,4

Reproductibilitate bună a curbei

cuplu-timp

Wk111 = 0,28

W111 = 0,7

Toleranţa la

supraîncarcare

Wk112 = 0,12

Wk112 = 0,3

Siguranţă

mecanică înaltă

Wk121 = 0,21

W121 = 0,7

Puţine erori

posibile de

operare

Wk122 = 0,09

W122 = 0,3

Fabricare simplă a componentelor

Wk131 = 0,06

W131 = 0,6

Asamblare

simplă

Wk132 = 0,04

W132 = 0,4

Intreţinere

simplă

Wk141 = 0,06

W141 = 0,3

Manipulare simplă

Wk142 = 0,14

Wk142 = 0,7

Funcţionare sigură

Wk11 = 0,4

W11 = 0,4

Siguranţă înaltă

Wk12 = 0,3

W12 = 0,3

Fabricare simplă

Wk13 = 0,1

W13 = 0,1

Caracteristici funcţionale bune

Wk14 = 0,2

W14 = 0,2

Mecanism de testat simplu şi

sigur

Wk1 = 1

W1 = 1

Wi

0,056

0,14

0,084 0,12 0,21

0,09 0,03

0,012

0,018

0,04 0,06

0,084

0,056

∑=1 Fig. 4.17,c. Arborele obiectivelor (secundare) pentru produsul de tip excitator axial (prelucrare după Pahl şi Beitz [16]).

<ivel 1

<ivel 4 <ivel 3 <ivel 2

c

127

131

Reduced wears of

the mobile parts

Wk1111 = 0,056

W1111 = 0,2

Reduced

sensibility to

vibrations Wk1112 =

0,14

W1112 = 0,5

A few disturbing

factors

Wk1113 = 0,084

W1113 = 0,3

Small number of

components

Wk1311 = 0,03

W1311 = 0,5

Reduced

complexity of

components

Wk1312 = 0,012

W1312 = 0,2

Many parts are

standardized and

can be bought

Wk1313 = 0,018

W1313 = 0,3

Fast changing of

links while testing

Wk1421 = 0,084

W1421 = 0,6

Good accesibility

of the measu-

rement system

Wk1422 = 0,056

W1422 = 0,4

Good repro-ducibility of the

curve couple-time

Wk111 = 0,28

W111 = 0,7

Tolerance at

overloading

Wk112 = 0,12

Wk112 = 0,3

High mechanical

safety

Wk121 = 0,21

W121 = 0,7

A few possible

operating errors

Wk122 = 0,09

W122 = 0,3

Simple manufacturing of

components

Wk131 = 0,06

W131 = 0,6

Simple

assembling

Wk132 = 0,04

W132 = 0,4

Simple

maintenance

Wk141 = 0,06

W141 = 0,3

Simple manipulation

Wk142 = 0,14

Wk142 = 0,7

Safe working

Wk11 = 0,4

W11 = 0,4

High safety

Wk12 = 0,3

W12 = 0,3

Simple manufacturing

Wk13 = 0,1

W13 = 0,1

Good functional characteristics

Wk14 = 0,2

W14 = 0,2

Simple and safe testing

mechanism

Wk1 = 1

W1 = 1

Wi

0,056

0,14

0,084 0,12 0,21

0,09 0,03

0,012

0,018

0,04 0,06

0,084

0,056

∑=1

Fig. 4.17,c. The (secondary) objectives tree for a product of type axial exciter (adapted after Pahl and Beitz [16]).

Level 1

Level 4 Level 3 Level 2

c

128

131

Pentru cele trei soluţii reţinute (IV, III şi II, v. fig. 4.17,a şi b), în continuare se efectuează o evaluare fină, bazată pe analiza valorii [8, 9, 16].

În această evaluare, obiectivele secundare de natură tehnică (formulate cu ajutorul listei de cerinţe) sunt diferenţiate, pe diverse niveluri, cu ajutorul unei scheme denumită arborele obiectivelor.

În cazul excitatorului axial (considerat ca exemplu), din lista de cerinţe se obţine arborele cu patru niveluri din fig. 4.17,c (prelucrare după Pahl şi Beitz [16]); din aceste obiective, numai cele de nivel maxim devin apoi criterii de evaluare. Cu ajutorul acestui arbore, se determină, mai departe, coeficienţii de pondere (importanţă) ai criteriilor de evaluare.

Conform fig. 4.17,c, fiecărui obiectiv i se asociază doi coeficienţi de pondere:

- primul coeficient (notat W1,J,W1422) se referă la ponderea obiectivului, în raport cu obiectivele din aceeaşi filiaţie (de acelaşi nivel şi cu acelaşi obiectiv-părinte); evident, suma coeficienţilor primari, ai obiectivelor de aceeaşi filiaţie, este egală cu unitatea;

- coeficientul secund (notat Wk1,J,Wk1422) se referă la ponderea obiectivului, în raport cu obiectivele de pe acelaşi nivel; aceasta înseamnă că, pe orice nivel, suma coeficienţilor secunzi este egală cu unitatea.

Primul coeficient de pondere (al oricărui obiectiv) este desemnat de echipa de proiectare, prin comparaţie cu celelalte obiective din aceeaşi filiaţie. Coeficientul secund modelează importanţa globală a obiectivului şi se calculează ca produs dintre primul coeficient al obiectivului considerat şi coeficientul secund al obiectivului-părinte (de examplu: Wk111= W111Wk11= 0,7x0,4 = 0,28, v. fig. 4.17,c).

Liniile întrerupte din fig. 4.17,c indică faptul că obiectivele fără filiaţie (fără obiective-fii) se regăsesc neschimbate în toate nivelurile de ordin superior, implicit şi în cel de nivel maxim.

Obiectivele de pe nivelul maxim sunt considerate, mai departe, criterii de evaluare şi pentru a fi mai uşor de recunoscut sunt scrise italic; coeficienţi de pondere Wi ai acestor criterii sunt descrişi prin coeficienţii secunzi (stabiliţi anterior) care s-au scris cu litere groase (bold).

Further, for the three solutions that were kept (IV, III and II, see Fig. 4.17,a and b), it is made a fine evaluation, based on the value analysis [8, 9, 16].

In this evaluation, the secondary objectives of technical nature (formulated by means of the requirements’ list) are differentiated, on different levels, by means of a scheme called the objectives’ tree.

In the case of axial exciter, the tree with four levels from Fig. 4.17,c (adapted after Pahl and Beitz [16]) is obtained from the requirements’ list; from these objectives, only those of maximum level (here level 4) become evaluation criteria. Further, by means of this tree, there are established the coefficients of weight (importance) of the evaluation criteria.

According to Fig. 4.17,c, two coefficients of weight are associated to each objective:

- The first coefficient (denoted W1,N,W1422) is referring to the objective weight, with respect to the objectives from the same filiation (of the same level and with the same parent-objective); obviously, the sum of the primary coefficients of the objectives from the same filiation is always equal to 1;

- The second coefficient (denoted Wk1,N, Wk1422) is referring to the objective weight with respect to the objectives from the same level; this means that, on any level, the sum of the secondary coefficients is always equal to 1.

The first weight coefficient (of any objective) is designated by the design team, relating to the other objectives from the same filiation. The second coefficient models the global importance of the objective and is calculated as the product between the first coefficient of the considered objective and the second coefficient of the parent-objective (for example: Wk111 = W111 Wk11= 0,7x0,4 = 0,28, see Fig. 4.17,c).

The dashed lines from Fig. 4.17,c indicate that the objectives without filiation (without son-objectives) are found unchanged on all the levels of superior order and implicitly, in the maximum level, as well.

Further, the objectives from the maximum level (see Fig. 4.17,c) are considered as evaluation criteria and are written italic in order to be easier recognized; the coefficients of weight Wi of these criteria are described through the second coefficients (previously established) which were written bold.

129

131

Pe baza criteriilor şi coeficienţilor de pondere stabiliţi cu ajutorul fig. 4.17,c, în fig. 4.18 sunt evaluate mai departe soluţiile II, III şi IV, selectate în faza anterioară (fig. 4.17,a şi b). Conform fig. 4.18 (prelucrată după Pahl şi Beitz [16]), în prima coloană sunt ordonate criteriile de evaluare şi coeficienţii de pondere ai acestora Wi; în coloana alăturată sunt precizaţi parametrii caracteristici ai criteriilor utilizate şi unităţile de măsură aferente.

Coloana fiecăreia dintre soluţiile analizate (II, III şi IV) este divizată în trei subcoloane:

- în prima subcoloană sunt înscrise datele cantitative şi/sau calitative ale parametrilor caracteristici realizaţi de soluţia considerată;

- în subcoloana secundă se apreciază modul în care soluţia analizată îndeplineşte fiecare criteriu, pe baza unei note Ni, pe o scară de la 1 la 10;

- în subcoloana terţă este calculată nota ponderată, ca produs dintre nota din subcoloana secundă Ni şi coeficientul de pondere Wi.

Cu suma notelor obţinute, de fiecare soluţie, se calculează rata de evaluare a soluţiei Rk, specifică evaluării de tip grosier (v. şi fig. 4.17,a şi b):

Rk = (ΣNi)/(10n), k = 2 (pentru soluţia II), 3 (pentru soluţia III), 4 (pentru soluţia IV), n = 13 criterii.

Pentru evaluarea fină, se însumează notele ponderate şi se determină rata ponderată a soluţiei (fig. 4.18):

WRk = (Σ Wi.Ni)/10, k = II, III, IV.

Comparaţia dintre mărimile Rk şi WRk evidenţiază efectul diferenţierii dintre criterii, prin intermediul coeficienţilor de pondere.

Deşi în evaluarea grosieră, din fig. 4.16, soluţiile IV şi III se aflau la „egalitate“ pe primul loc, în evaluarea fină, primul loc este ocupat de soluţia II, urmată la mică diferenţă de soluţia III. Această fluctuaţie de locuri scoate în evidenţă importanţa care trebuie acordată în elaborarea criteriilor de evaluare.

On the basis of the criteria and the coefficients of weight that were established using Fig. 4.17,c, in Fig. 4.18 there are further evaluated the solutions II, III and IV, selected in the previous phase (Fig. 4.17, a and b). According to Fig. 4.18 (adapted after Pahl and Beitz [16]), the evaluation criteria and their coefficients of weight Wi are ordered in the first column; in the adjoining column there are specified the characteristic parameters of the used criteria and their units of measurement.

The column of each from the analyzed solutions (II, III and IV) is divided into three sub-columns:

- In the first sub-column there are written the quantitative and/or qualitative data of the characteristic parameters obtained by the considered solution;

- In the second sub-column it is appreciated the way in which the analyzed solution fulfills each criterion, based on a grade Ni, on a scale from 1 to 10;

- In the third sub-column it is calculated the weighted grade, as the product between the grade from the second sub-column Ni and the coefficient of weight Wi.

Then, the evaluation rate of the solution Rk, which is specific to the rough evaluation, is calculated as the sum of the obtained grades (see Fig. 4.17,a and b):

Rk = (ΣNi)/(10n), k = 2 (for solution II), 3 (for solution III), 4 (for solution IV), n = 13 criteria.

For the fine evaluation, the weighted grades are summed into the solution weighted rate (Fig. 4.18):

WRk = (Σ Wi.Ni)/10, k = 2, 3, 4.

The comparison between the quantities Rk and WRk highlights the effect of differentiation between criteria, through the weight coefficients.

Although, in the rough evaluation from Fig. 4.16, the solutions IV and III were on the first place, in the fine evaluation, the first place is occupied by solution II, followed at a small difference, by solution III. This fluctuation of places highlights the importance that must be conferred in elaborating the evaluation criteria.

130

131

Nr

W

i

U

M

Măr

ime

ot

ă <

i

ot

ă p

ond

erat

ă W

i. <i

Măr

ime

ot

ă <

i

ot

ă p

ond

erat

ă W

i. <i

Măr

ime

ot

ă <

i

ot

ă p

ond

erat

ă W

i. <i

1

Uzu

ri r

edus

e al

e pă

rţil

or

mob

ile

0,0

56

U

zură

-

redu

să

6 0,

336

med

ie

4 0,

224

redu

să

6 0,

336

2

Sen

sibi

lita

te r

edus

ă la

vi

braţ

ii

0,1

4

Fre

cven

ţa

natu

rală

s-1

23

70

7 0,

980

2370

7

0,98

0 <

410

2

0,28

0

3

Puţ

ini f

acto

ri

pert

urba

tori

0

,08

4

Per

turb

aţii

-

redu

să

7 0,

588

redu

să

6 0,

504

(med

ie)

4 0,

336

4

Tol

eran

ţa la

su

praî

ncar

care

0

,12

R

ezer

vă

supr

asar

cină

%

10

7

0,84

0 10

7

0,84

0 20

8

0,96

0

5

Sig

uran

ţă m

ecan

ică

înal

tă

0,2

1

Sig

uran

ţa m

eca-

nică

aşt

epta

tă

- ri

dica

tă

7 1,

470

ridi

cată

7

1,47

0 fo

arte

ri

dica

tă

8 1,

680

6

Puţ

ine

eror

i pos

ibil

e de

op

erar

e 0

,09

O

pera

re c

u po

sibi

le e

rori

-

redu

să

7 0,

630

redu

să

6 0,

540

med

ie

4 0,

360

7

Num

ăr m

ic d

e co

mpo

nent

e 0

,03

N

r. d

e co

mpo

nent

e -

med

ie

4 0,

120

med

ie

4 0,

120

redu

să

6 0,

180

8

Com

plex

itat

e re

dusă

a

com

pone

ntel

or

0,0

12

C

ompl

exit

atea

co

mpo

nent

elor

-

redu

să

7 0,

084

med

ie

5 0,

060

ridi

cată

3

0,03

6

9

Mul

te p

ărţi

sun

t nor

ma-

liza

te ş

i se

pot c

umpă

ra

0,0

18

Pr

opor

ţia c

omp.

tip

izat

e şi

cu

mpă

rate

- m

edie

6

0,10

8 m

edie

6

0,10

8 ri

dica

tă

8 0,

144

10

A

sam

blar

e si

mpl

ă 0

,04

S

impl

itat

ea

mon

tări

i -

med

ie

5 0,

200

med

ie

5 0,

200

ridi

cată

7

0,28

0

11

In

treţ

iner

e si

mpl

ă 0

,06

T

impu

l şi c

ostu

l în

treţ

iner

ii

- re

dusă

8

0,48

0 re

dusă

7

0,42

0 ri

dica

tă

3 0,

180

12

Sc

him

bare

rapi

dă a

le

gătu

rilo

r la

test

are

0,0

84

T

impu

l est

imat

pe

ntru

sch

imba

-re

a co

nexi

unil

or

la te

star

e

min

12

0 7

0,58

8 12

0 7

0,58

8 18

0 4

0,33

6

13

B

una

acce

sibi

lita

te a

si

stem

elor

de

mas

ură

0,0

56

A

cces

ibil

itat

ea

sist

. de

măs

urar

e -

bună

7

0,39

2 bu

nă

7 0,

392

med

ie

5 0,

280

T

otal

85

6,

816

Tot

al

78

6,44

6 T

otal

68

5,

388

n =

13

∑ =

1

R2=

0,6

5 W

R2=

0,68

R3=

0,6

0 W

R3=

0,64

R4=

0,5

2 W

R4=

0,54

<im

ax

= 1

0;

Rk

= (

∑<

i )/(

10

n);

WR

= (

∑ W

i. <i)

/10

F

ig.

4.1

8.

Eva

lua

rea

fin

ă (

prin

no

tare

po

nd

era

tă)

a so

luţi

ilor

II,

III

şi

IV (

din

4.17

,a ş

i b)

, pe

baz

a cr

iter

iilo

r şi

coe

fici

enţi

lor

de p

onde

re W

i rez

ulta

ţi d

in

fig.

4.1

7,c

(pre

lucr

are

după

Pa

hl

şi B

eitz

[16

]).

Cri

teri

ul

de

evalu

are

P

ara

met

ri

So

luţi

a I

I S

oluţ

ia I

II

Sol

uţia

IV

130

131

131

No

W

i

U

M

Qu

anti

ty

ot

e <

i

Wei

ghte

d

grad

e W

i. <i

Qu

anti

ty

ot

e <

i

Wei

ghte

d gr

ade

Wi. <

i Q

uan

tity

ote

<i

Wei

ghte

d

grad

e W

i. <i

1

Red

uced

wea

rs o

f th

e m

obil

e pa

rts

0,0

56

W

ear

-

redu

ced

6 0,

336

med

ium

4

0,22

4 re

duce

d 6

0,33

6

2

Red

uced

sen

sibi

lity

at

vibr

atio

ns

0,1

4

Nat

ural

fr

eque

ncy

s-1

2370

7

0,98

0 23

70

7 0,

980

< 4

10

2 0,

280

3

A f

ew d

istu

rbin

g fa

ctor

s 0

,08

4

Per

turb

atio

ns

- re

duce

d 7

0,58

8 re

duce

d 6

0,50

4 (m

ediu

m)

4 0,

336

4

Tol

eran

ce to

ov

erlo

adin

g 0

,12

D

epos

it

over

load

%

10

7

0,84

0 10

7

0,84

0 20

8

0,96

0

5

Hig

h m

echa

nica

l saf

ety

0,2

1

The

exp

ecte

d m

echa

nica

l sa

fety

- hi

gh

7 1,

470

high

7

1,47

0 V

ery

high

8

1,68

0

6

A f

ew p

ossi

ble

oper

atin

g er

rors

0

,09

O

pera

tion

wit

h po

ssib

le e

rror

s -

redu

ced

7 0,

630

redu

ced

6 0,

540

med

ium

4

0,36

0

7

Sm

all n

umbe

r of

co

mpo

nent

s 0

,03

N

o. o

f co

mpo

nent

s -

med

ium

4

0,12

0 m

ediu

m

4 0,

120

redu

ced

6 0,

180

8

Red

uced

com

pone

nts

com

plex

ity

0,0

12

C

ompo

nent

s co

mpl

exit

y -

redu

ced

7 0,

084

med

ium

5

0,06

0 hi

gh

3 0,

036

9

Man

y pa

rts

are

stan

dard

ized

and

can

be

boug

ht

0,0

18

T

he p

ropo

rtio

n of

st

anda

rd ty

pe a

nd

boug

ht c

omp.

- m

ediu

m

6 0,

108

med

ium

6

0,10

8 hi

gh

8 0,

144

10

S

impl

e as

sem

blin

g 0

,04

S

impl

icit

y of

as

sem

blag

e -

med

ium

5

0,20

0 m

ediu

m

5 0,

200

high

7

0,28

0

11

S

impl

e m

aint

enan

ce

0,0

6

Mai

nten

ance

ti

me

and

cost

-

redu

ced

8 0,

480

redu

ced

7 0,

420

high

3

0,18

0

12

Fa

st c

hang

e of

test

ing

links

0

,08

4

The

est

imat

ed

tim

e fo

r ch

angi

ng th

e co

nnec

tion

s w

hile

test

ing

min

12

0 7

0,58

8 12

0 7

0,58

8 18

0 4

0,33

6

13

G

ood

acce

ssib

ilit

y of

th

e m

easu

rem

ent

syst

ems

0,0

56

A

cces

sibi

lity

m

easu

rem

ent

syst

em

- go

od

7 0,

392

good

7

0,39

2 m

ediu

m

5 0,

280

T

otal

85

6,

816

Tot

al

78

6,44

6 T

otal

68

5,

388

n =

13

∑ =

1

R2=

0,6

5 W

R2=

0,68

R3=

0,6

0 W

R3=

0,64

R4=

0,5

2 W

R4=

0,54

<im

ax =

10

; R

k =

(∑

<i )

/(1

0n

); W

R =

(∑

Wi. <

i)/1

0

Fig

. 4

.18

. T

he f

ine

eva

lua

tio

n (

by w

eig

hte

d g

rad

ing

) of

sol

utio

ns I

I, I

II a

nd I

V (

from

4.1

7,a

şi b

), b

ased

on

the

crit

eria

and

wei

ght

coef

fici

ents

Wi r

esul

ted

from

Fig

. 4.1

7,c

(ada

pted

aft

er P

ah

l an

d B

eitz

[16

]).

Eva

lua

tion

cri

teri

on

P

ara

met

ers

So

luti

on

II

Sol

utio

n II

I S

olut

ion

IV

132

131

Deoarece soluţiile II şi III au rate ponderate de valori apropiate, ambele pot fi declarate ca soluţii de principiu. 4.4.3. Evaluarea soluţiilor în literatura de limbă engleză În literatura de limbă engleză, cea mai larg utilizată metodă de evaluare grosieră, cunoscută şi sub denumirea de cernere, se referă la matricea de evaluare de tip Pugh [17].

Pentru exemplificare, în fig. 4.19 este ilustrată o astfel de matrice (adaptată după Pugh [17]), destinată selectării celor mai potrivite profile, în raport cu şase criterii: A,A,F. Selectarea porneşte de la 10 soluţii de profile, care sunt comparate cu un profil de referinţă.

Dacă un profil satisface un anumit criteriu mai bine decât profilul de referinţă, acel profil primeşte nota plus (+) pentru criteriu considerat (fig. 4.19); în caz contrar, primeşte nota minus (-); dacă profilul îndeplineşte criteriul considerat la fel ca profilul de referinţă, atunci profilul analizat primeşte nota I (idem).

Pe baza acestor note, se determină apoi sumele obţinute de fiecare variantă: Σ +, Σ - şi ΣI; cu ajutorul acestor sume, se poate efectua ordonarea soluţiilor.

Conform rezultatelor din fig. 4.19, pot fi selectate soluţiile: nr. 3 (locul 1), nr. 8 la

Because solutions II and III have weighted rates of close values, both can be declared as principle solutions. 4.4.3. Solutions’ Evaluation in English Literature In the English literature, the most used method of rough evaluation, known as screening, is referring to the evaluation matrix of Pugh type [17].

For example, in Fig. 4.19 it is illustrated such a matrix (adapted after Pugh [17]), which is meant to select the most appropriate profiles, with respect to the six criteria: A,N,F. The selection starts from the 10 solutions of profiles, which are compared with a reference profile.

If a profile satisfies a certain criterion better than the reference profile, that profile gets a plus (+) for the considered criterion (Fig. 4.19); on contrary, it gets a minus (-); if the profile fulfills the considered criterion exactly like the reference profile, then the analyzed profile gets an I (idem).

Then, on the basis of these grades, there are established the sums obtained by each variant: Σ +, Σ - and Σ I; by means of these sums, it can be made the solutions ordering.

According to the results from Fig. 4.19, there can be selected the solutions: no. 3

Solutions

Soluţii

Criterii Criteria

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

A + - + - + - - + - + B + I + I - - + - + - C - + - - I I + I - - D - + + - I + I - - I E + - + - I + I + + + F - - I + + - + - + I

∑+ 3 2 4 1 2 2 3 2 4 2

∑− 3 3 1 4 1 3 1 3 2 2

∑ I 0 1 1 1 3 1

R R E E F F E E R R I E N N Ţ C Ă E

2 1 0 2

Fig. 4.19. Exemplu de evaluare grosieră (cernere), cu ajutorul matricei de evaluare de tip Pugh (prelucrare după Pugh [17]). Fig. 4.19. Example of rough evaluation (screening), by means of the evaluation matrix of Pugh type (adapted after Pugh [17]).

133

131

„egalitate“ cu nr. 10 (locul 2), nr. 5 (locul 3) şi nr.11 la „egalitate“ cu nr.1 (locul 4).

Dacă se consideră că I = 0 şi (+) + (-) = 0, calculul se poate simplifica, prin obţinerea unei sume globale/soluţie.

Un alt exemplu intuitiv (prelucrat după Ulrich şi Eppinger [19]) este reprezentat în fig. 4.20 şi se referă la un număr iniţial de 7 soluţii (variante conceptuale) de seringi medicale: A,N,G şi la 7 criterii de evaluare. În schema a, din fig. 4.20, sunt evidenţiate grafic efectele celor două faze de evaluare: cernerea (evaluarea grosieră) şi notarea ponderată (evaluarea fină).

Cernerea (în varianta de tip Pugh) este detaliată în fig. 4.20,b, iar notarea ponderată, în fig. 4.20,c (în premisa cunoaşterii coeficienţilor de pondere).

În cernerea din fig. 4.20,b, ordonarea soluţiilor (în care este inclusă şi varianta de referinţă) s-a efectuat pe baza sumei globale; din rezultatele obţinute a decurs următoarea decizie:

Continuă mai departe soluţiile A şi E (situate pe locurile 1 şi respectiv 2), se combină soluţiile D şi F (aflate pe locul 3) şi se revizuieşte soluţia G (aflată, de asemenea, pe locul 3).

Cele patru soluţii selectate în urma cernerii (A, DF, E şi G+) sunt evaluate, mai departe, pe baza notării ponderate; procedeul de lucru este analog cu cel aplicat în fig. 4.18, cu diferenţa că scara de notare are valori între 1 şi 5.

Din ordonarea soluţiilor, pe baza sumei notelor ponderate (fig. 4.20,c), rezultă că soluţia (varianta conceptuală) DF desemnează soluţia conceptuală căutată. 4.4.4. Despre cele două variante de evaluare fină. Formula FRISCO Comparaţia dintre cele 2 modalităţi de evaluare fină, prezentate anterior, (vezi fig. 4.17, fig. 4.18 şi fig. 4.20,c) arată că acestea sunt în principiu asemănătoare; în ambele abordări se disting trei faze:

a) Se stabilesc criteriile de evaluare şi coeficienţii de pondere ai acestora;

(place 1), no. 8 equal to no. 10 (place 2), no. 5 (place 3) and no.11 equal to no.1 (place 4).

If it is considered that I = 0 and (+) + (-) = 0, the calculus can be simplified by obtaining a global sum/solution.

Another intuitive example (adapted after Ulrich and Eppinger [19]) is represented in Fig. 4.20 and is referring to an initial number of 7 solutions (conceptual variants) of syringes: A,N,G and to 7 evaluation criteria. In the scheme a from Fig. 4.20 are graphically highlighted the effects of the two evaluation phases: screening (rough evaluation) and weighted grading (fine evaluation).

The screening (in the variant of Pugh type) is detailed in Fig. 4.20,b, and the weighted grading, in Fig. 4.20,c (in the premise of knowing the weight coefficients).

In the screening from Fig. 4.20,b, the solutions ordering (in which it is also enclosed the reference variant) was made on the basis of the global sum; the following decision derived from the obtained results:

Continue further with the solutions A and E (situated on places 1 and 2), solutions D and F (from the third place) are combined and solution G (also from the third place) is revised.

The 4 solutions, selected after screening (A, DF, E and G+), are further evaluated on the basis of the weighted grading ; the working procedure is analogue to the one applied in Fig. 4.18, with the difference that the grading scale has values between 1 and 5.

From the solutions ordering, based on the sum of weighted grades (Fig. 4.20,c), it results that the solution (conceptual variant) DF designates the searched conceptual solution. 4.4.4. On the two fine evaluation variants. The FRISCO formula The comparison between the 2 methods of fine evaluation that were previously presented (see Fig. 4.17, Fig. 4.18 and Fig. 4.20,c) shows that, in principle, they are similar; three phases are highlighted in both approaches:

a) There are established the evaluation criteria and their coefficients of weight;

134

131 a

Generarea

soluţiilor

Cernerea soluţiilor

&otarea ponderată a soluţiilor

A l e g e r e a c o n c e p t u l u i

Soluţii (variante conceptuale) Criterii A B C D

(referinţă)

E F G

1. Uşurinţa manevrării 0 0 - 0 0 - - 2. Uşurinţa utilizării 0 - - 0 0 + 0 3. Uşurinţa citirii 0 0 + 0 + 0 + 4. Precizia dozajului 0 0 0 0 - 0 0 5. Durabilitate 0 0 0 0 0 + 0 6. Uşurinţa fabricării + - - 0 0 - 0 7. Portabilitate + + 0 0 + 0 0 Sumă de + Sumă de 0 Sumă de -

2 5 0

1 4 2

1 3 3

0 7 0

2 4 1

2 3 2

1 5 1

Suma globală 2 -1 -2 0 1 0 0 Locul 1 6 7 3 2 3 3

Continuă? Da Nu Nu Combinare Da Combinare Revizuire

b

Soluţii (variante conceptuale) selectate prin cernere

A DF E G + Criterii

Coef. de

pondere Notă

Notă ponderată

Notă Notă

ponderată Notă

Notă ponderată

Notă Notă

ponderată

1. 5% 3 0.15 3 0.15 4 0.2 4 0.2

2. 15% 3 0.45 4 0.6 4 0.6 3 0.45

3. 10% 3 0.3 3 0.3 5 0.5 5 0.5

4. 25% 3 0.75 3 0.75 2 0.5 3 0.75

5. 15% 3 0.45 5 0.75 4 0.6 3 0.45

6. 20% 3 0.6 3 0.6 2 0.4 2 0.4

7. 10% 3 0.3 3 0.3 3 0.3 3 0.3 TOTAL: 3.00 TOTAL: 3.45 TOTAL: 3.10 TOTAL: 3.05

Locul 4 1 2 3 Continuă? Nu (DA) Dezvoltare Nu Nu

c

Fig. 4.20. Exemplu de evaluare grosieră (cernere) şi evaluare fină (notare ponderată) aplicate unor variante conceptuale ale unei seringi medicale (adaptare după Ulrich şi Eppinger [19]).

135

131

a

Solutions generation

Solutions screening

Weighted grading of solutions

C h o s e o f c o n c e p t

Solutions (conceptual variants) Criteria A B C D

(reference)

E F G

1. Easiness of operation

0 0 - 0 0 - -

2. Easiness of using 0 - - 0 0 + 0 3. Easiness of reading 0 0 + 0 + 0 + 4. Accuracy of dosage 0 0 0 0 - 0 0 5. Durability 0 0 0 0 0 + 0 6. Easiness of manufacture

+ - - 0 0 - 0

7. Portability + + 0 0 + 0 0 Sum of + Sum of 0 Sum of -

2 5 0

1 4 2

1 3 3

0 7 0

2 4 1

2 3 2

1 5 1

Global sum 2 -1 -2 0 1 0 0 Place 1 6 7 3 2 3 3

Continues? Yes No No Combination Yes Combination Revision

b

Solutions (conceptual variants) selected by screening

A DF E G + Criteria

Coef. of

weight Note

Weighted grade

Note Weighted

grade Note

Weighted grade

Note Weighted

grade

1. 5% 3 0.15 3 0.15 4 0.2 4 0.2

2. 15% 3 0.45 4 0.6 4 0.6 3 0.45

3. 10% 3 0.3 3 0.3 5 0.5 5 0.5

4. 25% 3 0.75 3 0.75 2 0.5 3 0.75

5. 15% 3 0.45 5 0.75 4 0.6 3 0.45

6. 20% 3 0.6 3 0.6 2 0.4 2 0.4

7. 10% 3 0.3 3 0.3 3 0.3 3 0.3 TOTAL: 3.00 TOTAL: 3.45 TOTAL: 3.10 TOTAL: 3.05

Place 4 1 2 3 Continues? No (YES)Development No No

c

Fig. 4.20. Example of rough evaluation (screening) and fine evaluation (weighted grading) applied to some conceptual variants of a syringe (adapted after Ulrich and Eppinger [19]).

136

131

b) La fiecare soluţie (variantă conceptuală), se apreciază, printr-o notă (pe o scară convenabilă), modul în care sunt îndeplinite fiecare dintre criteriile de evaluare; se calculează apoi notele ponderate, ca produs între fiecare notă acordată şi coeficientul de pondere al criteriului aferent.

c) Se însumează notele ponderate ale fiecărei soluţii şi se ordonează valoric soluţiile analizate, pe baza sumelor (punctajelor) obţinute.

Diferenţele semnificative dintre cele două abordări se referă, cu precădere, la prima fază. Rezolvarea acestei faze, prin metoda germană (bazată pe arborele de obiective) este precisă, dar laborioasă (incumbă un volum relativ mare de lucru).

La celălalt tip de abordare (v. fig. 4.20), rezolvarea primei faze este, de regulă, intuitivă şi sumară; se presupune, probabil, că pentru determinarea coeficienţilor de pondere există metode matematice de calcul.

Dintre procedeele matematice, existente în literatură, pentru calculul simplificat al coeficienţilor de pondere, în continuare se prezintă o variantă empirică, bazată pe formula FRISCO [21]. Pentru intuitivitate, prezentarea este efectuată pe un exemplu (fig. 4.21):

Sunt date trei variante conceptuale ale unui produs (I, II şi III) şi n = 4 criterii de evaluare: a > b > c > d (notaţia > înseamnă: mai important decât).

Se cere să se determine coeficienţii de pondere ai criteriilor a, b, c şi d şi să se ordoneze valoric variantele I, II şi III.

Rezolvare: Cu ajutorul matricei n × n = 4 × 4 din fig. 4.21,a, se determină mai întâi punctajul Pk şi apoi locul Lk al fiecărui criteriu „k“ (k = 1, 2, 3, 4).

În matricea din fig. 4.21,a se operează pe linie, după următoarele reguli :

1°. Criteriul de pe linia „k“ (k =1,2,3,4) se compară, cu fiecare dintre criteriile date, primind următoarele note:

0 – dacă este mai puţin important (decât criteriul cu care este comparat),

0,5 – dacă este tot atât de important şi

b) For each solution (conceptual variant), it is appreciated the way in which there are fulfilled each of the evaluation criteria through a grade (on a convenient scale); then, it is calculated the weighted grades as the product between the conferred grade and the afferent criterion weight coefficient.

c) The weighted grades of each solution are summed and the analyzed solutions are ordered on the basis of the obtained sums (score).

The significant differences between the two approaches are referring mainly to the first phase. This phase solving, through the German method (based on the objectives tree), is accurate but laborious (needs a relatively big volume of work).

As a rule, in the other approach (see Fig. 4.20), the first phase is solved intuitively and sketchy; it is supposed probably that there are mathematical methods of calculus for establishing the coefficients of weight.

Among the mathematical procedures that can be found in the technical literature for the simplified calculus of the weight coefficients, further it is presented the empiric variant, based on the FRISCO formula [21]. For intuitiveness, the presentation is made on an example (Fig. 4.21):

There are given three conceptual variants of a product (I, II and III) and n = 4 evaluation criteria: a > b > c > d (the notation > means: more important than).

It is required to establish the weight coefficients of the criteria a, b, c and d and to order the variants I, II and III using their value.

Solution: Firstly, by means of the matrix n × n = 4 × 4 from Fig. 4.21,a, it is established the score Pk and then, the place Lk for each criterion „k“ (k = 1, 2, 3, 4).

On the rows of the matrix from Fig. 4.21,a it is operated following the rules:

1°. The criterion from row „k“ (k =1,2,3,4) is compared to each of the given criteria, receiving the following grades:

0 – if it is less important (than the criterion with which it is compared),

0,5 – if it has the same importance and

137

131

1 – dacă este mai important (decât criteriul cu care este comparat).

2°. Se calculează punctajul criteriului de pe linia „k“ (Pk) prin însumarea notelor de pe acea linie (k = 1,2,3,4); de exemplu, pentru k=2 (criteriul b): Pk= 0+0,5+1+1= 2,5.

3°. Se stabilesc locurile de ordine ale celor n = 4 criterii (Lk = 1, 2, 3, 4), prin compararea punctajelor obţinute; pe baza acestei ordonări, se determină apoi mărimea Sk, care desemnează numărul criteriilor ale căror punctaje sunt inferioare criteriului curent k; de exemplu, comparativ cu criteriul b (care are nota Pk = 2,5), există două criterii Sk= 2 cu note mai mici: criteriul c (cu Pk=1,5) şi d (cu Pk=0,5).

Se pot determina acum, cu ajutorul formulei FRISCO, atât valorile absolute (Wk) ale coeficienţilor de pondere (v. fig.4.21,a):

Wk = (2Pk- Pmin+Sk+0,5)/(0,5n+Pmax-Pk); Pmax = max(Pk, k = 1 Nn); Pmin = min(Pk, k = 1 Nn);

cât şi valorile relative (wk) ale acestora:

wk = Wk/(ΣWk), k = 1,N,n.

Conform matricei din fig. 4.21,b, pe baza rezultatelor obţinute anterior, se efectuează următoarele operaţii:

- se apreciază, mai întâi, cu note Nk (de la 1 la 10), modul în care este îndeplinit fiecare criteriu, de către fiecare variantă conceptuală (I, II şi III);

- se calculează apoi notele ponderate, ca produs între nota Nk şi coeficientul relativ de pondere wk aferent;

- se determină punctajul fiecărei variante conceptuale, prin însumarea notelor ponderate proprii;

- se stabilesc locurile de ordine ale variantelor conceptuale, comparând punctajele obţinute.

Comparativ cu abordarea germană (v. fig. 4.17 şi 4.18), abordările de tipul celei din fig. 4.21 sunt relativ mai simple, dar şi mai puţin precise.

Datorită simplităţii, metodele de acest tip (v. fig. 4.21) pot fi direct aplicate, chiar şi în cazurile în care numărul soluţiilor (variante conceptuale) este relativ mare.

1 – if is more important (than the criterion with which it is compared).

2°. It is calculated the score of the criterion from row „k“ (Pk) by summing the grades from that row (k = 1,2,3,4); for example, for k=2 (the criterion b): Pk= 0+0,5+1+1= 2,5.

3°. There are established the places for the n = 4 criteria (Lk = 1, 2, 3, 4), by comparing the obtained scores; on the basis of these orderings, it is then established the quantity Sk, that designates the number of criteria that have scores smaller than the current criterion k; for example, compared to criterion b (which has the score Pk=2,5), there are Sk=2 criteria with smaller scores: criteria c (with Pk=1,5) and d (with Pk=0,5).

Now, with the FRISCO formula can be established both the absolute values (Wk) of the weight coefficients (see Fig.4.21,a):

Wk = (2Pk - Pmin+Sk+0,5)/(0,5n + Pma x - Pk); Pmax = max (Pk, k = 1 Nn); Pmin = min (Pk, k = 1 Nn);

and their relative values (wk):

wk = Wk/(ΣWk), k = 1,N,n.

According to the matrix from Fig. 4.21,b, and based on the previously obtained results, the following operations can be made:

- firstly, it is appreciated the way in which each criterion is fulfilled by each conceptual variant (I, II and III) with grades Nk (from 1 to 10);

- then, there are calculated the weighted grades, as the product between the grade Nk and the afferent relative coefficient of weight wk;

- it is established each conceptual variant score by summing its own weighted grades;

- there are established the places of the con-ceptual variants, by comparing the scores.

In comparison to the German approach (see Fig. 4.17 and 4.18), the approaches like the one from Fig. 4.21 are relatively simpler but also less accurate.

Due to its simplicity, the methods of this type (see Fig. 4.21) can be directly applied even in the cases of relatively big number of solutions (conceptual variants).

138

131

k

Criteriul Criteriul

a b c d Pk Lk Sk Wk wk

1 a 0,5 1 1 1 3,5 1 3 5 0,59 2 b 0 0,5 1 1 2,5 2 2 2,33 0,27 3 c 0 0,5 0,5 1 1,5 3 1 1 0,12 4 d 0 0,5 0,5 0,5 0,5 4 0 0,2 0,02

Suma: 8,53 1 a>b>c>d (semnul > semnifică: mai important decât) k =1, …, n – numărul de ordine al criteriului curent; Pk = nota globală a criteriului k = suma notelor din linia k a matricei n x n= 4 x 4; Lk = locul de ordine valorică al criteriului curent k; Sk = nr. criteriilor ale căror note globale sunt inferioare notei globale a criteriului curent k; Wk = coeficientul absolut de pondere al criteriului curent k, calculat cu formula FRISCO:

kmax

kminkk

PPn5,0

5,0SPP2W

−+⋅

++−⋅= ;

wk = coeficientul relativ de pondere al criteriului curent k:

=

∑n

1k

kk

W

Ww .

a

Varianta conceptuala I Varianta conceptuala II Varianta concept. III Criteriul wk <k wk

.<k <k wk.<k <k wk

.<k

a 0,59 8 4,72 8 4.72 7 4.13 b 0,27 6 1,62 9 2.43 9 2.43 c 0,12 7 0,84 6 0.72 8 0.96 d 0,02 9 0,18 7 0.14 6 0.12

Suma: 30 7,36 30 8,01 30 7,64 Locul: 3 1 2

b

Fig. 4.21,a. Determinarea coeficienţilor relativi de pondere ai criteriilor a, b, c şi d;

b. Ordonarea a trei variante conceptuale (I, II şi III) pe baza sumei notelor ponderate (∑ ⋅ kk Nw ).

139

131

k

Criterion Criterion

a b c d Pk Lk Sk Wk wk

1 a 0,5 1 1 1 3,5 1 3 5 0,59 2 b 0 0,5 1 1 2,5 2 2 2,33 0,27 3 c 0 0 0,5 1 1,5 3 1 1 0,12 4 d 0 0 0 0,5 0,5 4 0 0,2 0,02

Sum: 8,53 1 a>b>c>d (the notation > means: more important than) k =1, …, n – the order number of the current criterion; Pk = the global grade of the criterion k = the sum of grades from row k of the matrix n × n= 4 × 4; Lk = the place of the current criterion k; Sk = no. of criteria whose global grades are inferior to the global grade of the current criterion k; Wk = the absolute coefficient of weight of the current criterion k, calculated with the FRISCO formula:

k

kkk

PPn

SPPW

−+⋅

++−⋅=

max

min

5,0

5,02;

wk = the relative coefficient of weight of the current criterion k:

=

∑n

k

kk

W

Ww

1

.

a

Conceptual variant no: I Conceptual variant no: II Concept. variant no: III Criterion wk <k wk

.<k <k wk.<k <k wk

.<k

a 0,59 8 4,72 8 4.72 7 4.13 b 0,27 6 1,62 9 2.43 9 2.43 c 0,12 7 0,84 6 0.72 8 0.96 d 0,02 9 0,18 7 0.14 6 0.12

Sum: 30 7,36 30 8,01 30 7,64 Place: 3 1 2

b

Fig. 4.21,a. Establishment of the relative coefficients of weight of the criteria a, b, c and d; b. Ordering of the three conceptual variants (I, II and III) on the basis of the sum of weighted

grades (∑ ⋅ kk Nw ).

140

5. EXEMPLU DE PROIECTARE CONCEPTUALĂ A UNUI PRODUS TEHNIC În acest capitol este exemplificată aplicarea algoritmului de proiectare conceptuală (v. fig. 4.14 şi fig. 4.15), în cazul unui produs tehnic de tip: motoreductor.

Acest motoreductor este destinat să echipeze o platformă rotativă, pe care este montată o antenă de tip parabolic; motoreductorul trebuie să aducă platforma în diverse poziţii unghiulare, în condiţii de precizie şi stabilitate impuse.

Pentru ca numerele de ordine, ale etapelor din fig. 4.14,b, să coincidă cu cele ale subcapitolelor care urmează, primul subcapitol, destinat specificaţiilor de design ale produsului (listei de cerinţe), s-a notat cu 5.0. 5.0. DESPRE SPECIFICAŢIILE DE DESIGN ALE PRODUSULUI (SDP) Din SPD (Specificaţiile de Design ale Produsului) global, format de ansamblul antenei parabolice, se desprind următoarele cerinţe (obiective principale) referitoare la platforma rotativă şi la motoreductor:

1. Diametrul maxim al coroanei dinţate, solidară cu platforma: ≈ 5 m.

2. Diametrul maxim al pinionului de antrenare al coroanei dinţate: ≈ 100 mm.

3. Masa totală maximă a platformei: ≈ 31,2 t.

4. Momentul mecanic de inerţie maxim al platformei, în raport cu axa fixă de rotaţie: ≈ 9,75 104 kgm2.

5. Rezemarea axială şi radială a platformei: prin intermediul unor role periferice cu axe fixe.

6. Turaţia maximă a platformei în timpul deplasării unghiulare: 0,6 rot/min.

7. Precizia de poziţionare: ± 5°.

8. Menţinerea stabilă a poziţiei unghiulare a platformei: prin (auto)frânarea reductorului, în paralel cu blocarea platformei.

9. Sursa de energie: electrică.

5. EXAMPLE OF A TECHNICAL PRODUCT CONCEPTUAL DESIGN In this chapter it is exemplified the algorithm for the conceptual design (see Fig. 4.14 and Fig. 4.15) applied for a technical product of motor-reducer type.

This motor-reducer is used in a rotational platform on which it is installed a parabolic antenna; the motor-reducer must bring the platform in different angular positions, under imposed conditions of accuracy and stability.

In order to obtain the same order numbers in the subsequent sub-chapters as in Fig. 4.14,b, the first sub-chapter, meant for the product design specifications (require-ments list), was denoted with 5.0. 5.0. ON THE PRODUCT DESIGN SPECIFICATIONS (PDS) The following requirements (main objectives) regarding the rotational platform and the motor-reducer come out from the PDS (Product Design Specifications) of the global pro-duct: the parabolic antenna assembly:

1. The maximum diameter of the crown gear that is fixed to the platform: ≈ 5m.

2. The maximum diameter of the pinion which drives the crown gear: ≈ 100 mm.

3. The platform maximum total weight: ≈ 31.2 tons.

4. The platform maximum inertia moment vs. the fixed revolute axis: ≈ 9.75 104 kgm2.

5. The platform axial and radial support: through some peripheral rollers with fixed axes.

6. The platform maximum speed during the angular displacement: 0.6 rot/min.

7. The positioning accuracy: ± 5°.

8. The stable maintenance of the platform angular position: through the reducer blocking, in the same time with the platform blocking.

9. The energy source: electrical.

141

10. Raportul cinematic de transmitere al reductorului: i = 100 ± 1,5 % (prin urmare, reductorul trebuie să reducă turaţia motorului de 100 de ori).

11. Randamentul minim admis pentru reductor: ηmin = 0,5 (deci, reductorul trebuie să amplifice momentul motorului de cel puţin ηmin i = 50 ori).

Acestor cerinţe le sunt asociate următoarele 5 obiective de optimizare, enumerate în ordinea importanţei relative:

A. Minimizarea costurilor de fabricaţie,

B. Reducerea pierderilor prin frecare,

C. Minimizarea gradului de complexitate,

D. Minimizarea gabaritului radial şi

E. Minimizarea gabaritului axial.

Aceste obiective (secundare) sunt folosite ulterior, în calitate de criterii de evaluare tehnico-economică, pentru identificarea soluţiei conceptuale (dintre variantele conceptuale generate). 5.1. IDENTIFICAREA FUNCŢIEI MOTOREDUCTORULUI Funcţia globală a motoreductorului este o subfuncţie a platformei rotative. Pentru identificarea acesteia, în fig. 5.1 s-au reprezentat succesiv:

- funcţia globală a platformei (fig. 5.1,a),

- structura acesteia de ordinul 1M+1E+1I (fig. 5.1,b) şi

- structura de ordinul 3M+4E+4I (fig 5.1,c şi d), derivată din structura anterioară.

Ultima structură, ilustrată atât în variantă descriptivă (fig. 5.1,c) cât şi în variantă simbolică (fig. 5.1,d), are următoarele subfuncţii componente:

FM1: conectarea material (platformă)-energie mecanică;

FM2: deplasarea unghiulară (rotirea) a materialului (platformei);

FM3: Înregistrarea poziţiei unghiulare a materialului (platformei);

FE1: Conectarea/deconectarea tensiunii de la reţeaua electrică;

10. The reducer kinematical transmission

ratio: i = 100 ± 1.5 % (i.e. the reducer must reduce the motor speed 100 times).

11. The reducer admissible minimum

efficiency: ηmin = 0.5 (i.e. the reducer must the motor moment at least ηmini = 50 times).

The following 5 optimization objectives that are enumerated in their relative importance order are associated to these requirements:

A. Minimization of the production costs,

B. Reducing the friction losses,

C. Minimization of the complexity degree,

D. Minimization of the radial overall size and

E. Minimization of the axial overall size.

Ulterior, these (secondary) objectives are used as technical and economical evaluation criteria for the identification of the conceptual solution (from the conceptual variants’ crowd that were generated). 5.1. IDENTIFICATION OF THE MOTOR-REDUCER FUNCTION The motor-reducer global function is a sub-function of the rotational platform. In order to identify it, in Fig.5.1 were successively represented:

- The platform global function (Fig.5.1,a),

- Its structure of 1M+1E+1I order (Fig.5.1,b) and

- The structure of 3M+4E+4I order (Fig.5.1,c and d), derived from the previous structure.

The last structure, illustrated both in a descriptive variant (Fig. 5.1,c) and in a symbolic variant (Fig. 5.1,d), has the following component sub-functions:

FM1: connecting the material (platform) to the mechanical energy;

FM2: the material (platform) angular displacing (rotating);

FM3: registration of the material (platform) angular position;

FE1: Connecting/disconnecting the voltage;

142

M1*

FE2

I*

M

E

I

E2*

FM2

FM1 FM3

FE1 FE3 FE4

E1*

FI2

FI1 FI3 FI4

d

M*

FE3

I*

M

E

I

E2*

FM1 FM2 FM3

FE1 FE2 FE4

FI2

FI1 FI3 FI4

E1*

c

FM

FE

FI

M M*

E E*

I

I*

Funcţia globală

a platformei

rotative

The global

function of the

rotational

platform

M M*

E E*

I I*

a

b

Fig. 5.1,a. Funcţia globală a platformei rotative; b. Structura de funcţii de ordinul 1M+1E+1I,

derivată din funcţia globală; c şi d. Structura de funcţii de ordinul 3M+4E+4I, în varianta descriptivă

(c) şi în varianta simbolică (d); subfuncţia FE2 desemnează funcţia globală a motoreductorului.

Fig. 5.1,a. The rotational platform global function; b. The structure of functions of 1M+1E+1I order,

derived from the global function; c and d. The structure of sub-functions of 3M+4E+4I order, in the

descriptive variant (c) and in the symbolic variant (d); the sub-function FE2 designates the motor-

reducer global function.

143

FE2: Transformarea energiei electrice în energie mecanică + blocarea transmisiei in timpul staţionării motorului + reducerea primară a turaţiei;

FE3: Transmiterea energiei mecanice cu reducerea secundară a turaţiei (folosind coroana dinţată solidară cu platforma);

FE4: Ramificarea energiei mecanice în două ramuri: energie utilă şi energie pierdută (în principal prin frecare);

FI1: Ramificarea informaţiei de intrare în două ramuri: emiterea semnalului de pornire şi transmiterea informaţiei privind poziţia unghiulară dorită către (sub)funcţia FI3;

FI2: Comandă execuţia semnalelor de pornire şi oprire; deosebit de funcţia logică FE1 (de tip AND), funcţia FI2 este o funcţie logică de tip INHIBITION (v. pct. 2.3*).

FI3: Receptarea informaţiilor privind poziţiile unghiulare: dorită şi curentă şi compararea acestora;

FI4: Emiterea semnalului de oprire, când cele două poziţii devin egale, şi înregistrarea poziţiei unghiulare finale.

În concluzie, funcţia globală a moto-reductorului este reprezentată de sub-funcţia FE2, din componenţa structurii de ordinul 3M+ 4E+ 4I (fig. 5.1,c şi d). 5.2. DETALIEREA FUNCŢIEI MOTOREDUCTORULUI Se extrage mai întâi, din fig.5.1,d, funcţia motoreductorului (fig.5.2,a). Prin detalierea acestei funcţii globale rezultă structura de funcţii, în variantă simbolică, din fig. 5.2,b.

Cele patru subfuncţii, ale acestei structuri, au următoarele semnificaţii:

FE21: Transformarea energiei electrice în energie mecanică (subfuncţie principală);

FE22: Transmiterea energiei mecanice, cu blocarea reductorului in timpul staţionării motorului (subfuncţie, de asemenea, principală);

FE23: Modificarea parametrilor energiei mecanice: reducerea turaţiei şi, implicit, amplificarea momentului de torsiune (subfuncţie principală);

FE2: Transformation of the electrical energy into mechanical energy + transmission blocking while the motor is stopped + the speed primary reducing;

FE3: Transmission of mechanical energy with the speed secondary reducing (using the crown gear that is fixed to the platform);

FE4: Ramification of the mechanical energy into two branches: useful energy and lost energy (through friction, mainly);

FI1: Ramification of the input information into two branches: emission of the starting signal and transmission of the information regarding the wanted angular position to the FI3 (sub)function;

FI2: Commanding the execution of the starting/stopping signals; unlike the logical function FE1 (of AND type), the function FI2 is a logical function of INHIBITION type.

FI3: Reception of the information regarding the angular positions: wanted and current and their comparison;

FI4: Emission of the stopping signal when the two positions become equal, and registration of the final angular position.

In conclusion, the motor-reducer’s global function is represented by the sub-function FE2, from the structure of 3M+ 4E+ 4I order. (fig. 5.1,c şi d). 5.2. DETAILING OF THE MOTOR-REDUCER FUNCTION Firstly, it is extracted the motor-reducer function from Fig. 5.1,d (see Fig. 5.2,a); by detailing this global function, the structure of sub-functions from Fig.5.2,b (in a symbolic variant) results.

The four sub-functions from this structure have the following significances:

FE21: Transformation of the electrical energy into mechanical energy (a main sub-function);

FE22: Blocking of the movement while the motor is disconnected (a main sub-function as well);

FE23: Modification of the mechanical energy parameters: speed reducing and, implicitly, the torque amplification (a main sub-function);

144

Subfuncţia

Variante

de rezolvare

FE21 FE22 FE23 FE24

VR1 1.2 2.3 3.2 4.1+4.2

VR2 1.2 2.1 3.1+3.1+3.1 4.1

VR3 1.2 2.2 3.1+3.3 4.1

VR4 1.2 2.2 3.3 4.1

VR5 1.2 2.2 3.3 4.1+4.3

VR6 1.2 2.2 3.3 4.1

Exemplu: varianta de rezolvare VR1 = 1.2+2.3+3.2+(4.1+4.2)

d

Fig. 5.2,a. Funcţia globală a motoreductorului; b. Structura de funcţii în variantă simbolică; c.

Matricea morfologică de generare a variantelor de rezolvare; d. Exemple de variante de rezolvare.

Subfuncţia Efectul fizic Subsoluţii conceptuale potenţiale

FE21 Transformarea

energiei electrice în

energie mecanică

Efectul forţei

electro-

magnetice

Motor de

curent

continuu

Motor

electric

asincron

Motor

electric

sincron

FE22 Transmiterea

ireversibilă a

energiei mecanice

Efectul

frecării

coulombiene

Cuplaj

normal cuplat

cu decuplare

electromagn.

Cuplaj

unisens

Angrenaj

ireversibil

FE23 Reducerea turaţiei

(amplificarea

momentului)

Efectul de

pârghie

Angrenaj

cilindric cu

axe fixe

Angrenaj

melcat cu

axe fixe

Unitate

planetară

FE24 Minimizarea

pierderilor prin

frecare

Efectul

frecării

coulombiene

Calitate

superioară

de fabricaţie

Ungere

forţată

Angrenaj

cicloidal cu

bolţuri

c

E2 FE2

E1*

E1

a

1.1

2.1

1.2 1.3

2.2 2.3

3.1 3.2 3.3

4.1 4.2 4.3

FE24

E1

E2

E1*

FE23 FE22 FE21

µ

b

145

Sub-function Physical effects Potential conceptual subsolutions

1.1 1.2 1.3 FE21 Transformation

of the electrical

energy into

mechanical

energy

The effect of the

electro-magnetic

force D.C. Motor Asynchronous

motor

Synchronous

motor

2.1 2.2 2.3 FE22 Movement

blocking

The effect of

Columbian friction Coupling

normally coupled

with electromagn.

decoupling

Brake

(between motor

rotor and -stator)

Irreversible gear

pair

3.1 3.2 3.3 FE23 Speed reduction

(torque

amplification)

Lever effect

Spur gear pair

with fixed axes

Worm drive with

fixed axes

Planetary gear

4.1 4.2 3.3 FE24 Friction losses

minimization

The effect of

Columbian friction High quality of

manufacturing

Forced lubricate Pin cycloidal

gear

c

Subfunction

Solving variants

FE21 FE22 FE23 FE24

SV1 1.2 2.3 3.2 4.1 + 4.2

SV2 1.2 2.1 3.1 + 3.1 + 3.1 4.1

SV3 1.2 2.2 3.1 + 3.3 4.1

SV4 1.2 2.3 3.3 4.1

SV5 1.2 2.2 3.3 4.1+4.3

SV6 1.2 2.3 3.3 4.1

Example: solving variant SV1 = 1.2 + 2.3 + 3.2 + (4.1 + 4.2)

d

Fig. 5.2,a. The motor-reducer global function; b. The structure of sub-functions in a symbolic variant;

c. The morphological matrix for the generation of solving variants; d. Examples of solving variants.

E2 FE2

E1*

E1

a

FE24

E1

E2

E1*

FE23 FE22 FE21

µ

b

146

FE24: Maximizarea raportului de amplificare a momentului, prin reducerea pierderilor datorate frecării (subfuncţie secundară).

Pe baza structurii de funcţii din fig.5.2,b, în continuare se trece la generarea variantelor conceptuale ale motoreductorului. 5.3. GENERAREA VARIANTELOR CONCEPTUALE Acest subcapitol cuprinde două părţi relativ distincte:

5.3.1. Generarea (sinteza) variantelor rezolvare şi

5.3.2. Stabilirea variantelor conceptuale prin configurarea (sinteza) cinematică a variantelor de rezolvare obţinute şi prin eliminarea variantelor ale căror caracteristici tehnice nu îndeplinesc cantitativ cerinţele din specificaţiile de design ale produsului.

5.3.1. Generarea (sinteza) variantelor de rezolvare Din cercetarea surselor de soluţii existente (cataloage de efecte fizice, cataloage de soluţii pentru funcţii cu largă utilizare, prospecte, brevete de invenţie, oferte etc.), rezultă următoarele concluzii privind rezolvarea subfuncţiilor din fig.5.2,b:

- toate aceste sub-funcţii sunt de tip PRC (v. fig. 4.15);

- soluţiile conceptuale potenţiale ale acestor subfuncţii sunt complet cunoscute în planul efectelor şi sunt parţial cunoscute în planul configuraţiei purtătorilor de efecte (o parte dintre configuraţiile găsite vor fi reconfigurate).

Pentru exemplificare, rezultatele găsite au fost sistematizate în matricea morfologică simplificată din fig. 5.2,c. Cu ajutorul acestei matrice, pot fi generate mai multe variante de rezolvare, prin combinarea şi prin compunerea compatibilă a soluţiilor potenţiale din fig.5.2,c; evident, dintre variantele obţinute, vor fi considerate variante conceptuale (pentru funcţia FE2 a motoreductorului) numai cele ale căror caracteristici tehnice îndeplinesc nu numai calitativ, ci şi cantitativ cerinţele din specificaţiile de design ale produsului.

FE24: Maximization of the moment amplification ratio, by reducing the friction losses (secondary sub-function).

Further, based on the structure of functions from Fig.5.2,b, there are generated the motor-reducer’s conceptual variants. 5.3. THE CONCEPTUAL VARIANTS’ GENERATION This subchapter contains two parts that are relatively distinct

5.3.1. Generation (synthesis) of the solving variants and

5.3.2. Establishment of the conceptual variants, by the kinematical configuration (synthesis) of the obtained solving variants and by elimination of the variants whose technical characteristics don’t fulfill quantitatively the requirements from PDS. 5.3.1. Generation of the solving variants From the research on the sources of existent solutions (catalogues of physical effects, catalogues of solutions for the functions of large use, prospects, patents, offers etc.), the following conclusions regarding the previous sub-functions (see Fig. 5.2,b) result:

- All these sub-functions are of SPK type (see Fig. 4.15);

- The potential conceptual solutions of these sub-functions are completely known in the effects plan and are partially known in the plan of the effects carriers’ configuration (a part of the found configurations have to be reconfigured).

For exemplification, the results that were found are systematized in the simplified morphological matrix from Fig.5.2,c. By means of this matrix, there can be generated more solving variants, by combining and by a compatible composition of the potential solutions from Fig.5.2,c; obviously, from the obtained variants, there will be considered as conceptual variants (for the motor-reducer’s FE2 function) only those whose technical characteristics fulfill the requirements from the product design specifications quantitatively, as well.

147

Precizare: Conform tab. 4.1, în premiza că în structura de funcţii (fig. 5.1,c şi d) intervin şi conexiuni noi, rezultă că proiectarea motoreductorului este o proiectare originală (P.O.) de tip VI (v. tab. 4.1); în premiza că toate conexiunile sunt cunoscute, proiectarea motoreductorului devine o proiectare adaptivă (P.A.) de tip II (v. tab. 4.1).

Pentru continuarea aplicaţiei, în fig. 5.2,d s-au sistematizat şase variante de rezolvare distincte: SR1, J, SR6; exemplu: varianta SR1 (din fig. 5.2,d) reprezintă rezultanta soluţiilor potenţiale: 1.2, 2.3, 3.2 şi 4.1 combinată cu 4.2 (fig. 5.2, c):

SR1 = 1.2 + 2.3 + 3.2 + (4.1+4.2).

Schemele calitative ale acestor şase variante sunt ilustrate simplificat (fără reprezentarea motorului) în fig. 5.3,a,J,f. În continuare, pentru aceste scheme se stabilesc numerele de dinţi (din condiţia i =100 ± 1,5 %) şi apoi se calculează randamentul şi implicit raportul de amplificare a momentului, realizate de fiecare variantă. Evident, variantele conceptuale ale funcţiei FE2 vor fi nominalizate de variantele care realizează: i = 100 ± 1,5 %, η≥ 0,5 şi transmiterea ireversibilă a energiei mecanice. 5.3.2. Stabilirea variantelor conceptuale Pentru stabilirea variantelor conceptuale se efectuează, mai întâi, sinteza numerelor

de dinţi, din condiţia: i = 100 ± 1,5 %. Pe baza randamentelor cunoscute se calculează randamentele reductoarelor propuse, în cele două cazuri posibile de acţionare (directă şi inversă) şi se determină raportul de amplificare al momentului de intrare, în premisa acţionării directe.

Dacă randamentul, la acţionarea inversă, este nul sau negativ, atunci reductorul analizat transmite puterea ireversibil şi, ca urmare, blocarea transmisiei, când motorul staţionează, devine superfluă.

Cazul variantei VR1. În conformitate cu fig. 5.3,a, pentru angrenajul melcat cu axe fixe, condiţia realizării raportului cinematic de transmitere poate fi scrisă sub forma :

Assignation: According to Tab. 4.1 and in the premise that in the structure of functions (Fig. 5.1,c and d) new connections can interfere, it results that the motor-reducer design is an original design (O.D.) of VI type (see Tab. 4.1); in the premise that all connections are known, the motor-reducer design becomes an adaptive design (A.D.) of II type (see Tab. 4.1).

Continuing the previous application, six distinct solving variants were systematized in Fig.5.2,d: SR1, J, SR6; example: the variant SR1 represents the resultant of the potential solutions: 1.2, 2.3, 3.2 and 4.1 combined with 4.2 (Fig.5.2, c):

SR1 = 1.2+2.3+3.2+(4.1+4.2).

The qualitative schemes of the six variants are represented in Fig.5.3,a,..,f in a simplified way (without the motor representation). For these schemes there are further established the numbers of teeth (from the condition i =100 ± 1.5 %) and, then, it is calculated the efficiency and the moment amplification ratio, for each variant. Obviously, the conceptual variants of the function FE2 will be nominated by the variants that obtain: i =100 ± 1.5 %), η ≥ 0.5 and the irreversible transmission of the mechanical energy.

5.3.2. Establishment of the conceptual variants In order to establish the conceptual variants, firstly it is made the synthesis of

the number of teeth from the condition: i = 100 ± 1,5 %. Then, on the basis of the known efficiencies of the gear pairs with fixed axes, there are calculated the efficiencies of the proposed reducers, in the two possible actuation cases (direct and inverse) and it is established the amplification ratio of the input moment for the direct actuation.

If the efficiency for the inverse actuation is null or negative, then the analyzed reducer transmits the power irreversible and, therefore, the use of the blocking coupling or the brake become superfluous.

The case of the SV1 variant. According to Fig. 5.3,a, for the worm drive with fixed axes, the condition for obtaining the kinematical transmission ratio can be written as follows:

148

Fig. 5.3. Schemele simplificate (fără motor) ale variantelor de rezolvare din fig. 5.2,d.

Fig. 5.3. Simplified schemes (without motor) of the solving variants from Fig. 5.2,d.

ωωωω2

T2

ωωωω1

T1

ωωωω6

T6

ωωωω1

T1

h=0

1(dr./

rg.) 2

+ +

b a

4

1

2

5

6

3

Frână

Brake

ωωωω1

T1

ωωωω1

T1

ωωωωH

TH

ωωωωH2

TH2

c d

2

4 1

5

3=0 6=0

H1

H2

3=0

H

1

3=0

2

1

Frână Brake

5 6=0

ωωωω1

T1

ωωωω1

T1

ωωωωH

TH

ωωωωH

TH

e f

H

2

3=0

1

H

2

3

1

Frână Brake

149

i = i h1,2 = i1,2 = ω1/ω2 = +z2/z1= +100. (5.1) Adoptând z1 = 1 (din cauza gabaritului radial), din rel. (5.1) se obţine z2 = 100 dinţi. În premisa că unghiul de pantă al melcului 1 este mai mic decât unghiul de frecare (γ1 < tgµ), pentru acest angrenaj cu axe fixe, randamentele au următoarele valori: η = η1,2 ≅ 0,65 şi ηinv = η2,1 = 0; prin urmare, angrenajul melcat cu axe fixe este ireversibil.

În concluzie (v. şi fig. 5.4), varianta VR1 are următoarele proprietăţi:

- reduce viteza unghiulară de intrare de 100 de ori (ω2 = ω1/100),

- amplifică momentul de intrare de 65 de ori (T2 = −i η T1 = −65 T1),

- reductorul, fiind ireversibil, se blochează în timpul staţionării motorului,

- are un grad de complexitate redus,

- realizează un gabarit axial redus,

- necesită materiale speciale (pentru dantura rotii) si o tehnologie de fabricaţie mai pretenţioasă.

Primele trei proprietăţi de mai sus certifică satisfacerea atât calitativă, cât şi cantitativă a cerinţelor din specificaţiile de design ale produsului (i = 100 ± 1,5 %, η ≥ 0,5 şi blocarea transmisiei în timpul staţionării motorului); ca urmare, varianta VR1 constituie o variantă conceptuală a funcţiei FE2.

Cazul variantei VR2. Pentru reductorul cilindric, cu axe fixe, în trei trepte, din fig. 5.3,b, condiţia realizării raportului de transmitere are expresia: i = i1,6 = i1,2 i3,4 i5,6 = ω1/ω6 = = −(z2z4z6)/(z1z3z5) = −100. (5.2) Pentru simplificare, s-au adoptat: i1,2 = 5, i3,4 = 5, i5,6 = 4, z1 = z3= 20 şi z5 = 25; ca urmare, din relaţia (5.2) rezultă numerele de dinţi: z2 = z4 = z6 =100.

În premiza că fiecare angrenaj cilindric evolventic cu axe fixe are randamentul 0,98, pentru reductorul din fig. 5.3,b se obţin randamentele:

η = η1,6 = (0,98)3= 0,941; ηinv = η6,1 ≅ 0,941.

i = i h1,2 = i1,2 = ω1/ω2 = +z2/z1= +100. (5.1) Adopting z1 = 1 (because of the radial overall size), from rel. (5.1) it is obtained z2 = 100 teeth. In the premise that the angle of fall for the worm 1 is smaller than the angle of friction (γ1 < tg µ), for this gear pair with fixed axes, the efficiencies have the following values: η = η1,2 ≅ 0.65 and ηinv = η2,1 = 0; therefore, the worm drive with fixed axes is irreversible.

In conclusion (see also Fig. 5.4), the variant SV1 has the following properties:

- it reduces the input angular speed 100 times (ω2 = ω1/100),

- it amplifies the input moment 65 times (T2 = - iηT1 = -65T1),

- it transmits power in an irreversible way,

- it has a reduced complexity degree,

- it obtains a reduced axial overall size,

- it needs special material (for the teeth gear) and a more pretentious manufacturing technology.

The first three properties certify the fulfillment of the requirements from the list (i = 100 ± 1.5 %, η≥ 0.5 and the motion is blocked while the motor is disconnected); therefore, the variant SV1 represents a conceptual variant of the function FE2.

The case of the SV2 variant. For the three-stage spur reducer with fixed axes from Fig. 5.3,b, the condition of obtaining the transmission ratio has the expression: i = i1,6 = i1,2 i3,4 i5,6 = ω1/ω6 = = −(z2z4z6)/(z1z3z5) = −100. (5.2) For simplification, were adopted: i1,2 = 5, i3,4

= 5, i5,6 = 4, z1 = z3= 20 and z5 = 25; therefore, the numbers of teeth result from relation (5.2): z2 = z4 = z6 =100.

In the premise that each involute spur gear pair with fixed axes has the efficiency 0.98, there are obtained the efficiencies for the reducer from Fig. 5.3,b:

η = η1,6 = (0.98)3= 0.941; ηinv = η6,1 ≅ 0.941.

150

Deoarece ηinv >0, rezultă că reductorul cilindric din fig. 5.3,b trebuie dotat cu un cuplaj de blocare (frână).


- reduce viteza unghiulară de intrare de 100 de ori (ω6 = - ω1/100),

- amplifică momentul de intrare de 94,1 ori (T6 = - iηT1 = +94,1T1),

- pentru blocarea transmisiei, in timpul staţionării motorului, se utilizează o frână (materializata printr-un cuplaj normal-cuplat, cu decuplare electro-magnetică),

- are un grad de complexitate ridicat,

- gabaritul axial şi cel radial sunt mari,

- necesită o tehnologie de fabricaţie mai puţin pretenţioasă.

Primele trei proprietăţi de mai sus certifică îndeplinirea cerinţelor din lista de cerinţe (i = 100 ± 1,5%, η ≥ 0,5 şi blocarea transmisiei in timpul staţionării motorului); ca urmare, varianta VR2 constituie, de asemenea, o variantă conceptuală a funcţiei FE2.

Cazul variantei VR3. În conformitate cu fig. 5.3,c, condiţia realizării raportului de transmitere (pentru reductorul planetar în două trepte) poate fi scrisă sub forma: i = i1,H2 = ω1/ωH2 = i

31,H1 i

64,H2 =

= (1‒i01)(1‒i02) = +100; (5.3) prin i01 şi i02 s-au notat rapoartele cinematice interioare ale celor două unităţi planetare înseriate: i01= i

H11,3 = ‒z3/z1; i02 = i H2

4,6 = ‒z6/z4. (5.4) Admiţând, pentru simplitate, că i01 = i02, z1 =18 şi z4 =15, din rel. (5.3) şi (5.4) se obţin valorile (v. şi fig. 5.4): i01 = i02 = ‒ 9, z3 = 162 şi z6 =135.

În premisa că cele două unităţi planetare sunt formate din angrenaje cilindrice evolventice, pentru randamentele interioare ale acestor unităţi se consideră următoarele valori (vezi anexa A.2.):

Because ηinv >0, it outcomes that the spur reducer from Fig. 5.3,b must be equipped with a coupling (brake) for the motion blocking while the motor is disconnected.


- it reduces the input angular speed 100 times (ω6 = - ω1/100),

- it amplifies the input moment 94.1 times (T6 = - iηT1 = +94.1T1),

- it uses a brake (materialized by a coupling normally-coupled) for the motion blocking while the motor is disconnected,

- it has a high degree of complexity,

- the axial and radial overall sizes are big,

- it needs a manufacturing technology less pretentious.

The first three properties certify the fulfillment of the requirements from the list (i = 100 ± 1.5 %, η≥ 0.5 and the motion is blocked while the motor is disconnected); therefore, the variant SV2 represents also a conceptual variant of the function FE2.

The case of the SV3 variant. According to Fig.5.3,c, the condition of obtaining the transmission ratio (for the two-stage planetary reducer) can be written as follows: i = i1,H2 = ω1/ωH2 = i

31,H1 i

64,H2 =

= (1‒i01)(1‒i02) = +100; (5.3) where i01 and i02 are the interior kinematical ratios of the two planetary gears that are in serial connection: i01= i

H11,3 = ‒z3/z1; i02 = i H2

4,6 = ‒z6/z4. (5.4) For simplification, admitting that i01 = i02, z1 =18 and z4 =15, the values (see also Fig. 5.4) are obtained from relation (5.3) and (5.4): i01 = i02 = - 9, z3 = 162 and z6 =135.

In the premise that the two planetary gears consist of involute spur gear pairs, the following values (see Appendix A.2.) are considered for the interior efficiencies of these gears:

151

η01 = ηH11,3 = (0,985)2 = 0,97 şi

η02 = ηH24,6 = (0,985)2 = 0,97.

Ca urmare, pentru reductorul planetar din fig. 5.3,c se obţin următoarele randamente (v. anexa A.2): η = η1,H2 = η3

1,H1η64,H2 = (0,9730)2 = 0,9467,

ηinv = ηH2,1 = η6H2,4η

3H1,1 = (0,9729)2 = 0,9465,

în care: η3

1,H1 = (‒ωH1,3TH1)/(ω1,3T1) = = (‒TH1/T1)/ i

31,H1 =

= [1‒i01(η01)w1] /(1‒i01) =

= [1+9(0,97)+1] /(1+9) = 0,9730, w1 = sgn(ω1,H1T1)= = sgn[(ω1,H1T1)/(ω1,3T1)] = = sgn [(ω1,H1)/(ω1,H1‒ω3,H1)] = = sgn [i01/(i01‒1)] = sgn [‒9/(‒9‒1)] = +1; η6

4,H2 = (‒ωH2,6TH2)/(ω4,6T4)= = (‒TH2/T4)/ i

64,H2=

= [1‒i02(η02)w2] /(1‒i02)=

= [1+9(0,97)+1] /(1+9)= 0,9730, w2 = sgn(ω4,H2T4)= = sgn[(ω4,H2T4)/(ω4,6T4)] = = sgn [(ω4,H2)/(ω4,H2-ω6,H2)] = sgn [i02/(i02‒1)] = = sgn [‒9/(‒9‒1)] = +1; η6

H2,4 = (‒ω4,6T4)/(ωH2,6TH2)= = (‒T4/TH2)/ i

6H2,4=

= (1‒i02)/[1‒i02(η02)x2] =

= (1+9)/[1+9(0,97)-1] =0,9729, x2= ‒w2 = ‒1;

η3

H1,1 = (‒ω1,3T1)/(ωH1,3TH1)= = (‒T1/TH1)/ i

3H1,1=

= (1‒i01)/[1‒i01(η01)x1] =

= (1+9)/[1+9(0,97)-1] = 0,9729, x1= ‒w1 = ‒1.

Deoarece ηinv >0, reductorul planetar din fig. 5.3,c necesită o frână pentru blocarea reductorului in timpul staţionării motorului.


- reduce viteza unghiulară de intrare de 100 de ori (ωH2 = +ω1/100),

- amplifică momentul de intrare de 94,67 ori (TH2 = ‒iηT1 = ‒94,67T1),

η01 = ηH11,3 = (0.985)2 = 0.97 and

η02 = ηH24,6 = (0.985)2 = 0.97.

Therefore, the following efficiencies (see Appendix A.2) are obtained for the planetary reducer from Fig. 5.3,c: η = η1,H2 = η3

1,H1η64,H2 = (0.9730)2 = 0.9467,

ηinv = ηH2,1 = η6H2,4η

3H1,1 = (0.9729)2 = 0.9465,

where: η3

1,H1 = (‒ωH1,3TH1)/(ω1,3T1) = = (‒TH1/T1)/ i

31,H1 =

= [1‒i01(η01)w1] /(1‒i01) =

= [1+9(0.97)+1] /(1+9) = 0.9730, w1 = sgn(ω1,H1T1)= = sgn[(ω1,H1T1)/(ω1,3T1)] = = sgn [(ω1,H1)/(ω1,H1‒ω3,H1)] = = sgn [i01/(i01‒1)] = sgn [‒9/(‒9‒1)] = +1; η6

4,H2 = (‒ωH2,6TH2)/(ω4,6T4)= = (‒TH2/T4)/ i

64,H2=

= [1‒i02(η02)w2] /(1‒i02)=

= [1+9(0.97)+1] /(1+9)= 0.9730, w2 = sgn(ω4,H2T4)= = sgn[(ω4,H2T4)/(ω4,6T4)] = = sgn [(ω4,H2)/(ω4,H2-ω6,H2)] = sgn [i02/(i02‒1)] = = sgn [‒9/(‒9‒1)] = +1; η6

H2,4 = (‒ω4,6T4)/(ωH2,6TH2)= = (‒T4/TH2)/ i

6H2,4=

= (1‒i02)/[1‒i02(η02)x2] =

= (1+9)/[1+9(0.97)-1] =0.9729, x2= ‒w2 = ‒1;

η3

H1,1 = (‒ω1,3T1)/(ωH1,3TH1)= = (‒T1/TH1)/ i

3H1,1=

= (1‒i01)/[1‒i01(η01)x1] =

= (1+9)/[1+9(0.97)-1] = 0.9729, x1= ‒w1 = ‒1.

Because ηinv >0, the planetary reducer from Fig. 5.3,c needs a brake for the irreversible transmission of power.


-it reduces the input angular speed 100 times (ωH2 = +ω1/100),

-it amplifies the input moment 94.67 times (TH2 = ‒iηT1 = ‒94.67T1),

152

- asigură blocarea reductorului, în timpul staţionării motorului, cu o frână montată pe arborele de intrare,

- gradul de complexitate este relativ ridicat,

- gabaritul axial şi cel radial sunt relativ reduse (în premisa că sunt montaţi cel puţin câte 3 sateliţi în paralel),

- necesită o tehnologie de fabricaţie

destul de pretenţioasă.

Deoarece primele trei proprietăţi atestă îndeplinirea cerinţelor din listă (i = 100 ± 1,5%, η ≥ 0,5 şi blochează transmisia în timpul staţionării motorului), rezultă că varianta VR3 constituie, de asemenea, o variantă conceptuală a funcţiei FE2.

Cazul variantei VR4. Pentru reductorul planetar cu o roată centrală din fig. 5.3,d (format din angrenajul cilindric interior evolventic 1-2 şi din semicuplajul de tip Schimdt 2-3), condiţia de realizare a raportului de transmitere poate fi scrisă sub următoarea formă: i = i3H,1 = ωH,3/ω1,3 = 1/(1-i0) = +100; (5.5) în relaţia (5.5), prin i0 s-a notat raportul cinematic interior al unităţii planetare cu o roată centrală din fig. 5.3,d: i0 = i

H1,3 = ω1,H /ω3,H = i H1,2 i

H2,3 =

= (+z2/z1).(+1) = +z2/z1 . (5.6) Admiţând, la limită (pentru angrenajele evolventice interioare), că z1 = z2 + 4, din relaţiile (5.5 şi 5.6) se obţin valorile (v. şi fig. 5.4): z1= 400, z2= 396 şi i0 = +0,99.

În premisa că unitatea planetară din fig. 5.3,d are randamentul interior : η0 = ηH

1,3 = ηH1,2η

H2,3 = (0,995)2 = 0,99 ,

se obţin următoarele valori pentru randamentele reductorului planetar: η = η3

H,1= (‒ω1,3T1) / (ωH,3TH) = = (‒T1/TH)/ i

3H,1=(1‒i0)/[1‒i0.(η0)

w] = = (1‒0,99)/[1‒0,99 (0,99)+1] = 0,5025, w = sgn(ω1,HT1)= = sgn[(ω1,HT1)/(-ω1,3T1)] = = sgn [(ω1,H)/(-ω1,H + ω3,H)] = = sgn [i0/(‒i0+1)] = = sgn [+0,99/(‒0,99 +1)] = +1;

- it uses a brake for the motion blocking while the motor is disconnected,

- the degree of complexity is relatively high,

- the axial and radial overall sizes are relatively reduced (in the premise that there are assembled at least three satellites in parallel),

- it needs a manufacturing technology quite pretentious.

The first three properties certify the fulfillment of the requirements from the list (i = 100 ± 1.5 %, η≥ 0.5 and the motion is blocked while the motor is disconnected); therefore, the variant SV3 represents a conceptual variant of the function FE2.

The case of the SV4 variant. For the planetary reducer with a sun gear from Fig. 5.3,d (consisting of an involute internal spur gear pair 1-2 and of the Schmidt semi-coupling 2-3), the condition of obtaining the transmission ratio can be written as follows: i = i3H,1 = ωH,3/ω1,3 = 1/(1-i0) = +100; (5.5) in relation (5.5), through i0 was denoted the kinematical interior ratio of the planetary gear with a sun gear from Fig. 5.3,d: i0 = i

H1,3 = ω1,H /ω3,H = i H1,2 i

H2,3 =

= (+z2/z1).(+1) = +z2/z1 . (5.6) At limit (for the internal involute gear pairs), admitting that z1 = z2 + 4, the values (see Fig. 5.4) are obtained from relations (5.5 and 5.6): z1= 400, z2= 396 and i0 = +0.99.

In the premise that the planetary gear from Fig. 5.3,d has the interior efficiency: η0 = ηH

1,3 = ηH1,2η

H2,3 = (0.995)2 = 0.99 ,

the following values are obtained for the efficiencies of the planetary reducer: η = η3

H,1= (‒ω1,3T1) / (ωH,3TH) = = (‒T1/TH)/ i

3H,1=(1‒i0)/[1‒i0.(η0)

w] = = (1‒0.99)/[1‒0.99 (0.99)+1] = 0.5025, w = sgn(ω1,HT1)= = sgn[(ω1,HT1)/(-ω1,3T1)] = = sgn [(ω1,H)/(-ω1,H + ω3,H)] = = sgn [i0/(‒i0+1)] = = sgn [+0.99/(‒0.99 +1)] = +1;

153

ηinv = η31,H = (‒ωH,3TH)/(ω1,3T1) =

= (‒TH/T1)/ i 3

1,H = = [1‒i0 (η0)

x] /(1‒i0) = = [1‒0,99(0,99)-1] /(1‒0,99) = 0, x= ‒w = ‒1. Deoarece ηinv = 0, reductorul planetar din fig. 5.3,d nu necesită frână de blocare, în timpul staţionării motorului.


- reduce viteza unghiulară de intrare de 100 ori (ω1 = +ωH/100),

- amplifică momentul de intrare de 50,3 ori (T1 = ‒iηTH = ‒50,25T1),

- reductorul, fiind ireversibil, se blochează în timpul staţionării motorului,

- are un grad redus de complexitate,

- are un gabarit axial redus,

- gabaritul radial este relativ mare (fiind dificilă montarea de sateliţi în paralel),

- tehnologia de fabricaţie este relativ simplă, dar necesită precizii ridicate.

Primele trei proprietăţi de mai sus arată că cerinţele din listă (i = 100 ± 1,5 %, η ≥ 0,5 şi asigura blocarea în timpul staţionării motorului) sunt îndeplinite; ca urmare, şi varianta VR4 este o variantă conceptuală a funcţiei FE2.

Cazul variantei VR5. Pentru reductorul planetar cu o roată centrală din fig. 5.3,e (format din cuplajul cu bolţuri 1-2 şi din angrenajul cicloidal cu role 2-3), condiţia de realizare a raportului de transmitere poate fi scrisă sub următoarea formă: i = i

3H,1= ωH,3/ω1,3 =1/(1‒i0) = ‒100; (5.7)

în relaţia (5.7), prin i0 s-a notat raportul cinematic interior al unităţii planetare cu o roată centrală (fig. 5.3,e): i0 = i H1,3 = ω1,H/ω3,H = i H1,2 i

H2,3=

= (+1)(+z3/z2) = +z3/z2. (5.8)

ηinv = η31,H = (‒ωH,3TH)/(ω1,3T1) =

= (‒TH/T1)/ i 3

1,H = = [1‒i0 (η0)

x] /(1‒i0) = = [1‒0.99(0.99)-1] /(1‒0.99) = 0, x= ‒w = ‒1. Because ηinv = 0, the planetary reducer from Fig. 5.3,d doesn’t need a blocking coupling or a brake for the motion blocking while the motor is disconnected.


- it reduces the input angular speed 100, times (ω1 = +ωH/100),

- it amplifies the input moment 50.25 times (T1 = ‒iηTH= ‒50.25T1),

- it transmits irreversible the power,

- it has a reduced degree of complexity,

- it has a reduced axial overall size,

- the radial overall size is relatively big (being difficult to assembly the satellites into parallel),

- the manufacturing technology is relatively simple, but needs high accuracies.

The first three properties show that the requirements from the list (i = 100 ± 1.5 %, η ≥ 0.5 and the motion is blocked when the motor is disconnected) are fulfilled; the variant SV4 is a conceptual variant of the function FE2. The case of SV5 variant. For the planetary reducer with a sun gear from Fig.5.3,e (consisting of the pin coupling 1-2 and the cycloidal gear pair with rollers 2-3), the condition of obtaining the transmission ratio can be written as follows: i = i

3H,1= ωH,3/ω1,3 =1/(1‒i0) = ‒100; (5.7)

in relation (5.7), i0 is the interior kinematical ratio of the planetary gear with a sun gear (Fig. 5.3,e): i0 = i H1,3 = ω1,H/ω3,H = i H1,2 i

H2,3=

= (+1)(+z3/z2) = +z3/z2. (5.8)

154

Considerând z3 = z2+1 (proprietate caracteris-tică angrenajelor cicloidale cu role), din relaţiile (5.7) şi (5.8) se obţin valorile (v. şi fig. 5.4): z2 = 100, z3 = 101 şi i0 = +1,01.

În premisa că unitatea planetară din fig. 5.3,e are randamentul interior (v. anexa A.2): η0 = ηH

1,3 = ηH1,2η

H2,3 = (0,999)2 = 0,998,

se obţin următoarele valori pentru randamentele reductorului planetar: η = η3

H,1 = (‒ω1,3T1) / (ωH,3TH) = = (‒T1/TH)/ i

3H,1 = (1‒i0)/[1‒i0(η0)

w] = = (1‒1,01)/[1‒1,01(0,998)-1] = 0,831, w = sgn(ω1,HT1)= = sgn[(ω1,HT1)/( ‒ω1,3T1)] = = sgn [(ω1,H)/( ‒ω1,H + ω3,H)] = = sgn [i0/(‒i0+1)] = = sgn [+1,01/(‒1,01+1)] = ‒1; ηinv = η3

1,H = (‒ωH,3TH)/(ω1,3T1) = = (‒TH /T1)/ i

31,H =

= [1‒i0(η0)x] /(1‒i0) =

= [1‒1,01(0,998)+1] /(1‒1,01) = 0,798, x= ‒w = +1. Deoarece ηinv >0, reductorul planetar din fig. 5.3,e necesită o frână de blocare în timpul staţionării motorului.


- reduce viteza unghiulară de intrare de 100 de ori (ω1 = ‒ωH /100),

- amplifică momentul de intrare de 83,1 ori (T1 = ‒iηTH = +83,1T1),

- realizează blocarea, în timpul staţionării motorului, cu o frână montată pe arborele de intrare,

- gradul de complexitate este relativ redus,

- gabaritul radial este relativ redus (prin montarea de sateliţi în paralel),

- are un gabarit axial redus,

- tehnologia de fabricaţie este relativ simplă, dar necesită precizii ridicate.

Considering that z3 = z2+1 (a property specific to the cycloid gear pairs with rollers), the following values (see also Fig. 5.4) are obtained from relations (5.7) and (5.8): z2 = 100, z3 = 101 and i0 = +1.01.

In the premise that the planetary gear from Fig. 5.3,e has the interior efficiency (see Appendix A.2): η0 = ηH

1,3 = ηH1,2η

H2,3 = (0.999)2 = 0.998,

the following values for the planetary reducer efficiencies are obtained: η = η3

H,1 = (‒ω1,3T1) / (ωH,3TH) = = (‒T1/TH)/ i

3H,1 = (1‒i0)/[1‒i0(η0)

w] = = (1‒1.01)/[1‒1.01(0.998)-1] = 0.831, w = sgn(ω1,HT1)= = sgn[(ω1,HT1)/( ‒ω1,3T1)] = = sgn [(ω1,H)/( ‒ω1,H + ω3,H)] = = sgn [i0/(‒i0+1)] = = sgn [+1.01/(‒1.01+1)] = ‒1; ηinv = η3

1,H = (‒ωH,3TH)/(ω1,3T1) = = (‒TH /T1)/ i

31,H =

= [1‒i0(η0)x] /(1‒i0) =

= [1‒1.01(0.998)+1] /(1‒1.01) = 0.798, x= ‒w = +1. Because ηinv >0, the planetary reducer from Fig. 5.3,e needs a blocking coupling or a brake for the motion blocking while the motor is disconnected.


- it reduces the input angular speed 100 times ω1 = ‒ωH /100),

- it amplifies the input moment 83.1 times (T1 = ‒iηTH = +83.1T1),

- it uses a brake for the motion blocking while the motor is disconnected,

- the degree of complexity is relatively reduced,

- the radial overall size is relatively reduced (by assembling in parallel the satellites),

- it has a reduced axial overall size,

- the manufacturing technology is relatively simple, but it needs high accuracies.

155

Primele trei proprietăţi de mai sus arată că cerinţele din listă ( i = 100 ± 1,5 %, η ≥ 0,5 şi asigura blocarea în timpul staţionării motorului) sunt îndeplinite; prin urmare, varianta VR5 este, de asemenea, o variantă conceptuală a funcţiei FE2.

Cazul variantei VR6. Pentru reductorul armonic din fig. 5.3,f (format din angrenajul evolventic de tip armonic 1-2 şi din cuplajul dinţat de tip armonic 2-3), condiţia de realizare a raportului de transmitere poate fi scrisă sub forma: i = i3H,1 = ωH,3/ω1,3 = 1/(1‒i0) = +100; (5.9) în relaţia (5.9), prin i0 s-a notat raportul cinematic interior (tip armonic) din fig. 5.3,d: i0 = iH1,3 = ω1,H /ω3,H = iH1,2 i

H2,3=

= (+z2/z1)(+1) = +z2/z1. (5.10) Considerând z1 = z2 + 2 (relaţie specifică angrenajelor de tip armonic), din relaţiile (5.9) şi (5.10) se obţin valorile (v. şi fig. 5.4): z1 = 200, z2 = z3 = 198 şi i0 = +0,99. În premisa că unitatea planetară de tip armonic (fig. 5.3,f) are randamentul interior: η0 = ηH

1,3 = ηH1,2.η

H2,3 = (0,995)2 = 0,99 ,

se obţin următoarele valori pentru randamentele reductorului armonic

η = η3H,1= (‒ω1,3T1) / (ωH,3TH) =

= (‒T1/TH)/ i 3H,1 = (1‒i0)/[1‒i0(η0)w] =

= (1‒0,99)/[1‒0,99(0,99)+1] = 0,5025, w = sgn(ω1,HT1) = sgn[(ω1,HT1)/(-ω1,3T1)] = = sgn [(ω1,H)/( ‒ω1,H + ω3,H)] = = sgn [i0/(‒i0 + 1)] = = sgn [+0,99/(‒0,99 +1)] = +1;

ηinv = η31,H = (‒ωH,3TH)/(ω1,3T1) =

= (‒TH / T1)/ i3

1,H = = [1‒i0(η0)

x] /(1‒i0) = = [1‒0,99(0,99)-1] /(1‒0,99) = 0; x = ‒w = ‒1.

Fiind ireversibil ηinv = 0, reductorul armonic din fig. 5.3,f nu necesită frână de blocare în timpul staţionării motorului.

The first three properties show that the requirements from the list (i = 100 ± 1.5 %, η ≥ 0,5 and the motion is blocked while the motor is disconnected) are fulfilled; therefore, variant SV5 is also a conceptual variant of the function FE2.

The case of the SV6 variant. For the harmonic reducer from Fig. 5.3,f (consisting of the involute gear pair of harmonic type1-2 and of the claw coupling of harmonic type 2-3), the condition of obtaining the transmission ratio can be written as follows: i = i3H,1 = ωH,3/ω1,3 = 1/(1‒i0) = +100; (5.9) in relation (5.9), i0 is the interior kinematical ratio of the planetary gear from Fig. 5.3,d: i0 = iH1,3 = ω1,H /ω3,H = iH1,2 i

H2,3=

= (+z2/z1)(+1) = +z2/z1. (5.10) Considering that z1 = z2 + 2 (relation that is specific to the harmonic gear pairs), the following values are obtained from relations (5.9) and (5.10) (see also Fig. 5.4): z1 = 200, z2 = z3 = 198 and i0 = +0.99. In the premise that the harmonic planetary gear (Fig. 5.3,f) has the interior efficiency: η0 = ηH

1,3 = ηH1,2η

H2,3 = (0.995)2 = 0.99 ,

the following values are obtained for the efficiencies of the harmonic reducer :

η = η3H,1= (‒ω1,3T1) / (ωH,3TH) =

= (‒T1/TH)/ i 3H,1 = (1‒i0)/[1‒i0(η0)w] =

= (1‒0.99)/[1‒0.99(0.99)+1] = 0.5025, w = sgn(ω1,HT1) = sgn[(ω1,HT1)/(-ω1,3T1)] = = sgn [(ω1,H)/( ‒ω1,H + ω3,H)] = = sgn [i0/(‒i0 + 1)] = = sgn [+0.99/(‒0.99 +1)] = +1;

ηinv = η31,H = (‒ωH,3TH)/(ω1,3T1) =

= (‒TH / T1)/ i3

1,H = = [1‒i0(η0)

x] /(1‒i0) = = [1‒0.99(0.99)-1] /(1‒0.99) = 0; x = ‒w = ‒1.

Because ηinv = 0, the harmonic reducer from Fig. 5.3,f doesn’t need a blocking coupling or a brake for the motion blocking while the motor is disconnected.

156

În concluzie (v. şi fig. 5.4), varianta SR6 are următoarele proprietăţi:

- reduce viteza unghiulară de intrare de 100 de ori (ω1 = +ωH / 100),

- amplifică momentul de intrare de 50,25 ori (T1 = ‒iηTH = ‒50,25T1),

- se blochează prin ireversibilitate, în timpul staţionării motorului,

- are un grad redus de complexitate,

- are gabaritul axial şi -radial reduse,

- tehnologia de fabricaţie este deosebit de pretenţioasă.

Conform primelor 3 proprietăţi, cerinţele din listă (i = 100 ± 1,5%, η ≥ 0,5 şi se blochează în timpul staţionării motorului) sunt îndeplinite; ca urmare, varianta VR6 constituie, de asemenea, o variantă conceptuală a funcţiei FE2.

Dintre cele 6 variante conceptuale obţinute mai sus (v. fig. 5.4), urmează să se identifice soluţia conceptuală sau conceptul motoreductorului. Cu acest scop, variantele conceptuale generate sunt ordonate, în continuare, prin evaluare tehnico-economică. 5.4. EVALUAREA VARIANTELOR CONCEPTUALE Variantele conceptuale, generate mai sus, sunt sistematizate în fig. 5.4: alături de cele 6 caracteristici tehnice, sunt prezentate şi cele cinci obiective de optimizare (formulate în subcap. 5.0).

Aceste obiective (secundare) sunt folosite in continuare in calitate de criterii tehnico-economice de evaluare. Îndeplinirea acestor criterii, de fiecare variantă conceptuală în parte, este apreciată cu note pe o scară de la 1 la 10, deşi uzual scara folosită în evaluarea grosiera este mai mică; utilizând în ambele evaluări (grosieră şi fină) aceeaşi scară (şi implicit aceleaşi note), devine posibilă analiza comparativă directă a rezultatelor din cele două evaluări.

Pe baza acestor note (sistematizate de asemenea în fig. 5.4), s-a efectuat o primă ordonare a celor 6 variante conceptuale, în premisa că cele 5 criterii au importanţă egală (evaluare grosiera sau cernere).

In conclusion (see also Fig. 5.4), the variant SR6 has the following properties:

- it reduces the input angular speed 100 times (ω1 = +ωH / 100),

- it amplifies the input moment 50.25 times (T1 = ‒iηTH = ‒50.25T1),

- it transmits the power irreversible,

- it has a reduced complexity degree,

- it has reduced axial-radial overall sizes,

- the manufacturing technology is extremely pretentious.

According to the first three properties, the requirements from the list (i = 100 ± 1.5%, η ≥ 0,5 and the motion is blocked while the motor is disconnected) are fulfilled; therefore, the variant SV6 represents also a conceptual variant of the function FE2.

The conceptual solution or the motor-reducer concept will be identified between the previous 6 conceptual variants (see Fig. 5.4). Therefore, the generated conceptual variants will further order through a technical and economical evaluation. 5.4. EVALUATION OF THE CONCEPTUAL VARIANTS The conceptual variants that were previously generated are systematized in Fig. 5.4; near the six technical features, there are also presented the five optimization objectives (which were formulated in subchapter 5.0).

These (secondary) objectives are used as technical and economical evaluation criteria. The fulfillment of these criteria by each conceptual variant is appreciated with grades on a scale from 1 to 10; the scale used in the rough evaluation is usually smaller, but using the same scale for the both evaluation phases, a direct comparison between rough phase and fine phase will become possible.

Based on these grades (systematized in Fig. 5.4), it was made a first ordering of the six conceptual variants, in the premise that the 5 criteria are of equal importance (screening method).

157

Varianta conceptuală VR1 VR2 VR3 VR4 VR5 VR6

Figura 5.3 a b c d e f

CARACTERISTICI TEH.ICE

1. 1umerele de dinţi

ale roţilor

z1 = 1

z2 = 100

z1 = 20

z2 = 100

z3 = 20

z4 = 100

z5 = 25

z6 = 100

z1 = 18

z2 = 162

z3 = 15

z5 = 135

z1 = 400

z2 = 396

z2 = 100

z3 = 101

z1 = 200

z2 = 198

z3 = 198

2. Raportul de

reducere al turaţiei

de intrare 100 -100 100 100 -100 100

3. Randamentul unui

angrenaj cu axe fixe 0,65 0,98 0,985 0,995 0,999 0,995

4. Randamentul

reductorului

(acţionare directă) η

η12 =

0,65

η16 =

0,941

η1H =

0,9467

ηH1=

0,5025

ηH1 =

0,831

ηH1 =

0,5025

5. Randamentul

reductorului în

premiza acţionării

inverse ηinv

η21 = 0 η61 =

0,941

ηH1 =

0,9465 η1H = 0

η1H =

0,79 η1H = 0

6. Raportul de

amplificare a

momentului de intrare -65 94,1 -94,67 -50,25 83,1 -50,25

CRITERII DE EVALUARE / .ote

A. Minimizarea

costurilor de

fabricaţie

9 5 6 9 8 8

B. Reducerea

pierderilor prin

frecare

6 9 9 5 8 5

C. Minimizarea

gradului de

complexitate

8 6 7 8 9 6

D. Minimizarea

gabaritului radial 8 6 7 4 9 8

E. Minimizarea

gabaritului axial 9 5 6 9 8 9

Σ = 40 31 35 35 42 36

R = Σ/(5x10) = 0,80 0,62 0,7 0,7 0,84 0,72

Locul 2 5 4 4 1 3

Fig 5.4. Caracteristicile tehnice ale variantelor conceptuale; aprecierea satisfacerii criteriilor de

evaluare cu ajutorul notelor (pe o scară de la 1 la 10) şi ordonarea variantelor conceptuale prin

cernere.

158

Conceptual variant SV1 SV 2 SV 3 SV 4 SV 5 SV 6

Figure 5.3 a b c d e f

TECH.ICAL FEATURES

1. The gears numbers

of teeth

z1 = 1

z2 = 100

z1 = 20

z2 = 100

z3 = 20

z4 = 100

z5 = 25

z6 = 100

z1 = 18

z2 = 162

z3 = 15

z5 = 135

z1 = 400

z2 = 396

z2 = 100

z3 = 101

z1 = 200

z2 = 198

z3 = 198

2. The reducing ratio

for the input speed 100 -100 100 100 -100 100

3. The efficiency of a

gear pair with fixed

axes

0,65 0,98 0,985 0,995 0,999 0,995

4. The efficiency of

the reducer

(direct actuation) η

η12 =

0,65

η16 =

0,941

η1H =

0,9467

ηH1=

0,5025

ηH1 =

0,831

ηH1 =

0,5025

5. The efficiency of

the reducer for the

case of inverse

actuation ηinv

η21 = 0 η61 =

0,941

ηH1 =

0,9465 η1H = 0

η1H =

0,79 η1H = 0

6. The amplification

ratio for the input

moment -65 94,1 -94,67 -50,25 83,1 -50,25

EVALUATIO. CRITERIA / Grades

F. Minimization of

the production

costs

9 5 6 9 8 8

G. Reducing the

friction losses 6 9 9 5 8 5

H. Minimization of

the complexity

degree

8 6 7 8 9 6

I. Minimization of

the radial overall

size

8 6 7 4 9 8

J. Minimization of

the axial overall

size

9 5 6 9 8 9

Σ = 40 31 35 35 42 36

R = Σ/(5x10) = 0,80 0,62 0,7 0,7 0,84 0,72

Place 2 5 4 4 1 3

Fig 5.4. The technical features of the conceptual variants; assessment of the evaluation criteria

fulfillment by using grades (scale from 1 to 10) and ordering the conceptual variants by screening.

159

În conformitate cu rata de evaluare R, rezultată prin cernere (v. fig. 5.4), se obţine următoarea ordonare a variantelor conceptuale: VR5 (locul 1), VR 1 (locul 2), VR 6 (locul 3), la egalitate VR 3 şi VR 4 (locul 4), SR2 (locul 5).

În continuare, variantele conceptuale de pe primele cinci locuri (v. fig. 5.4), sunt reordonate în fig. 5.5 printr-o nouă evaluare, în premisa că cele 5 criterii au ponderi diferite (evaluare fină).

Cu acest scop, s-au determinat mai întâi coeficienţii de pondere absolută (Wk) şi apoi coeficienţii de pondere relativă (wk), cu ajutorul formulei FRISCO (fig. 5.5,a).

Cu notele din fig. 5.4, în fig. 5.5,b s-au reordonat variantele conceptuale rămase, pe baza notelor ponderate. Se observă că noua ordonare (din fig. 5.5,b) diferă de cea anterioară (din fig. 5,4): VR5 (locul 1), VR1 (locul 2), VR3 (locul 3), VR4 (locul 4) şi VR6 (locul 5).

According to the evaluation rate R, resulted by screening (see Fig. 5.4), the following ordering of the conceptual variants is obtained: SV5 (place 1), SV 1 (place 2), SV6 (place 3), SV3 and SV 4 (place 4), SV2 (place 5).

Further, the conceptual variants from the first five places (see Fig. 5.4), are reordered in Fig. 5.5 through a new evaluation, in the premise that the 5 criteria are of different weights (fine evaluation).

With this aim, firstly there were established the absolute weight coefficients (Wk) and then the relative weight coefficients (wk), by using the FRISCO formula (Fig. 5.5,a).

With the grades from Fig. 5.4, the remained conceptual variants were reordered in Fig. 5.5,b on the basis of the weighted grades. The new ordering (Fig. 5.5,b) has differences vs. the previous one (Fig. 5,4): SV5 (place 1), SV1 (place 2), SV3 (place 3), SV4 (place 4) and SV6 (place 5).

k

Criteriul

Criterion

Criteriul

Criterion

A B C D E Pk Lk Sk Wk wk

1 A 0,5 1 1 1 1 4,5 1 4 5,2 0,5

2 B 0 0,5 1 1 1 3,5 2 3 2,85 0,27

3 C 0 0 0,5 1 1 2,5 3 2 1,55 0,15

4 D 0 0 0 0,5 1 1,5 4 1 0,73 0,07

5 E 0 0 0 0 0,5 0,5 5 0 0,15 0,01 Suma / Sum: 10,48 1,00

FRISCO formula: ;5,0

5,02

max

min

k

kkk

PPn

SPPW

−+⋅

++−⋅=

∑=

k

kk

W

Ww

a

VR/SV1 VR/SV 3 VR/SV 4 VR/SV 5 VR/SV 6

Criteriul

Criterion wk 1k wk·1k 1k wk·1k 1k wk·1k 1k wk·1k 1k wk·1k

A 0,5 8 4 7 3,5 8 4 9 4,5 6 3

B 0,27 6 1,62 9 2,43 5 1,35 8 2,16 5 1,35

C 0,15 9 1,35 6 0,9 9 1,35 8 1,2 8 1,2

D 0,07 8 0,56 7 0,49 4 0,28 9 0,63 8 0,56

E 0,01 9 0,09 6 0,06 9 0,09 8 0,08 9 0,09

Suma / Sum: 40 7,62 35 7,38 35 7,07 42 8,57 36 6,2

Locul / Place: 2 3 4 1 5

b

Fig. 5.5,a. Stabilirea coeficienţilor de pondere relativă wk, cu ajutorul formulei FRISCO şi

b. Reordonarea variantelor conceptuale situate pe primele cinci locuri în faza de cernere (fig. 5.4).

Fig. 5.5,a. Establishment of the relative weight coefficients wk, by using the FRISCO formula and

b. Reordering of the conceptual variants that are situated on the first five places in the screening phase

(Fig. 5.4).

160

Din evaluările efectuate, pe baza fig. 5.4 şi 5.5, reiese în mod evident că soluţia conceptuală a motoreductorului este desemnată de varianta conceptuală VR5 (a cărei schemă este ilustrată în fig. 5.3,e).

Această soluţie conceptuală conţine trei module fezabile (motor, reductor, frână) şi reprezintă entitatea de intrare pentru faza proiectării constructive (fig. 4.14,a).

From these evaluations and based on Fig. 5.4 and 5.5, it obviously outcomes that the conceptual solution of the motor-reducer is designated by the conceptual variant SV5 (whose scheme is illustrated in Fig. 5.3,e).

This conceptual solution (Fig. 5.3,e) contains three feasible modules (motor, reducer, brake) and represents the input entity in the embodiment design phase (Fig. 4.14,a).

161

6. EXEMPLE DE SOLUŢII ALE UNOR FUNCŢII CU UTILIZARE TEHNICĂ UZUALĂ În acest capitol sunt prezentate succint cele mai semnificative soluţii folosite în tehnică pentru rezolvarea unor funcţii uzuale, precum:

1°. „Însumarea“ a 2 mişcări, împreună cu funcţia sa „inversă“: „distribuirea nedeterminată“ a unei mişcări în alte 2 mişcări (subcap. 6.1);

2°. „Însumarea“ a 2 momente, împreună cu funcţia sa „inversă“: „distribuirea nedeterminată“ a unui moment în alte 2 momente (subcap. 6.2);

3°. Transmiterea energiei mecanice, cu reducerea turaţiei sub un raport de transmitere constant (subcap. 6.3);

4°. Transmiterea energiei mecanice, fără modificarea turaţiei (subcap. 6.4);

5°. Soluţii de propulsie în medii fluide (subcap. 6.5).

6°. Soluţii bionice şi soluţii tehnice echivalente (subcap. 6.6). 6.1. ÎNSUMAREA A 2 MICĂRI; DISTRIBUIREA NEDETERMINATĂ A UNEI MICĂRI ÎN ALTE 2 MICĂRI În acest subcapitol sunt prezentate mai întâi câteva exemple reprezentative de utilizare a acestor funcţii, iar apoi sunt stabilite, în condiţii simplificate, proprietăţile caracte-ristice unităţilor planetare diferenţiale (referitoare la mişcări şi momente). 6.1.1. Exemple de utilizare Pentru intuitivitate, sunt prezentate 2 genuri distincte de exemple tehnice: primul gen pune în evidenţă necesitatea însumării a 2 mişcări, iar al doilea gen pune în evidenţă necesitatea distribuirii nedeterminate a unei mişcări, în alte 2 mişcări.

Primul exemplu, ilustrat în fig. 6.1 şi 6.2, aparţine primului gen şi se referă la cinematica generării unei roţi cilindrice cu dinţi înclinaţi 1 (cu z = 20 şi pZ = 500 mm / dreapta), cu ajutorul unei scule 2, de tip freză-melc (care are zS = 1 / dreapta).

6. SOLVING EXAMPLES FOR FUNCTIONS WITH USUAL TECHNICAL USE In this chapter there are succinctly presented the most significant solutions used in techniques for solving some usual functions, like:

1°. „Summation of 2 motions, together with its „inverse“ function: „indeterminate distribution“ of one motion into another 2 motions (§6.1);

2°. „Summation of 2 torques, together with its „inverse“ function: „indeterminate distribution“ of one torque into another 2 torques (§6.2);

3°. Transmission of mechanical energy, with speed reduction under a constant transmission ratio (§6.3);

4°. Transmission of mechanical energy, without speed modification (§6.4);

5°. Solutions of propulsion in fluid environments (§6.5).

6°. Bionic solutions and equivalent technical solutions (§6.6). 6.1. SUMMATION OF TWO MOTIONS; DISTRIBUTION OF A MOTION INTO OTHER 2 MOTIONS In this subchapter there are firstly presented some representative examples of using these functions, and, then, there are established the differentials’ properties (regarding the motions and torques), in simplified conditions. 6.1.1. Examples of use In order to be intuitive, 2 distinct types of technical examples are presented: the first type highlights the need of summing 2 motions, while the second type highlights the need of indeterminate distribution of one motion into other 2 motions.

The first example, illustrated in Fig. 6.1 and Fig. 6.2, belongs to the first type and it refers to the kinematics of generating a helical gear 1 (with z = 20 and pZ = 500 mm / right), using a tool 2, of worm cutter type (which has zS = 1 / right).

162

Fig. 6.1,a,b şi c. Modelul cinematic al însumării mişcărilor 10n′′′′ (pentru realizarea numărului de dinţi

z) şi 10n ′′′′′′′′ (pentru realizarea elicei danturii, de pas pz), în cazul generării unei roţi cilindrice cu dantură

înclinată (1), cu o sculă de tip freză-melc (2). a1,b1,c1. Exemplu simplificat de rezolvare a însumării

mişcărilor cu ajutorul unei unităţi planetare diferenţiale (bimobile): 4-5-6-H.

Fig. 6.1,a,b and c. The kinematical model of summing the motions 10n′′′′ (for obtaining the number of

teeth z) and 10n ′′′′′′′′ (for obtaining the gear’s helix, with the pitch pz), in the case of generating a helical

gear (1), with a tool of a worm cutter type (2). a1,b1,c1. A simplified example of solving the motions’

summation using a differential (2 DOF): 4-5-6-H.

a b c

a1 b1 c1

163

În premisa că melcul 2 are turaţia n2h = +100 rot/min, conform fig. 6.1,a şi a1, pe circumferinţa roţii vor fi generaţi z = 20 dinţi, dacă roata 1 are turaţia: n10(3 ≡ 0) = n′′′′

10 = (+zS / z)n2h = = (+1/ 20)(+100) = + 5 rot/min.

Conform fig. 6.1,b şi b1, în premisa că şurubul de avans 3 are turaţia n30 = +5 rot/min şi pasul p = 10 mm / dreapta, se generează o dantură cu elice de pas pZ = +500 mm (dreapta), dacă roata 1 are turaţia: n10(2≡ h) = n′′

10 = (p/ pZ)n30 = = (+10/ 500) (+5)= +0,1 rot/min.

În concluzie, numărul de dinţi ai roţii (z) şi elicea danturii (pZ) pot fi generate simultan dacă semifabricatul 1 (fig. 6.1,c şi c1) efectuează turaţia-sumă: n10 = n′

10 + n′′10 = (+zS / z)n2h +(p /pZ)n30 =

= +5 + 0,1 = +5,1 rot/min.

Turaţia-sumă poate fi scrisă sub forma generalizată: An2h + Bn30 = n′

10 + n′′10 = n10 =>

An2h + Bn30 = n10 , (6.1) în care A şi B sunt coeficienţi constanţi. Această egalitate poate fi interpretată ca o relaţie de „însumare“.

Fiind cunoscute turaţiile n2h şi n30, prin „însumarea“ lor, după regula (6.1), se obţine turaţia-sumă n10.

Turaţiile n2h şi n30 fiind independente, rezultă că relaţia (6.1) reprezintă funcţia de transmitere a unui mecanism bimobil (cu M = 2 mişcări independente), care are trei mişcări exterioare (L = 3): două mişcări de intrare independente (n2h şi n30) şi o mişcare de ieşire dependentă: mişcarea-sumă n10.

Acest mecanism, ilustrat simplificat în fig. 6.1,c1, conţine: o unitate planetară diferenţială 4-5-6-H şi trei trenuri de angrenaje cu axe fixe, α, β şi γ, ilustrate simplificat prin linii de legătură; aceste trenuri de angrenaje leagă unitatea planetară diferenţială (bimobilă) cu freza-melc 2, cu şurubul de avans 3 şi respectiv cu semifabricatul 1.

According to Fig. 6.1,a and a1, and in the premise that tool 2 has the speed n2h = +100 rot/min, there can be generated z = 20 teeth on the gear circumference, if gear 1 has the speed: n10(3 ≡ 0) = n′′′′

10 = (+zS / z)n2h = = (+1/ 20)(+100) = + 5 rot/min.

According to Fig. 6.1,b and b1, in the premise that the feeding screw 3 has the speed n30 = +5 rot/min and the pitch p = 10 mm / right, it is generated a gear with a helix’s pitch pZ = +500 mm (right), if the gear 1 speed is: n10(2≡ h) = n′′

10 = (p/ pZ)n30 = = (+10/ 500) (+5)= +0.1 rot/min.

In conclusion, the gear’s number of teeth (z) and helix (pZ) can be generated simultaneously if the semi-product 1 (Fig. 6.1,c and c1) performs the sum speed: n10 = n′

10 + n′′10 = (+zS / z)n2h +(p /pZ)n30 =

= +5 + 0.1 = +5.1 rot/min.

The sum speed can be written in a generalized form: An2h + Bn30 = n′

10 + n′′10 = n10 =>

An2h + Bn30 = n10 , (6.1) in which A and B are constant coefficients. This equality can be interpreted as a „summation“ relation.

Considering that the speeds n2h and n30 are known, by summing them according to the rule (6.1), the sum speed n10 is obtained.

Because the speeds n2h and n30 are independent, it outcomes that relation (6.1) represents the transmission function of a two degree-of-freedom mechanism (with M = 2 independent motions), which has three external motions (L= 3): two independent input motions (n2h and n30) and a dependent output motion: the sum speed n10.

This mechanism, illustrated in Fig. 6.1,c1, contains: a 2 DOF planetary gear 4-5-6-H (differential) and three gear trains with fixed axes α, β and γ, which are illustrated in a simplified way through flow lines; these gear trains connect the differential to the tool 2, to the feeding screw 3 and to the semi-product 1, respectively.

164

În fig. 6.2 este detaliată schema de principiu a unui astfel de mecanism; în plus, faţă de fig. 6.1,c1, s-au figurat : motorul αααα (destinat antrenării frezei 2), motorul ββββ (destinat antrenării şurubului de avans 3) şi angrenajele de legătură aferente. În schema din fig. 6.2, iS este notaţia raportului de transmitere al cutiei de viteze, iar ia este notaţia raportului de transmitere al cutiei de avansuri; cele 2 cutii sunt ilustrate simplificat prin câte un paralelipiped trasat cu linie întreruptă. Cele două cutii permit reglarea a două viteze independente: viteza sculei aşchietoare şi viteza şurubului de avans.

The principle scheme of such a mechanism is detailed in Fig. 6.2; moreover, towards Fig. 6.1,c1, there were illustrated: the motor αααα (meant to actuate the worm cutter 2), the motor ββββ (meant to actuate the feeding screw 3) and the afferent connecting gear pairs. In the scheme from Fig. 6.2, iS is the notation for the transmission ratio of the gear box, and ia is the notation for the transmission ratio of the feeding box; both boxes are illustrated in a simplified way, through parallelepipeds designed with a dashed line. The two gear boxes allow adjustment of the two independent speeds: tool speed and feeding screw speed.

Fig. 6.2. Variantă detaliată a exemplului de rezolvare din fig. 6.1,c1 (C.V. = cutie de viteze; C.A. = cutie

de avansuri).

Fig. 6.2. A detailed variant of the solving example from Fig. 6.1,c1 (G.B.= gear box; F.B.= feeding box).

C.A./F.B.

C.V./G.B.

165

În ambele figuri (6.1 şi 6.2), însumarea mişcărilor este realizată de unitatea planetară bimobilă (diferenţială) 4-5-6-H; în aceste cazuri, turaţiile roţilor centrale 4 şi 6 desemnează mişcările de intrare, iar turaţia braţului H, mişcarea de ieşire (adică mişcarea-sumă): A4n4 +B6n6 = n′

H +n′′H = nH. (6.2)

O aplicaţie similară se regăseşte la detalonarea pe elice a frezelor cu dinţi înclinaţi; ca exemplu, în fig. 6.3 este ilustrată schema transmisiei unui strung de detalonat, pe care se realizează o astfel de prelucrare. În acest caz, însumarea se realizează cu ajutorul unităţii planetare bimobile 34-35-36-H.

Un alt tip de aplicaţie, bazat pe însumarea a 2 mişcări, se referă la sinteza unor variatoare de turaţie, care pot transmite puteri medii şi mari.

În acest gen de aplicaţii, una dintre cele două mişcări însumate este reglabilă; ca urmare, rezultă o mişcare-sumă de asemenea reglabilă.

Ca exemplu, în fig. 6.4 este reprezentat un astfel de variator monomobil (M = 1), format dintr-o unitate planetară bimobilă 1-2-3-H (care asigură însumarea) şi un „lanţ cinematic de închidere“ (4-D-9), care conţine un variator cu lanţ (4-5) pentru reglare.

În conformitate cu fig. 6.4, unitatea planetară bimobilă însumează turaţia motorului nH cu turaţia reglabilă n1 şi se obţine turaţia-sumă n3, de asemenea reglabilă.

Exemplele ilustrate în fig. 6.5, fig. 6.6 şi fig. 6.7 aparţin celui de-al doilea gen, care pune în evidenţă necesitatea distribuirii nedeterminate a unei mişcări, în alte 2 mişcări.

Exemplul din fig. 6.5 se referă la cinematica rulării fără alunecare a roţilor unei punţi motoare, în timpul virării automobilului (R = rază aleatoare de virare; b = ecarta-ment constant; r = raza celor 2 roţi motoare ale punţii; ω′ şi ω′′ = vitezele unghiulare ale roţilor motoare în virare; Ω = viteza unghiulară de virare a automobilului, în jurul centrului O).

In both figures (6.1 and 6.2), the motions’ summation is obtained through the 2 DOF planetary gear 4-5-6-H (differential); in these cases, the speeds of the sun gears 4 and 6 designate the input motions, while the speed of the carrier H, the output motion (that is the sum speed): A4n4 +B6n6 = n′

H +n′′H = nH. (6.2)

A similar application can be found in relieving the cutters with helical teeth; for instance, in Fig. 6.3 it is illustrated the scheme of the transmission from a backing-off lathe, on which it is made such a tooling. In this case, the summation is made with a 2 DOF (differential) planetary gear 34-35-36-H.

Another type of application based on summing two motions, is referring to the synthesis of speed variators, which can transmit medium and high powers.

In this kind of applications, one of the two motions that are added up is adjustable; therefore, it results also a sum motion that is adjustable

For instance, in Fig. 6.4 it is represented a 1 DOF variator (M = 1), consisting of a 2 DOF planetary gear 1-2-3-H (that ensures the summation) and a „closed kinematical chain“ (4-D-9), which contains a variator (4-5) for adjustment.

According to Fig. 6.4, the 2 DOF planetary gear (differential) sums the motor speed nH and the adjustable speed n1 and the sum speed n3, also an adjustable speed, is obtained.

The examples that are illustrated in Fig. 6.5, Fig. 6.6 and Fig. 6.7 belong to the second type, which highlights the necessity of an indeterminate distribution of a motion in other 2 motions.

The example from Fig. 6.5 is referring to the kinematics of rolling without sliding for the wheels from a rear axle, while the car is turning (R = the random turning radius; b = the constant gauge; r = the radius of the 2 driving wheels of the axle; ω′ and ω′′ = the angular speeds of the driving wheels while turning; Ω = the angular speed for the car turning, round the center O).

166

Fig. 6.3. Exemplu de însumare a două mişcări, cu ajutorul unei unităţi planetare diferenţiale (34-35-36-H), folosit în transmisia unui strung de detalonat, pentru detalonarea frezelor cu dinţi înclinaţi.

Fig. 6.3. Example of summing two motions, using a 2 DOF planetary gear (differential 34-35-36-H), used in the transmission of a backing-off lathe, for relieving the cutters with helical teeth.

Fig. 6.4. Exemplu de însumare a două mişcări, cu ajutorul unei unităţi planetare diferenţiale (1-2-3-H), folosit în transmisia unui variator de turaţie.

Fig. 6.4. Example of summing two motions, using a 2 DOF planetary gear (differential 1-2-3-H), used in the transmission of a speed variator.

167

Conform fig. 6.5,a, roţile unei punţi motoare rulează (se rostogolesc) fără alunecare pe drum, dacă viteza de antrenare a punţii (ωH din fig. 6.5,b) se distribuie pe cele două roţi astfel încât:

vA / vC = [Ω(R‒0,5b)] / [Ω(R+0,5b)] =

= (R‒0,5b) / (R+0,5b);

vA / vC = (ω′r )/(ω′′ r ) =>

ω′/ω′′ = (R‒0,5b) / (R+0,5b); (6.3)

în cazul general, R fiind o mărime aleatoare, rezultă că raportul (6.3) este nedeterminat! Cu alte cuvinte, în virare (v. fig. 6.5,a şi b), roţile unei punţi motoare pot rula fără alunecare pe drum, dacă mişcarea de antrenare (ωH din fig. 6.5,b) este distribuită în mod nedeterminat, printr-un mecanism adecvat, pe roţile punţii (ω′ şi ω′′); această proprietate poate fi modelată matematic printr-o ecuaţie liniară

According to Fig. 6.5,a, the wheels from a rear axle are rolling without sliding on a road, if the axle driving speed (ωH from Fig. 6.5,b) is distributed on the two wheels so that :

vA / vC = [Ω(R‒0.5b)] / [Ω(R+0.5b)] =

= (R‒0.5b) / (R+0.5b);

vA / vC = (ω′r )/(ω′′ r ) =>

ω′/ω′′ = (R‒0.5b) / (R+0.5b); (6.3)

in the general case, R being a random quantity, it outcomes that the ratio (6.3) is indeterminate! Putting it differently, while turning (see Fig. 6.5,a and b), the wheels from a rear axle are rolling without sliding on a road, if the driving motion (ωH from Fig. 6.5,b) is distributed in an indeterminate way, using an adequate mechanism, on the axle wheels (ω′ and ω′′); this property can be mathematically modeled through a linear

b

Fig. 6.5,a. Modelul cinematic al rulării roţi-drum, în cazul unei punţi motoare, la deplasarea în curbe (R= rază de virare aleatoare): mişcarea de antrenare a punţii se distribuie nedeterminat pe roţile acesteia; b. Exemplu de distribuire nedeterminată a mişcării ωH, în mişcările ω′ şi ω′′ , cu ajutorul unei unităţi planetare diferenţiale simetrice (i0 = ‒1) inter-roţi.

Fig. 6.5,a. The kinematical model of wheels-road rolling, in the case of a rear axle, while the car is turning (R = the random turning radius): the driving motion of the axle is distributed on its wheels indeterminately; b. Example for the indeterminate distribution of the motion ωH, into the motions ω′ and ω′′ , using an inter-wheels symmetrical differential (i0 = ‒1).

a

168

cu coeficienţi constanţi, ale cărei soluţii, ω′ şi ω′′, sunt nedeterminate:

ωH = Aω′ + Bω′′ (6.4)

Se observă uşor că ecuaţia (6.4) este similară cu rel. (6.2), dar citită în sens invers!

Aceasta înseamnă că funcţia de mai sus poate fi realizată cu ajutorul unui unităţi planetare diferenţiale (v. fig. 6.5,b), în care viteza ωH este mişcare de intrare, iar vitezele ω′ şi ω′′ sunt mişcări de ieşire. Fiind dispus între roţile punţii motoare, acest mecanism este denumit mecanism diferenţial inter-roţi; deoarece roţile unei punţi motoare sunt încărcate, de obicei, cu sarcini egale, un astfel de mecanism conţine o unitate planetară simetrică (în care i0 = i

H = ‒1).

Uzual, într-o punte motoare, elementul H al unităţii planetare diferenţiale (v. fig. 6.5,b) este antrenat printr-un reductor cu axe fixe denumit reductor central (R.C.).

equation with constant coefficients, whose solutions, ω′ and ω′′, are indeterminate:

ωH = Aω′ + Bω′′ . (6.4)

It can be easily observed that equation (6.4) is similar to relation (6.2), but read in reverse order!

This means that the previous function can be obtained using a differential (see Fig. 6.5,b), in which the speed ωH is the input motion, and the speeds ω′ and ω′′ are output motions. Being arranged between the wheels of the rear axle, this mechanism is called the inter-wheels differential; because the wheels from the rear axle are usually loaded with equal charges, such a mechanism contains a symmetrical planetary gear unit (in which i0 = i

H = ‒1).

Usually, in a rear axle, the carrier H from a differential (see Fig. 6.5,b) is actuated through a reducer with fixed axes that is called central reducer (C. R.).

Fig. 6.6. Exemplu de distribuire nedeterminată a mişcării Hω , în mişcările IRCω=ω1 şi IIRCω=ω3

(pentru antrenarea punţilor motoare I şi II ale unui automobil 4×4), cu ajutorul unei unităţi planetare

diferenţiale asimetrice ( 10 −≠i ) inter-punţi (prin RC I şi RC II s-au notat reductoarele centrale, în

carcasele cărora sunt incluse şi unităţile diferenţiale simetrice inter-roţi).

Fig. 6.6. Example for the indeterminate distribution of the motion Hω into the motions IRCω=ω1

and IIRCω=ω3 (for actuating the driving axles I and II of a 4×4 car), using an asymmetrical ( 10 −≠i )

inter-axles differential (RC I and RC II are the central reducers, in their casings being enclosed also the inter-wheels symmetrical differentials).

169

În conformitate cu fig. 6.6, o situaţie similară, cu cea precedentă, intervine la antrenarea a două punţi motoare, în timpul deplasării automobilului pe un teren denivelat. În acest caz, mişcarea de intrare (ωH) este distribuită în mod nedeterminat pe punţile motoare I şi II (ω1 = ωRCI şi ω3 = ωRCII ), prin intermediul unui mecanism diferenţial inter-punţi; dacă sarcinile pe punţile I şi II sunt inegale (fig. 6.6), atunci mecanismul diferenţial inter-punţi conţine o unitate planetară asimetrică (în care i0 = i

H ≠ –1).

Pentru detalierea exemplificării, în fig. 6.7 s-a ilustrat transmisia unui camion 4×4 (cu 2 punţi motoare: I şi II), pe care s-a marcat cu gri circulaţia fluxului energetic; notaţiile utilizate au următoarele semnificaţii: C.V. = cutie de viteze; C.D. = cutie de distribuţie; Dp = mecanismul diferenţial inter-punţi; RCI, RCII = reductoarele centrale ale punţilor I şi respectiv II; DI, DII = mecanismele diferenţiale inter-roţi ale punţilor I şi respectiv II.

În concluzie, ambele funcţii analizate (atât însumarea a 2 mişcări, cât şi distribuţia nedeterminată a unei mişcări în alte 2 mişcări) pot fi rezolvate cu ajutorul unităţii planetare diferenţiale. În continuare se stabilesc proprie-tăţile caracteristice unui astfel de mecanism. 6.1.2. Proprietăţi caracteristice unităţilor planetare diferenţiale Pentru intuitivitate, în tab. 6.1 s-au sistematizat schemele unităţilor planetare diferenţiale uzuale, cu 2 roţi centrale, şi schemele mecanismelor monomobile derivate din acestea, prin anularea unui grad de mobilitate (adică prin blocarea unei roţi centrale sau a braţului port-sateliţi H).

În continuare, se stabilesc proprietăţile caracteristice unităţilor planetare diferenţiale (bimobile: M = 2), folosind ca exemplu unitatea planetară cu 2 roţi centrale (1 şi 3) şi satelit simplu (2) din tab. 6.1,d şi d1.

Pentru această unitate planetară, în fig. 6.8,a şi b s-au reprezentat schema structurală şi schema bloc, pe care s-au precizat parametrii exteriori ai celor L = 3 legături exterioare (intrări şi ieşiri ale puterii mecanice); fiind posibile mai multe combinaţii de intrări şi ieşiri, s-a preferat ca natura legăturilor exterioare din fig. 6.8,a şi b să rămână neprecizată.

According to Fig. 6.6, a similar situation to the previous one interferes in the actuation of two rear axles, while the car is moving on a uneven road. In this case, the input motion (ωH) is distributed on the rear axles I and II in an indeterminate way (ω1 = ωRCI and ω3 = ωRCII), using an inter-axles differential; if the loads on both axles are not equal (Fig. 6.6), then the inter-axles differential contains an asymmetrical planetary gear unit (in which i0 = i

H ≠ –1).

In order to exemplify the last application, the transmission of a 4×4 truck (with 2 rear axles: I and II, on which the energetic flow was marked with grey) was illustrated in Fig. 6.7; the notations have the following meanings: C.V. = gear box; C.D. = distributing box; Dp = the inter-axles differential; RCI, RCII = central reducers for the axles I and II; DI , DII = the inter-wheels differentials of the axles I and II.

In conclusion, both analyzed functions (the summation of 2 motions, and the indeterminate distribution of one motion into other 2 motions) can be solved using a differential. The properties of such a mechanism will be further established. 6.1.2. Characteristic properties of a planetary gear unit The schemes of usual 2 DOF planetary gear units, with two sun gears, and the schemes of the 1 DOF mechanisms that are derived from the previous units by the annulment of one degree-of-freedom (that is by blocking a sun gear or the carrier H) are systematized in Tab. 6.1

Further, the properties of 2 DOF planetary gear units (with M = 2) are established using, as an example, the planetary gear with 2 sun gears (1 and 3) and one satellite (2) from Tab. 6.1,d and d1.

The structural scheme and the block scheme of this planetary gear unit, on which were specified the external parameters of the L = 3 external links (inputs and outputs of the mechanical power) were represented in Fig. 6.8,a and b; because there are possible more combinations of inputs and outputs, it was preferred not to specify the nature of the external links from Fig. 6.8,a and b.

170

Fig. 6.7. Exemplu detaliat de distribuire nedeterminată a mişcării (inter-punţi şi inter-roţi) în cazul unui autocamion cu 2 punţi motoare (4x4): C.V. = cutie de viteze, C.D. = cutie de distribuţie, Dp = unitate planetară diferenţială inter-punţi (asimetrică), RC I şi RC II = reductor central al punţii I şi respectiv II, D I şi D II = unitate planetară diferenţială inter-roţi (simetrică) aferentă punţii I şi respectiv II.

Fig. 6.7. Detailed example for the indeterminate distribution of a motion (inter-axles and inter-wheels) in the case of a truck with 2 driving axles (4×4): C.V. = gear box, C.D. = distributing box, Dp = inter-axles differential (asymmetrical), RC I and RC II = central reducer of the I and respectively the II axle, D I and D II = inter-wheels differential (symmetrical) afferent to the axle I and II.

171

Alăturat, în fig. 6.8,c şi d, s-au ilustrat schema structurală şi schema bloc ale unităţii cu axe fixe, care s-a obţinut din unitatea planetară dată (fig. 6.8,a şi b), inversând mişcarea în raport cu braţul H (adică imprimând, întregii unităţi planetare, o mişcare egală şi de sens invers cu mişcarea elementului H).

Evident, în urma inversiunii mişcării, se modifică mişcările absolute (datorită schimbării bazei), dar rămân aceleaşi mişcările relative şi momentele (în premisa neglijării efectelor inerţiale).

The structural scheme and the block scheme of the unit with fixed axes that was obtained from the given planetary gear unit (Fig. 6.8,a and b), by inverting the motion vs. the carrier H (rotating the whole planetary gear unit with a motion equal and backwards to the motion of the element H) were illustrated nearby, in Fig. 6.8,c and d.

Obviously, after inverting the motion, the absolute speeds are modified (because the frame is changed), but the relative speeds and moments remain the same (in the premise that the inertial effects are neglected).

Fig. 6.8,a şi b. Exemplu de unitate planetară diferenţială (bimobilă: M = 2), cu 2 roţi centrale (1 şi 3) şi satelit simplu (2): schemă structurală (a) şi schemă bloc (b); c şi d. Unitatea cu axe fixe derivată din unitatea planetară prin inversiunea mişcării faţă de braţul H: schemă structurală (c) şi schemă bloc (d).

Fig. 6.8,a and b. Example of differential unit (2 DOF planetary gear unit: M = 2), with 2 sun gears (1 and 3) and one satellite (2): structural scheme (a) and block scheme (b); c and d. The unit with fixed axes derived from the planetary gear unit by inverting the motion vs. the carrier H: structural scheme (c) and block scheme (d).

2 2

1 (z1=30)

1 H = 0 H

3 (z3=90) 3

T1

T1 T3

TH T1 T3

TH

T3 T1= ? T3= ?

(TH ) TH

ω1‒ωH = = ω1H ω1

ω3

ωH

ω3‒ωH = = ω3H

ωH - ωH = 0

Hω−

ω1‒ωH = = ω1H

ωH =?

ω1 ω3

1 3 1 3

H = 0 H ω3‒ωH = = ω3H

ωHH = 0

M=1

L=2

M=2

L=3

a c

b d

( )( )( )

==

==

=ωωω=ω

?

?

?,

33

11

31

H

H

HH

TTT

TTT ?3

1130 =

ωω

==H

HHii

172

Tab. 6.1. Exemple uzuale de unităţi planetare diferenţiale (bimobile) şi de unităţi monomobile, derivate din cele diferenţiale prin blocarea unui element central.

Mecanisme planetare monomobile (M = 1)

Mecanisme planetare bimobile (M = 2) -planetare -cu axe fixe

-cu

crem

alie

re ş

i sat

elit

sim

plu

M = 2 mişcări independente

(de ex: Hss ,1 )

M = 1 - o mişcare

independentă

(de ex: 113 ss = )

M = 1 - o mişcare

independentă

(de ex: 11 ss H = )

-cu

roţi

con

ice


(de ex: Hϕϕ ,1 )

M = 1 - o mişcare

independentă

(de ex: 113 ϕ=ϕ )

M = 1 - o mişcare

independentă

(de ex: 11 ϕ=ϕ H )

UN

ITĂ

ŢI

PL

AN

ET

AR

E S

IME

TR

ICE

(i 0

= ‒

1)

-cu

roţi

cil

indr

ice


(de ex: Hϕϕ ,1 )

M = 1 - o mişcare

independentă

(de ex: 114 ϕ=ϕ )

M = 1 - o mişcare

independentă

(de ex: 11 ϕ=ϕ H )

-cu

sate

lit s

impl

u


(de ex: Hϕϕ ,1 )

M = 1 - o mişcare

independentă

(de ex: 113 ϕ=ϕ )

M = 1 - o mişcare

independentă

(de ex: 11 ϕ=ϕ H )

UN

ITĂ

ŢI

PL

AN

ET

AR

E A

SIM

ET

RIC

E (

i 0≠

‒1)

-cu

sate

lit d

ublu


(de ex: Hϕϕ ,1 )

M = 1 - o mişcare

independentă

(de ex: 114 ϕ=ϕ )

M = 1 - o mişcare

independentă

(de ex: 11 ϕ=ϕ H )

173

Tab. 6.1. Usual examples of 2 DOF planetary gear units (differential units) and 1 DOF units, which are derived from the differential units by blocking a central element.

1 DOF gear units (M = 1)

2 DOF planetary gear units (M = 2) -planetary -with fixed axes

- w

ith

rack

s an

d si

mpl

e sa

tell

ite

M = 2 independent motions

(for ex: Hss ,1 )

M = 1 independent

motion

(for ex: 113 ss = )

M = 1 independent

motion

(for ex: 11 ss H = )

- w

ith

coni

cal w

heel

s

M = 2 independent

motions (for

ex: Hϕϕ ,1 )

M = 1 independent motion

(for ex: 113 ϕ=ϕ )

M = 1 independent

motion

(for ex: 11 ϕ=ϕ H )

SY

ME

TR

ICA

L P

LA

NE

TA

RY

UN

ITS

(i 0

= ‒

1)

-wit

h cy

lind

rica

l whe

els

M = 2 independent motions

(for ex: Hϕϕ ,1 )

M = 1 independent

motion

(for ex: 114 ϕ=ϕ )

M = 1 independent

motion


-wit

h si

mpl

e sa

tell

ite

M = 2 independent

motions (for ex:

Hϕϕ ,1 )

M = 1 independent

motion

(for ex: 113 ϕ=ϕ )

M = 1 independent

motion


UN

SY

ME

TR

ICA

L P

LA

NE

TA

RY

UN

ITS

(i 0

≠ ‒

1)

-wit

h do

uble

sat

elli

te

M = 2 independent

motions (for ex:

Hϕϕ ,1 )

M = 1 independent

motion

for ex: 114 ϕ=ϕ )

M = 1 independent

motion


174

1°. Caracterizare structurală Pe baza interpretării cinematice şi statice a gradului de mobilitate M [4], se identifică funcţiile de transmitere ale unităţii planetare bimobile, în exprimare calitativă (v. fig. 6.8,a şi b).

Interpretare cinematică: dintre cele L = 3 mişcări exterioare (fig. 6.8,b), M = 2 sunt independente (de exemplu: ω1 şi ω3).

Aşadar, mişcarea rămasă ωH (L – M = 3 – 2 = 1) este dependentă şi desemnează calitativ funcţia de transmitere a mişcărilor, realizată de mecanism: ωH = ωH (ω1 ,ω3) = ? (6.5) Interpretare statică: dintre cele L = 3 momente exterioare (fig. 6.8,b), M = 2 sunt dependente [4] (de exemplu: T1 şi T3) şi desemnează calitativ funcţiile de transmitere ale momentelor. Momentul rămas TH (L – M = 3 – 2 = 1) este independent şi intervine ca argument în funcţiile de transmitere ale momentelor: T1 = T1(TH) = ? ; T3 = T3(TH) = ? (6.5’) Pentru a fi uşor identificate, mărimile independente din fig. 6.8,b s-au reprezentat încadrat, iar mărimile dependente s-au notat cu semn de întrebare. În continuare se stabilesc expresiile cantitative ale funcţiilor de transmitere identificate calitativ. 2°. Funcţia de transmitere a vitezelor Stabilirea acestei funcţii cuprinde două etape:

a) Se stabileşte mai întâi raportul cinematic interior i0 al unităţii planetare din fig. 6.8,a şi b; acest raport coincide cu raportul de transmitere al vitezelor unităţii cu axe fixe din fig. 6.8,c şi d: i0 = i H1,3 = ω1H /ω3H = i H1,2i

H2,3 =

=(–z2/z1)(+z3/z2) = –z3/z1 = –90/30 = –3/1; aceasta înseamnă că la 3 rotaţii ale roţii 1 (faţă de H), roata 3 efectuează o singură rotaţie, în sens invers.

1°. Structural characterization The transmission functions of the 2 DOF planetary gear unit, in a qualitative form, are identified on the basis of the kinematical and static interpretation of the degree-of-freedom M [4] (see Fig. 6.8,a and b).

Kinematical interpretation: among the L = 3 external motions (Fig. 6.8,b), M = 2 are independent (for instance: ω1 and ω3) [4].

Thus, the remained motion ωH (L – M = 3 – 2 = 1) is dependent and designates, qualitatively, the mechanism’s transmission function for motions: ωH = ωH (ω1 ,ω3) = ? (6.5) Static interpretation: between the L = 3 external torques (Fig. 6.8,b), M = 2 are dependent [4] (for instance: T1 and T3) and designate qualitatively, the transmission functions for torques. The remained torque TH (L – M = 3 – 2 = 1) is independent and interferes as argument in the torques transmission functions: T1 = T1(TH) = ? ; T3 = T3(TH) = ? (6.5’) In order to be easy to identify them, the independent sizes from Fig. 6.8,b were represented bordered, and the dependent sizes were denoted with a question mark. The quantitative expressions of the transmission functions that were identified qualitatively will be further established. 2°. The speeds transmission function The establishment of this function consists of two steps:

a) The internal kinematical ratio i0 of the planetary gear unit from Fig. 6.8,a and b is established in the first place; this ratio i0 is equal to the speeds transmission ratio of the unit with fixed axes from Fig. 6.8,c and d: i0 = i H1,3 = ω1H /ω3H = i H1,2i

H2,3 =

=(–z2/z1)(+z3/z2) = –z3/z1 = –90/30 = –3/1; this means that while gear 1 makes 3 rotations (vs. H), gear 3 makes a single rotation backwards (vs. H, too).

175

b) Pe baza raportului interior i0 se stabileşte ecuaţia vitezelor unităţii planetare bimobile (6.6‘): i0 = ω1H /ω3H = (ω1–ωH)/(ω3–ωH) =>

ω1–i0ω3– (1–i0)ωH = 0 <=> (6.6)

ω1 + 3ω3 – 4ωH = 0; (6.6‘)

apoi, din ecuaţia (6.6‘) se explicitează funcţia de transmitere căutată (6.7‘): ωH = ω1/(1–i0) – ω3i0/(1–i0) <=> (6.7)

ωH = 0,25ω1 + 0,75ω3 . (6.7‘) 3°. Funcţiile de transmitere ale momentelor În premisa neglijării frecării şi a efectelor inerţiale, suma puterilor de intrare şi de ieşire ale unităţii planetare bimobile este nulă (fig. 6.8,b): ω1T1 + ω3T3 + ωHTH = 0. (6.8) Ţinând seama de relaţia (6.7), expresia (6.8) devine: ω1[T1 +TH /(1–i0)] +ω3 [T3–THi0/(1–i0)] =0. Vitezele ω1 şi ω3 fiind independente, egalitatea precedentă poate fi adevărată numai dacă parantezele devin nule; din condiţia anulării celor 2 paranteze se obţin funcţiile de transmitere căutate: T1 = ‒TH /(1‒i0) = ‒0,25TH;

T3 = THi0/(1‒i0) = ‒0,75TH. (6.9) Pentru verificare, se testează veridicitatea ecuaţiei de echilibru a momentelor unităţii planetare (fig. 6.8,a): T1 +T3 +TH = 0 => ‒0,25TH ‒ 0,75TH +TH = 0! 4°. Proprietăţile unităţii planetare diferenţiale Proprietăţile cinematice şi statice, caracteristice unităţii planetare diferenţiale date, se obţin interpretând funcţiile de transmitere (6.7‘) şi (6.9).

b) The speeds equation for the 2 DOF planetary gear unit (6.6‘) is established on the basis of the internal ratio i0: i0 = ω1H /ω3H = (ω1–ωH)/(ω3–ωH) =>

ω1–i0ω3– (1–i0)ωH = 0 <=> (6.6)

ω1 + 3ω3 – 4ωH = 0; (6.6‘)

then, from the equation (6.6’), the wanted transmission function (6.7’) can be stated : ωH = ω1/(1–i0) – ω3i0/(1–i0) <=> (6.7)

ωH = 0.25ω1 + 0.75ω3 . (6.7‘) 3°. The torques’ transmission functions In the premise that the friction and the inertial effects are neglected, the sum of the input and output powers of the 2 DOF planetary gear unit is null (Fig. 6.8,b): ω1T1 + ω3T3 + ωHTH = 0. (6.8) Tacking into account the relation (6.7), the expression (6.8) becomes: ω1[T1 +TH /(1–i0)] +ω3 [T3–THi0/(1–i0)] =0. The speeds ω1 and ω3 being independent, the previous equality can be true only if the brackets become null; the torques’ transmission functions are obtained from the condition of annulling the two brackets: T1 = ‒TH /(1‒i0) = ‒0.25TH;

T3 = THi0/(1‒i0) = ‒0.75TH. (6.9) The truthfulness of the equation of equilibrium for the planetary unit’s torques is tested for checking (Fig. 6.8,a): T1 +T3 +TH = 0 => ‒0.25TH ‒ 0.75TH +TH = 0! 4°. The properties of the differential unit The kinematical and static properties of the given differential unit are obtained interpreting the transmission functions (6.7‘) and (6.9).

176

a) Din relaţia (6.7‘), citită de la dreapta la stânga: 0,25ω1 + 0,75ω3 = ωH, (6.7‘‘) rezultă prima proprietate cinematică: unitatea planetară diferenţială dată (fig. 6.8,a şi b) are două mişcări exterioare independente, ω1 şi ω3, pe care le poate însuma, după regula (6.7‘‘), rezultând o mişcare exterioară-sumă ωH.

Această proprietate a fost aplicată în cazul exemplelor din fig. 6.1-6.4.

b) Din relaţia (6.7‘), citită de la stânga la dreapta, se obţine a doua proprietate cinematică („inversă“ faţă de prima): unitatea planetară diferenţială dată (fig. 6.8,a şi b) poate distribui nedeterminat mişcarea exterioară ωH în alte două mişcări exterioare: ω1 şi ω3.

Această proprietate a fost aplicată în cazul exemplelor din fig. 6.5-6.7.

c) Din interpretarea relaţiilor (6.9) se obţine următoarea proprietate statică: unitatea planetară diferenţială dată (fig. 6.8,a şi b) are un moment exterior independent TH pe care-l distribuie determinat în alte două momente exterioare: T1 şi T3.

În cazul exemplelor din fig. 6.5-6.7, la deplasarea automobilului pe un teren alunecos, această proprietate poate cauza patinarea unei roţi motoare sau, mai rar, patinarea unei punţi motoare (la automobilele cu p ≥ 2 punţi motoare); patinarea intervine la anularea aderenţei roata-drum sau punte-drum.

În timpul patinării, motorul funcţionează în gol şi, implicit, automobilul nu se mai poate deplasa. În cazul automobilelor cu destinaţie specială, ieşirea din astfel de situaţii se realizează prin blocarea temporară a mecanismului diferenţial aferent roţii sau punţii care patinează.

În concluzie, o unitate planetară diferenţială poate fi utilizată ca soluţie de principiu pentru următoarele trei funcţii, ale unor produse tehnice:

a) însumarea a 2 mişcări;

b) distribuirea nedeterminată a unei mişcări, în alte 2 mişcări;

a) From relation (6.7‘), read from right to left: 0.25ω1 +0.75ω3 = ωH, (6.7‘‘) it results the first kinematical property: the given 2 DOF planetary gear unit (Fig. 6.8,a and b) has two independent external motions, ω1 and ω3, which can be summed, according to relation (6.7‘‘), in an external sum motion ωH.

This property was applied in the case of the examples from Fig. 6.1-6.4.

b) From relation (6.7‘), read from left to right, the second kinematical property is obtained („reverse“ to the first one): the given 2 DOF planetary gear unit (Fig. 6.8,a and b) can distribute the external motion ωH in an indeterminate way, into other two external motions: ω1 and ω3.

This property was applied in the case of the examples from Fig. 6.5-6.7.

c) The following static property is obtained from the interpretation of the relations (6.9): the given 2 DOF planetary gear unit (Fig. 6.8,a and b) has an independent external torque TH which is distributed in a determinate way, into other two external torques: T1 and T3.

In the case of the examples from Fig. 6.5-6.7, when the car is moving on a sliding road, this property can cause a driving wheel skating or, rarer, sliding of the rear axle (for the cars with p ≥ 2 rear axles); this skating interferes when the adherence wheel-road or axle-road becomes null.

During skating, the motor runs without load and, implicitly, the car can not move. In the case of the cars with a special destination, the driver can block temporary the differential that is afferent to the wheel or axle which is skating.

In conclusion, a 2 DOF planetary gear unit can be used as a principle solution for the next three functions of some technical products:

a) Summation of two motions;

b) Indeterminate distribution of one motion into other two motions;

177

c) distribuirea determinată a unui moment, în alte 2 momente.

Generalizare: funcţia privind însumarea a k mişcări şi „inversa“ acesteia (privind distribuţia nedeterminată a unei mişcări, în alte k mişcări) pot fi rezolvate cu ajutorul unui mecanism care are gradul de mobilitate M = k şi L = k + 1 intrări şi ieşiri (legături exterioare). 6.2. ÎNSUMAREA A 2 MOMENTE; DISTRIBUIREA NEDETERMINATĂ A UNUI MOMENT ÎN ALTE 2 MOMENTE În acest subcapitol sunt prezentate mai întâi 2 exemple de utilizare tehnică a acestor funcţii, iar apoi sunt stabilite, în condiţii simplificate, proprietăţile specifice mecanismelor monomobile (M = 1) cu trei legături exterioare (L = 3 intrări şi ieşiri ale puterii mecanice). 6.2.1. Exemple de utilizare Pentru intuitivitate, sunt prezentate mai întâi 2 exemple tehnice: un exemplu care pune în evidenţă necesitatea însumării a două momente de torsiune şi un al doilea exemplu, care pune în evidenţă necesitatea distribuirii nedeterminate a unui moment, în alte 2 momente.

Primul exemplu, ilustrat în fig. 6.9,a1, b1, c1 şi fig.6.10 se referă la antrenarea elicei unei nave maritime, de mare tonaj, cu ajutorul a două motoare. Conform fig. 6.9,a1, mecanismul dintre elice şi cele 2 motoare este caracterizat prin:

a) Trei legături exterioare (L = 3): două intrări (legăturile cu cele două motoare) şi o ieşire (legătura cu elicea);

b) Trei momente exterioare: două independente (momentele de la cele 2 motoare: T1 şi T2) şi unul dependent : momentul-sumă al elicei: T5.

Vtiind că gradul de mobilitate al unui mecanism (M) desemnează (d.p.d.v. static) numărul momentelor exterioare dependente [4], rezultă că mecanismul căutat din fig. 6.9,a1 are M = 1 şi L = 3.

c) Determinate distribution of one torque into other 2 torques.

Generalization: the function regarding the summation of k motions and its „inverse“ (regarding the indeterminate distribution of a motion into other k motions) can be solved using a mechanism that has the degree-of-freedom M = k and L = k + 1 inputs and outputs (external links). 6.2. SUMMATION OF TWO TORQUES; INDETERMINATE DISTRIBUTION OF A TORQUE INTO OTHER TWO TORQUES Firstly, in this chapter there are presented two examples of these functions’ technical uses and, then, there are established in simplified conditions, the specific properties of the 1 DOF mechanisms (M = 1) with three external links (L = 3 inputs and outputs of mechanical power). 6.2.1. Examples of use Two intuitional technical examples are first presented: an example that highlights the necessity of summing 2 torques and the second example that highlights the necessity of undetermined distribution of one torque into other 2 torques.

The first example, illustrated in Fig. 6.9,a1, b1, c1 and Fig. 6.10 is referring to the actuation of a pusher propeller from a sea-going ship of big tonnage, using two motors According to Fig. 6.9,a1, the mechanism between the propeller and the two motors must be characterized through:

a) Three external links (L = 3): two inputs (the connections with the two motors) and one output (the connection to the propeller);

b) Three external torques: two independent (the torques from the two motors: T1 and T2) and one dependent: the sum torque of the propeller: T5.

Knowing that the degree-of-freedom (M) of a mechanism designates (from static point of view) the number of dependent external torques [4], it outcomes that the searched mechanism from Fig.6.9,a1 has M = 1 and L = 3.

178

Fig. 6.9. Exemple pentru evidenţierea funcţiei de însumare a 2 momente (a1, b1, c1) şi de distribuire

nedeterminată a unui moment în alte 2 momente (a2, b2, c2).

Fig. 6.9. Examples of highlighting the function of summing 2 torques (a1, b1, c1) and of indeterminate

distribution of one torque into other 2 torques (a2, b2, c2).

2 2

1 1

3

T2

T1

ω1

ω2

a1 a2

T5

ω5

b1 b2

c1 c2

4 4

3

T2

T1

ω1

ω2

T5

ω5

T2

T1

ω1=?

ω2=? T5=?

ω5

5

2

1

3

4

+T4

+T3

-T4

-T3 T2

T1

ω1=?

ω2=? T5=?

ω5

5

2

1

3

4

+T4

+T3

-T4

-T3

T2

T1

ω1 = ?

ω2=?

T5=?

ω5

5

2

1

pompa 2 (pump 2)

pompa 1 (pump 1)

L = 3

M = 1

(motor)

T2

T1

ω1 = ?

ω2=?

T5=?

ω5

5

2

1

(motor 2)

(motor 1)

L = 3

M = 1

elice (propeller)

179

Un astfel de mecanism s-a exemplificat în fig. 6.9,b1 şi c1; din schema structurală (fig. 6.9,b1) şi din schema bloc aferentă (fig. 6.9,c1) se obţine relaţia:

AT1 + BT2 = T3 + T4 = T5 =>

AT1 + BT2 = T5, (6.10) în care A şi B sunt coeficienţi constanţi.

Această egalitate poate fi citită ca o relaţie de „însumare“: considerând cunoscute momentele motoarelor (T1 şi T2), prin „însumarea“ acestora, după regula (6.10), se obţine momentul-sumă al elicei (T5).

O variantă aplicată, a unui astfel de produs, este exemplificată în fig. 6.10; în acest caz, cele 2 motoare sunt identice, pinionul 1 este identic cu pinionul 2, iar roţile 3 şi 4 sunt identice şi suprapuse. Ambreiajele hidrodinamice (notate cu AH în fig. 6.10) sunt introduse pentru protecţia motoarelor; în acest fel, se evită ca unul dintre motoare să se transforme în compresor (efector).

Al doilea exemplu, ilustrat în fig. 6.9,a2, b2, c2, este derivat din primul (fig. 6.9,a1, b1, c1

şi fig. 6.10), înlocuind elicea, cu un motor, şi cele două motoare, cu două pompe. Din fig. 6.9,b2 şi c2 se obţine, de asemenea, relaţia (6.10), dar citită ca o ecuaţie cu 2 necunoscute (T1 şi T2):

Such a mechanism was exemplified in Fig. 6.9,b1 and c1; the following relation is obtained from the structural scheme (Fig. 6.9,b1) and from its block scheme (Fig. 6.9,c1): AT1 + BT2 = T3 + T4 = T5 => AT1 + BT2 = T5, (6.10) where A and B are constant coefficients.

This equality can be read as a „summing“ relation: considering that the motors’ torques are known (T1 and T2), the propeller’s sum moment (T5) can be obtained by „summing“ them according to relation (6.10).

An applied variant of such a product is exemplified in Fig. 6.10; in this case, the 2 motors are identical, the pinion 1 is identical to pinion 2, and the gears 3 and 4 are identical and superposed. The hydro-dynamical clutches (denoted with AH in Fig. 6.10) are introduced for the motors protection; thus, it is avoided that one of the motors to be transformed into a compressor (effector).

The second example, illustrated in Fig. 6.9,a2, b2, c2, is derived from the first one (Fig. 6.9,a1, b1, c1 and Fig. 6.10), by replacing the propeller with a motor, and the two motors with two pumps. From Fig. 6.9,b2 and c2 it is also obtained relation (6.10), but read as an equation with two unknown quantities (T1 and T2):

Fig. 6.10. Variantă de aplicare a exemplului din fig. 6.9,a1, b1, c1, în cazul antrenării, cu două motoare, a elicei unei nave maritime.

Fig. 6.10. An application variant of the example from Fig. 6.9,a1, b1, c1, for the actuation of the propeller from a sea-going ship with two motors.

5

Motor 2

Motor 1

Elice

Propeller

AH

AH

2

1

3=4

180

T5 =T3 + T4 = AT1 + BT2 => T5 = AT1 + BT2. (6.11)

Deoarece ecuaţia (6.11) are o infinitate de soluţii (T1 şi T2), rezultă că, în cazul general, momentul dat de motor (T5) este distribuit în mod nedeterminat pe cele două pompe (T1 şi T2).

În ambele exemple prezentate (v. fig.6.9), soluţionarea celor două funcţii analizate s-a realizat cu ajutorul unui mecanism cu M = 1 şi L = 3 intrări şi ieşiri; în continuare se stabilesc proprietăţile cinematice şi statice ale unui astfel de mecanism. 6.2.2. Proprietăţi caracteristice unui mecanism cu M = 1 şi L = 3 Pentru exemplificare, în continuare se stabilesc proprietăţile caracteristice pentru mecanismul monomobil (M = 1) cu trei (L = 3) legături exterioare (1, 2 şi 5), ilustrat în fig. 6.11; fiind posibile diverse combinaţii de intrări şi ieşiri, s-a preferat ca natura legăturilor exterioare să rămână neprecizată. 1°. Caracterizare structurală Conform schemelor din fig. 6.11,a şi b, mecanismul considerat conţine două angrenaje cu axe fixe (angrenajul 1‒3 cu MI = 1 şi angrenajul 2‒4 cu MII = 1), care sunt agregate în paralel prin cuplarea 4 ≡ 3 (LC = 1), de ecuaţii: ω3 = ω4 = ω5 şi T5 ‒T3 ‒T4 = 0. (6.12) Ca urmare, mecanismul global din fig. 6.11 este monomobil [4]: M = MI + MII – LC = 1 + 1 ‒ 1 = 1 => o mişcare exterioară independentă ω5 / un moment exterior dependent T5.

Implicit, mecanismul are L ‒ M = 3 ‒ 1 = 2 mişcări exterioare dependente, ω1 şi ω2, şi de asemenea L ‒ M = 3 ‒ 1 = 2 momente exterioare independente: T1 şi T2. Pentru identificare, în schemele bloc din fig. 6.11,b şi c, mărimile independente sunt încadrate, iar cele dependente sunt marcate cu semne de întrebare.

T5 =T3 + T4 = AT1 + BT2 => T5 = AT1 + BT2. (6.11)

Because equation (6.11) has an infinity of solutions (T1 and T2), it outcomes that, generally, the torque given by the motor (T5) is distributed on the two pumps in an indeterminate way (T1 and T2).

In both examples (see Fig. 6.9), the two analyzed functions are solved using a gear mechanism with M = 1 and L = 3 inputs and outputs; further, there are established the kinematical and static properties of such a mechanism. 6.2.2. Characteristic properties of a gear mechanism with M = 1 and L = 3 Further there are established the characteristic properties of the mechanism illustrated in Fig. 6.11,a; this is a 1 DOF gear mechanism (M = 1) with three (L = 3) external links (1, 2 and 5); being possible different combinations of inputs and outputs, it was preferred that the nature of the external links to remain not specified 1°. Structural characterization According to the schemes from Fig. 6.11,a and b, the considered mechanism contains two gear pairs with fixed axes (the gear pair 1‒3 with MI = 1 and the gear pair 2‒4 cu MII = 1), which are linked in parallel through the connection 4 ≡ 3 (LC = 1), of equations: ω3 = ω4 = ω5 and T5 ‒T3 ‒T4 = 0. (6.12) Therefore, the global mechanism from Fig. 6.11 has one degree-of-freedom [4]: M = MI + MII – LC = 1 + 1 ‒ 1 = 1 => an independent external motion ω5 / a dependent external torque T5.

Implicitly, the mechanism has L ‒ M = 3 ‒ 1 = 2 dependent external motions, ω1 and ω2, and also L ‒ M = 3 ‒ 1 = 2 independent external torques: T1 and T2. In order to be easily identified, in the block schemes from Fig. 6.11,b and c, the independent sizes are bordered, while the dependent are designated with question marks.

181

În consecinţă, funcţiile de transmitere, realizate de mecanismul considerat (fig. 6.11), au următoarele expresii calitative: ω1 = ω1(ω5 ) = ? ; ω2 = ω2(ω5) = ? (6.13)

T5 = T5(T1 ,T2) = ? (6.14) În continuare se stabilesc expresiile cantitative ale funcţiilor de transmitere identificate calitativ. 2°. Funcţiile de transmitere ale vitezelor Pe baza schemelor din fig. 6.11,a şi b, se pot scrie relaţiile: I: i1,3 = ω1/ω3 = –z3/z1 = –40/20 = –2 =>

ω1 = ω3 i1,3 = –2ω3 ;

Therefore, the transmission functions, made by the considered mechanism (Fig. 6.11), have the following qualitative expressions: ω1 = ω1(ω5 ) = ? ; ω2 = ω2(ω5) = ? (6.13)

T5 = T5(T1 ,T2) = ? (6.14) Further there are established the quantitative expressions of the transmission functions that were previously identified. 2°. The speeds transmission functions The following relations can be written based on the schemes from Fig. 6.11,a and b: I: i1,3 = ω1/ω3 = –z3/z1 = –40/20 = –2 =>

ω1 = ω3 i1,3 = –2ω3 ;

Fig. 6.11. Exemplu simplificat pentru analiza proprietăţilor statice şi cinematice ale unui mecanism cu roţi dinţate monomobil (M = 1), cu 3 legături exterioare (L = 3 intrări şi ieşiri).

Fig. 6.11. Simplified example for the analysis of the static and kinematical properties of a 1 DOF gear mechanism (M = 1), with 3 external links (L = 3 inputs and outputs).

MI =1

MII =1

M = 1 L = 3

T2

T1 ω1=?

ω2=?

T5=?

ω5

2

1

c

3 (z3=40)

5

+T4

+T3

-T4

-T3

b

a

4 (z4=45)

T5

ω5

5 T1

ω1

1 (z1=20)

2 (z2=30)

T2

ω2

3

4

T5=?

ω5

5 T1

ω1=? 1

2

T2

ω2=?

182

II: i2,4 = ω2/ω4 = –z4/z2 = –45/30 = –1,5 =>

ω2 = ω4 i2,4 = –1,5ω4 ;

3 ≡ 4 ≡ 5 : ω3 = ω4 = ω5 . (6.15) Din sistemul de ecuaţii (6.15) rezultă: ω1 = –2ω5 ; ω2 = –1,5ω5 (6.16) 3°. Funcţia de transmitere a momentelor În premisa neglijării frecării şi a efectelor inerţiale ale maselor, din schemele bloc (fig. 6.11, b şi c) rezultă ecuaţia : ω1T1 + ω2T2 + ω5T5 = 0. (6.17) Ţinând seama de (6.16), din ecuaţia (6.17) se obţine următoare funcţie de transmitere a momentelor : ω5 (–2T1 –1,5T2 +T5) = 0 =>

T5 = 2T1 +1,5T2. (6.18) 4°. Proprietăţile mecanismului mono-mobil cu 3 legături exterioare Proprietăţile cinematice şi statice, caracteristice mecanismului cu M = 1 şi L = 3, din fig. 6.11, se obţin interpretând funcţiile de transmitere (6.16) şi (6.18).

a) Din interpretarea relaţiilor (6.16) se obţine următoarea proprietate cinematică (omoloagă cu proprietatea statică a unităţii planetare diferenţiale): mecanismul cu M = 1 şi L = 3 (v. fig.6.11) are o mişcare exterioară independentă ω5 pe care o distribuie determinat, în alte două mişcări exterioare: ω1 şi ω3.

b) Din relaţia (6.18), citită de la dreapta la stânga: 2T1 +1,5T2 = T5, (6.18‘) se obţine prima proprietate statică (omoloagă cu prima proprietate cinematică a unităţii planetare diferenţiale): mecanismul cu M = 1 şi L = 3 (fig .6.11) are 2 momente exterioare independente, T1 şi T2 , pe care le poate însuma, după regula (6.18‘), rezultând un moment exterior-sumă T5.

II: i2,4 = ω2/ω4 = –z4/z2 = –45/30 = –1.5 =>

ω2 = ω4 i2,4 = –1.5ω4 ;

3 ≡ 4 ≡ 5 : ω3 = ω4 = ω5 . (6.15) From the system of equations (6.15) it results: ω1 = –2ω5 ; ω2 = –1.5ω5 . (6.16) 3°. The torques’ transmission function In the premise of neglecting friction and the inertial effects of the masses, from the block schemes (Fig. 6.11, b and c) it results the equation: ω1T1 + ω2T2 + ω5T5 = 0. (6.17) Taking into account relation (6.16), the following transmission function for torques is obtained from equation (6.17): ω5 (–2T1 –1.5T2 +T5) = 0 =>

T5 = 2T1 +1.5T2. (6.18) 4°. The properties of the 1 DOF mechanism with 3 external links The kinematical and static properties of the mechanism with M = 1 and L = 3, from Fig. 6.11, are obtained by interpreting the transmission functions (6.16) and (6.18).

a) The following kinematical property is obtained from the interpretation of relations (6.16) (homologous to the static property of the differential): the mechanism with M = 1 and L = 3 (see Fig. 6.11) has an independent external motion ω5 , which is distributed into other external motions in a determinate way: ω1 and ω3.

b) From relation (6.18), read from right to left: 2T1 +1.5T2 = T5, (6.18‘) it is obtained the first static property (homologous to the first kinematical property of the differential): the mechanism with M = 1 and L = 3 (Fig .6.11) has 2 independent external torques, T1 and T2 , which can be summed according to relation (6.18‘), resulting an external sum torque T5.

183

Această proprietate a fost aplicată în cazul exemplelor din fig. 6.9,a1,b1,c1 şi 6.10.

c) Din relaţia (6.18), citită de la stânga la dreapta, se obţine a doua proprietate statică (omoloagă cu a doua proprietate cinematică a unităţii planetare bimobile): mecanismul cu M = 1 şi L = 3 (din fig. 6.11) poate distribui nedeterminat momentul exterior T5, în alte două momente exterioare: T1 şi T2.

Această proprietate a fost aplicată în cazul exemplului din fig. 6.9,a2,b2,c2.

În concluzie, un mecanism cu roţi dinţate, cu M = 1 ş L = 3, poate fi utilizat ca soluţie de principiu pentru următoarele trei funcţii, ale unor produse tehnice:

a) distribuirea determinată a unei mişcări, în alte 2 mişcări;

b) însumarea a 2 momente;

c) distribuirea nedeterminată a unui moment, în alte 2 momente.

Generalizare: funcţia privind însumarea a k momente şi „inversa“ acesteia (privind distribuţia nedeterminată a unui moment, în alte k momente) pot fi rezolvate cu ajutorul unui mecanism care are gradul de mobilitate M = 1 şi L = k + 1 intrări şi ieşiri. 6.3. TRANSMITEREA PUTERII CU REDUCEREA TURAŢIEI SUB RAPORT CONSTANT Transmiterea puterii mecanice, cu reducerea turaţiei sub un raport de transmitere constant, reprezintă funcţia unei largi clase de produse, cunoscute sub denumirea de reductoare de turaţie. Utilizarea acestor produse este impusă, în primul rând, de neconcordanţa uzuală dintre turaţiile ridicate ale motoarelor şi turaţiile relativ joase ale efectoarelor.

Spre deosebire de reducerea vitezei, "funcţia inversă", denumită multiplicarea vitezei, este mai puţin utilizată în practică (de exemplu: în turbine eoliene, în microcentrale electrice, maşini textile etc.); orice reductor de viteză poate fi, în general, transformat într-un multiplicator de viteză prin inversarea fluxului de putere.

This property interferes in the examples from Fig. 6.9,a1,b1,c1 and 6.10.

c) The second static property is obtained from relation (6.18), read from left to right (homologous to the second kinematical property of the differential): the mechanism with M = 1 and L = 3 (from Fig. 6.11) can distribute the external torque T5 in an indeterminate way into other two external torques: T1 and T2.

This property interferes in the example from Fig. 6.9,a2,b2,c2.

In conclusion, a gear mechanism with M = 1 and L = 3 can be used as principle solution for the following three functions of some technical products:

a) determined distribution of one motion into other 2 motions;

b) summation of 2 torques;

c) indeterminate distribution of one torque into other 2 torques.

Generalization: the function regarding the summation of k torques and its „inverse“ (regarding the indeterminate distribution of a torque into other k torques) can be solved using a mechanism that has the degree-of-freedom M = 1 and L = k + 1 inputs and outputs. 6.3. POWER TRANSMISSION WITH ROTATIVE SPEED REDUCTION UNDER CONSTANT RATIO The mechanical power transmission with speed reduction under a constant transmission ratio is the function of a large class of products, named speed reducers. The speed reducers’ use is required, first, by the usual discrepancy between high engine speeds and relatively low speeds of effectors.

Unlike the speed reduction, the “reverse function” named speed increase is less used in practice (for example: in the wind turbines, in the micro-hydro power stations, textile machines, etc.); from any speed reducer generally can be derived a speed increaser by reversing of the power flow.

184

Un parametru principal, care intervine în cerinţele unui astfel de produs, se referă la valoarea raportului de transmitere a turaţiilor: i = turaţia de intrare / turaţia de ieşire. În general, creşterea raportului i este însoţită de coroborarea, în diverse combinaţii, a următoarelor dezavantaje:

a) reducerea randamentului,

b) creşterea gabaritului radial / axial,

c) creşterea gradului de complexitate,

d) creşterea costurilor tehnologice etc.

Prin dezvoltarea continuă a acestui tip de produs se urmăreşte minimizarea unora dintre aceste dezavantaje, în condiţiile utilizării cât mai eficiente a resurselor informaţionale, materiale şi energetice existente.

Având în vedere aceste aspecte, în acest subcapitol sunt prezentate succint principalele soluţii de reductoare cu roţi dinţate, cunoscute în tehnică, cu avantajele şi dezavantajele aferente. Principiile de rezolvare, folosite uzual în sinteza acestei categorii de produse, pot fi divizate în 3 grupe reprezentative:

1° angrenaje cu axe fixe;

2° unităţi planetare cu 2 roţi centrale;

3° unităţi planetare cu o roată centrală.

Prezentarea care urmează, se bazează pe această divizare. 6.3.1. Reductoare cu axe fixe Uzual, în sinteza reductoarelor cu axe fixe sunt folosite angrenaje cu dantură evolventică (fig. 6.12); dintre acestea, sunt utilizate cu precădere angrenajele :

- cilindrice exterioare cu dinţi drepţi, înclinaţi sau în V (fig. 6.12,a,b şi c);

- cilindrice interioare cu dinţi drepţi (fig. 6.12,d), înclinaţi sau în V;

- conice cu dinţi drepţi (fig. 6.12,e), înclinaţi sau curbi (fig. 6.12,f);

- hiperboloidale, de tip melcat (fig. 6.12, g) şi de tip hipoid (tip folosit, de regulă, în punţile motoare ale unor automobile, fig. 6.12,h).

A main parameter that interferes in the requirements of such a product is referring to the value of the speeds transmission ratio: i = the input rotative speed / the output rotative speed. Generally, the increase of the ratio i is accompanied by the corroboration, in different combinations, of the following disadvantages:

a) the reduction of efficiency,

b) the increase of the radial / axial overall size,

c) the increase of the complexity degree,

d) the increase of the technological costs etc.

The continuous development of this kind of product means the minimization of some of these disadvantages, in the conditions of a more efficient use of the existent informational, material and energetic resources.

Taking into account these aspects, in this subchapter there are presented succinctly the main solutions of gear reducers, which are known in technique, with their afferent advantages and disadvantages. The solving principles that are usual used in the synthesis of this category of products can be divided into three representative groups:

1° gear pairs with fixed axes;

2° planetary gear units with two sun gears;

3° planetary gear units with one sun gear.

The subsequent presentation is based on the previous division. 6.3.1. Gear reducers with fixed axes Usual, in the synthesis of the reducers with fixed axes there are used involute gear pairs (Fig. 6.12); between them, there are mainly used the following:

- parallel axes external gear pairs with straight teeth, with helical teeth or V-type teeth (Fig. 6.12,a,b and c);

- parallel axes internal gear pairs with straight teeth (Fig. 6.12,d), helical teeth or V-type teeth;

- bevel gear pairs with straight teeth (Fig. 6.12,e), oblique teeth or curve teeth (Fig. 6.12,f);

- hyperboloid gear pairs, of worm drive type (Fig. 6.12, g) and of hypoid type (type that is used in some driving axles of cars, Fig. 6.12,h).

185

Fig. 6.12. Angrenaje evolventice utilizate frecvent în sinteza reductoarelor de turaţie cu axe fixe: angrenaje cilindrice exterioare (a, b şi c); angrenaj cilindric interior (d); angrenaje conice (e şi f); angrenaj melcat (g); angrenaj hipoid (h).

Fig. 6.12. Involute gear pairs that are frequently used in the synthesis of speed reducers with fixed

axes: external spur gear pairs (a, b and c); internal spur gear pair (d); bevel gear pairs (e and f); worm

drive (g); hypoid gear pair (h).

g c

h

d

f

b

e a

aw

aw

186

Din bogata diversitate existentă, în fig. 6.13 s-au exemplificat patru variante de reductoare cu axe fixe:

1) cilindric, într-o treaptă (fig. 6.13,a,a1),

2) cilindric, în două trepte (fig. 6.13,b,b1),

3) conico-cilindric, în două trepte (cu prima treaptă conică şi treapta secundă cilindrică, fig. 6.13,c,c1) şi

4) cilindro-melcat, în două trepte (cu prima treaptă cilindrică şi treapta secundă melcată, fig. 6.13,d,d1).

Din analiza exemplelor din fig. 6.12 şi 6.13, decurg următoarele concluzii utile în sinteza de reductoare cu rapoarte mari de transmitere:

a) Utilizarea unui singur angrenaj, cilindric sau conic, poate fi acceptată numai în cazurile speciale, în care se pot admite gabarite radiale foarte mari; un astfel de reductor prezintă două avantaje importante: realizează un randament ridicat şi are un grad de complexitate relativ redus.

b) O importantă reducere a gabaritului radial se obţine folosind un angrenaj melcat, în care melcul are un singur dinte (început); în schimb, acest avantaj este însoţit de o semnificativă reducere a randamentului şi de necesitatea folosirii unor materiale deficitare.

c) O altă cale de reducere a gabaritului radial, se referă la înserierea a două sau mai multe angrenaje. Prin creşterea numărului de angrenaje legate în serie, scade gabaritul radial, în defavoarea celui axial, a randamentului global şi a gradului de complexitate structurală.

Deci, numărul maxim de angrenaje este limitat atât de restricţiile de gabarit axial, cât şi de cele ale randamentului global.

O altă direcţie pentru ameliorarea compromisului dintre influenţele de tip divergent, evidenţiate mai sus, se referă la folosirea de unităţi planetare în sinteza reductoarelor de turaţie. Această abordare este în continuare analizată prin intermediul unor exemple reprezentative.

From the large diversity, four variants of reducers with fixed axes were exemplified in Fig. 6.13:

1. cylindrical, one-stage (Fig. 6.13,a,a1),

2. cylindrical, two-stages (Fig. 6.13,b,b1),

3. conical-cylindrical, two-stages (with the first stage conical and the second cylindrical, Fig. 6.13,c,c1) and

4. cylindrical-worm, two-stages (with the first stage cylindrical and the second – a worm drive, Fig. 6.13,d,d1).

The following conclusions that are useful in the synthesis of the reducers with high transmission ratios derive from the analysis of the examples from Fig. 6.12 and 6.13:

a) The use of a single gear pair, cylindrical or conical, can be accepted only in special cases, in which can be admitted very high radial overall sizes; such a reducer has two main advantages: it has a high efficiency and a relative small degree of complexity.

b) An important reduction of the radial overall size is obtained using a worm drive in which the worm has only one tooth (thread); instead, this advantage is accompanied by a significant reduction of the efficiency and by the necessity of using scarce materials.

c) Another way of reducing the radial overall size is referring to the serial connection of two or more gear pairs. By increasing the number of gear pairs that are connected, it decreases the radial overall size in the detriment of the axial one, of the global efficiency and of the structural degree of complexity.

Thus, the maximum number of gear pairs is limited both by the restrictions to the axial overall size and by those of the global efficiency.

Another direction for ameliorating the compromise between the influences of divergent type, previously mentioned, is referring to the use of planetary gear units in the synthesis of the speed reducers. This approach is further analyzed by means of some representative examples.

187

Fig. 6.13. Exemple de rezolvare a funcţiei privind reducerea turaţiei, folosind, ca principii de rezolvare, angrenajele evolventice cu axe fixe: a, a1) reductor cilindric într-o treaptă, b, b1) reductor cilindric în 2 trepte, c, c1) reductor conico-cilindric, d, d1) reductor cilindro-melcat.

Fig. 6.13. Example of solving the speed reduction function, using as solving principles the involute gear pairs with fixed axes: a,a1) one-stage cylindrical reduction (a spur gear pair), b,b1) 2 stages cylindrical reduction (two helical gear pairs), c,c1) conical-cylindrical reducer, d,d1) cylindrical-worm reducer.

d d1

1

T1

ω1 T4 ω4

2 3

4 727,075,097,0

90)45()2(

14

14

=⋅=η

=−⋅−=H

Hi

a b a1 b1

1 T1

ω1

T2

ω2 2

1 T1

ω1

T4

ω4

2

3

4

97,0

15,3

12

12

=η

−=H

Hi

94,097,0

14)8,2()5(2

14

14

==η

=−⋅−=H

Hi

H = 0 H = 0

H = 0

c c1

1

T1

ω1

T4 ω4

2

3 4

097,096,0;14)8,2()5( 1414 =⋅=η=−⋅−= HHi

H = 0

+

+

+

188

6.3.2. Reductoare planetare cu două roţi centrale În fig. 6.14 sunt exemplificate cele mai semnificative soluţii de reductoare formate dintr-o unitate planetară cu 2 roţi centrale. În primele soluţii (fig. 6.14, a-e1), una dintre cele 2 roţi centrale este fixă; ca urmare, reductorul se reduce la o unitate planetară monomobilă (M = 1) [3, 4]. În soluţiile finale (fig. 6.14,h,h1), cele 2 roţi centrale, ale unităţii planetare diferenţiale 1-2-3-H, sunt legate mobil între ele, printr-un tren de 2 angrenaje cu axe fixe denumit lanţ cinematic de închidere; se obţine astfel reductorul de turaţie de tip: mecanism planetar complex monomobil (M = 1), cu „lanţ de închidere“.

În continuare, soluţiile exemplificate sunt analizate comparativ, prin prisma obiectivelor anterior precizate (raport de transmitere, randament, complexitate, gabarit radial/axial). Calculul randamentului este explicitat în anexa A.2.

Reductorul din fig. 6.14,a,a1 foloseşte unitatea planetară cilindrică cu cea mai largă utilizare tehnică; aceasta are două angrenaje evolventice (1–2 şi 2–3), două roţi centrale (1 şi 3 ≡ 0) şi satelit simplu (2). Prin utilizarea a S sateliţi simpli, dispuşi în paralel şi echiunghiular (în fig. 6.14,a: S = 3), se asigură o reducere semnificativă a gabaritului radial, concomitent cu echilibrarea statică a reductorului.

Conform fig. 6.14,a,a1, în premisa că unitatea cu axe fixe asociată (care se obţine din unitatea planetară, în urma inversiunii mişcării faţă de braţul H) are mărimile: η0 = ηH

1,3 = ηH1,2 η

H2,3 = 0,972 = 0,94,

i0 = i H1,3 = ω1,H /ω3,H = –z3/z1= –80/20 = –4 şi

w = sgn(ω1,HT1) = sgn[(ω1,HT1)/ (ω1,3T1)] =

= sgn[ω1,H / (ω1,H – ω3,H)] = sgn[i0/ (i0–1)] =

= sgn[–4/ (–4–1)] = +1, (6.19) pentru reductorul planetar analizat se obţin următoarele mărimi (v. anexa A.2):

6.3.2. Planetary reducers with two sun gears The most significant solutions of reducers consisting of a planetary gear unit with two sun gears are exemplified in Fig. 6.14. In the first solutions (Fig. 6.14,a-e1), one of the two sun gears is fixed; therefore, the reducer is a 1 DOF planetary gear unit (M = 1) [3, 4]. In the final solutions (Fig. 6.14,h,h1), the 2 sun gears of the differential 1-2-3-H, are interconnected through a train of 2 gear pairs with fixed axes, called closing kinematical chain; thus, it is obtained the speed reducer of type: 1 DOF complex planetary mechanism (M = 1), with „closing chain“.

The exemplified solutions are further analyzed comparatively, through the objectives that were previously mentioned (transmission ratio, efficiency, complexity, radial/axial overall size). The efficiency calculus is explained in Appendix A.2.

The reducer from Fig. 6.14,a,a1 uses the planetary gear unit with the largest technical use; it has two involute gear pairs (1–2 and 2–3), two sun gears (1 and 3 ≡ 0) and a simple satellite (2). By using S simple satellites, disposed in parallel and equiangular (in Fig. 6.14,a: S = 3), it is ensured a significant reduction of the radial overall size together with the static equilibration of the reducer.

According to Fig. 6.14,a,a1, in the premise that the associated unit with fixed axes (which is obtained from the planetary gear unit by inverting the motion vs. the carrier H) has the sizes: η0 = ηH

1,3 = ηH1,2 η

H2,3 = 0.972 = 0.94,

i0 = i H1,3 = ω1,H /ω3,H = –z3/z1= –80/20 = –4 and

w = sgn(ω1,HT1) = sgn[(ω1,HT1)/ (ω1,3T1)] =

= sgn[ω1,H / (ω1,H – ω3,H)] = sgn[i0/ (i0–1)] =

= sgn[–4/ (–4–1)] = +1, (6.19) the following quantities are obtained for the analyzed planetary reducer (see Appendix A.2):

189

i = i 31,H =ω1,3 /ωH,3 = (ω1,H – ω3,H)/( ωH,H – ω3,H) =

= 1– (ω1,H /ω3,H) = 1– i0 = 1– (–4) = +5 =>

ωH,3 = ω1,3 / i = ω1,3 / 5; (6.20) η3

1,H = (–ωH,3TH)/(ω1,3T1) =

= (–TH /T1)/ i31,H = [1–i0(η0)

w] /(1–i0) =

= [1+4(0,94)+1] /(1+4)= 0,952 =>

TH = –i31,Hη31,H T1 = –50,952T1= –4,76T1.

(6.21)

Aceasta însemnă că reductorul planetar considerat (fig. 6.14,a,a1) reduce de 5 ori turaţia de intrare şi, implicit, amplifică de 4,76 ori momentul de intrare.

Din rezultatele obţinute rezultă că un reductor de acest tip are randamente excelente (η3

1,H = 0,952 > η0 = 0,94) şi o structură relativ simplă, dar nu poate realiza rapoarte i = i31,H mari, datorită creşterii excesive a raportului interior i0 şi implicit a gabaritului radial.

Din analiza raportului (6.20), reiese că rapoartele mari de transmitere pot fi realizate prin utilizarea unei unităţi planetare cu i0 ≈ +1, în care H este element de intrare: i = i3H,1 = ωH,3 /ω1,3 = 1/(1–i0). (6.22) Aplicarea acestei idei este exemplificată în reductoarele din fig. 6.14,b,b1,D,e,e1. Astfel, în premisa că unitatea cu axe fixe, asociată unităţii planetare din fig.4.16,b (prin inversiunea mişcării faţă de H), este caracterizată prin mărimile: η0 = ηH

1,3 = ηH1,2η

H2,3 = 0,972 = 0,94,

i0 = iH1,3 = ω1,H /ω3,H = +(z2z3)/(z1z2‘) =

=(8064)/(8460) = +1.015873 şi

w = sgn(ω1,HT1) = sgn[(ω1,HT1)/ (–ω1,3T1)]=

= sgn[ω1,H /(ω3,H – ω1,H)] = sgn[i0/(1–i0)] =

= sgn[1,0158/ (1–1,0158)] = –1, (6.23) pentru reductorul planetar, cu satelit dublu, din fig. 4.16,b rezultă (v. anexa A.2):

i = i 31,H =ω1,3 /ωH,3 = (ω1,H – ω3,H)/( ωH,H – ω3,H) =

= 1– (ω1,H /ω3,H) = 1– i0 = 1– (–4) = +5 =>

ωH,3 = ω1,3 / i = ω1,3 / 5; (6.20) η3

1,H = (–ωH,3TH)/(ω1,3T1) =

= (–TH /T1)/ i3

1,H = [1–i0(η0)w] /(1–i0) =

= [1+4(0.94)+1] /(1+4)= 0.952 =>

TH = –i31,Hη31,H T1 = –50.952T1= –4.76T1.

(6.21)

This means that the planetary reducer from Fig. 6.14,a,a1 reduces the input rotative speed 5 times and, implicitly, amplifies the input torque 4.76 times.

From the obtained results it outcomes that a reducer of this type has excellent efficiencies (η3

1,H = 0.952 > η0 = 0.94) and a relative simple structure, but can not accomplish high ratios i = i31,H, due to the excessive increase of the internal ratio i0 and of the radial overall size, implicitly.

From the analysis of the ratio (6.20) it outcomes that high transmission ratios can be obtained using a planetary gear with i0 ≈ +1, in which H is the input element: i = i 3H,1 = ωH,3/ω1,3 = 1/(1–i0). (6.22) This idea is applied in the reducers from Fig. 6.14,b,b1,D,e,e1. Thus, in the premise that the unit with fixed axes, which is associated to the planetary

gear unit from Fig. 4.16,b (by inverting the motion vs. the carrier H), is characterized through the sizes: η0 = ηH

1,3 = ηH1,2η

H2,3 = 0.972 = 0.94,

i0 = iH1,3 = ω1,H /ω3,H = +(z2z3)/(z1z2‘) =

=(8064)/(8460) = +1.015873 and

w = sgn(ω1,HT1) = sgn[(ω1,HT1)/ (–ω1,3T1)]=

= sgn[ω1,H /(ω3,H – ω1,H)] = sgn[i0/(1–i0)] =

= sgn[1.0158/ (1–1.0158)] = –1, (6.23) for the planetary gear unit with a double satellite from Fig. 4.16,b it outcomes (see Appendix A.2):

190

3=0

1

H

2

2’

b1

d

c

b

a

1 T1

ω1,3

TH

ωH,3

2 3=0

H

3=0 2

H

H

1 1

2 3=0

a1

1

3

H

3’

2

4=0

2’

c1

d1

1

3=0

H

4

2

T1

ω1,3

TH

ωH,3

2

4=0

H

3

1

1

T1

ω1,3

TH

ωH,3

2’

3=0

H

2

1

T1

ω1,3

TH

ωH,4

2

4=0

H

2’

3 3’

191

Fig. 6.14. Exemple reprezentative de reductoare formate din unităţi planetare cu 2 roţi centrale: a … e), reductoare de tip unitate planetară monomobilă; f) diagramele de variaţie ale raportului de

transmitere ( 31Hii = ) şi randamentului ( 3

1Hη=η ) în cazul unităţilor planetare monomobile cu 1i0 +≈ ,

g) motoreductor Maxon format prin înserierea a 2 unităţi planetare de tipul celor din fig. 6.14,a şi a1, h, h1), reductor de tip unitate planetară bimobilă cu “ lanţ de închidere ” monomobil.

Fig. 6.14. Representative examples of reducers consisting of planetary gear units with 2 sun gears: a … e) reducers of 1 DOF planetary gear type; f) diagrams of the transmission ratio variation

( 31Hii = ) and of the efficiency variation ( 3

1Hη=η ) in the case of 1 DOF planetary gear units with

1i0 +≈ , g) the Maxon motor-reducer formed by a serial connection of 2 planetary gear units like the

ones from Fig. 6.14,a and a1; h, h1) Vaucanson reducer: a differential gear unit with a 1 DOF

“closing chain” type.

g f

31H

31Hii

η=η

=

0/1 η

0η

01

1

η−

01

1

η+

0

0

1 η−

η

0

0

1 η+

η

0η 0i 0 1 2

1 η

η

i

i

0/1 η

e1

H

3=0 2’ 2 1

e

1

T1

ω1,3

TH

ωH,3

2

3=0 H

2’

h1 h

7

TA

ωA

TH ωH

2

5=6

H

1

3 4

A

+

+

192

i = i 3H,1 = ωH,3 /ω1,3 = (ωH,H – ω3,H)/( ω1,H – ω3,H) =

= 1/ [1 – (ω1,H /ω3,H) ] =1/(1 – i0) =

= 1/(1 –1,015873) = –63 =>

ω1,3 = ωH,3 / i = ωH,3 /( –63); (6.24) η3

H,1 = (–ω1,3.T1)/(ωH,3TH) =

= (–T1/TH)/ i 3H,1 = (1–i0)/[1–i0(η0)

w] =

= (1–1,015873)/[1–1,015873(0,94)-1]

= 0,1966 <<η0 =>

T1 = –i3H,1η3H,1TH = 630,1966TH =

=+12,389TH. (6.25) Aşadar, reductorul planetar din fig. 6.14,b,b1 inversează şi reduce de 63 ori turaţia de intrare şi amplifică de numai 12,389 ori momentul de intrare.

În mod analog, în premisa că (vezi fig. 6.14,c,c1): η0 = ηH

1,4 = 0,973 = 0,9127,

i0 = iH1,4 = ω1,H /ω4,H = +(z2z3z4)/(z1z2‘z3‘) =

= (809080)/(848184) = +1,00781 and

w = sgn(ω1,HT1) = sgn[(ω1,HT1) / (ω1,3T1)] =

= sgn[ω1,H /(ω3,H – ω1,H)] = sgn[i0/(1–i0)] =

= sgn[1,0078/ (1–1,0078)] = –1, (6.26) pentru reductorul planetar, cu 2 sateliţi dubli înseriaţi, din fig. 4.16,c rezultă (v. Anexa A.2): i = i

3H,1 = ωH,3 /ω1,3 = (ωH,H – ω3,H)/( ω1,H – ω3,H)

= 1/ [1– (ω1,H /ω3,H) ] = 1/(1–i0) =

= 1/(1–1,0078) = –128,033 =>

ω1,3 = ωH,3 / i = ωH,3 / (–128,033); (6.27) η3

H,1 = (–ω1,3T1)/(ωH,3TH) =

= (–T1/TH)/ i 3

H,1 = (1–i0)/[1–i0(η0)w] =

= (1–1,00781)/[1–1,00781(0,9127)-1] =

= 0,0749 <<η0 =>

T1 = –i 3

H,1η3

H,1TH = 128,0330,0749TH =

= +9,5897TH. (6.28)

i = i 3H,1 = ωH,3 /ω1,3 = (ωH,H – ω3,H)/( ω1,H – ω3,H) =

= 1/ [1 – (ω1,H /ω3,H) ] =1/(1 – i0) =

= 1/(1 –1.015873) = –63 =>

ω1,3 = ωH,3 / i = ωH,3 /( –63); (6.24) η3

H,1 = (–ω1,3.T1)/(ωH,3TH) =

= (–T1/TH)/ i 3

H,1 = (1–i0)/[1–i0(η0)w] =

= (1–1.015873)/[1–1.015873(0.94)-1]

= 0.1966 <<η0 =>

T1 = –i3H,1η3H,1TH = 630.1966TH =

=+12.389TH. (6.25) Thus, the planetary reducer from Fig. 6.14,b,b1 inverts and reduces the input rotative speed 63 times and amplifies the input torque of only 12.389 times.

Analogue, in the premise that (see Fig. 6.14,c,c1): η0 = ηH

1,4 = 0.973 = 0.9127,

i0 = iH1,4 = ω1,H /ω4,H = +(z2z3z4)/(z1z2‘z3‘) =

= (809080)/(848184) = +1.00781 and

w = sgn(ω1,HT1) = sgn[(ω1,HT1) / (ω1,3T1)] =

= sgn[ω1,H /(ω3,H – ω1,H)] = sgn[i0/(1–i0)] =

= sgn[1.0078/ (1–1.0078)] = –1, (6.26) for the planetary reducer with 2 serial double satellites from Fig. 4.16,c it outcomes (see Appendix A.2): i = i

3H,1 = ωH,3 /ω1,3 = (ωH,H – ω3,H)/( ω1,H – ω3,H)

= 1/ [1– (ω1,H /ω3,H) ] = 1/(1–i0) =

= 1/(1–1.0078) = –128.033 =>

ω1,3 = ωH,3 / i = ωH,3 / (–128.033); (6.27) η3

H,1 = (–ω1,3T1)/(ωH,3TH) =

= (–T1/TH)/ i 3H,1 = (1–i0)/[1–i0(η0)

w] =

= (1–1.00781)/[1–1.00781(0.9127)-1] =

= 0.0749 <<η0 =>

T1 = –i 3

H,1η3

H,1TH = 128.0330.0749TH = = +9.5897TH. (6.28)

193

Deci, reductorul planetar considerat (fig. 6.14,c,c1) inversează şi reduce de 128,033 ori turaţia de intrare, cu o amplificare de numai 9,5897 ori a momentul motor. Comentarii: 1) Un angrenaj cilindric evolventic interior (1–2) are de regulă: min |z1 – z2| ≥ 4. Ca urmare, prin creşterea numărului de angrenaje înseriate se obţine un control mai fin al raportului interior i0 şi implicit al raportului i

3H,1; în schimb, prin această

creştere se măreşte gabaritul axial şi se reduce în mod semnificativ randamentul η3

H,1: de la 19,66%, pentru 2 angrenaje (fig. 6.14,b), se ajunge la 7,48%, pentru 3 angrenaje (fig. 6.14,c).

2) La un reductor planetar cu raportul interior i0 ≈ +1, varianta cu i0 < +1 obţine performanţe mai bune decât varianta cu i0 > +1, „simetrică“ faţă de 1. Astfel, în cazul reductorului planetar din fig. 6.14,b, în urma inversării numerelor de dinţi, considerate mai sus, rezultă: η0 = ηH

1,3 = ηH1,2η

H2,3 = 0,972 = 0,94,

i0 = i H

1,3 = ω1,H /ω3,H =

= +(z2z3)/(z1z2‘) =(8460)/(8064) =

= +0,984375 = 1/1,015873,

w = sgn(ω1,HT1) = sgn[(ω1,HT1) / (–ω1,3T1)] =

= sgn[ω1,H /(ω3,H – ω1,H)] = sgn[i0/(1–i0)] =

= sgn[0,984/ (1–0,984)] = +1 (6.23‘)

şi implicit: i = i

3H,1 = ωH,3 /ω1,3 = 1/(1–i0) =

= 1/(1–0,984375) = +64 > |–63| =>

ω1,3 = ωH,3 / i = ωH,3 / (+64); (6.24‘)

η3H,1= (–ω1,3T1) / (ωH,3TH) =

= (1–i0) / [1–i0(η0)w] =

= (1–0,984375) / [1–0,984375(0,94)+1]

= 0,2092 > 0,1966 =>

T1 = –i3H,1η3

H,1TH = –640,2092TH =

= +13,389TH. (6.25‘)

Thus, the considered planetary reducer (Fig. 6.14,c,c1) inverts and reduces the input rotative speed 128.033 times, with an amplification of the motor torque of only 9.5897 times.

Comments: 1) As a rule, an internal involute spur gear pair (1–2) has: min |z1 – z2| ≥ 4. Therefore, by increasing the number of gear pairs that are in serial connection, a finer control of the internal ratio i0 and of the ratio i 3H,1, implicitly, is obtained; instead, through this increase, the axial overall size is increasing too and the efficiency η3

H,1 has a significant diminution: from 19.66%, for 2 gear pairs (Fig. 6.14,b), it reaches 7.48%, for 3 gear pairs (Fig. 6.14,c).

2) At a planetary reducer with the internal ratio i0 ≈ +1, the variant with i0 < +1 obtains better performances than the variant with i0 > +1, „symmetrical“ to 1. Thus, in the case of the planetary reducer from Fig. 6.14,b, after inverting the number of teeth that were previously considered, it results: η0 = ηH

1,3 = ηH1,2η

H2,3 = 0.972 = 0.94,

i0 = i H

1,3 = ω1,H /ω3,H =

= +(z2z3)/(z1z2‘) =(8460)/(8064) =

= +0.984375 = 1/1.015873,

w = sgn(ω1,HT1) = sgn[(ω1,HT1) / (–ω1,3T1)] =

= sgn[ω1,H /(ω3,H – ω1,H)] = sgn[i0/(1–i0)] =

= sgn[0.984/ (1–0.984)] = +1 (6.23‘)

and, implicitly: i = i

3H,1 = ωH,3 /ω1,3 = 1/(1–i0) =

= 1/(1–0.984375) = +64 > |–63| =>

ω1,3 = ωH,3 / i = ωH,3 / (+64); (6.24‘)

η3H,1= (–ω1,3T1) / (ωH,3TH) =

= (1–i0) / [1–i0(η0)w] =

= (1–0.984375) / [1–0.984375(0.94)+1]

= 0.2092 > 0.1966 =>

T1 = –i3H,1η3

H,1TH = –640.2092TH =

= +13.389TH. (6.25‘)

194

În cazul general, această proprietate poate fi pusă uşor în evidenţă cu ajutorul diagramelor din fig. 6.14,f: considerând o entitate foarte mică δ, pentru i0 = 1–δ se obţin valori, ale mărimilor | i | şi η, mai mari decât cele obţinute în cazul raportului i0 = 1+δ. Diagramele din fig. 6.14,f sunt valabile atât pentru reductoarele planetare cu 2 roţi centrale, cât şi pentru cele cu o roată centrală.

3) La reductoarele de tipul celor din fig. 6.14,b şi c, de obicei nu pot fi montaţi sateliţi în paralel; ca urmare, gabaritul radial se măreşte, iar echilibrarea se realizează prin contragreutăţi.

4) Prin creşterea preciziei tehnologice poate fi obţinută o creştere sensibilă atât pentru randamentul interior, cât mai ales pentru cel al reductorului planetar; astfel, dacă prin creşterea adecvată a preciziei de fabricaţie, randamentul interior al unităţii planetare din fig. 6.14,b devine:

η0 = ηH1,3 = ηH

1,2ηH

2,3 = 0,992 = 0,98,

pentru randamentul reductorului se obţine o valoare de 2,2 ori mai mare decât cea precedentă (când η0 = 0,94):

η3H,1= (1–i0)/[1–i0(η0)

w] =

=(1–1,015873)/[1–1,015873(0,98)-1] =

= 0,4336 > 0,1966. (6.25‘‘)

5) O altă cale, pentru îmbunătăţirea randamentului, se referă la utilizarea angrenajelor interioare cicloidale cu role sau bolţuri (fig. 6.14,d,d1), ale căror randamente sunt superioare celor evolventice. Spre deosebire de soluţia cu angrenaje evolventice şi satelit dublu (fig. 6.14,b,b1), în varianta omoloagă cu angrenaje cicloidale (fig. 6.14,d,d1), satelitul cu dinţi-role devine un satelit simplu. În varianta conică a reductorului cicloidal (fig. 6.14,e,e1), propusă de prof. Bostan de la Universitatea Tehnică din Chişinău, satelitul cu dinţi-role rămâne satelit dublu.

Spre deosebire de un angrenaj interior evolventic (fig. 6.14,b), într-un angrenaj cicloidal interior cu role/bolţuri (fig. 6.14,d,d1), diferenţa dintre numerele de dinţi poate fi egală cu 1, fără risc de apariţie a interferenţei.

In the general case, this property can be easily highlighted with the diagrams from Fig. 6.14,f: considering a very small entity δ, for i0 = 1–δ there are obtained values for | i | and η bigger than those obtained for the ratio i0 = 1+δ. The diagrams from Fig. 6.14,f are valid both for the planetary reducers with 2 sun gears and for those with one sun gear.

3) Usually, at the reducers like those from Fig. 6.14,b and c, there can not be assembled satellites in parallel; therefore, the radial overall size is increasing and the equilibration is made with counterweights.

4) By increasing the technological accuracy, it can be obtained a sensible increase both of the internal efficiency and of the planetary reducer efficiency; thus, if through the adequate increase of the manufacturing accuracy, the internal efficiency of the planetary gear from Fig. 6.14,b becomes:

η0 = ηH1,3 = ηH

1,2ηH

2,3 = 0.992 = 0.98,

for the reducer efficiency it is obtained a value 2.2 times bigger than the previous one (when η0 = 0.94):

η3H,1= (1–i0)/[1–i0(η0)

w] =

=(1–1.015873)/[1–1.015873(0.98)-1] =

= 0.4336 > 0.1966. (6.25‘‘)

5) Another way to improve the efficiency is referring to the usage of internal cycloid gear pairs with rollers or pins (Fig. 6.14,d,d1), whose efficiencies are higher than of the involute gear pairs. Unlike the solution with involute gear pairs and double satellite (Fig. 6.14,b,b1), in the homologous variant with cycloid gear pairs (Fig. 6.14,d,d1), the satellite with rollers-teeth becomes a simple satellite. In the conical variant of the cycloid reducer (Fig. 6.14,e,e1), proposed by prof. Bostan from the Technical University of Chişinău, the satellite with rollers-teeth remains a double satellite.

Unlike the internal involute gear pair (Fig. 6.14,b), in an internal cycloid gear pair with rollers/pins (Fig. 6.14,d,d1), the difference between the numbers of teeth can be equal to 1, without the risk of interference.

195

În premisa că unitatea cu axe fixe, asociată unităţii planetare din fig. 6.14,d, are: η0 = ηH

1,3 = ηH1,2η

H2,3 = 0,9952 = 0,99,

i0 = i H

1,3 = ω1,H /ω3,H = +z3/z1 =

= 128 /126 = +1,015873, (6.29)

pentru reductorul planetar, cu satelit simplu, se obţine (în mod similar cu exemplele precedente): i = i

3H,1 = ωH,3 /ω1,3 = 1/(1–i0) =

= 1/(1–1,015873) = –63 =>

ω1,3 = ωH,3 / i = ωH,3 /(–63); (6.30) η3

H,1 = (1–i0)/[1–i0(η0)w] =

= (1–1,015873) / [1–1,015873(0,99)-1] =

= 0,6073 =>

T1 = –i 3

H,1η3H,1TH = 630,6073TH =

= +38,264TH. (6.31) În concluzie, reductorul planetar din fig. 6.14,d, inversează şi reduce de 63 ori turaţia de intrare (ca şi reductorul din fig. 6.14,b) şi amplifică de 38,264 ori momentul motor (spre deosebire de reductorul din fig. 6.14,b, care amplifică momentul motor numai de 12,389 ori).

6) Generarea de reductoare planetare, cu rapoarte mari de transmitere | i |, poate fi realizată, de asemenea, prin înserierea k ≥ 2 unităţi planetare de tipul celor ilustrate mai sus. Această soluţie poate fi recomandată, cu precădere, în cazul unităţilor de tipul celei din fig. 6.14,a, care au randamente superioare. Un exemplu de acest tip este ilustrat în fig. 6.14,g, în care se prezintă, secţionat, un motoreductor Maxon format prin legarea în serie a două unităţi planetare (de tipul celei din fig. 6.14,a).

7) O altă idee, pentru obţinerea unui raport mare de transmitere | i |, a fost propusă de celebrul inventator francez J. Vaucanson (1709-1782) şi se găseşte aplicată în reductorul omonim ilustrat în fig. 6.14,h1. Conform fig. 6.14,h şi h1, reductorul Vaucanson este alcătuit dintr-o unitate planetară simetrică bimobilă (1-2-3-H, cu i0 = i

H1,3 = –1) şi dintr-un „lanţ cinematic de

In the premise that the unit with fixed axes, which is associated to the planetary gear unit from Fig. 6.14,d, has: η0 = ηH

1,3 = ηH1,2η

H2,3 = 0.9952 = 0.99,

i0 = i H

1,3 = ω1,H /ω3,H = +z3/z1 =

= 128 /126 = +1.015873, (6.29)

for the planetary reducer with simple satellite it is obtained (similar to the previous examples): i = i

3H,1 = ωH,3 /ω1,3 = 1/(1–i0) =

= 1/(1–1.015873) = –63 =>

ω1,3 = ωH,3 / i = ωH,3 /(–63); (6.30) η3

H,1 = (1–i0)/[1–i0(η0)w] =

= (1–1.015873) / [1–1.015873(0.99)-1] =

= 0.6073 =>

T1 = –i 3

H,1η3

H,1TH = 630.6073TH =

= +38.264TH. (6.31) In conclusion, the planetary reducer from Fig. 6.14,d, inverts and reduces the input rotative speed 63 times (like the reducer from Fig. 6.14,b) and amplifies the motor torque 38.264 times (unlike the reducer from Fig. 6.14,b, which amplifies the motor torque only 12.389 times).

6) The planetary reducers with high transmission ratios | i | can be also generated through a serial connection of k ≥ 2 planetary gear units like the previous ones. This solution can be recommended mainly in the case of the units like the one from Fig. 6.14,a, which has superior efficiencies. An example of this type is illustrated in Fig. 6.14,g, in which it is presented a section in a Maxon motor-reducer formed through a serial connection of two planetary gear units (like the one from Fig. 6.14,a).

7) Another idea for obtaining a big transmission ratio | i | was proposed by the famous French inventor J. Vaucanson (1709-1782) and can be found in the homonym reducer that is illustrated in Fig. 6.14,h1. According to Fig. 6.14,h and h1, the Vaucanson reducer consists of a 2 DOF symmetrical planetary gear (1-2-3-H, with i0 = i

H1,3 = –1) and a „closing kinematical

196

închidere“, care conţine 2 angrenaje conice cu axe fixe: 4–5 ≡ 6–7; arborele roţilor 5 ≡ 6 (roţi identice şi suprapuse) este arbore de intrare (A), iar arborele braţului H este arbore de ieşire. Dacă se aleg egale numerele de dinţi z4 şi z7, atunci, în timpul unei rotaţii a arborelui motor A, roţile centrale 1 şi 3 se rotesc cu deplasări egale şi de sens contrar şi, implicit, arborele H se roteşte cu δ = 0 rotaţii (rămâne în repaus!); ca urmare, în acest caz limită, raportul de transmitere devine infinit: | iAH | =1/0 !

Dacă numerele de dinţi z4 şi z7 se aleg apropiate (în fig. 6.14,h1: z4 = 23 şi z7 =22), atunci, la o rotaţie a arborelui motor A, roţile 1 şi 3 se rotesc cu deplasări unghiulare aproape egale, în sensuri opuse. Implicit, arborele de ieşire H va efectua o deplasare unghiulară mică, notată prin: δ = –1/50,6 rotaţii; rezultă deci un raport de transmitere de modul mare: iA,H = 1/δ = –50,6.

Reductoarele de tip Vaucanson (v. fig. 6.14,h,h1) pot realiza rapoarte mari de transmitere | iA,H |, care, de regulă, sunt însoţite de randamente reduse; valorile reduse ale randamentului sunt datorite, pe de o parte, numărului relativ mare de angrenaje şi, pe de lată parte, circulaţiei fluxului energetic în circuit închis. În anexa A.3 este prezentată o analiză succintă a reductorului Vaucanson. 6.3.3. Reductoare planetare cu o roată centrală Din punct de vedere filogenetic, reductoarele cu o roată centrală sunt dezvoltări relativ mai recente ale reductoarelor planetare cu două roţi centrale.

Aceste dezvoltări au ca obiectiv prioritar mărirea randamentului, iar rezolvarea se reduce la înlocuirea unuia dintre cele 2 angrenaje, printr-un cuplaj homocinetic cu randament superior, precum: cuplajul Green (cuplaj de tip Oldham, cu role), semicuplajul de tip Schmidt în varianta articulată sau în varianta cu bolţuri sau role (folosită în cazul distanţelor reduse dintre axele angrenajului), cuplajul cu bile de tip Rzeppa (utilizat în reductoare conice), cuplajul bicardanic, cuplajul dinţat, cuplajul tubular elastic etc.

chain“, which contains 2 bevel gear pairs with fixed axes: 4–5 ≡ 6–7; the shaft of the gears 5 ≡ 6 (identical and superposed gears) is the input shaft (A), and the shaft of the carrier H is the output shaft. If the numbers of teeth z4 and z7 are chosen equal, then, while the driving shaft A makes one rotation, the sun gears 1 and 3 are rotating with equal displacements but backwards and the shaft H is rotating with δ = 0 rotations (is resting!); therefore, in this limit case, the transmission ratio becomes infinite: | iAH | =1/0 !

If the numbers of teeth z4 and z7 are chosen close to each other (in Fig. 6.14,h1: z4 = 23 and z7 = 22), then, while the driving shaft A makes one rotation, the gears 1 and 3 are rotating with approximately close angular displacements, in opposite directions. Implicitly, the output shaft H will make a small angular displacement, denoted by: δ = –1/50.6 rotations; thus, it results a transmission ratio of big module: iA,H = 1/δ = –50.6.

The reducers of Vaucanson type (see Fig. 6.14,h,h1) can accomplish high transmission ratios | iA,H |, which are accompanied by reduced efficiencies; the reduced values of the efficiency are due, on one side, to the relative big number of gear pairs and, on the other side, to the circulation of the energetic flow in close circuit. A succinct analysis of the Vaucanson reducer is presented in Appendix A.3. 6.3.3. Planetary reducers with a single sun gear From the phylogenetic point of view, the reducers with one sun gear are relative recent developments of the planetary reducers with two sun gears.

These developments have as main objective the increase of the efficiency, and their solving can be reduced to the replacement of one of the 2 gear pairs with a homo-kinematical coupling with a superior efficiency, like: Green coupling (coupling of Oldham type, with rollers), semi-coupling of Schmidt type in the articulated variant or in the variant with pins or rollers (used for small distances between the axes of the gear pair), ball coupling of Rzeppa type (used in the conical reducers), 2-Cardan coupling, claw coupling, elastic tubular coupling etc.

197

Pentru exemplificare, în fig. 6.15,D,6.17 s-au sistematizat cele mai semnificative soluţii de reductoare cu o roată centrală. În reductoarele din fig. 6.15, toate roţile sunt rigide, în timp ce în reductoarele din fig. 6.16 şi 6.17, intervine şi o roată deformabilă elastic; deformarea elastică a roţii-„satelit“ justifică denumirea uzuală de transmisie armonică, pentru toate reductoarele din fig. 6.16 şi 6.17. 1°. Reductoare cu roţi rigide În fig. 6.15 sunt ilustrate câteva soluţii reprezentative de reductoare planetare cu o roată centrală rigidă şi satelit rigid.

În continuare sunt caracterizate succint aceste soluţii.

a) Reductorul planetar Strateline, ilustrat în fig. 6.15,a,a1, are un angrenaj cilindric interior (2-3), cu dinţi evolventici, şi un cuplaj radial homocinetic, de tip Green (Oldham cu role); cuplajul transmite mişcarea de rotaţie a roţii-satelit 2, fără modificare (homocinetic), la arborele de ieşire 1. În premisa că unitatea cu axe fixe, asociată unităţii planetare din fig. 6.15,a, are:

η0 = ηH1,3 = ηH

1,2ηH

2,3 = 0,9952 = 0,99,

i0 = i H 1,3 = ω1,H /ω3,H = i H1,2 i H

2,3 =(+1)(+z3/z2)=

= 116/112 = +1,0357, (6.32)

w = sgn(ω1,HT1) = sgn[(ω1,HT1)/(–ω1,3T1)]=

= sgn[ω1,H /(ω3,H – ω1,H)] = sgn[i0/(1–i0)] =

= sgn[1,0357/ (1–1,0357)] = –1, (6.33) pentru reductorul planetar rezultă (v. anexa A.2):

i = i 3H,1 = ωH,3 / ω1,3= (ωH,H – ω3,H)/( ω1,H – ω3,H) =

= 1 / [1– (ω1,H / ω3,H) ] =1/(1–i0) =

= 1/(1–1.0357) = –28 =>

ω1,3 = ωH,3 / i = ωH,3 /(–28); (6.34)

η3H,1 = (–ω1,3T1)/(ωH,3TH)=

= (–T1/TH)/ i 3H,1= (1–i0)/[1–i0(η0)w] =

=(1–1,0357)/[1–1,0357(0,99)–1] =

= 0,773 <η0 =>

In Fig. 6.15,D,6.17 there are systematized the most significant solutions of reducers with a sun gear. In the reducers from Fig. 6.15, all the gears are rigid, while in the reducers from Fig. 6.16 and 6.17, it also interferes an elastic deformable gear; the elastic deformation of the „satellite“-gear explains the usual denomination of harmonic transmission, for all the reducers from Fig. 6.16 and 6.17

1°. The reducers with rigid gears Some representative solutions of planetary reducers with one rigid sun gear and a rigid satellite are illustrated in Fig. 6.15.

Further, these solutions are characterized succinctly.

a) The planetary reducer Strateline, illustrated in Fig. 6.15,a,a1, has an internal spur gear pair (2-3), with involute teeth and a homo-kinematical radial coupling of Green type (Oldham with rollers); the coupling transmits the revolute motion of the satellite-gear 2, without any modification (homo-kinematical), to the output shaft 1. In the premise that the unit with fixed axes, associated to the planetary gear (from Fig. 6.15,a) has:

η0 = ηH1,3 = ηH

1,2ηH

2,3 = 0.9952 = 0.99,

i0 = i H 1,3 = ω1,H /ω3,H = i H1,2 i H

2,3 =(+1)(+z3/z2)=

= 116/112 = +1.0357, (6.32)

w = sgn(ω1,HT1) = sgn[(ω1,HT1)/(–ω1,3T1)]=

= sgn[ω1,H /(ω3,H – ω1,H)] = sgn[i0/(1–i0)] =

= sgn[1.0357/ (1–1.0357)] = –1, (6.33) for the planetary reducer it outcomes (see Appendix A.2):

i = i 3H,1 = ωH,3 / ω1,3= (ωH,H – ω3,H)/( ω1,H – ω3,H) =

= 1 / [1– (ω1,H / ω3,H) ] =1/(1–i0) =

= 1/(1–1.0357) = –28 =>

ω1,3 = ωH,3 / i = ωH,3 /(–28); (6.34)

η3H,1 = (–ω1,3T1)/(ωH,3TH)=

= (–T1/TH)/ i 3H,1= (1–i0)/[1–i0(η0)

w] =

=(1–1.0357)/[1–1.0357(0.99)–1] =

= 0.773 <η0 =>

198

H

2 1 3=0 4

a1

b1

c1

a

b

c

1

T1

ω1,3

TH

ωH,3

2 3=0

4 H

1 T1 ω1,3

TH ωH,3

2

3=0

H

4 (x3)

1

T1

ω1,3

TH

ωH,3

2

3=0

H

1

2 3=0

4

H 2 3=0

1

199

Fig. 6.15. Exemple reprezentative de reductoare planetare cu o roată centrală: a, a1. cu angrenaj evolventic şi cuplaj radial de tip Oldham – Green (reductor Strateline); b, b1. cu angrenaj evolventic şi semicuplaj Schmidt; c, c1. cu angrenaj octoidal şi cuplaj Rzeppa; d, d1. cu angrenaj evolventic şi semicuplaj de tip Schmidt cu bolţuri; e, e1. cu angrenaj cicloidal cu bolţuri şi semicuplaj de tip Schmidt cu role; f, f1. cu angrenaj cicloidal şi semicuplaj de tip Schmidt cu bolţuri şi 2 sateliţi în paralel.

Fig. 6.15. Representative examples of planetary reducers with one sun gear: a, a1. with an involute

gear pair and a radial coupling of Oldham – Green type (Strateline reducer); b, b1. with an involute

gear pair and a Schmidt semi-coupling; c, c1. with an octoidal gear pair and a Rzeppa coupling; d, d1. with an involute gear pair and a Schmidt pin semi-coupling; e, e1. with a cycloid gear pair with pins

and a semi-coupling of Schmidt type with rollers; f, f1. with a cycloid gear pair and a pin semi-coupling of Schmidt type and 2 satellites into parallel.

1 H

2

1

d1 d

1

T1

ω1,3

TH

ωH,3

2

3=0 H

f1

f

2 2’

1

H

3=0

1

T1

ω1,3

TH

ωH,3

2’ 3=0

H

2

e1 e

1

T1

ω1,3

TH

ωH,3

2 3=0

H H

1 2

1

1

3=0 H

1

2

3=0

200

T1 = – i 3H,1η3

H,1TH = 280,773TH =

= +21,65TH. (6.35)

Deci, reductorul planetar considerat (fig. 6.15,a,a1) inversează şi reduce de 28 ori turaţia de intrare, cu o amplificare de 21,65 ori a momentului motor. Pentru echilibrarea satelitului 2 (fig. 6.15,a,a1), reductorul foloseşte o contragreutate 4.

b) Spre deosebire de soluţia anterioară, în reductorul planetar din fig. 6.15,b,b1 intervin următoarele modificări:

- este folosit un semicuplaj radial de tip Schmidt articulat, homocinetic, cu trei manivele (4) dispuse în paralel şi echiunghiular (la 120°);

- s-a anulat mişcarea de rotaţie a roţii- satelit 2 (care efectuează o mişcare de translaţie rotativă) şi, implicit, roata centrală 1 a devenit element de ieşire.

În premisa că unitatea cu axe fixe, asociată unităţii planetare din fig. 6.15,b, are:

η0 = ηH1,3 = ηH

1,2ηH

2,3 = 0,9952 = 0,99,

i0 = i H1,3 = ω1,H /ω3,H = i H 1,2 i H

2,3 = (+z2/z1)(+1) =

= 112/116 = +0,9655 şi (6.35) w = sgn(ω1,HT1) = sgn[(ω1,HT1)/ (–ω1,3T1)] =

= sgn[ω1,H /(ω3,H – ω1,H)] = sgn[i0/(1–i0)] =

= sgn[0,9655/(1–0,9655)] = +1, (6.36)

pentru reductorul planetar rezultă (v. anexa A.2):

i = i 3H,1 = ωH,3 / ω1,3 = (ωH,H – ω3,H)/(ω1,H – ω3,H) =

= 1/ [1–(ω1,H / ω3,H)] = 1/(1–i0) =

= 1/(1–0,9655) = +29 =>

ω1,3 = ωH,3 / i = ωH,3 /(+29); (6.37)

η3H,1 = (–ω1,3T1)/(ωH,3TH) =

= (–T1/TH)/ i 3H,1 = (1–i0)/[1–i0(η0)w] =

=(1–0,9655)/[1–0,9655(0,99)+1] =

= 0,781 < η0 =>

T1 = – i 3H,1η3

H,1TH = –290,781TH =

= –22,659TH. (6.38)

T1 = – i 3H,1η3

H,1TH = 280.773TH =

= +21.65TH. (6.35)

Thus, the considered planetary reducer (Fig. 6.15,a,a1) inverts and reduces the input rotative speed 28 times, with an amplification of the driving torque of 21.65 times. The reducer uses a counterweight 4 for the equilibration of the satellite 2 (Fig. 6.15,a,a1)

b) Unlike the previous solution, in the planetary reducer from Fig. 6.15,b,b1 the following modifications interfere:

- it is used a homo-kinematical radial articulated semi-coupling of Schmidt type (with parallelogram contours), with three cranks (4) that are disposed in parallel and equiangular (at 120°);

- it was annulled the revolute motion of the satellite-gear 2 (which makes a rotational translation) and, implicitly, the sun gear 1 became the output element.

In the premise that the unit with fixed axes, associated to the planetary gear (from Fig. 6.15,b) has:

η0 = ηH1,3 = ηH

1,2ηH

2,3 = 0.9952 = 0.99,

i0 = i H1,3 = ω1,H /ω3,H = i H 1,2 i H

2,3 = (+z2/z1)(+1) =

= 112/116 = +0.9655 and (6.35) w = sgn(ω1,HT1) = sgn[(ω1,HT1)/ (–ω1,3T1)] =

= sgn[ω1,H /(ω3,H – ω1,H)] = sgn[i0/(1–i0)] =

= sgn[0.9655/(1–0.9655)] = +1, (6.36)

it outcomes for the planetary reducer (see Appendix A.2):

i = i 3H,1 = ωH,3 / ω1,3 = (ωH,H – ω3,H)/(ω1,H – ω3,H) =

= 1/ [1–(ω1,H / ω3,H)] = 1/(1–i0) =

= 1/(1–0.9655) = +29 =>

ω1,3 = ωH,3 / i = ωH,3 /(+29); (6.37)

η3H,1 = (–ω1,3T1)/(ωH,3TH) =

= (–T1/TH)/ i 3H,1 = (1–i0)/[1–i0(η0)w] =

=(1–0.9655)/[1–0.9655(0.99)+1] =

= 0.781 < η0 =>

T1 = – i 3H,1η3

H,1TH = –290.781TH =

= –22.659TH. (6.38)

201

Aceasta înseamnă că reductorul din fig. 6.15,b,b1 reduce de 29 ori turaţia de intrare, cu o amplificare de 22,659 ori a momentului motor. Deci, în raport cu soluţia precedentă (fig. 6.15,a), acest reductor realizează un raport de transmitere mai mare (în modul) şi un randament mai bun. Ca şi în cazul reductorului din fig. 6.15,a, a1, echilibrarea satelitului 2 s-a realizat prin montarea unei contragreutăţi pe braţul H (fig. 6.15,b,b1).

c) În fig. 6.15,c,c1 este ilustrată o replică conică a reductorului cilindric din fig. 6.15,a,a1. Spre deosebire de varianta cilindrică, în reductorul conic :

1) poate fi utilizată o diferenţă |z3–z2| mai mică şi, implicit, poate fi realizat un raport de transmitere |i

3H,1| mai mare;

2) se foloseşte un cuplaj homocinetic unghiular, care, în soluţia din fig. 6.15,c1, este un cuplaj cu bile de tip Rzeppa. Calculul raportului de transmitere i

3H,1 şi al

randamentului η3H,1 este similar cu cel al

reductorului cilindric din fig. 6.15,a,a1. d) Reductorul din fig. 6.15,d,d1 este derivat din reductorul planetar ilustrat în fig. 6.15,b,b1, prin utilizarea unui semi-cuplaj Schmidt cu bolţuri, în locul celui articulat. În rest, cele două soluţii sunt similare. Folosirea semicuplajului de tip Schmidt cu bolţuri sau role devine utilă, cu precădere, în cazul distanţelor mici dintre axele angrenajului.

e) Reductorul planetar din fig. 6.15,e,e1 este derivat din primul reductor (fig. 6.15,a,a1), pe baza înlocuirii angrenajului evolventic, printr-un angrenaj cicloidal cu role, precum şi a cuplajului radial de tip Green, printr-un semicuplaj Schmidt cu bolţuri. Prin utilizarea angrenajului cicloidal cu role (care are un randament mai bun decât cel evolventic şi permite o diferenţă |z3–z2| ≥ 1), reductorul derivat poate realiza fie rapoarte de transmitere |i 3H,1| mai mari, fie randamente mai bune.

Astfel, în premisa că unitatea cu axe fixe, asociată unităţii planetare din fig. 6.15,e, are:

This means that the reducer from Fig. 6.15,b,b1 reduces the input rotative speed 29 times, with an amplification of the driving torque of 22.659 times. Therefore, vs. the previous solution (Fig. 6.15,a), this reducer obtains a bigger transmission ratio (in module) and a better efficiency. Like in the case of the reducer from Fig. 6.15,a, a1, the equilibration of the satellite 2 is made by fitting a counterweight on the carrier H (Fig. 6.15,b,b1).

c) A conical variant of the cylindrical reducer from Fig. 6.15,a,a1 is illustrated in Fig. 6.15,c,c1. Unlike the cylindrical variant, in the conical reducer:

1) it can be used a smaller difference |z3–z2| and, implicitly, it can be obtained a bigger transmission ratio |i 3H,1|;

2) it is used an angular homo-kinematical coupling, which, in the solution from Fig. 6.15,c1, is a ball coupling of Rzeppa type. The calculus of the transmission ratio i3H,1 and of the efficiency η3

H,1 is similar to the one of the cylindrical reducer from Fig. 6.15,a,a1. d) The reducer from Fig. 6.15,d,d1 is derived from the planetary reducer that is illustrated in Fig. 6.15,b,b1, by using a Schmidt semi-coupling with pins instead of the articulated coupling. As for the rest, the two solutions are similar. The use of the Schmidt coupling with pins or rollers becomes useful for small distances between the gear pair.

e) The planetary reducer from Fig. 6.15,e,e1

is derived from the first reducer (Fig. 6.15,a,a1), based on the replacement of the involute gear pair with a cycloid gear pair with rollers, and of the radial coupling of Green type with a Schmidt semi-coupling with pins. By using the cycloid gear pair with rollers (which has a better efficiency than the involute one and allows a difference between teeth numbers |z3–z2| ≥ 1), the derived reducer can have either bigger transmission ratios |i 3H,1| or higher efficiencies. Thus, in the premise that the unit with fixed axes, associated to the planetary gear (from Fig. 6.15,e) has:

202

η0 = ηH1,3 = ηH

1,2ηH

2,3 = 0,9982 = 0,996,

i0 = i H1,3 = ω1,H /ω3,H = i H 1,2 i H

2,3 = (+1)(+z3/z2) =

= 116/115 = +1,0087, (6.39) pentru reductorul planetar rezultă (v. anexa A.2): i = i 3 H,1= ωH,3 / ω1,3 = 1/(1–i0) =

= 1/(1–1,0087) = –115 =>

ω1,3 = ωH,3 / i = ωH,3/ (–115); (6.40) η3

H,1 = (–ω1,3T1)/(ωH,3TH) =

= (–T1/TH)/ i 3H,1= (1–i0)/[1–i0 (η0)w] =

=(1–1,0087)/[1–1,0087(0,996)–1] =

= 0,682 < η0 =>

T1= –i 3H,1η3H,1TH = +78,46TH. (6.41)

iar în premisa că:

η0 = ηH1,3 = ηH

1,2ηH

2,3 = 0,9982 = 0,996 ,

i0 = i H1,3 = ω1,H / ω3,H = i H 1,2 i H

2,3 = (+1)(+z3/z2) =

= 29/28 = +1,0357, (6.42)

pentru reductorul planetar se obţin:

i = i3H,1 = ωH,3/ω1,3 = 1/(1–i0) =

= 1/(1–1,0357) = –28 =>

ω1,3 = ωH,3/ i = ωH,3/(–28); (6.43) η3

H,1 = (1–i0)/[1–i0(η0)w] =

=(1–1,0357)/[1–1,0357(0,996)–1] =

= 0,895 < η0 =>

T1 = –i3H,1η3

H,1TH = +25,08TH. (6.44)

Aşadar, când reductorul din fig. 6.15,e reduce de 115 ori turaţia de intrare, se obţine un randament de 68,2%, în timp ce pentru un raport de transmitere egal cu cel din primul exemplu (i 3H,1 = –28), rezultă un randament de 89,5%!

f) Spre deosebire de celelalte soluţii, utilizarea semicuplajului Schmidt cu role sau bolţuri facilitează montarea în paralel şi echiunghiulară a 2 sau chiar 3 sateliţi. În fig. 6.15,f,f1 este exemplificată montarea în paralel a 2 sateliţi, iar în tab. 6.2 sunt ilustrate trei variante cu 3 sateliţi în paralel

η0 = ηH1,3 = ηH

1,2ηH

2,3 = 0.9982 = 0.996,

i0 = i H1,3 = ω1,H /ω3,H = i H 1,2 i H

2,3 = (+1)(+z3/z2) =

= 116/115 = +1.0087, (6.39) it outcomes for the planetary reducer (see Appendix A.2): i = i 3 H,1= ωH,3 / ω1,3 = 1/(1–i0) =

= 1/(1–1.0087) = –115 =>

ω1,3 = ωH,3 / i = ωH,3/ (–115); (6.40) η3

H,1 = (–ω1,3T1)/(ωH,3TH) =

= (–T1/TH)/ i 3H,1= (1–i0)/[1–i0 (η0)w] =

=(1–1.0087)/[1–1.0087(0.996)–1] =

= 0.682 < η0 =>

T1= –i 3H,1η3

H,1TH = +78.46TH. (6.41)

In the premise that:

η0 = ηH1,3 = ηH

1,2ηH

2,3 = 0.9982 = 0.996 ,

i0 = i H1,3 = ω1,H / ω3,H = i H 1,2 i H

2,3 = (+1)(+z3/z2) =

= 29/28 = +1.0357, (6.42)

for the planetary reducer there are obtained:

i = i3H,1 = ωH,3/ω1,3 = 1/(1–i0) =

= 1/(1–1.0357) = –28 =>

ω1,3 = ωH,3/ i = ωH,3/(–28); (6.43) η3

H,1 = (1–i0)/[1–i0(η0)w] =

=(1–1.0357)/[1–1.0357(0.996)–1] =

= 0.895 < η0 =>

T1 = –i3H,1η3

H,1TH = +25.08TH. (6.44)

Thus, when the reducer from Fig. 6.15,e reduces the input speed 115 times, its efficiency is 68.2%, while for a transmission ratio equal to the one from the first example (i 3H,1 = –28), the efficiency becomes 89.5%!

f) Unlike the other solutions, the use of the Schmidt semi-coupling with rollers or pins allows to assembly into parallel and equiangular 2 or even 3 satellites. In Fig. 6.15,f,f1 it is exemplified the parallel assembling of 2 satellites, and in Tab. 6.2 there are illustrated three variants with three satellites in a parallel connection

203

(seriile „FA“, „FAB“ şi „FAD“), însoţite de câteva caracteristici tehnice, prelucrate din Prospectul 38C-5-0892 al firmei CYCLO/ Germania. 2°. Reductoare armonice În fig. 6.16 şi 6.17 sunt ilustrate trei soluţii reprezentative de reductoare armonice (cu roată deformabilă elastic) cunoscute în tehnică: două soluţii de tip cilindric (fig. 6.16 şi 6.17,a-c1) şi o soluţie de tip conic (fig. 6.17,d,d1).

Prin folosirea roţii deformabile elastic se induc următoarele avantaje:

- se obţin S ≥ 2 contacte (cu roata centrală rigidă), care sunt echivalente cu acelaşi număr S de sateliţi rigizi dispuşi în paralel şi echiunghiular;

(the series „FA“, „FAB“ and „FAD“), accompanied by some technical characteristics, taken from the Prospect 38C-5-0892 of the CYCLO company / Germany. 2°. Harmonic drives In Fig. 6.16 and Fig. 6.17 there are illustrated three representative solutions of harmonic drives (with an elastic gear named flexspline) that are known in techniques: two solutions of cylindrical type (Fig. 6.16 and 6.17,a-c1) and a solution of conical type (Fig. 6.17,d,d1).

The following advantages are induced by using the elastic gear (flexspline):

- there are obtained S ≥ 2 contacts (with the rigid sun gear), which are equivalent to the same number S of rigid satellites that are connected in parallel and equiangular;

Tab. 6.2. Exemple de caracteristici tehnice ale unor reductoare cicloidale produse de firma CYCLO

(prelucrare după Prospect nr. 38C-5-0892).

Tab. 6.2. Examples of technical characteristics of some cycloid reducers produced by CYCLO company (processed from Prospect nr. 38C-5-0892).

Tipul de reductor / The type of reducer

FA FAB FAD

Mărimea reductorului / The reducer size

15 25 35 45 65 75 Raportul de transmitere / The transmission ratio

- 29 29 29 29 29 59 59 59 59 59 59 89 89 89 89 89 89 - 119 119 119 119 119 - - - 179 179 -

Cuplul nominal la ieşire [C·m] (pentru n = 1500 rot / min la intrare): The nominal torque at the output [C·m] (for n = 1500 rot / min at the input):

≤ 149 ≤ 349 ≤ 668 ≤ 1390 ≤ 2570 ≤ 3900

204

- se realizează jocuri foarte mici;

- se reduce gabaritul radial;

- roata elastică devine simetrică faţă de axa centrală şi

- se elimină dezechilibrarea statică.

Principalele dezavantaje ale roţii elastice se referă la:

- calitatea specială a materialului;

- tehnologia foarte pretenţioasă şi

- limitarea momentului maxim transmis datorită solicitărilor dinamice severe şi a grosimii reduse a roţii deformabile.

Graţie danturii speciale (se folosesc, de obicei, danturi evolventice scurte cu deplasări mari), diferenţa minimă |z3–z2| este uzual egală cu 2.

Deformaţia roţii elastice este controlată, frecvent, cu ajutorul unui rulment eliptic (al cărui inel exterior este deformabil elastic), denumit deformator. În orice reductor armonic, acest deformator este element motor şi reprezintă echivalentul braţului H, din reductoarele planetare cu o roată centrală şi satelit rigid.

Exemplele de reductoare armonice cilindrice, prezentate în continuare, sunt preluate şi prelucrate din prospecte ale renumitei firme Harmonic Drive, fondată în 1970 în R.F.G şi în Japonia şi extinsă mai târziu în SUA şi Anglia.

În fig. 6.16 este ilustrată prima soluţie aplicată de reductor armonic, care foloseşte o roată elastică de tip „oală“ (seria HDUC/HDUS). Dimensiunea axială relativ mare a roţii elastice (fig. 6.16,d,e) este impusă de necesitatea trecerii „line“ de la forma variabilă-eliptic la cea circulară; aşadar, corpul roţii deformabile de tip „oală“ are rolul de cuplaj elastic homocinetic. Cu alte cuvinte, reductorul armonic constituie o variantă dezvoltată a reductorului cu o roată centrală, care are S sateliţi rigizi în paralel (în acest caz, S = 2).

În schemele a, b şi c, din fig. 6.16, este explicitată funcţionarea reductorului armonic, în cazul în care roata centrală rigidă 3 este fixă, deformatorul H este elementul motor, iar roata deformabilă elastic 2, care are z2 = z3‒2, constituie elementul de ieşire.

- there are obtained very small backlashes;

- it is reduced the radial overall size;

- the elastic gear becomes symmetrical vs. the central axis and

- it is eliminated the static unbalance.

The main disadvantages of the elastic gear are referring to:

- the special quality of the material;

- the very pretentious technology and

- the limitation of the transmitted torque because of the severe dynamic stresses and of the reduced thickness of the deformable gear.

Due to its special teeth (there are usually used short involute teeth with big addendum modifications), the minimum difference |z3–z2| is habitually equal to 2.

The deformation of the flexspline (elastic gear) is frequently controlled with an elliptical ball bearing (whose external ring is elastically deformable), called wave generator. In any harmonic drive, this wave generator is a driving element and represents the equivalent of the carrier H, from the planetary reducers with one sun gear and a rigid satellite.

The examples of cylindrical harmonic reducers that are further presented, are taken and processed from the prospects of the famous company Harmonic Drive, founded in 1970 in R.F.G and in Japan and later extended to USA and UK.

In Fig. 6.16 it is illustrated the first applied solution of harmonic reducer, which uses a flexspline (elastic gear) of „pot“ type (the series HDUC/HDUS). The relative big axial dimension of the flexspline (Fig. 6.16,d,e) is imposed by the necessity of a “smooth” passing from the elliptic-variable shape to the circular one; thus, the body of the flexspline of “pot” type has the role of a homo-kinematical elastic coupling. In other words, the harmonic drive is a development of the reducer with a sun gear that has S rigid satellites in parallel connection (in this case, S = 2).

The schemes a, b and c, from Fig. 6.16, illustrate the harmonic drive working, for the case in which the rigid sun gear 3 (named circular spline) is fixed, the wave generator H is the driving element, and the flexspline (elastic gear) 2, which has z2 = z3-2, represents the output element.

205

Fig. 6.16. Reductor armonic cilindric cu roată deformabilă de tip „oală”: a, b, c) scheme pentru explicitarea funcţionării; d, e) părţi componente; f, f1) exemplu de utilizare (prelucrare după un prospect al firmei Harmonic Drive). Notaţii: c.O. = cuplaj de tip Oldham; e = element elastic.

Fig. 6.16. Cylindrical harmonic drive with a flexspline (elastic gear) of „pot” type: a, b, c) schemes for explaining the working; d, e) components; f, f1) usage example (processing after a prospect of Harmonic Drive Company). Notations: c.O. = Oldham coupling; e = elastic element.

a c b

2

3=0 H

e d

H

3 e 2 2

3

H

e

c.O.

f1 f

e

2

H

1

3=0

1

T1

ω1,3

TH

ωH,3

3=0

H

2

e

e

c.O.

3=0

206

În poziţia iniţială (fig. 6.16,a) s-au marcat prin săgeţi: un plin „0“ al roţii 3 şi un gol „0“ al roţii 2, care se suprapun.

Rotind în sens orar deformatorul H, fiecare gol „k (k = 1,2,3, D)“ al roţii 2 se suprapune succesiv cu plinul conjugat „k“ al roţii 3 (fig. 6.16,b). După o rotaţie completă a elementului-deformator H (fig. 6.16,c), plinul „0“ (al roţii 3) se suprapune cu golul k = z3 = z2 + 2 al roţii 2; aşadar, la fiecare deplasare unghiulară cu 360° a deformatorului H, în sens orar, roata elastică 2 se roteşte cu doi paşi unghiulari (2360°/z2) în sens antiorar! Cu alte cuvinte, se obţine raportul:

i = i 3H,2 = ωH,3 / ω2,3 =

= ‒360°/ (2360°/z2) = ‒z2/2. (6.45)

Acelaşi rezultat se obţine analitic, prin modelarea reductorului armonic, ca un reductor planetar cu o roată centrală.

Ca exemplu, în continuare se determină raportul i = i 3H,1 şi randamentul η = η3

H,1, în cazul reductorului armonic ilustrat în fig. 6.16,f,f1. În premisa că mecanismul cu axe fixe asociat (unităţii planetare din fig. 6.16,f) are:

η0 = ηH1,3 = ηH

1,2ηH

2,3 = 0,9962 = 0,992,

i0 = i H1,3 = ω1,H /ω3,H = i H 1,2 i H

2,3 = (+1)(+z3/z2) =

= 102/100 = +1,02 şi (6.46)

w = sgn(ω1,HT1) = sgn[(ω1,HT1)/ (‒ω1,3T1)] =

= sgn[ω1,H /(ω3,H ‒ ω1,H)] = sgn[i0/(1‒i0)] =

= sgn[1,02/(1‒1,02)] = ‒1, (6.47)

pentru reductorul armonic dat rezultă:

i = i 3H,1 = ωH,3 /ω1,3 = (ωH,H ‒ ω3,H)/(ω1,H ‒ ω3,H) =

= 1/ [1‒(ω1,H / ω3,H) ] = 1/(1‒i0) =

= 1/(1‒1,02) = ‒50 =>

ω1,3 = ωH,3 / i = ωH,3 / (‒50); (6.48)

η3H,1 = (‒ω1,3T1)/(ωH,3TH) =

= (‒T1/TH) / i3H,1= (1‒i0)/[1‒i0(η0)w] =

=(1‒1,02)/[1‒1,02(0,992)‒1] =

= 0,708 < η0 =>

T1 = ‒i 3H,1η3H,1TH = 500,708TH =

= +35,428TH. (6.49)

In the initial position (Fig. 6.16,a) there were marked through arrows: a tooth thickness „0“ from gear 3 and a tooth space „0“ from gear 2, that are superposed.

Rotating the wave generator H clockwise, each tooth space „k (k =1,2,3, D)“ of gear 2 is superposed successively over the conjugated tooth thickness „k“ from gear 3 (Fig. 6.16,b). After a complete rotation of the wave generator H (Fig. 6.16,c), the tooth thickness „0“ (of gear 3) is superposed over the tooth space k = z3 = z2 + 2 of the gear 2; thus, for each angular displacement with 360° of the wave generator H, clockwise, the elastic gear 2 is rotating with two angular pitches (2360°/z2) counterclockwise! In other words, it is obtained the ratio:

i = i 3H,2 = ωH,3 / ω2,3 =

= ‒360°/ (2360°/z2) = ‒z2/2. (6.45)

The same result can be obtained analytically, by modeling the harmonic drive like a planetary reducer with a sun gear.

As an example, further it is established the ratio i = i 3

H,1 and the efficiency η = η3H,1, in

the case of the harmonic drive from Fig. 6.16,f,f1. In the premise that the associated mechanism with fixed axes (to the planetary gear from Fig. 6.16,f) has:

η0 = ηH1,3 = ηH

1,2ηH

2,3 = 0.9962 = 0.992,

i0 = i H1,3 = ω1,H /ω3,H = i H 1,2 i H

2,3 = (+1)(+z3/z2) =

= 102/100 = +1.02 and (6.46)

w = sgn(ω1,HT1) = sgn[(ω1,HT1)/ (‒ω1,3T1)] =

= sgn[ω1,H /(ω3,H ‒ ω1,H)] = sgn[i0/(1‒i0)] =

= sgn[1.02/(1‒1.02)] = ‒1, (6.47)

for the harmonic drive it outcomes:

i = i 3H,1 = ωH,3 /ω1,3 = (ωH,H ‒ ω3,H)/(ω1,H ‒ ω3,H) =

= 1/ [1‒(ω1,H / ω3,H) ] = 1/(1‒i0) =

= 1/(1‒1.02) = ‒50 =>

ω1,3 = ωH,3 / i = ωH,3 / (‒50); (6.48)

η3H,1 = (‒ω1,3T1)/(ωH,3TH) =

= (‒T1/TH) / i3H,1= (1‒i0)/[1‒i0(η0)w] =

=(1‒1.02)/[1‒1.02(0.992)‒1] =

= 0.708 < η0 =>

T1 = ‒i 3H,1η3

H,1TH = 500.708TH = = +35.428TH. (6.49)

207

Deci, reductorul armonic considerat (fig. 6.16,f,f1) inversează şi reduce de 50 ori turaţia de intrare, cu o amplificare de 35,428 ori a momentului motor.

Precizare: Pentru compensarea abaterilor de coaxialitate, firma Harmonic Drive montează deformatorul pe arborele de intrare prin intermediul unui cuplaj de tip Oldham (c.O. – fig. 6.16,d şi f).

Următoarea etapă de dezvoltare a reductorului armonic a avut ca principale obiective reducerea gabaritului axial şi creşterea capacităţii portante; soluţia găsită, ilustrată în fig. 6.17,a,b,c, şi c1, constă în folosirea unei roţi elastice de tip „manşon“, danturată pe întreaga lungime, şi a unui cuplaj homocinetic dinţat 1-2 (în care z1 = z2

=> i 31,2 = +1). Spre deosebire de prima variantă (fig. 6.17,a, b), care foloseşte un deformator cu doi rulmenţi eliptici (seria HDUR/HDUA), în motoreductorul din fig. 6.17,c,c1 este utilizat un deformator cu un singur rulment eliptic (seria HDUF).

Vi pentru aceste variante, stabilirea raportului de transmitere şi a randamentului este similară cu cea precedentă.

În fig. 6.17,d,d1 este ilustrată o replică conică a soluţiei cilindrice din fig. 6.16; deşi interesantă, această soluţie are deocamdată numai valoare teoretică. 6.4. TRANSMITEREA ENERGIEI MECANICE, FĂRĂ MODIFICAREA TURAŢIEI Transmiterea energiei mecanice fără modificarea turaţiei, între doi arbori (un arbore motor şi un arbore receptor), este o funcţie generală cu o multitudine de variante aplicative, dependente de restricţiile suplimentare impuse şi de poziţia relativă a celor doi arbori.

Din larga diversitate de situaţii practice, în continuare sunt prezentate succint câteva dintre cele mai des întâlnite:

a) În cel mai simplu caz, în care axele celor doi arbori sunt fixe şi coaxiale (fără alte restricţii), funcţia generală poate fi rezolvată simplu cu ajutorul unui arbore de legătură sau a unui cuplaj rigid.

Thus, the considered harmonic drive (Fig. 6.16,f,f1) inverts and reduces the input speed 50 times, with an amplification of the driving torque of 35.428 times.

Specification: In order to compensate the coaxial errors, the Harmonic Drive company assemblies the wave generator on the input shaft through an Oldham coupling (c.O. –Fig. 6.16,d and f).

The next step in the harmonic drive development had as main objectives the reduction of the axial overall size and the increase of the supporting capacity; the solution that was found, illustrated in Fig. 6.17,a,b,c, and c1, uses a flexspline (elastic gear) of „collar“ type, with teeth on the entire circumference, and a homo-kinematical claw coupling 1-2 (in which z1 = z2 => i 31,2 = +1). Unlike the first variant (Fig. 6.17,a, b), that uses a wave generator with two elliptical bearings (series HDUR/HDUA); though, there are variants, like the motor-reducer from Fig. 6.17,c,c1, in which a single elliptical bearing is used (series HDUF).

The establishment of the transmission ratio and of the efficiency for these variants is similar to the previous one.

Fig. 6.17,d,d1 illustrates a conical variant derived from the first cylindrical solution (see Fig. 6.16); even if it is interesting, this solution has, for the moment, only theoretical value. 6.4. MECHANICAL ENERGY TRANSMISSION WITHOUT ROTATIVE SPEED MODIFICATION The transmission of mechanical energy without rotative speed modification, between two shafts (a driving shaft and a receptor shaft), is a general function with a multitude of applicative variants that depend of the imposed supplementary restrictions and of the relative position of the two shafts.

From the large diversity of practical situations, there are further presented succinctly some of the most often found:

a) In the simplest case, in which the axes of the two shafts are fixed and coaxial (no other restrictions), the general function can be solved by using a rigid coupling.

208

Fig. 6.17,a – c1. Reductor armonic cilindric cu roată deformabilă de tip “manşon”: a, b) părţi componente; c, c1) exemplu de utilizare (prelucrare după un prospect al firmei Harmonic Drive); d, d1) variantă conică derivată din reductorul armonic cilindric ilustrat în fig. 6.16 (c = colivie; b = bilă).

Fig. 6.17,a – c1 Cylindrical harmonic drive with a flexspline (elastic gear) of “collar”type: a, b) components; c, c1) usage example (processing after a prospect of Harmonic Drive Company); d, d1) conical variant derived from the cylindrical harmonic drive from Fig. 6.16 (c = cage; b = ball).

a b

3 1

H

2 1 3 H

2

c c1

1

2

H

3=0

1

T1

wwww1,3

TH

ωH,3

3=0

H

2

1

H 2=0

1 2=0

H

d d1

T1 ω1,3 TH

ωH,3 1

2

3=0 c

b

H

209

Un astfel de cuplaj, format din 2 flanşe asamblate şi centrate prin şuruburi, este ilustrat în fig. 6.18,a.

b) În transmiterea energiei mecanice, se impune întreruperea intermitentă a fluxului energetic, fără oprirea motorului; rezolvarea funcţiei generale, în aceste condiţii, se realizează cu ajutorul unui cuplaj intermitent comandat. În fig. 6.18,b şi b1 sunt prezentate două soluţii de cuplaje intermitente cu comandă mecanică. Ambreiajul de automobil (fig. 6.18,b1) reprezintă cel mai întâlnit exemplu de acest tip.

c) Transmiterea ireversibilă a energiei mecanice; uzual, rezolvarea funcţiei generale, în condiţiile acestei restricţii, este realizată cu ajutorul unui cuplaj unisens. O soluţie de cuplaj unisens, cu role cilindrice, este ilustrată în fig. 6.18,c. Un exemplu clasic de folosire, a unui astfel de cuplaj, este roata motrice de la bicicletă.

d) Transmiterea energiei mecanice cu limitarea momentului maxim transmis; în astfel de cazuri, rezolvarea funcţiei generale impune folosirea unui cuplaj, cu decuplare autonomă la depăşirea cuplului maxim, denumit cuplaj de siguranţă. Un exemplu clasic de cuplaj de siguranţă cu bile este prezentat în fig. 6.18,d. Evident, un astfel de cuplaj are rolul de a proteja transmisia de suprasarcini.

e) Între arborele motor şi cel receptor intervin abateri de poziţie axiale, radiale şi/sau unghiulare. În astfel de cazuri, rezolvarea funcţiei generale, în condiţiile compensării acestor abateri, constă în utilizarea de cuplaje cu elemente intermediare deformabile elastic (metalice sau nemetalice). În fig. 6.18,e şi e1 sunt ilustrate două soluţii de cuplaje elastice cu elemente intermediare din cauciuc. Cel mai cunoscut cuplaj, de acest gen, este cuplajul cu bolţuri şi manşon de cauciuc (fig. 6.18,e).

Tipurile cuplajelor de mai sus (a,D,e1), existente în diverse îndrumare de proiectare, cataloage şi prospecte de firmă, sunt uzual modelate cu mijloacele specifice disciplinei de organe de maşini.

f) Între arborele motor şi cel receptor (1 şi n) intervin deplasări axiale, radiale şi/sau unghiulare constante şi/sau variabile.

Such a coupling, consisting of 2 flanges assembled and centered through screws, is illustrated in Fig. 6.18,a.

b) In the mechanical energy transmission, it is sometimes imposed to interrupt intermittently the energetic flow, without stopping the motor. Under these conditions, the general function can be solved by using a coupling with intermittent command. Two solutions of intermittent couplings with mechanical command are presented in Fig. 6.18,b and b1. The car’s clutch (Fig. 6.18,b1) represents the most used example of this type.

c) The irreversible transmission of mechanical energy. Usually, the general function, under this restriction, can be solved by using a freewheeling clutch. A solution of freewheeling clutch, with cylindrical rollers, is illustrated in Fig. 6.18,c. A classical example of such a clutch is the driving wheel from a bicycle.

d) The transmission of mechanical power with the limitation of the transmitted maximum moment. In these cases, the general function is solved using a coupling with an autonomous decoupling when the maximum couple is exceeded, called safety clutch. A classical example of safety clutch with balls is presented in Fig. 6.18,d. Obviously, this clutch is meant to protect the transmission from overloads.

e) Errors from the axial, radial and/or angular position interfere between the driving shaft and the receptor shaft. In these cases, in the conditions of the errors’ compensation, the general function is solved by using couplings with elastic deformable intermediate elements (metallic or nonmetallic). In Fig. 6.18, e and e1 there are illustrated two solutions of elastic clutches with the intermediate elements made of rubber. The most known coupling of this type is the pin coupling with elastic muff (Fig. 6.18,e).

The previous types of couplings (a,D,e1), which can be found in different design guides, catalogues and companies prospects, are usually modeled by specific means from the course of machine elements.

f) Constant and/or variable axial, radial and/or angular displacements interfere between the two shafts (1 and n).

210

Fig. 6.18. Exemple uzuale de cuplaje: a) cuplaj rigid cu flanşe, b, b1) cuplaje intermitente cu comandă mecanică, c) cuplaj unisens cu role cilindrice, d) cuplaje de siguranţă cu bile, e, e1) cuplaje elastice cu elemente intermediare din cauciuc.

Fig. 6.18. Usual examples of couplings: a) rigid coupling with flanges, b, b1) intermittent couplings with mechanical command, c) freewheeling clutch with cylindrical rollers, d) safety clutch with balls, e, e1) elastic coupling with an intermediate rubber element.

b1

e e1

b a

c d

Element motor / Driving element

211

În astfel de situaţii, rezolvarea funcţiei generale, care trebuie să fie compatibilă cu aceste deplasări, constă în utilizarea de cuplaje mobile. În literatură, aceste cuplaje sunt modelate cu mijloacele disciplinei de teoria mecanismelor.

În continuare, sunt prezentate succint principalele proprietăţi specifice cuplajelor mobile, cu exemplificare pe câteva dintre cele mai utilizate soluţii tehnice.

6.4.1. Funcţiile cuplajelor mobile

Prin cuplaj mobil se înţelege o poli-cuplă cinematică, adică un sistem format din doi arbori (1 şi n) legaţi mobil printr-un lanţ cinematic, care îndeplineşte două funcţii principale:

1) Permite anumite deplasări relative independente între cei 2 arbori (fig. 6.19); numărul deplasărilor independente, ale unui arbore (n) faţă de celălalt arbore (1), este numit grad de mobilitate al cuplajului şi este notat cu f1n .

2) În mecanismul asociat, obţinut prin legarea mobilă a arborilor 1 şi n la bază, cuplul şi mişcarea de rotaţie se transmit, prin cuplaj, de la un arbore la celălalt, fără modificare (adică, la o rotaţie completă a unui arbore, celălalt efectuează, de asemenea, o rotaţie completă).

6.4.2. Tipurile cuplajelor mobile, după mişcările relative ale arborilor

În funcţie de mişcările relative independente dintre arbori, în tehnică sunt uzual întâlnite următoarele tipuri de cuplaje mobile (fig. 6.19):

1°. Cuplaje axiale (fig. 6.19,a), în care arborii sunt coaxiali şi pot efectua o translaţie relativă independentă axială: Sz ≡ S∆ (f1n = 1). Uzual, un astfel de cuplaj este întâlnit sub forma unei îmbinări canelate telescopice.

2°. Cuplaje transversale sau radiale (fig. 6.19,b), în care arborii sunt paraleli şi pot efectua două translaţii relative independente transversale (radiale): Sx şi Sy (f1n = 2).

Dintre numeroasele soluţii de cuplaje radiale cunoscute, cuplajele de tip Oldham şi cele de tip Schmidt (fig. 6.21) sunt soluţiile cele mai larg folosite.

In these situations, the general function that must be compatible to these displacements can be solved using mobile couplings (or mobile joints). These couplings (joints) are modeled in the technical literature using the theory of mechanisms.

Further, there are presented succinctly the main specific properties of the mobile joints on the basis of some of the most used technical solutions.

6.4.1. The functions of the mobile joints

A mobile coupling or mobile joint is a system of two shafts (1 and n) which have a mobile connection (a complex kinematical chain) between them and which fulfils two main functions:

1) It allows certain independent relative displacements between the two shafts (Fig. 6.19); the number of independent displacements of the shaft n vs. the shaft 1 is called the coupling (or joint) degree of freedom and it is denoted by f1n .

2) In the associated mechanism, obtained through a mobile connection of shafts 1 and n to the base, the torque and the revolute motion are transmitted through the joint from one shaft to the other without any modification (for a complete rotation of one shaft, the other makes identically a complete rotation, too)

6.4.2. Types of mobile joints considering the shafts relative motions

In terms of the independent relative motions between the shafts, the following types of mobile couplings/joints are usually met in techniques (Fig. 6.19):

1°. Axial joints (Fig. 6.19,a), in which the shafts are coaxial and can do an axial independent relative translation: Sz ≡ S∆

(f1n = 1). Usually, this type of coupling is found as a telescopic grooved joint.

2°. Transversal or radial joints (Fig. 6.19,b), in which the shafts are parallel and can do two transversal (relative) independent relative translations: Sx and Sy (f1n = 2).

Between the many solutions of known radial couplings, the couplings of Oldham type and those of Schmidt type (Fig. 6.21) are the most used solutions.

212

3°. Cuplaje unghiulare (fig. 6.19,c), în care arborii sunt (de regulă) concurenţi şi pot efectua două rotaţii relative radiale independente: ϕx şi ϕy (f1n = 2). Dintre soluţiile cuplajelor unghiulare existente, cele mai utilizate sunt: cuplajele cardanice, cuplajele bicardanice (centrate), cuplajele cu bile de tip Rzeppa şi, într-o măsură mai redusă, cuplajele tripode (fig. 6.22-6.26).

4°. Cuplaje unghiular–axiale (fig. 6.19,d), în care arborii sunt (de regulă) concurenţi şi pot efectua trei deplasări relative independente: o translaţie axială şi două rotaţii transversale: S∆, ϕx şi ϕy (f1n = 3). Azi, cele mai utilizate soluţii de cuplaje unghiular-axiale sunt cuplajele tripode şi cele de tip Rzeppa (fig. 6.25 şi fig. 6.26).

5°. Cuplaje transversal–unghiular–axiale sau universale (fig. 6.19,e), în care arborii pot efectua cinci deplasări relative independente: Sx, Sy, S∆, ϕx şi ϕy (f1n = 5). În tehnică, de regulă, în locul cuplajelor universale sunt folosite transmisiile universale, care se obţin uzual prin legarea în serie a unui cuplaj unghiular cu un cuplaj unghiular–axial. Ca exemplu, în fig. 6.20 s-a ilustrat o transmisie universală pentru antrenarea roţii motoare şi directoare a unui autoturism; aceasta este obţinută prin înserierea unui cuplaj unghiular–axial tripod A cu un cuplaj unghiular bicardanic centrat B. 6.4.3. Tipurile cuplajelor mobile, după uniformitatea transmiterii mişcării Prin legarea mobilă la bază a arborilor unui cuplaj (sau a unei transmisii universale), se obţine un mecanism denumit mecanism asociat cuplajului sau transmisiei.

În cazul mecanismelor asociate cuplajelor unghiulare şi unghiular–axiale, axele arborilor de intrare şi ieşire sunt, de regulă, concurente şi formează un unghi ascuţit α; valoarea maximă a acestui unghi este denumită capacitate unghiulară a cuplajului şi constituie un parametru important în caracterizarea performanţelor acestuia. În mod analog, se defineşte noţiunea de capacitate radială, pentru cuplajele transversale (descrisă prin valoarea maximă a deplasării radiale dintre arbori), şi de capacitate axială, pentru cuplajele axiale.

3°. Angular joints (Fig. 6.19,c), in which the shafts are usually concurrent and can do two independent radial relative rotations: ϕx and ϕy (f1n = 2). Between the solutions of existent angular joints, the most used are (Fig. 6.22-6.26): the Cardan joints, the 2-Cardan joints (centered), ball joints of Rzeppa type and, less used, the tripod joints (with no concurrent shafts).

4°. Angular-axial joints (Fig. 6.19,d), in which the shafts are usually concurrent and can do 3 independent relative motions: an axial translation and 2 transversal rotations: S∆, ϕx and ϕy (f1n = 3). Today, the most used angular-axial joints are the tripod joints (Fig. 6.26) and those of Rzeppa type (Fig. 6.25).

5°. Transversal-angular axial or universal couplings/joints (Fig. 6.19,e), in which the shafts can do five independent relative motions: Sx, Sy, S∆, ϕx and ϕy (f1n = 5). In techniques, as a rule, instead of the universal joints there are used the universal transmissions that are obtained through a serial connection between an angular joint and an angular-axial joint. For instance, in Fig. 6.20 there are illustrated an universal transmission for actuating the driving wheel from a car; this transmission is obtained by linking in series an angular-axial tripod coupling A to an angular centered 2-Cardan coupling B. 6.4.3. Types of mobile joints considering the motion transmission uniformity By the mobile linking of the joint shafts (or of an universal transmission) to the base (frame), it is obtained a mechanism called a mechanism associated to the coupling/joint or transmission.

In the case of the mechanisms associated to the angular and angular-axial joints, the axes of the input and output shafts are usually concurrent and form an acute angle α; This angle maximum value is called the coupling angular capacity and represents an important parameter in the characterization of its performances. Analogous, it is defined the notions of radial capacity, for the transversal joints (described through the maximum value of the radial displacement between the shafts), and of axial capacity, for the axial joints.

213

Fig. 6.19. Tipurile cuplajelor mobile după mişcările relative ale arborilor: a) cuplaj axial, b) cuplaj radial sau transversal, c) cuplaj unghiular, d) cuplaj unghiular-axial şi e) cuplaj universal (radial-unghiular-axial).

Fig. 6.19. Types of mobile joints in terms of the relative motions between shafts: a) axial joint, b) radial or transversal joint, c) angular joint, d) angular-axial joint and e) universal (radial-angular-axial) joint.

a

b

c

e

d

Fig. 6.20. Exemplu de transmisie universală utilizată pentru antrenarea roţilor directoare ale unui autoturism.

Fig. 6.20. Example of universal transmission used in actuating the driving wheels of a car.

A B

214

Transmiterea fără modificare a mişcării de rotaţie (şi implicit a cuplului), de la un arbore la celălalt, reprezintă funcţia de bază a mecanismului asociat şi, implicit, a cuplajului mobil considerat; aceasta înseamnă că la o rotaţie completă a unui arbore, celălalt arbore efectuează, de asemenea, o rotaţie completă.

Dacă în timpul funcţionării, poziţia relativă a arborilor (descrisă prin unghiul dintre axe, distanţa radială şi/sau distanţa axială) rămâne constantă (fig. 6.19,c,d şi e), atunci mecanismul asociat este monomobil, adică are gradul de mobilitate M = 1; în caz contrar, mecanismul asociat este multimobil, putând avea gradul de mobilitate M = 2,..,6.

Pentru a caracteriza neuniformitatea transmiterii mişcării prin mecanismul asociat, în timpul unei rotaţii, se foloseşte o mărime specifică numită abatere de la homocinetism. Uzual, abaterea de la homocinetism se defineşte prin diferenţa dintre unghiurile de rotaţie ale arborilor de ieşire şi intrare, ∆ϕ = ϕn – ϕ1, sau prin raportul dintre diferenţa vitezelor unghiulare ale arborilor de intrare şi ieşire şi viteza arborelui de intrare: (ωn–ω1)/ω1 = ωn / ω1–1. (6.50) În continuare, abaterea de la homocinetism va fi descrisă prin diferenţa unghiulară: ∆ϕ = ϕn – ϕ1. În funcţie de variaţia în timp a diferenţei ∆ϕ, se deosebesc trei tipuri de mecanisme şi, implicit, trei tipuri de cuplaje mobile:

1) mecanism homocinetic (şi, implicit, cuplaj homocinetic), când diferenţa ∆ϕ este constantă în timp (∆ϕ = ϕn – ϕ1 = const. => ωn = ω1); cuplajele unghiulare şi unghiular-axiale sunt întotdeauna homocinetice dacă sunt simetrice faţă de planul bisector al unghiului obtuz dintre arbori !

2) mecanism heterocinetic (şi, implicit, cuplaj heterocinetic), când diferenţa ∆ϕ este variabilă în timp (∆ϕ = ϕn – ϕ1 = variabil => ωn ≠ ω1);

3) mecanism cvasihomocinetic (şi, implicit, cuplaj cvasihomocinetic), când ∆ϕ rămâne aproximativ constantă în timp (∆ϕ = ϕn–ϕ1 ≅ constant => ωn ≅ ω1).

The transmission of the revolute motion without any modification (and of the torque, implicitly), from one shaft to the other, represents the basic function of the associated mechanism and of the considered mobile joint, implicitly; this means that for a complete rotation of one shaft, the other shaft makes identically a complete rotation, as well.

If the shafts’ relative position (described through the angle between the axes, the radial distance and/or axial distance) remains constant during operation (Fig. 6.19,c,d and e), then the associated mechanism has 1 DOF, i.e. M = 1; on the contrary, the associated mechanism has the degree of freedom M = 2,..,6.

In order to characterize the non-uniformity of the motion transmission through the associated mechanism, during one rotation, it is used a specific quantity called deviation from homo-kinematics. Usually, the deviation from homo-kinematics is defined through the difference between the rotation angles of the output and input shafts, ∆ϕ = ϕn – ϕ1 (if the both angles start from zero), or through the ratio between the difference of the input and output shafts’ angular speeds and the input shaft speed: (ωn – ω1)/ω1 = ωn / ω1 – 1. (6.50) The deviation from homo-kinematics will be further described through the angular difference: ∆ϕ = ϕn – ϕ1. In terms of the variation in time of the difference∆ϕ, three types of mechanisms and of mobile joints, implicitly, can be highlighted:

1) homo-kinematical mechanism (and homo-kinematical joint, implicitly), when ∆ϕ is constant in time (∆ϕ = ϕn – ϕ1 = const. => ωn = ω1); the angular and angular-axial joints are always homo-kinematical if there are symmetrical vs. a bisector plan of the obtuse angle between shafts!

2) hetero-kinematical mechanism (and hetero-kinematical joint, implicitly), when the difference ∆ϕ is variable in time (∆ϕ = ϕn – ϕ1

= variable => ωn ≠ ω1);

3) quasi-homo-kinematical mechanism (and, quasi-homo-kinematical joint, implicitly), when ∆ϕ remains approximately constant in time (∆ϕ = ϕn–ϕ1 ≅ constant => ωn ≅ ω1).

215

Din motive dinamice, în transmiterea puterii sunt preferate transmisiile (mecanismele) homocinetice; sunt însă acceptate şi cele cvasihomocinetice, deoarece acestea sunt, în multe cazuri, mai simple şi, implicit, mai economice.

În cazurile în care se doreşte obţinerea unor momente de torsiune variabile, ca de exemplu pe standurile de încercare, devine utilă folosirea transmisiilor de tip heterocinetic. 6.4.4. Tipurile cuplajelor mobile, după particularităţile lor morfologice În funcţie de particularităţile morfologice, se deosebesc principial 3 tipuri distincte de cuplaje:

1°. Cuplaje mobile articulate, care pot fi plane sau spaţiale; de obicei, cuplajele articulate plane sunt cuplaje radiale (sau transversale), iar cele spaţiale sunt cuplaje şi transmisii de tip cardanic (exemple: cuplaje monocardanice, cuplaje bicardanice, transmisii cu două sau mai multe cuplaje cardanice etc.).

Pentru exemplificarea cuplajelor radiale homocinetice, în fig. 6.21 s-au ilustrat 4 soluţii ale cuplajului Oldham (fig. 6.21,a-a3) şi o soluţie (în 2 variante) a cuplajului Schmidt (fig. 6.21,b,b1).

Cuplajele şi transmisiile de tip cardanic sunt exemplificate în fig. 6.22-6.24. În fig. 6.22 sunt ilustrate două soluţii de bază ale cuplajului cardanic: cuplajul cu cruce de tip unghiular (fig. 6.22,a,a1) şi cuplajul bipod de tip unghiular-axial (fig. 6.22,b,b1); alăturat, în fig. 6.22,c şi c1, sunt ilustrate: schema cuplajului cardanic cu notaţiile aferente (fig. 6.22,c) şi variaţiile abaterii de la homocinetism, pentru diverse valori ale unghiului dintre arbori α (fig. 6.22,c1).

Din analiza fig. 6.22 rezultă că soluţiile cuplajelor monocardanice sunt simple şi robuste, dar au dezavantajul că nu sunt homocinetice. Deşi cuplajele cardanice simple sunt heterocinetice, prin legarea în serie a n ≥ 2 cuplaje, după anumite reguli, pot fi generate transmisii n-cardanice homocinetice.

From dynamic reasons, the homo-kinematical transmissions (mechanisms) are preferred for the transmission of power; but there are also accepted the quasi-homo-kinematical ones, because, in many cases, they are more simple and, more economical, implicitly.

In the cases in which one wants to obtain variable torques, like on the testing stands, it becomes useful to use the transmissions of hetero-kinematical type. 6.4.4. Types of the mobile joints considering their morphological features In terms of the morphological features, three distinct types of couplings/joints are highlighted:

1°. Articulated mobile couplings/joints, which can be planar or spatial; usually, the planar articulated couplings are radial (or transversal) joints, while the spatial ones are joints and transmissions of Cardan type (examples: Cardan joints, 2-Cardan joints, transmissions with two or more Cardan joints etc.).

For the exemplification of the homo-kinematical radial joints, in Fig. 6.21 there were illustrated 4 solutions of the Oldham joint (Fig. 6.21,a-a3) and a solution (in 2 variants) of the Schmidt joint (Fig. 6.21,b,b1).

The joints and transmissions of Cardan type are exemplified in Fig. 6.22-6.24. In Fig. 6.22 there are illustrated two basic solutions of the Cardan joint: the angular joint with cross (Fig. 6.22,a,a1) and the angular-axial bipod joint (Fig. 6.22,b,b1); nearby, in Fig. 6.22,c and c1, there are illustrated: the scheme of the Cardan joint with the afferent notations (Fig. 6.22,c) and the variations of the deviation from homo-kinematics, for different values of the angle between shafts α (Fig. 6.22,c1).

From Fig. 6.22 it outcomes that the solutions of mono-Cardan joint are simple and robust, but have the disadvantage that they are not homo-kinematical. Even if the simple Cardan joints are hetero-kinematical, through a serial connection of n ≥ 2 couplings, on the basis of some rules, there can be generated homo-kinematical n-Cardan transmissions.

216

În fig. 6.23 s-a ilustrat generarea transmisiilor bicardanice homocinetice, cu ajutorul operatorilor de simetrie directă (oglindire) şi simetrie rotită (cu un unghi β):

1a) Prin simetrie directă (β = 0), în raport cu un plan ⊥ pe arborele intermediar, se obţine transmisia bicardanică homocinetică în configuraţie plană de tip A (axele celor 3 arbori cardanici sunt coplanare şi dispuse sub forma literei A). Din acest tip de transmisie s-au derivat mai târziu cuplajele bicardanice de tip centrat; cele mai semnificative soluţii de cuplaje bicardanice centrate sunt ilustrate în fig. 6.24.

The generation of homo-kinematical 2-Cardan transmissions using the operators of direct symmetry (mirroring) and rotated symmetry (with an angle β) was illustrated in Fig. 6.23:

1a) Through direct symmetry (β = 0), vs. a plan orthogonal to the intermediary shaft, it is obtained the homo-kinematical 2-Cardan transmission in a planar configuration of A type (the axes of the three shafts are coplanar and are disposed like the letter A). Later, from this type of transmission were derived the 2-Cardan joints of centered type; the most significant solutions of centered 2-Cardan joints are illustrated in Fig. 6.24.

Fig. 6.21. Exemple de cuplaje radiale: a – a3) de tip Oldham şi b, b1) de tip Schmidt.

Fig. 6.21. Examples of radial joints: a – a3) of Oldham type and b, b1) of Schmidt type.

a1 a

a3 a2

b1 b

217

Fig. 6.22. Exemple de cuplaje cardanice: a, a1) cuplaj unghiular cu cruce, b, b1) cuplaj unghiular-

axial de tip bipod, c) mărimi şi notaţii specifice, c1) variaţia abaterii de la homocinetism.

Fig. 6.22. Examples of Cardan joints: a, a1) angular joint with cross, b, b1) angular-axial joint of bipod type, c) specific sizes and notations, c1) variations of the deviation from homo-kinematics.

a

b

c

a1

b1 c1

218

când / when

a

c

b

Fig. 6.23. Generarea transmisiilor bicardanice homocinetice pe baza operatorilor de simetrie directă

(oglindire) şi rotită cu un unghi β : a) transmisie bicardanică în configuraţie plană de tip A, b) transmisie bicardanică în configuraţie spaţială şi c) transmisie bicardanică în configuraţie plană de

tip Z.

Fig. 6.23. Generation of homo-kinematical 2-Cardan transmissions using the operators of direct

symmetry (mirroring) and rotated symmetry with an angle β : a) 2-Cardan transmission in a planar

configuration of A type, b) 2-Cardan transmission in a spatial configuration and c) 2-Cardan transmission in a planar configuration of Z type.

219

a

b b1

c c1

d d1

a1

Fig. 6.24. Exemple de cuplaje bicardanice cu diverse soluţii de centrare (de realizare a simetriei): a, a1) centrare printr-o policuplă de tip sferă în cilindru (cu simetrie aproximativă), b, b1) centrare printr-un angrenaj sferic ( 1Γ , nΓ = suprafeţe conjugate în angrenare) de tip Borg-Warner (cu simetrie

exactă), c, c1) centrare cu disc intermediar flotant de tip Walterscheid (cu simetrie exactă), d, d1) centrare printr-o policuplă de tip cilindru-sferă-cilindru (cu simetrie exactă).

Fig. 6.24. Examples of 2-Cardan joints with different centering solutions (for obtaining the symmetry): a, a1) centering through a poly-joint of sphere in cylinder type (with an approximative symmetry), b, b1) centering through a spherical gear pair ( 1Γ , nΓ = adjoining surfaces into gearing)

of Borg-Warner type (with an exact symmetry), c, c1) centering with a intermediary floating disc of Walterscheid type (with an exact symmetry), d, d1) centering through a poly-joint of cylinder-sphere-

cylinder type (with an exact symmetry).

220

1b) Prin simetrie rotită, cu β ≠ k180° (k ∈ N), se obţin transmisii bicardanice homocinetice în configuraţie spaţială (cu arbori cardanici necoplanari);

1c) Prin simetrie rotită, cu β = 180°, se obţine transmisia bicardanică homocinetică în configuraţie plană de tip Z (axele celor 3 arbori cardanici sunt coplanare şi dispuse sub forma literei Z).

Dintre transmisiile bicardanice homocinetice obţinute în fig. 6.23, cele de tip Z au cea mai largă utilizare în tehnică.

Conform fig. 6.23, în toate cazurile, se obţin transmisii homocinetice dacă sunt îndeplinite următoarele două condiţii:

- unghiurile α1 şi α2, dintre arborii cardanici ai celor două cuplaje, sunt egale;

- unghiul dintre planele furcilor G12 şi G21, ale arborelui intermediar, coincide cu unghiul β, dintre planele E1 şi E2 (formate de axele arborilor celor două cuplaje).

2°. Cuplaje mobile cu elemente de rostogolire (cu bile sau mai rar cu role) sunt cuplaje simetrice (v. fig. 6.25,a), în care se disting două tipuri de soluţii: cuplaje cu bile de tip Weiss şi cuplaje cu bile de tip Rzeppa. Într-un cuplaj Weiss (fig. 6.25,b), jumătate dintre bile transmit cuplul pentru un sens de rotaţie, iar cealaltă jumătate pentru celălalt sens; într-un cuplaj Rzeppa (fig. 6.25,c), toate bilele participă la transmiterea cuplului, indiferent de sensul de rotaţie. Dintre acestea, cuplajele Rzeppa, în variantele unghiulară şi unghiular–axială, au cea mai largă aplicabilitate şi sunt utilizate cu precădere în automobile. Pentru exemplificare, în fig. 6.25,b1 şi b2 s-au ilustrat 2 soluţii de tip Weiss (o variantă unghiulară b1 şi alta unghiular-axială b2) şi 2 soluţii de tip Rzeppa (o variantă unghiulară c1 şi alta unghiular-axială c2).

3°. Cuplaje mobile podomorfe, care pot fi bipode, tripode, tetrapode, hexapode etc.; dintre aceste cuplaje, cea mai largă utilizare o au cele tripode (unghiular–axiale şi unghiulare) şi apoi cele bipode (unghiular–axiale).

Cuplajele bipode, fiind derivate din cuplajul cardanic, sunt denumite şi cuplaje cardanice–bipode.

1b) Through rotated symmetry, with β ≠ k180° (k ∈ N), there are obtained homo-kinematical 2-Cardan transmissions in spatial configuration (with non-coplanar shafts);

1c) Through rotated symmetry with β = 180°, it is obtained the homo-kinematical 2-Cardan transmission in planar configuration of Z type (the axes of the three shafts are coplanar and are disposed like the letter Z).

Between the homo-kinematical 2-Cardan transmissions (Fig. 6.23) the ones of Z type have the largest use in techniques.

According to Fig. 6.23, there are obtained in all cases homo-kinematical transmissions if there are fulfilled the following two conditions:

- the Cardan joints’ angles α1 and α2 are equal;

- the angle between the plans of the forks G12 and G21, belonging to the intermediary shaft, coincides with the angle β, between the plans E1 and E2 (formed by the shafts’ axes).

2°. The mobile joints with rolling elements (with balls or rarer, with rollers) are symmetrical couplings (see Fig. 6.25,a), in which there are highlighted two types of solutions: ball joints of Weiss type and ball joints of Rzeppa type. In a Weiss joint (Fig. 6.25,b), half of the balls transmit the torque for one direction of rotation, and the other half for the other direction; in a Rzeppa joint (Fig. 6.25,c), all the balls transmit the torque, whatever the direction of rotation. Between them, the Rzeppa joints, in the an-gular and angular-axial variants, have the lar-gest practicability and are used mainly in cars. For exemplification, two solutions of Weiss type (an angular variant b1 and an angular-axial one b2) and two solutions of Rzeppa type (an angular variant c1 and an angular-axial one c2) were illustrated in Fig. 6.25,b1 and b2.

3°. The mobile joints whith pins, which can be bipod, tripod, tetrapod, hexapod etc; between these joints, the tripod joints (angular-axial and angular) have the largest use, followed by the bipod one (angular-axiale).

The bipod joint, being derived from the Cardan joint, is also called Cardan-bipod joint.

221

b

R

1 2 1 2

1Γ 2Γ

2h

M

O2 O1

. Q b1

1Γ 2Γ

b2

c1 c2

a c b

Fig. 6.25. Exemple de cuplaje cu bile: a) schemă cinematică de principiu, în care liniile mediane ale canalelor, 1Γ şi 2Γ , sunt simetrice faţă de planul bisector π al unghiului obtuz dintre arbori (1800- α );

b, c) scheme pentru explicitarea particularităţilor de funcţionare ale cuplajelor de tip Weiss (b) şi respectiv Rzeppa (c); b1, b2) cuplaje Weiss de tip unghiular (b1) şi unghgiular-axial (b2); c1, c2) cuplaje Rzeppa de tip unghiular (c1) şi respectiv unghiular-axial (c2).

Fig. 6.25. Examples of ball joints: a) the kinematical principle scheme, in which the median lines of the channels, 1Γ and 2Γ , are symmetrical vs. a bisector plan π of the obtuse angle between the shafts

(1800- α ); b, c) schemes for explaining the working features of the joints of Weiss type (b) and Rzeppa type (c); b1, b2) Weiss joints of angular type (b1) and of angular-axial type (b2); c1, c2) Rzeppa joints of angular type (c1) and angular-axial type (c2).

222

Ca exemple, în fig. 6.26 s-au ilustrat două soluţii moderne de cuplaje tripode, unul unghiular-axial (fig. 6.26,a,a3) şi celălalt unghiular (fig. 6.26,b,b1), iar în fig. 6.22,b,b1 s-a reprezentat o variantă clasică de cuplaj unghiular-axial bipod. 6.4.5. Despre funcţiile şi performanţele cuplajelor mobile În consens cu cele precedente, cuplajele mobile, şi implicit transmisiile care le conţin, au două funcţii specifice:

1) să transmită, fără modificare, cuplul şi mişcarea de rotaţie de la un arbore de intrare la un arbore de ieşire şi

2) să asigure, între cei doi arbori, anumite mişcări relative independente.

Performanţele cuplajelor mobile au în vedere nivelul calitativ de realizare a funcţiilor specifice şi sunt modelabile printr-un set de condiţii, care devin criterii de performanţă; cele mai semnificative dintre acestea se referă la:

1°. minimizarea heterocinetismului;

2°. maximizarea capacităţii unghiulare, radiale şi/sau axiale;

3°. maximizarea capacităţii portante (cuplului), pe o durată impusă;

4°. minimizarea pierderilor prin frecare;

5°. minimizarea gradului de complexitate structural–constructivă;

6°. minimizarea gabaritului radial/axial;

7°. maximizarea nivelului calitativ privind forma şi aspectul produsului;

8°. minimizarea resurselor tehnico–economice de realizare a produsului;

9°. maximizarea gradului de reciclare etc.

În alegerea soluţiei pentru un anumit cuplaj (unghiular sau unghiular–axial), stabilirea tipului morfologic optim nu este întotdeauna o problemă simplă; pentru a evidenţia acest aspect, se analizează comparativ, pe baza primelor 5 criterii de performanţă (de mai sus),

For instance, in Fig. 6.26 there are illustrated two modern solutions of tripod joints, an angular-axial (Fig. 6.26,a,a3) and the other angular (Fig. 6.26,b,b1), while in Fig. 6.22,b,b1 it is represented a classical variant of bipod angular-axial joint. 6.4.5. On the functions and performances of the mobile joints According to the previous explanation, the mobile joints, and, implicitly, the transmissions that contain them, have two specific functions:

1) to transmit, without modification, the torque and the revolute motion from the input shaft to the output shaft, and

2) to ensure certain independent relative motions between the two shafts.

The performances of the mobile joints take into account the qualitative level in which the specific functions are fulfilled and can be modeled through a set of conditions that become performance criteria; the most significant between them are referring to:

1°. The minimization of hetero-kinematical deviations;

2°. The maximization of the angular, radial and/or axial capacity;

3°. The maximization of the load-carrying capacity (the admissible torque), on an imposed period;

4°. The minimization of the friction losses

5°. The minimization of the degree of structural-constructive complexity;

6°. The minimization of the radial/axial overall size;

7°. The maximization of the qualitative level regarding the product shape and aspect;

8°. The minimization of the technical-economical resources for obtaining the product;

9°. The maximization of the recycling degree etc.

In choosing the solution for a certain joint (angular or angular-axial), the establishment of the optimal morphological type is not always a simple problem; in order to highlight this aspect, there are analyzed comparatively, on the basis of the first five

223

b

b1

a a1

a3 a2

Fig. 6.26. Exemple de cuplaje tripode: a – a3) cuplaj unghiular-axial, b, b1) cuplaj unghiular.

Fig. 6.26. Examples of tripod joints: a – a3) angular-axial joint b, b1) angular joint.

224

trei cuplaje unghiulare de tip: cardanic (fig. 6.22,a,a1), Rzeppa (fig. 6.25,c1) şi tripod (fig. 6.26,b,b1).

Pe baza acestor criterii, se obţine ordonarea cuplajelor prezentată în tab. 6.3.

Ca urmare, pot fi formulate următoarele concluzii:

a) Cuplajul cardanic (fig. 6.22,a,a1) are calităţi tehnico–economice deosebite, dar este heterocinetic (transmite neuniform mişcarea)!

b) Cuplajul Rzeppa (fig. 6.25,c1) este homocinetic, are valori ridicate pentru randament şi capacitate portantă, dar prezintă un înalt grad de complexitate constructivă şi tehnologică!

c) Cuplajul tripod (fig. 6.26,c1) asigură un compromis rezonabil, între cerinţele considerate: este cvasihomocinetic, poate realiza valori rezonabile pentru randament şi capacitate portantă, poate avea valori ridicate pentru capacitatea unghiulară şi prezintă un grad de complexitate relativ redus.

În consecinţă, stabilirea optimală a tipului morfologic de cuplaj mobil devine posibilă numai pe baza unor informaţii suplimentare, referitoare atât la particularităţile concrete de funcţionare, cât şi la resursele tehnico-economice de realizare. 6.5. SOLUŢII DE PROPULSIE ÎN MEDII FLUIDE

Prezentul subcapitol îşi propune ca obiectiv realizarea unei priviri filogenetice comparative asupra sistemelor mecanice folosite la propulsia mijloacelor de transport, care se deplasează în medii fluide (apă sau aer); sunt luate în consideraţie numai cazurile mijloacelor de transport dotate cu surse proprii de energie.

previous performance criteria, three angular joints of type: Cardan (Fig. 6.22,a,a1), Rzeppa (Fig. 6.25,c1) and tripod (Fig. 6.26,b,b1).

The joints ordering from Table 6.3 is obtained on the basis of these criteria.

Therefore, the following conclusions can be formulated:

a) The Cardan joint (Fig. 6.22,a,a1) has distinct technical-economical qualities, but is hetero-kinematical (transmits non-uniform the motion)!

b) The Rzeppa joint (Fig. 6.25,c1) is homo-kinematical, has high values for the efficiency and load-carrying capacity, but has a high degree of constructive and technological complexity!

c) The tripod joint (Fig. 6.26,c1) ensures a reasonable compromise between the considered requirements: it is quasi-homo-kinematical, it can obtain reasonable values for the efficiency and load-carrying capacity, it can have high values for the angular capacity and a relative reduced degree of complexity.

Therefore, the establishment of the optimal morphological type of mobile joint becomes possible only based on supplementary information, regarding both the concrete working features and the technical and economical manufacturing resources. 6.5. PROPELLING SOLUTIONS IN FLUID MEDIUMS The subchapter objective is to present a comparative phylogenetic view on the mechanical systems used for propelling thetransport means that are moving in fluid mediums (water or air); there are taken into account only the cases of transport means that have their own energy sources.

Tab. 6.3. Analiza comparativă a cuplajelor unghiulare de tip cardanic, Rzeppa şi tripod.

Tab. 6.3. Comparative analysis of the angular joints of Cardan, Rzeppa and tripod type.

CRITERIUL

CRITERION LOCUL I

PLACE I LOCUL II

PLACE II LOCUL III

PLACE III 1° Rzeppa Tripod Cardan 2° Tripod Cardan Rzeppa

3° Cardan Rzeppa Tripod 4° Cardan Rzeppa Tripod 5° Cardan Tripod Rzeppa

225

O astfel de privire filogenetică poate constitui o fertilă sursă de idei în optimizarea sistemelor existente, precum şi în dezvoltarea unor noi sisteme de propulsie. 6.5.1. Privire filogenetică cu ajutorul unor exemple reprezentative Pentru realizarea unei priviri filogenetice comparative pertinente, în figurile care urmează s-au sistematizat câteva exemple reprezentative de soluţii tehnice pentru propulsia, în medii fluide (apa sau aer), a unor mijloace de transport cu surse proprii de energie. Prima observaţie, care decurge din parcurgerea acestei sistematizări, evidenţiază faptul că înotătoarele vertebratelor acvatice şi aripile zbură-toarelor constituie modele permanent actuale în dezvoltarea şi perfecţionarea tehnică a acestor sisteme de propulsie.

Cea mai veche soluţie, de propulsie pe apă, este cea în care înotătoarele vieţuitoarelor acvatice sunt modelate tehnic prin vâsle. În vechime, vâslele erau aşezate, la început, pe un singur rând; mai târziu, pentru amplificarea forţei de propulsie, grecii antici au aşezat vâslele în două şi chiar trei rânduri suprapuse (fig. 6.27).

Pornind de la modelul vâslei, J. Fitch brevetează în 1790 o soluţie de propulsie, în care vâsla devine biela unui mecanism patrulater plan (fig. 6.28); continuitatea propulsiei este asigurată prin dispunerea în paralel a mai multor mecanisme defazate uniform.

Următorul pas, în dezvoltarea propulsiei pe apă, îl reprezintă transformarea vâslelor în lopeţi (palete) dispuse radial pe un arbore transversal, antrenat în mişcare de rotaţie (fig. 6.29); în această construcţie, planele lopeţilor formează un unghi nul cu axa arborelui. Se regăseşte astfel turbina, cunoscută încă din antichitate pentru acţionarea morilor de apă, dar cu rol inversat: din „motor hidraulic“ (pentru moară), turbina devine „organ de propulsie pe apă“ (pentru mijlocul de transport acvatic).

Soluţia, cunoscută şi sub numele de roată cu zbaturi, a fost experimentată pentru prima oara în 1807 la Paris (fig. 6.29) şi aplicată în 1808 în SUA, de irlandezul R. Fulton.

Such a phylogenetic view can represent a fertile source of ideas regarding the optimi-zation of the existent systems, as well as the development of new propelling systems. 6.5.1. Phylogenetic view by means of some representative examples In order to obtain a pertinent comparative phylogenetic view, in the following Figures there are systematized some representative examples of technical solutions for propelling some transport means with their own energy sources in fluid mediums (water or air). The first observation that derives from crossing this systematization highlights the fact that the aquatic vertebrates’ fins and the flying birds’ wings represent models that are permanently up-to-date in the development and technical improvement of these propelling systems.

The oldest solution of propulsion on water is the one in which the aquatic creatures’ fins are technically modeled through paddles. In old times, the paddles were placed, at the beginning, on a single line; latter, for the amplification of the propulsion force, the ancient Greeks placed the paddles on two and even three superposed lines (Fig. 6.27).

Starting from the paddle model, J. Fitch patented in 1790 a propelling solution in which the paddle becomes the connecting rod from a planar 4-bar mechanism (Fig. 6.28); the propulsion continuity is ensured by disposing in parallel more mechanisms with a uniform phase difference.

The next step in the development of propulsion on water is represented by the transformation of paddles into spades that are disposed radial on a transversal shaft, which is driven in revolute motion (Fig. 6.29); in this construction, the spades’ plans form a null angle with the shaft axis. Thus, it is retrieved the turbine, known since ancient times for actuating the water mills, but with a reverse role: from „hydraulic motor“(for the mill), the turbine becomes „propulsion element on water“ (for the aquatic transport mean).

The solution, known also as wheel with paddles, was experimented for the first time in 1807 at Paris (Fig. 6.29) and applied in 1808 in USA, by the Irishman R. Fulton.

226

Fig. 6.27. Propulsie cu vâsle în rânduri suprapuse.

Fig. 6.27. Propulsion with paddles in superposed lines.

Fig. 6.28. Propulsie cu vâsle-biele brevetată de J.Fitch (1790).

Fig. 6.28. Propulsion with connecting rod-paddles patented by J.Fitch (1790).

Fig. 6.30. Propulsie cu zbaturi perfecţionată de Leonardo da Vinci(~1500).

Fig. 6.30. Propulsion with wheel paddles improved by Leonardo da Vinci (~1500).

Fig. 6.31. Submarin cu elice construit de W. Bauer (1850).

Fig. 6.31. Submarine with propeller built by W. Bauer (1850).

Fig. 6.29. Propulsie cu zbaturi experimentată de R.Fulton (Paris 1807).

Fig. 6.29. Propulsion with wheel paddles, experimented by R.Fulton (Paris 1807).

Fig. 6.32. Propulsie cu o elice antrenată de unul sau două motoare.

Fig. 6.32. Propulsion with one propeller drived by one or two motors.

227

Deşi aparent nouă pentru secolul XIX, această idee de propulsie era bine cunoscută de Leonardo da Vinci, la sfârşitul sec. XV; prin schiţele sale (fig. 6.30), din Codex Atlanticus (care datează din perioada 1495-1500), marele inventator italian perfecţionează variantele acestei soluţii, propuse anterior de Taccola, Valturio, Francesco di Georgio şi alţii, pentru propulsia unor ambarcaţiuni cu destinaţie militară.

O idee interesantă, al cărei embrion gestează în exemplele din figurile 6.29 şi 6.30, se referă la posibilitatea cumulării funcţiei de propulsie cu cea de direcţie, prin antrenarea distinctă, cu turaţii indepen-dente, a celor două turbine; în acest caz, deplasarea rectilinie ar fi fost posibilă prin antrenarea turbinelor cu turaţii egale, iar virarea, prin antrenarea turbinelor cu turaţii diferite.

Un moment de cotitură în dezvoltarea acestor sisteme mecanice de propulsie îl constituie trecerea de la roata cu zbaturi (fig. 6.29 şi 6.30) la elice (figurile 6.31, 6,32 şi 6.33); această trecere constă, d.p.d.v. geometric, în modificarea formei şi dispunerii palelor: palele plane (fig. 6.29 şi 6.30) devin pale profilate, dispuse înclinat faţă de axa arborelui pe care sunt montate (fig. 6.31-6.33). Bazele teoretice ale utilizării elicei au fost modelate de L. Euler şi D. Bernoulli. Un impuls important la implementarea elicei în propulsia navelor maritime (fig. 6.32) l-a reprezentat utilizarea şi experimentarea sistemelor de propulsie cu elice în aplicaţii militare; primul submarin cu elice construit în 1850 de W. Bauer (fig. 6.31) reprezintă un exemplu elocvent în acest sens. Cumularea funcţiilor de propulsie şi de direcţie, cu ajutorul elicei, a devenit aplicabilă cu succes în ambarcaţiunile uşoare, prin transformarea axei fixe de rotaţie a elicei (fig. 6.31 şi 6.32) în axă oscilantă (fig. 6.33) .

Un impact mai incitant l-a avut însă aplicarea elicei în propulsia avioanelor.

Although it was apparently new for the XIX century, this idea of propulsion was known by Leonardo da Vinci, at the end of the XV century; through his sketches (Fig. 6.30), from Codex Atlanticus (that dates from the period 1495-1500), the great Italian inventor improves the variants of this solution, which were previously proposed by Taccola, Valturio, Francesco di Georgio and others, for the propulsion of some crafts with a military destination.

An interesting idea, whose embryo appears in the examples from Fig. 6.29 and 6.30, is referring to the possibility of adding the propulsion function with the steering function, through a distinct actuation with independent speeds of the two turbines; in this case, the linear displacement could be possible by actuating the turbines with equal speeds, and turning, by actuating the turbines with different speeds.

A turn in the development of the propelling mechanical systems is the passing from the wheel with paddles (Fig. 6.29 and 6.30) to the propeller (Fig. 6.31, 6.32 and 6.33); this passing consists, geometrically, in the change of form and in the blades disposal: the planar blades (Fig. 6.29 and 6.30) become shaped blades, that are disposed inclined vs. the axis of the shaft on which they are assembled (Fig. 6.31−6.33). The theoretical bases of using the propeller were modeled by L. Euler and D. Bernoulli. A main impulse in the implementation of the propeller in the sea-going ships propulsion (Fig. 6.32) was represented by the use and experimentation of the propulsion systems with propeller in military applications; thus, the first submarine with a propeller built in 1850 by W. Bauer (Fig. 6.31) represents an eloquent example.

The addition of the propulsion and the steering functions by means of the propeller was applied successfully in the light crafts, by transforming the propeller fixed axis of rotation (Fig. 6.31 and 6.32) into an oscillating axis (Fig. 6.33).

A more inciting impact had the appliance of the propeller in airplanes propulsion.

228

Spre deosebire de mijloacele de transport acvatice şi a celor aeriene de tip balon (a căror sustentaţie este asigurată pe baza legii lui Arhimede), în aviaţie, elicea trebuie să asigure (împreună cu aripile) atât propulsia cât şi sustentaţia navei. Primul zbor cu elice a fost realizat în 1903, de fraţii americani Wright, în condiţiile decolării avionului prin catapultare. Primul zbor cu elice autonom (cu decolare de la sol) a fost realizat la Montesson (lângă Paris), în 1906, de pionierul aviaţiei româneşti Traian Vuia. Acesta a pilotat un avion propriu, pe care l-a brevetat în 1903 şi l-a finalizat practic în 1905.

Un alt pionier remarcabil al aviaţiei româneşti, Aurel Vlaicu (1882-1913), proiectează şi construieşte avioanele Vlaicu I si Vlaicu II, în care utilizează pentru prima dată elice duble coaxiale şi contrarotative.

Unlike the aquatic and aerial transport means of balloon type (whose sustentation is ensured based on Arhimede’s law), in aviation, the propeller must ensure (together with the wings) both propulsion and sustentation of the craft. The first flight with an airscrew was made in 1903, by the American brothers Wright, in the conditions of the plane catapult take-off. The first flight with an autonomous airscrew (with the take-off from the ground) was made at Montesson (near Paris), in 1906, by the pioneer of the Romanian aviation Traian Vuia. He piloted his own plane that he patented in 1903 and which he practically finalized in 1905.

Another remarkable pioneer of the Romanian aviation, Aurel Vlaicu (1882-1913), had designed and built the planes Vlaicu I and Vlaicu II, in which he used the coaxial double and contra-rotative airscrew for the first time.

Fig. 6.33. Elice - „cârmă” (elice cu axă oscilantă) pentru ambarcaţiuni uşoare. Fig. 6.33. „Helm” - propeller (propeller with an oscillating axis) for light crafts.

Fig. 6.34. Mecanism planetar pentru reglarea pasului elicei la avionul K14. Fig. 6.34. Planetary mechanism for adjusting the propeller pitch in the K14 airplane.

229

Următorul pas în dezvoltarea propulsiei cu elice are loc tot în aviaţie, şi-l reprezintă trecerea la elicea cu pas variabil, în care unghiul de înclinare, al palelor faţă de axa arborelui, este reglabil; pentru exemplificare, in fig. 6.34 este ilustrat mecanismul planetar folosit la reglarea pasului elicei în avionul K14.

Un nou salt remarcabil are loc prin trecerea de la elicea cu pas variabil, folosită în avioane, la elicea de sustentaţie, propulsie şi direcţie a elicopterului. Spre deosebire de elicea unui avion clasic, a cărei axă este orizontală, elicea elicopterului are o dispunere aproximativ verticală, cu o uşoară înclinare spre faţă, care facilitează deplasarea înainte. Trecerea de la o funcţie la alta, în cazul elicei de elicopter, se realizează prin reglarea corespunzătoare a pasului elicei (care este descris prin poziţia unghiulară a fiecărei pale faţă de axa longitudinală proprie – fig. 6.35,c). Cu acest scop se utilizează un mecanism complex „de direcţie“, cu bare articulate; un exemplu reprezentativ al unui astfel de mecanism este ilustrat în fig. 6.35 şi 6.36.

Problema cheie într-un astfel de mecanism este decuplarea mişcărilor de reglare a pasului, faţă de mişcarea de rotaţie a arborelui elicei.

În fig. 6.36 este ilustrat un exemplu de sistem articulat, care realizează această decuplare. În consens cu fig. 6.35 şi 6.36, ideea decuplării se bazează pe două platouri transversale, b si c, prevăzute cu următoarele legături:

a) unul dintre platouri (b) este articulat sferic cu arborele de antrenare a (fig. 6.35,a şi 6.36,b), iar platourile sunt articulate între ele printr-un rulment radial; ca urmare, platourile se pot roti unul faţă de altul, în raport cu axa arborelui a, şi efectuează mişcări identice, după orice axă perpendiculară pe a;

b) platoul inferior (c) este legat la bază printr-un compas f (fig. 6.36), iar cel superior (b) este legat la arborele de antrenare a printr-un compas e; în acest fel, se anulează mişcarea platoului c, în raport cu axa arborelui a, iar turaţia platoului b, faţă de aceeaşi axă, devine egală cu cea a arborelui a;

A new step in the development of the propulsion with a propeller takes place also in aviation, and is represented by the passing to the adjustable-pitch propeller, in which the blades inclination angle vs. the shaft axis is adjustable; for instance, in Fig. 6.34 it is illustrated the planetary mechanism used to adjust the blades’ pitch of the propeller from the K14 airplane.

Another remarkable improvement is the passing from the propeller with variable pitch, used in airplanes, to the propeller of sustentation, propulsion and steering used in helicopters. Unlike the propeller of a classical airplane, whose axis is horizontal, the helicopter’s propeller has an approximately vertical disposal, with a small inclination to the front, which facilitates the forward motion. The transition from one function to another in the case of the helicopter is made adjusting adequately the propeller pitch (which is described through the angular position of each blade vs. its own longitudinal axis – Fig. 6.35,c). With this aim, a complex “steering” articulated mechanism is used; a representative example of such a mechanism is illustrated in Fig. 6.35 and Fig. 6.36.

The key problem in such a mechanism is the decoupling the motions for adjustment the pitch from the revolute motion of the propeller shaft.

In Fig. 6.36 it is illustrated an example of articulated system with which the decoupling is obtained. According to Fig. 6.35 and Fig. 6.36, the idea of decoupling is based on two transversal plates, b and c, foreseen with the following links:

a) one of the plates (b) is articulated spherically to the driving shaft a (Fig. 6.35,a and 6.36,b), while the plates are articulated to each other, through a radial bearing; therefore, the plates are rotating relatively one towards the other vs. the shaft axis a, and make identical motions around any axes that is orthogonal to a;

b) the inferior plate (c) is linked to the base through a compass f (Fig. 6.36), and the superior one (b) is linked to the driving shaft a through a compass e; thus, the motion of the plate c is annulled towards the shaft axis a, and the speed of the plate b, vs. the same axis, becomes equal to the speed of the shaft a;

230

c.

Fig. 6.36. Sisteme-compas pentru decu-plarea mişcărilor de reglare a pasului, faţă de mişcarea de rotaţie a arborelui elicei unui elicopter. Fig. 6.36. Compas-system for decoupling the pitch adjustment motions from the revolute motion of the propeller shaft in a helicopter.

d

b

c

a e

f

b.

e

f

d

a.

b.

d

b

c

d

a

c

b

a.

d

Fig. 6.35. Mecanism de „direcţie” cu bare pentru reglarea pasului elicei la elicoptere. Fig. 6.35. „Steering” articulated mechanism for the adjustment of the helicopter propeller pitch.

d

c. c.

231

c) poziţia unghiulară a platoului inferior c este reglată prin trei biele, care aparţin unui mecanism de „direcţie“ cu bare articulate (fig.6.35,a); platoul superior b, care preia aceeaşi poziţie unghiulară, reglează, la rândul său, unghiul palelor, prin trei biele d (fig. 6.35 şi 6.36).

Devine astfel posibilă reglarea pasului elicei (unghiului palelor) concomitent şi independent de antrenarea arborelui a.

Prin reglarea sectorială (prin cele trei biele) a pasului, de către pilot, se realizează staţionarea în aer a elicopterului, deplasarea înainte şi respectiv virarea dreapta/ stânga.

Un sistem similar de propulsie şi direcţie, pentru vapoare, a fost inventat în 1926 de inginerul austriac Ernst Schneider şi este fabricat de firma Voith, sub denumirea de Voith – Schneider – Propeller. Un exemplu reprezentativ al acestui sistem de propulsie este prezentat în fig. 6.37; turbina, fabricată de firma Voith, conţine două subsisteme principale (fig. 6.37,c):

1) turbina propriu-zisă, formată din roata 1 (antrenată printr-un angrenaj conic 2-3) prevăzută cu 4 pale oscilante (4), dispuse paralel cu axa roţii şi

2) mecanismul de „direcţie“, cu bare articulate, pentru reglarea poziţiei unghiulare a palelor; acest mecanism conţine un levier central 5 cu trei articulaţii: a) o articulaţie sferică mediană (cu centru fix), b) o articulaţie superioară (de tip sferă în cilindru), prin care levierul este acţionat de doi cilindri hidraulici 6, dispuşi perpendicular unul pe celălalt, şi c) o articulaţie inferioară (de tip sferă in cilindru), prin care levierul reglează unghiurile palelor, cu ajutorul unui mecanism plan articulat 7 (fig. 6.37,a,b,c).

Levierul central 5 (fig. 6.37,c), care joacă rolul platourilor b si c din fig. 6.36, asigură decuplarea celor două mişcări (de reglare a unghiului palelor şi de antrenare a roţii); prin manevrarea corespunzătoare a acestui levier (fig. 6.37,c), se realizează staţionarea navei, deplasarea rectilinie înainte/înapoi şi virarea stânga/dreapta (fig. 6.37,a şi b). Prin utilizarea a două turbine se poate realiza în plus deplasarea rectilinie laterala a navei (fig. 6.37,b, poz. 6) şi virarea pe loc (când o turbină este dispusă la un capăt al navei şi a doua turbină la celalalt capăt).

c) the angular position of the inferior plate c is adjusted through three connecting rods that belong to a “steering” articulated mechanism (Fig. 6.35,a); the superior plate b, which takes over the same angular position, adjusts, at its turn, the blades angle through three connecting rods d (Fig. 6.35 and 6.36).

Thus, it becomes possible to adjust the propeller pitch (the blades’ angles) concomitant and independent of the actuation of the shaft a.

Through a sector adjustment of the pitch (through three connecting rods), by the pilot, it is obtained the helicopter standing: the forward motion and the right/link turning.

A similar system of propulsion and direction for ships was invented in 1926 by the Austrian engineer Ernst Schneider and is manufactured by the Voith company, under the name of Voith–Schneider – Propeller. A representative example of this propulsion system is presented in Fig. 6.37; the turbine, manufactured by Voith company, contains two main sub-systems (Fig. 6.37,c):

1) the proper turbine, consisting of a plate 1 (driven through a bevel gear pair 2-3) having 4 oscillating blades (4), disposed in parallel to the plate axis and

2) the “steering” articulated mechanism for the adjustment of the blades’ angular position; this mechanism contains a central lever 5 with three articulations: a) a median spherical articulation (with a fix center), b) a superior articulation (of sphere in cylinder type), through which the lever is actuated from two hydraulic cylinders 6, that are disposed orthogonal one to the other, and c) an inferior articulation (of sphere in cylinder type), through which the lever adjusts the blades angle, with a planar articulated mechanism 7 (Fig. 6.37,a,b,c).

The central lever 5 (Fig. 6.37,c), which plays the role of the plates b and c from Fig. 6.36, ensures the two motions’ decoupling (the motions of adjusting the blades’ angles and of driving the plate 1); by handling adequate this lever (Fig. 6.37,c), the craft standing is obtained: the rectilinear motion forward/ backward and the right/left turning (Fig. 6.37,a and b). By using two turbines it can be obtained an extra lateral rectilinear motion (Fig. 6.37,b, pos. 6) and the in-place turning (when the turbine is disposed at one extremity of the craft and the other turbine at the other extremity).

232

a. b.

Fig. 6.37. Turbină de apă Voith pentru propulsia şi direcţia navelor.

Fig. 6.37. The Voith water turbine for the crafts’ propulsion and direction.

c.

4 4

1

2

4 7

3

5

6

233

6.5.2. Concluzie

Din privirea filogenetică efectuată se desprinde următoarea concluzie: pornind de la sistemele biomecanice reprezentative de propulsie în medii fluide, înotătoare şi aripi, în timp s-au dezvoltat următoarele modele tehnice mai importante: vâsle (fig. 6.27 şi 6.28), roţi cu zbaturi (fig. 6.29 şi 6.30), elice de propulsie în apă (fig. 6.31 şi 6.32), elice-cârmă pentru ambarcaţiuni uşoare (fig. 6.33), elice simple şi elice duble contrarotative pentru avioane, elice cu pas variabil pentru avioane (fig. 6.34), elice cu pas variabil pentru propulsia si direcţia elicopterelor (fig. 6.35 şi 6.36) şi turbine Voith cu pas variabil (fig. 6.37), destinate atât propulsiei, cât şi direcţiei vapoarelor. 6.6. SOLUŢII BIONICE I SOLUŢII TEHNICE ECHIVALENTE

În acest subcapitol sunt prezentate, în paralel, mai multe soluţii „bionice“, selectate din lumea insectelor, alături de cunoscute soluţii tehnice echivalente acestora.

Analiza comparativă realizată scoate în evidenţă faptul că bionica constituie o sursă inepuizabilă de soluţii „naturale“, care pot servi ca principii şi structuri de rezolvare, pentru cele mai diverse funcţii din tehnica modernă

Exemplele utilizate sunt prelucrate din lucrarea [14], elaborată de naturalistul şi fizicianul german W. Nachtigall.

În fig. 6.38 sunt ilustrate, în paralel, 3 soluţii bionice şi tot atâtea soluţii tehnice echivalente, destinate rezolvării funcţiei de tip „ prindere“:

- în fig. 6.38,a este ilustrat piciorul din faţă al unui purece de câine (Clenocephalides canis) care se prinde, de firul de păr din blana câinelui, cu ajutorul unor „cârlige“ şi a unor „pinteni“, cu înclinare opusă; în mod similar, în tehnică (fig. 6.38,a1), se prinde un cablu electric de perete, cu ajutorul unui diblu cu cap-cârlig;

- „mandibulele“ ilustrate în fig. 6.38,b, cu care larva, numită leul furnicilor (Myrmeleon formicarius), prinde o furnică-victimă, au ca echivalent tehnic un cleşte-patent (fig. 6.38,b1) pentru prinderea unor obiecte diverse;

6.5.2. Conclusion

The following conclusion comes out from the phylogenetic view: starting from the representative biomechanical systems for the propulsion in fluid mediums, fins and wings, during the time there were developed the following technical models that are more important: paddles (Fig. 6.27 and 6.28), wheels with paddles (Fig. 6.29 and 6.30), propeller for the propulsion in water (Fig. 6.31 and 6.32), helm-propeller for light crafts (Fig. 6.33), simple propellers and contra-rotative double propellers for airplanes, propellers with variable pitch for airplanes (Fig. 6.34), propellers with variable pitch for the propulsion and direction of helicopters (Fig. 6.35 and 6.36) and Voith turbines with variable pitch (Fig. 6.37), for the ships propulsion and direction. 6.6. BIONIC SOLUTIONS AND EQUIVALENT TECHNICAL SOLUTIONS

In this subchapter there are presented, in parallel, more „bionic“ solutions, selected from the insects world, near known technical solutions that are equivalent to the first ones.

The comparative analysis highlights the fact that the bionics represents a never-ending source of „natural“ solutions, that can serve as solving principles and structures, for the most diverse functions from the modern technique.

The examples used are processed from [14], elaborated by the German naturalist and physicist W. Nachtigall.

In Fig. 6.38 there are in parallel illustrated three bionic solutions and three equivalent technical solutions, meant to solve the function of „catching“ type:

- in Fig. 6.38,a it is illustrated the forefoot of a dog flea (Clenocephalides canis) which is hitching on the hair from the dog fell with some „hooks“ and some „spurs“, with opposite inclinations; similarly, in technique (Fig. 6.38,a1), an electrical cable is hitching on the wall by means of a dowel with a hook-head;

- the „mandibles“ illustrated in Fig. 6.38,b, with which the larva, called the ants lion (Myrmeleon formicarius), catches an ant-victim, have as technical equivalent an universal pliers (Fig. 6.38,b1) for catching different objects;

234

- „cleştele-pensetă“ din fig.6.38,c, situat pe picioarele din faţă ale femelelor unei specii de viespe (Dryinide), permite acestora să se prindă de blana unui animal gazdă, pentru a-şi depune ouăle în pielea acestuia; în mod similar, produsul tehnic, denumit port-pantaloni cu clip (fig.6.38,c1), prinde o pereche de pantaloni.

Pentru rezolvarea funcţiei de tip „îmbinare nepermanentă“, în fig. 6.39 sunt ilustrate, în paralel, o soluţie bionică şi o soluţie tehnică echivalentă:

- în fig. 6.39,a este ilustrat un sistem de tip „fermoar“ etanş, care permite îmbinarea aripilor unei ploşniţe de apă (Plea leachi), iar în fig. 6.39,a1 este exemplificată o variantă tehnică a unui fermoar modern;

- în schemele b şi c, din fig. 6.39, sunt detaliate nuturile şi golurile conjugate ale fermoarului bionic (de pe aripile ploşniţei de apă), iar în schemele b1 şi c1 sunt ilustrate detaliat nuturile şi golurile variantei tehnice de fermoar.

În fig. 3.40 sunt exemplificate 3 soluţii bionice, alături de 3 soluţii tehnice echivalente, pentru rezolvarea funcţiei de tip „legătură mobilă“ : - „policupla de translaţie“ de tip „coadă de

rândunică“, din fig. 6.40,a, ghidează mişcarea alternativă de translaţie a unor elemente de penetrare (de tip sabie), cu care femelele unei specii de lăcuste (Enisfera) găuresc solul pentru a-şi depune ouăle; o legătură mobilă similară (fig. 6.40,a1) este folosită în tehnică pentru reglarea poziţiei condensorului unui microscop;

- legătura sferică, din fig. 6.40,b, cu care viespea lupul albinelor (Philanthus triangulus) îşi orientează organul senzorial (cu o precizie micrometrică), este similară legăturii sferice, din fig. 6.40,b1, cu care se reglează poziţia unghiulară a suportului unui aparat de fotografiat;

- “perii basculanţi” de pe picioarele unor ploşniţe de apă (Corixidae), ilustraţi în fig. 6.40,c, se ridică în faza de propulsie a piciorului în apă şi coboară în faza de revenire a acestuia; în mod analog funcţionează un comutator basculant (fig. 6.40,c1) la închiderea şi deschiderea unui circuit electric.

- the „pincers-priers“ from Fig. 6.38,c, situated on the forefeet of the females from a specie of wasps (Dryinide), allow them to hitch on the fell of a host animal, to spawn eggs in its skin; similarly, the technical product, called port-pants with clip (Fig. 6.38,c1), catches a pair of trousers.

In order to solve the function of „non-permanent joint“ type, a bionic solution and, in parallel to it, the equivalent technical solution, are illustrated in Fig. 6.39:

- in Fig. 6.39,a it is illustrated a sealed system of „zipper“ type, which allows the joining of the water bedbug’s wings (Plea leachi), and in Fig. 6.39,a1 it is exemplified a technical variant of a modern zipper;

- in the schemes b and c, from Fig. 6.39, there are detailed the rabbets and the conjugated cavities of the bionic zipper (from the water bedbug’s wings), and in schemes b1 and c1 there are illustrated in detail the rabbets and the cavities from the technical variant of zipper.

In Fig. 3.40 there are exemplified three bionic solutions, near three equivalent technical solutions meant to solve the function of „mobile joint“ type : - the „sliding poly-joint“ of „dovetail“ type,

from Fig. 6.40,a, guides the alternative sliding motion of some penetration elements (of sword type) with which the females of a specie of locusts (Enisfera) cut through the ground and spawn their eggs; a similar mobile link (Fig. 6.40,a1) is used in technique for adjusting the capacitor position in a microscope;

- the spherical joint from Fig. 6.40,b, with which the bees’ wolf wasp (Philanthus triangulus) is orienting the sensorial organ (with a micrometric accuracy), is similar to the spherical joint from Fig. 6.40,b1, with which it is adjusted the angular position of the photo camera support;

- the “tilting hair” from a water bedbug feet (Corixidae), which are illustrated in Fig. 6.40,c, are lifted in the phase of the foot propulsion in water and are getting off in the return phase; analogue, it is working a switch (Fig. 6.40,c1) when opens or closes an electrical circuit.

235

Fig. 6.38. Soluţii bionice (a, b, c) şi soluţii tehnice echivalente (a1, b1, c1) pentru rezolvarea funcţiei de tip “prindere” (prelucrare după W. Cachtigall [14]).

Fig. 6.38. Bionic solutions (a, b, c) and equivalent technical solutions (a1, b1, c1) for solving the function of “catching” type (processed after W. Cachtigall [14]).

c1 c

b1 b

a1 a

236

Fig. 6.39. Exemplu de soluţie bionică (a, b, c) şi de soluţie tehnică echivalentă (a1, b1, c1) pentru rezolvarea funcţiei de tip “îmbinare nepermanentă” (prelucrare după W. Cachtigall [14]).

Fig. 6.39. Example of bionic solution (a, b, c) and of equivalent technical solution (a1, b1, c1) for solving the function of “non-permanent joint” type (processed after W. Cachtigall [14]).

c1 c

b1 b

a1 a

237

Fig. 6.40. Soluţii bionice (a, b, c) şi soluţii tehnice echivalente (a1, b1, c1) pentru rezolvarea funcţiei de tip “legătură mobilă” (prelucrare după W. Cachtigall [14]).

Fig. 6.40. Bionic solutions (a, b, c) and equivalent technical solutions (a1, b1, c1) for solving the function of “mobile joint” type (processed after W. Cachtigall [14]).

c1 c

b1 b

a1 a

238

Fig. 6.41. Soluţii bionice (a, b, c) şi soluţii tehnice echivalente (a1, b1, c1) pentru rezolvarea funcţiei de tip “pătrundere” (prelucrare după W. Cachtigall [14]). Fig. 6.41. Bionic solutions (a, b, c) and equivalent technical solutions (a1, b1, c1) for solving the function of “penetration” type (processed after W. Cachtigall [14]).

c1 c

b1 b

a1 a

239

Soluţiile bionice şi soluţiile tehnice echivalen-te, reprezentate în fig. 6.41, se referă la rezolvarea funcţiei de tip “pătrundere”:

- “perforatorul” din fig. 6.41,a, cu care femela din specia denumită viespe a lemnului (Sirex spec.) găureşte lemnul pentru a-şi depune ouăle, este analog cu arhaicul raşpel (fig. 6.41,a1) utilizat la găurirea lemnului; perforatorul de viespe lucrează numai prin translaţie, spre deosebire de raşpel, care lucrează combinând mişcarea de rotaţie cu cea de translaţie;

- “acul” de albină, ilustrat în fig. 6.41,b, şi acul de seringă din fig. 6.41,b1 funcţionează în mod similar;

- “fierăstrăul” dorsal (fig. 6.41,c), întâlnit la viespea de plante Symphyta, şi fierăstrăul multifuncţional al unui briceag (fig. 6.41,c1) funcţionează în mod asemănător.

Prin aceste exemple devine evidentă necesitatea includerii bionicii ca o sursă primară de informaţii, în găsirea de noi principii de rezolvare pentru funcţiile produselor tehnice moderne.

The bionic solutions and the equivalent technical solutions that are represented in Fig. 6.41, are referring to the resolution of the function of “penetration” type:

- the “perforator” from Fig. 6.41,a, with which the female from the specie called the wood wasp (Sirex spec.) cuts the wood through to spawn the eggs is analogue to the archaic rasp (Fig. 6.41,a1) that is used in drilling the wood; the wasp perforator works only through translation, unlike the rasp that works combining the revolute and the sliding motions;

- the bee “sting”, illustrated in Fig. 6.41,b, and the syringe needle from Fig. 6.41,b1 work similarly;

- the dorsal “saw” (Fig. 6.41,c), met at the plant wasp Symphyta, and the multi-functional saw from a clasp-knife (Fig. 6.41,c1) work similarly.

Through these examples it becomes obvious the need of including bionics between the primary sources of information in finding new solving principles for the functions of the modern technical products.

240

241

ANEXE

APPENDICES

242

243

A. ANEXE Această parte finală cuprinde patru anexe cu referire la: definirea principalelor noţiuni de bază (A.1), modelarea randamentului unităţii planetare (A.2), aplicată în capitolele 5 şi 6, modelarea reductorului planetar Vaucanson (A.3), la care se face referire în capitolul 6, şi despre metoda TRIZ (A.4). ANEXA A.1. DEFINIREA PRINCIPALELOR NOŢIUNI DE BAZĂ În definirea principalelor noţiuni de bază prezentate în continuare s-a ţinut seama de literatura citată la bibliografie şi de definiţiile existente în următoarele surse:

- Dicţionarul politehnic, Editura Tehnică, Bucureşti;

- Mic dicţionar enciclopedic, Editura /tiinţifică şi Enciclopedică, Bucureşti;

- Lexiconul tehnic român, Editura Tehnică, Bucureşti;

- Lexikon Maschinenbau, VDI Verlag, Düsseldorf;

- Bertelsmann Universal Lexikon, Ber-telsmann Lexikon Verlag, Gütersloh.

- Wikipedia, enciclopedia liberă www.wikipedia.org

1°. Produs: creaţie umană, destinată satisfacerii unei nevoi sociale, care poate fi modelată printr-un sistem deschis în care sunt “manipulate şi/sau prelucrate” entităţi de tip: material, energetic şi/sau informaţional.

2°. Design Ingineresc [24]: procesul de design al unui sistem, componentă sau proces în vederea satisfacerii unei anumite nevoi. Este un proces decizional (adesea iterativ), în care ştiinţele de bază, precum matematica şi ştiinţele inginereşti, sunt aplicate cu scopul convertirii unor resurse în vederea îndeplinirii unui anumit obiectiv. Ca elemente fundamentale ale procesului de design se remarcă: stabilirea obiectivelor şi criteriilor, sinteza, analiza, construcţia, testarea şi evaluarea. Acest proces poate fi divizat în zece paşi, care includ: identificarea unei nevoi, definirea problemei, efectuarea cercetării,

A. APPENDICES This final part contains four appendixes that are referring to: definition of the main basic notions (A.1), modeling of the efficiency of the planetary gear (A.2), applied in chapters 5 and 6, modeling of the Vaucanson planetary reducer (A.3), at which is referring chapter 6, and on the TRIZ method (A.4). APPENDIX A.1. DEFINING THE MAIN BASIC NOTIONS In defining the main basic notions that are further presented, there were taken into account the references and the definitions from the following sources:

- The Polytechnic Dictionary, Technical Publishing House, Bucharest;

- The Small Encyclopedic Dictionary, Scientific and Encyclopedic Publishing House, Bucharest;

- The Romanian Technical Lexicon, Technical Publishing House, Bucharest;

- Lexikon Maschinenbau, VDI Verlag, Düsseldorf;

- Bertelsmann Universal Lexikon, Ber-telsmann Lexikon Verlag, Gütersloh.

- Wikipedia, the free encyclopedia www.wikipedia.org.

1°. Product: human creation, meant for satisfying a social need, which can be modeled through an open system in which there are “manipulated and/or processed” entities of type: material, energetic and/or informational.

2°. Engineering Design [24]: design process of a system, component or process to meet desired needs. It is a decision-making process (often iterative), in which the basic sciences, mathematics and engineering sciences, are applied to convert resources optimally to meet a stated objective. Among the basic elements of this process there are: the establishment of objectives and criteria, synthesis, analysis, construction, testing, and evaluation. This process can be divided up into a ten-step process, which includes: identifying a need, defining the problem, conducting research,

244

rafinarea cercetării, analiza criteriilor stabilite, identificarea de soluţii alternative, analiza solutiilor posibile, luarea unei decizii, prezentarea produsului, comunicarea şi vânzarea produsului. Acest proces nu este general valabil pentru toţi inginerii sau toate procesele. În multe situaţii, persoane individuale pot realiza cu succes acest design utilizând doar cunoştinţele şi experienţele lor personale.

3°. Design de Produs (DP): proces de proiectare, care porneşte de la o nevoie socială şi, folosind instrumente specifice de proiectare, stabileşte documentaţia produsului. Conform [24] DP poate fi definit ca generarea de idei, dezvoltarea conceptului, testarea, manufacturarea sau implementarea unui obiect fizic sau serviciu.

4°. Design Industrial (DI) [24]: artă aplicată

prin care estetica şi utilitatea produselor pot fi îmbunătăţite pentru comercializare şi producţie. Rolul unui designer industrial este de a genera şi a pune în practică soluţii de design racordate la problemele de inginerie, marketing, dezvoltare de brand şi de vânzări. Potrivit Societăţii de Design Industrial din America (IDSA), "DI este serviciul profesional de crearea şi dezvoltarea conceptelor şi specificaţiilor care optimizează funcţia, valoarea şi aspectul produselor şi sistemelor pentru beneficiul mutual al utilizatorului şi producătorului." 5°. Dezvoltare de Produs sau mai complet Dezvoltare de Produse Noi (DPN) [19; 24]: termen folosit în afaceri şi inginerie pentru a descrie procesul complet de a realiza un nou produs (sau serviciu), pornind de la identificarea oportunităţii de piaţă până la producţia, livrarea şi vânzarea produsului. Există două abordări paralele implicate în procesul de DPN: a) implică o generare de idei, design de produs, design de detaliere; b) implică cercetare de piaţă şi analize de marketing. De obicei, companiile văd DPN-ul prin prima abordare, cu referire la generarea şi comercializarea de noi produse în cadrul procesului strategic general de gestionare a ciclului de viaţă al produselor aplicat pentru a menţine / creşte cota de piaţă.

narrowing the research, analyzing stated criteria, finding alternative solutions, analyzing possible solutions, making a decision, presenting the product, and communicating and selling the product. This process is not universal for all engineers or all processes. Individuals utilize their personal knowledge and experiences to follow the path to design success.

3°. Product Design (PD): process of design which starts from a social need and, using the engineering design tools, establishes the product documentation. According to [24] PD can be defined as the idea generation, concept development, testing, manufacturing or implementation of a physical object or service.

4°. Industrial design (ID) [24]: applied art

whereby the aesthetics and usability of products may be improved for marketability and production. The role of an industrial designer is to create and execute design solutions towards problems of engineering, marketing, brand development and sales. According to the Industrial Design Society of America (IDSA), "ID is the professional service of creating and developing concepts and specifications that optimize the function, value and appearance of products and systems for the mutual benefit of both user and manufacturer."

5°. Product Development or more complete New Product Development (NPD) [19; 24]: term used in business and engineering to describe the complete process of bringing a new product (or service) from the market opportunity perception to the product production, sale and delivery. There are two parallel approaches involved in the NPD process: a) one involves the idea generation, product design, and detail engineering; b) the other involves market research and marketing analysis. Usually companies see NPD as the first approach in generating and commercializing new products within the overall strategic process of product life cycle management used to maintain/grow their market share.

245

6°. Specificaţia de Design a Produsului (SDP) [2,17,18,19] sau Lista de cerinţe [7,8,9,16,20]: document prin care nevoile şi dorinţele clienţilor, coroborate cu restricţiile privind mijloacele şi resursele tehnice interne şi externe, restricţiile sociale, concurenţiale, organizatorice şi legislative, restricţiile legate de politica şi orientările firmei etc., sunt transpuse în condiţii tehnice, economice, de siguranţă şi estetice, sub formă unor obiective de tip: cerinţe (obiective principale) şi criterii de evaluare (obiective secundare destinate optimizării obiectivelor principale). Conform [24], SDP este o declaraţie a ceea ce un produs care încă-ne-proiectat este destinat să facă. Prin SDP se asigură concordanţa dintre proiectarea şi dezvoltarea ulterioară a produsului şi nevoilor utilizatorilor. SDP nu este limitat la funcţia pe care produsul este proiectat să o realizeze. Sunt considerate diverse aspecte, cum ar fi: de performanţă (de exemplu, viteza, putere); greutate şi dimensiuni; mediul de operare (în timpul depozitare, transport, instalare şi utilizare); costul ţintă; aspect, ergonomie; speranţa de viaţă a produsului; eliminarea la sfîrşitul vieţii; aspecte de siguranţă; standarde sau coduri de practică industrială; brevete existente în domeniul specific; dimensiunea producţiei; aspecte de întreţinere care pot fi aplicate produsului; timpul preconizat de lansare pe piaţă. SDP este o specificare a ceea ce se cere şi nu reprezintă specificaţia (caietul de sarcini al) produsului însuşi. Descrierea produsului real este realizată prin specificaţia tehnică, după ce produsul a fost complet proiectat. 7°. Analiza Funcţional-Calitativă (AFC) [24]: o “metoda de convertire a cerinţelor utilizatorului în elemente ale calitatii de proiectare, de implementare de funcţii referitoare la calitate şi de metode pentru realizarea calităţii de proiectare pentru subsisteme şi componente, precum şi pentru elementele specifice din procesul de fabricaţie.” Prin utilizarea unui instrument matriceal, numit Casa Calităţii, metoda AFC, permite designerilor să se concentreze asupra caracteristicilor unui produs/serviciu nou sau existent din punctul de vedere al segmentelor de piaţă, al companiei sau al nevoilor de dezvoltare tehnologică.

6°. Product Design Specification (PDS) [2,17,18,19] or Requirements’ List [7,8,9,16,20]: document through which the clients’ needs and whishes, corroborated with the restrictions regarding the internal and external technical means and resources, social, concurrent, organizing and legislative restrictions, restrictions regarding the company politics and orientations etc., are transposed in technical, economical, safety and aesthetic conditions as objectives of type: requirements (main objectives) and evaluation criteria (secondary objectives meant for the main objectives optimization). According to [24], PDS is a statement of what a not-yet-designed product is intended to do. Its aim is to ensure that the subsequent design and development of a product meets the needs of the user. A PDS is not limited to the function the product is designed to perform. It will consider issues as diverse as: Performance (e.g. speed, power); Weight and size; Operating environment (during storage, transport, installation and use); Target cost; Appearance; Ergonomic issues; Life expectancy of the product; End-of-life disposal; Safety issues; Standards or industry codes of practice; Existing patents in the specific area; Quantity of production; Maintenance that may be available to the product; Intended time of market release. The PDS is a specification of what is required but not the specification of the product itself. Describing the actual product is done in the technical specification, once the product has been designed. 7°. Quality Function Deployment (QFD) [24]: a “method to transform user demands into design quality, to deploy the functions forming quality, and to deploy methods for achieving the design quality into subsystems and component parts, and ultimately to specific elements of the manufacturing process.” Using a matrix tool, named House of Quality, QFD can focus planners on characteristics of a new or existing product or service from the viewpoints of market segments, company, or technology-development needs.

246

QFD ajuta la transformarea nevoilor clientului (vocea clientului [VOC]) în caracteristici inginereşti (şi metode adecvate de testare) pentru un produs sau un serviciu, prioritizarea caracteristicilor produsului/ serviciului în paralel cu stabilirea obiectivelor de dezvoltare pentru produs/serviciu. Casa calităţii [24] este un instrument matriceal pentru definirea relaţiilor dintre dorinţele clientului şi capabalitatea firmei/produsului; aceasta foloseşte o matrice de planificare pentru a corela ceea ce doreşte clientul cu modalitatea în care o firmă urmează să îndeplinească aceste dorinţe. 8°. Design conceptual: faza a procesului de design de produs, care porneşte de la o lista de cerinţe (sau specificaţia de design a produsului) şi generează, cu ajutorul unor metode, ghiduri şi baze de date specifice, variante conceptuale dintre care, prin evaluare, se identifică conceptul produsului; acest rezultat (numit şi soluţie conceptuală sau soluţie de principiu a produsului) este, uzual, redat printr-o ilustrare grafică simplificată a structurii produsului şi constituie punctul de plecare al designului constructiv. 9°. Funcţie: corelaţie (operaţie) realizată de un produs între caracteristicile entităţilor sale de intrare şi cele de ieşire (aceeaşi funcţie poate fi îndeplinită de produse diferite). Exemple de funcţii:

a) stocare sau depozitare = păstrarea nemodificată a locului (poziţiei), naturii şi parametrilor de stare ale unei entităţi materiale, energetice sau informaţionale;

b) modificare = păstrarea invariantă a naturii cu schimbarea unor mărimi de stare;

c) transformare = schimbarea naturii şi implicit a mărimilor de stare etc. (v. tab. 2.3).

10°. Subfuncţie: funcţie din componenta unei funcţii compuse (complexe); poate fi principală sau secundară. 11°. Structura unei funcţii compuse: reprezentare abstractă (de tip descriptiv sau simbolic) care evidentiază subfuncţiile componente şi conexiunile dintre acestea, cu precizarea intrărilor şi ieşirilor funcţiei compuse.

QFD helps transform customer needs (the voice of the customer [VOC]) into engineering characteristics (and appropriate test methods) for a product or service, prioritizing each product or service characteristic while simultaneously setting development targets for product or service. House of Quality [24] is a matrix tool for defining the relationship between customer desires and the firm/product capabilities; it utilizes a planning matrix to relate what the customer wants to how a firm is going to meet those wants. 8°. Conceptual design: the phase of the product design process, which starts from a requirements' list (or product design specification) and, based on certain specific methods, guidelines and database, generates conceptual variants and, by their evaluation, identifies the product concept; this result (also named conceptual solution or principle solution of the product) is usually a simplified graphical representation of the product structure configuration and is the start point of the embodiment design. 9°. Function: correlation (operation) made by a product between the characteristics of its input and output entities (different products can fulfill the same function). Examples of functions:

a) stockage or storage = the unmodified maintenance of the place (position), nature and state parameters of a material, energetic or informational entity;

b) modification = keeping invariant the nature with the change of the state parameters;

c) transformation = changing of nature and of state parameters, implicitly etc. (see Table 2.3).

10°. Sub-function: a function from a complex function structure; it can be principal or secondary. 11°. Structure of an overall function: abstract representation (of descriptive or symbolic type) that highlights the component sub-functions and the connections between them, with the specification of the composed function inputs and outputs.

247

12°. Efect: manifestare (fizică, chimică etc.) care poate fi reprodusă şi descrisă (cantitativ sau calitativ) printr-o lege sau printr-un principiu natural (ex.: efectul de pârghie, efectul de pană etc.). 13°. Purtător de efect: sistem material care, pentru o anumită configuraţie geometrico-cinematică, poate produce efectul considerat. 14°. Principiu de rezolvare sau principiu de lucru: un efect care, printr-o configurare adecvată a purtătorului de efect, poate rezolva o anumită subfuncţie. 15°. Matrice morfologică: ordonare tabelară, a subfuncţiilor şi soluţiilor parţiale aferente acestora, care permite compunerea combinatorie a acestor soluţii, în conformitate cu structura de subfuncţii a funcţiei compuse. 16°. Variantă de rezolvare sau variantă de lucru: rezultatul compunerii compatibile a unei combinaţii de soluţii parţiale, din matricea morfologică, care îndeplineşte calitativ toate cerinţele din listă. 17°. Variantă conceptuală sau structură de lucru: variantă de rezolvare care îndeplineşte toate cerinţele din listă, atât calitativ cât şi cantitativ. 18°. Evaluarea variantelor conceptuale: atribuirea unui punctaj pentru fiecare variantă conceptuală, în funcţie de gradul de îndeplinire al fiecărui criteriu de evaluare în parte, şi ordonarea tuturor variantelor conceptuale, pe baza punctajului total obţinut (de fiecare dintre acestea). Se deosebesc două tipuri de evaluare: grosieră (când criteriile de evaluare sunt considerate de egală importanţă) şi fină (când criteriile de evaluare sunt diferenţiate între ele prin coeficienţi de importanţă inegali). 19°. Soluţia de principiu, soluţia conceptuală sau conceptul produsului: varianta conceptuală situată pe primul loc, în urma ordonării variantelor conceptuale prin evaluare. 20°. Design Constructiv (DC): faza procesului de design de produs care porneşte de la conceptul unui produs

12°. Effect: manifestation (physical, chemical etc.) that can be reproduced and described (quantitatively or qualitatively) through a law or a natural principle (ex.: lever effect, key effect etc.). 13°. Effect carrier: material system that can produce the considered effect for a certain geometrical-kinematical configuration. 14°. Solving principle or working principle: an effect that can solve a certain sub-function, through an adequate effect carrier configuration. 15°. Morphological matrix: tabular ordering, of component sub-functions and their afferent partial solutions, which allows the combinatory composition of these partial solutions, according to the structure of the composed function. 16°. Solving variant or working variant: the result of the compatible composition of a combination of partial solutions, from the morphological matrix, which can fulfill certainly all the requirements from the list qualitatively. 17°. Conceptual variant or working structure: solving variant that fulfills all the requirements from the list, both qualitatively and quantitatively. 18°. Evaluation of the Conceptual Variants: assigning of points to each conceptual variant, for the degree of fulfillment of each evaluation criterion, and ordering of all conceptual variants on the basis of the total score obtained by each of them. Two types of evaluation are highlighted: rough (when the evaluation criteria are considered of equal importance) and fine (when the evaluation criteria are differentiated through unequal importance coefficients). 19°. Principle solution, conceptual solution or product concept: conceptual variant placed on the first place after the conceptual variants’ ordering by evaluation. 20°. Embodiment Design (ED): the phase of the product design process which starts from a product concept (or principle solution

248

(sau soluţia de principiu) şi, pe baza unor anumite norme, principii şi ghiduri specifice, realizează proiectul definitiv (care constituie punctul de plecare in designul de detaliu). DC poate fi împărţit în câteva activităţi principale [2]: 1) Arhitectura Produsului (în care se realizează gruparea modulelor produsului); 2) Design de Configurare (în care se realizează designul pieselor speciale şi selecţia componentelor tipizate); 3) Design Parametric (în care se determină toate caracteristicile pieselor componente: dimensiuni, toleranţe etc.); 4) Design Industrial (în care produsul este abordat în primul rând din punctul de vedere al esteticii vizuale); 5) Designul Factorilor Umani; 6) Design pentru Mediu; 7) Prototipare şi Testare; 8) Design pentru X. 21°. Prototipare [24]: proces de realizare rapidă a unui model de lucru (un prototip), în scopul de a testa anumite aspecte ale designului, de a ilustra idei sau proprietăţi şi de a decela viitorul feedback al utilizatorilor. Prototiparea este adesea tratată ca o parte integrantă a procesului de design, ca metodă eficientă de reducere a riscului şi costului proiectului. Adesea, unul sau mai multe prototipuri sunt realizate într-un proces iterativ şi incremental de dezvoltare, în care fiecare prototip este influenţat de performanţa proiectelor anterioare; în acest mod, pot fi corectate multe deficienţe de design. Când prototipul este suficient de rafinat şi confirmă caracteristicile de funcţionalitate, robusteţe, prelucrabilitate şi alte obiective de proiectare, produsul este validat pentru producţie. 22°. Design pentru X (DfX) [24]: sub această denumire se regăseşte o colecţie amplă de ghiduri specifice de design. Ghidurile de design propun de obicei o abordare şi metode corespunzătoare care pot ajuta generarea şi aplicarea de cunoştinţe tehnice în scopul de a controla, a îmbunătăţi sau chiar de a inventa unele caracteristici particulare ale unui produs.

În acest scop, în continuare sunt enumerate câteva exemple de ghiduri de design. Metodologiile DfX se adresează unor diferite probleme care pot apărea într-o fază a ciclului de viaţă al produsului: a) Faza de dezvoltare: a1. Reguli de design cu: reguli de bază ale Designului Constructiv: Claritate, Simplitate, Siguranţă; a2. Procesul de organizare cu: Proiectare pentru reducerea timpului de lansare pe piaţă;

of a product) and, based on certain specific rules, principles and guidelines, achieves the product definitive layout (which is the start point of the detail design). ED can be divided in some main activities [2]: 1) Product Architecture (in which, the product modules grouping is achieved); 2) Configuration Design (in which, the special parts’ design and standard components’ selection are made); 3) Parametric Design (in which there are determined all features of the component parts: dimensions, tolerances etc.); 4) Industrial Design (in which, the product visual aesthetics is firstly approached); 5) Human Factors Design; 6) Design for the Environment; 7) Prototyping and Testing; 8) Design for X. 21°. Prototyping [24]: the process of quickly putting together a working model (a prototype) in order to test various aspects of a design, illustrate ideas or features and gather early user feedback. Prototyping is often treated as an integral part of the system design process, where it is believed to reduce project risk and cost. Often one or more prototypes are made in a process of iterative and incremental development where each prototype is influenced by the performance of previous designs, in this way, problems or deficiencies in design can be corrected. When the prototype is sufficiently refined and meets the functionality, robustness, manufacturability and other design goals, the product is ready for production. 22°. Design for X (DfX) [24]: under this label, a wide collection of specific design guidelines are summarized. The design guidelines itself propose usually an approach and corresponding methods that may help to generate and apply technical knowledge in order to control, improve, or even to invent particular characteristics of a product.

For this purpose, examples of design guidelines are listed in the following. DfX methodologies addresses different issues that may occur in a phase of a Product life cycle: a) Development Phase: a1. Design rules with: Basic Rules of Embodiment Design: Clarity, Simplicity, Safety; a2. Organizational Process with: Design for Short Time to market;

249

a3. Sistemul de design, testare şi validare cu: Design pentru fiabilitate; Design pentru testare; Design pentru siguranţa; Design pentru calitate; Design împotriva distrugerii prin coroziune; Design pentru risc minim; b) Faza de producţie: b1. Reguli de Design cu: Design pentru cost; Design pentru standarde; b2. Ghiduri de Design cu: Design pentru asamblare; Design pentru manufacturare; Design pentru logistică; b3. Situaţii specifice cu: Design pentru ansambluri electronice; Design pentru producţia de serie mică; c) Faza de utilizare: c1. Prin orientare către client cu: Design pentru uşurinţa utilizării; Design pentru ergonomie; Design pentru estetică; c2. După vânzare cu: Design pentru servisare; Design pentru întreţinere; d) Faza de eliminare cu: d1. Design pentru Mediu; d2. Design pentru reciclare; Design pentru dezasamblare. 23°. Design pentru Mediu (DfE) [24]: un concept general care se referă la o varietate de metode de design, prin care se încearcă reducerea impactului global de mediu al unui produs, proces sau serviciu, considerând impactul asupra mediului generat în întreg ciclul său de viaţă. Evaluarea ciclului de viaţă (LCA) este utilizată pentru a prognoza impactul unor variante diferite ale produsului în cauză, dând astfel posibilitatea de a alege pe cel mai ecologic. Designerii dispun de o gamă largă de instrumente software pentru optimizarea de produse (sau procese/ servicii). Design-ul pentru Mediu include mai multe abordări subsidiare, cum ar fi Design-ul pentru dezasamblare (în vederea reciclării). 24°. Reciclarea [24] implică procesarea materialelor utilizate şi integrarea lor în produse noi, ceea ce previne pierderea unor materiale potential folositoare, reduce consumul de materii prime noi, reduce consumul de energie, reduce poluarea aerului (prin incinerare) şi poluarea apei (prin depozitare) prin reducerea nevoii de eliminare a deşeurilor "convenţionale" şi reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră. Reciclarea este o componentă cheie a sistemului modern de gestionare a deşeurilor, fiind a treia componentă în ierarhia "Reducere, Refolosire, Reciclare" a deşeurilor. 25°. Design de Detaliu (DD): faza a procesului de design de produs, care porneşte de la proiectul definitiv al unui produs şi, pe baza anumitor norme specifice, principii, metode şi ghiduri, realizează documentaţia produsului (care este punctul de plecare al fazei de fabricaţie).

a3. System Design, Testing & Validation with: Design for reliability; Design For Test; Design for safety; Design for quality; Design Against Corrosion Damage; Design for Minimum Risk; b) Production Phase: b1. Design Rules with: Design to cost; Design to standards; b2. Design Guidelines with: Design for assembly; Design for manufacturability; Design for logistics; b3. Specific situations with: Design for Electronic Assemblies; Design for Low-Quantity Production; c) Utilization Phase: c1. User focused with: Design for user-Friendliness; Design for Ergonomics; Design for Aesthetics; c2. After Sales focused with: Design for Serviceability; Design for Maintainability; d) Disposal Phase with: d1. Design for Environment; d2. Design for Recycling; Design for Disassembly. 23°. Design for Environment (DfE) [24]: a general concept that refers to a variety of design approaches that attempt to reduce the overall environmental impact of a product, process or service, where environmental impacts are considered across its life cycle. Life cycle assessment (LCA) is employed to forecast the impacts of different (production) alternatives of the product in question, thus being able to choose the environmentally friendliest. Different software tools have been developed to assist designers in finding optimized products (or processes/services). Design for Environment includes several subsidiary approaches, such as Design for Disassembly (to facilitate recycling). 24°. Recycling [24] involves processing used materials into new products in order to prevent waste of potentially useful materials, reduce the consumption of fresh raw materials, reduce energy usage, reduce air pollution (from incineration) and water pollution (from landfilling) by reducing the need for "conventional" waste disposal, and lower greenhouse gas emissions as compared to virgin production. Recycling is a key component of modern waste management and is the third component of the "Reduce, Reuse, Recycle" waste hierarchy. 25°. Detail Design (DD): the phase of the product design process which starts from a product definitive layout and, based on certain specific rules, principles, methods and guidelines, accomplishes the product documentation (which is the start point of the manufacture phase).

250

26°. Tipuri de proiectare în raport cu noutatea. Conform [2, 16], în funcţie de noutate, pot fi deosebite următoarele tipuri de design: a) Design original sau inovator (care utilizează un concept inovator/ original pentru a satisface o nevoie socială); b) Design adaptiv sau de sinteză (când o soluţie cunoscută este adaptată pentru a atinge o altă nevoie şi pentru a produce o serie de aplicaţii noi; de obicei, acest design implică sinteza); c) Design variant (de tip variantă) sau redesign (atunci când anumiţi parametrii de proiectare sunt modificaţi sau anumite părţi ale produsului trebuie să fie restructurate din motive tehnologice sau de rezistenţă); d) Design de selecţie (care selectează din cataloage de firmă acele componente ale produsului care corespund ca performanţă şi cost). 27°. Ingineria Inversă (IngInv) [24]: procesul de identificare a principiilor unui dispozitiv, obiect sau sistem prin analiza structurii, funcţiei şi funcţionării acestuia. Adesea, pornind de la un produs izolat (un dispozitiv mecanic/ electronic sau un program software), se analizează în detaliu funcţionarea, pentru a folosi informaţiile în întreţinere sau pentru a realiza un nou produs cu aceeaşi funcţie, fără a copia ceva din produsul original. Motivarea IngInv (câteva exemple relevante): a) Documentaţie pierdută: ingineria inversă se aplică adesea în cazul pierderii documentaţiei unui dispozitiv (sau nu a fost scrisă), iar persoana care l-a construit nu mai este disponibilă. Circuitele integrate pot fi de multe ori proiectate pentru sistemele particulare, învechite, ceea ce înseamnă că singura modalitate de a încorpora funcţionalitatea într-o nouă tehnologie este de a aplica ingineria inversă asupra cipului existent şi apoi re-designul acestuia. b) Învăţare: învaţă din greşelile altora. Să nu faci aceleaşi greşeli pe care alţii le-au făcut deja. c) Inteligenţă tehnică competitivă (a înţeleage că adesea concurenţa face exact invers faţă de ceea ce declară). d) Învăţare din cercetări recente ale concurenţei prin capturarea şi demontarea unui prototip. Conform [15], în urma IngInv, pot fi explorate noi concepte de produse pe baza uneia dintre formele de design: variant (parametric), adaptiv şi original; aceste forme, aplicate după IngInv, sunt numite redesign. 28°. Analiza Modulară a Funcţiei (AMF) [24]: metodă sistematică şi procedură de modularizare a unui produs. Se compune din cinci etape majore. Aceasta începe cu o analiză funcţional-calitativă (AFC) pentru a stabili cerinţele clientului şi a identifica cerinţele importante de design, cu accent preponderent pe modularitate.

26°. Design Types versus novelty. According to [2; 16], depending on novelty, the following types of design can be distinguished: a) Original or innovative design (which uses an innovative/original concept to satisfy a social need); b) Adaptive or synthesis design (when a known solution is adapted to achieve another need and to produce a new applications; usually, this design involves synthesis); c) Variant design or redesign (when some of the design parameters are modified or certain product parts must be redesigned from technological or resistance reasons); d) Selection design (which selects the product parts with suitable performance and costs from the firm catalogs). 27°. Reverse Engineering (RE) [24]: the process of discovering the principles of a device, object or system through analysis of its structure, function and operation. It often involves taking something (e.g. mechanical device, electronic component, or software program) apart and analyzing its workings in detail to be used in maintenance, or to try to make a new device or program that does the same thing without copying anything from the original. Motivation of RE (some main examples): a) Lost documentation: Reverse engineering often is done because the documentation of a particular device has been lost (or was never written), and the person who built it is no longer available. Integrated circuits often seem to have been designed on obsolete, proprietary systems, which means that the only way to incorporate the functionality into new technology is to reverse-engineer the existing chip and then re-design it. b) Learning: Learn from others mistakes. Do not make the same mistakes that others have already made. c) Competitive technical intelligence (understand what your competitor is actually doing versus what they say they are doing). d) Learning about a competitor's latest research by capturing a prototype and dismantling it. According to [15], after RE, new product concepts can be explored using one of the three design types: variant (parametric) design, adaptive design and original design; these design forms, applied after RE, are named redesign. 28°. Modular Function Deployment (MFD) [24]: a systematic method and procedure for product modularisation. It consists of five major steps. It starts with Quality Function Deployment (QFD) analysis to establish customer requirements and to identify important design requirements with a special emphasis on modularity.

251

Cerinţele funcţionale ale produsului sunt analizate şi apoi sunt decelate soluţii tehnice. Această primă etapă este urmată de generarea sistematică şi selecţia conceptelor modulare, în care este folosită Matricea de Indicare a Modulelor (MIM) pentru a identifica modulele posibile prin examinarea interdependenţelor între "modulele cheie" şi soluţiile tehnice. MIM furnizează, de asemenea, un mecanism de investigare a posibilităţilor de a integra mai multe funcţii în module unicat. În acest mod pot fi estimate efectele aşteptate prin redesign, evaluarea putând fi efectuată pentru fiecare concept modular. MIM poate fi apoi extinsă şi pentru identificarea de oportunităţi vizând îmbunătăţirea ulterioară a modulelor unicat. 29°. Maşină: sistem tehnic a cărei structură cuprinde, de regulă:

- cel puţin un motor (maşină de forţă de tip motor), care transformă o formă oarecare de energie în energie mecanică;

- cel puţin un efector, care transformă energia mecanică primită în lucru mecanic util, specific procesului tehnologic (un efector poate să fie o maşină de lucru sau o maşină de forţă de tip generator);

- un mecanism (o transmisie) care transmite energia mecanică de la motoare la efectoare, cu sau fără modificarea parametrilor de stare.

30°. Maşină de forţă: sistem tehnic care transformă natura energiei, dintr-o formă în alta, dintre care, în mod obligatoriu, una este de natură mecanică:

- dacă energia mecanică este energie de ieşire, maşina de forţă este denumită motor; în funcţie de energia de intrare, motorul poate fi: electric, hidraulic, pneumatic, eolian, termic sau nuclear;

- dacă energia mecanică este energie de intrare, maşina de forţă este denumită generator; în funcţie de energia de ieşire, generatorul poate fi: electric, hidraulic etc.

31°. Maşină de lucru: sistem tehnic care transformă energia mecanică primită în lucru mecanic util, specific unui anumit proces tehnologic (care poate fi de prelucrare sau de transport / deplasare).

The functional requirements on the product are analyzed and technical solutions are selected. This is followed by systematic generation and selection of modular concepts, in which the Module Indication Matrix (MIM) is used to identify possible modules by examining the interrelationships between ”module drivers” and technical solutions. MIM also provides a mechanism for investigating opportunities of integrating multiple functions into single modules. The expected effects of the redesign can be estimated and an evaluation can be carried out for each modular concept. The Module Indication Matrix is then re-used to identify opportunities for further improvements to the single modules. 29°. Machine: technical system whose structure contains, as a rule:

- at least a motor (a prime mover of motor type) that transforms a certain form of energy in mechanical energy;

- at least an effector that transforms the received mechanical energy in effective work, specific to the technological process (an effector can be a producer or a prime mover of generator type);

- a mechanism (a transmission) that transmits mechanical energy from motors to effectors, with or without the state parameters changing.

30°. Prime mover: technical system that transforms the energy nature, from a form into another, between which one is of mechanical nature:

- if the mechanical energy is the output energy, the prime mover is called motor; in terms of the input energy, the motor can be: electric, hydraulic, pneumatic, aeolian, thermal or nuclear;

- if the mechanical energy is the input energy, the prime mover is called generator; in terms of the output energy, the generator can be: electric, hydraulic etc.

31°. Producer (effector): technical system that transforms the received mechanical energy in effective work, specific to a certain technological process (that can be a treating or transport/motion process).

252

32°. Mecanism: sistem tehnic deschis (cu cel puţin o intrare şi cel puţin o ieşire), format din corpuri rezistente cu legături mobile, care transmite determinat (desmodrom) energia mecanică de la intrări la ieşiri, cu sau fără modificarea mărimilor de stare: turaţie-moment şi/sau viteză liniară-forţă (corp rezistent = corp solid sau fluid capabil să transmită forţă). Se deosebesc: - mecanisme de forţă sau transmisii

mecanice: mecanisme al căror obiectiv principal este realizarea unor corelaţii impuse între mărimile de stare ale fluxurilor energetice de intrare şi de ieşire;

- mecanisme cinematice: mecanisme în care forţele sunt neglijabile;

- mecanisme de ghidare: mecanisme al căror obiectiv principal este realizarea unor dependenţe impuse între mărimile de stare ale fluxurilor energetice de intrare şi ghidarea (poziţionarea şi orientarea) unui anumit element; uneori, ghidarea elementului se reduce la poziţionarea unui punct;

- mecanisme de prindere-strângere (mecanisme-dispozitiv): mecanisme care în faza de prindere au forţe neglijabile, iar în faza de strângere au mişcări relative reduse, care devin nule după atingerea forţei necesare de strângere.

33°. Dispozitiv: sistem tehnic format din corpuri rezistenţe cu legături mobile, caracterizat prin mişcări relative determinate (în general, limitate) care devin nule în timpul serviciului (îndeplinirii funcţiei); se deosebesc dispozitive de: centrare, prelucrare, fixare, amortizare, remorcare etc.

34°. Aparat: sistem tehnic a cărui funcţie principală se referă la „manipularea şi/sau prelucrarea“ de energie, materie sau informaţie, dar fără mijlocirea lucrului (stereo)mecanic, care este specific sistemelor tehnice de tip mecanism şi respectiv maşină de forţă şi -de lucru (stereo = prefix cu semnificaţia: „de volum“, „în relief“, „solid“). Ca urmare, aparatele pot fi grupate în:

32°. Mechanism: open technical system (with at least one input and one output), consisting of resistant bodies with joints that transmits determinately (desmodrom) the mechanical energy from inputs to outputs, with or without the modification of the state parameters: speed-torque and/or speed-force (resistant body = solid or fluid body able to transmit force). There are highlighted: - power mechanisms or mechanical

transmissions: mechanisms whose main objective is to obtain some imposed correlations between the state parameters of the input and output energetic flows;

- kinematical mechanisms: mechanisms in which the forces are neglected;

- guiding mechanisms: mechanisms whose main objective is to obtain imposed dependencies between the state parameters of the input energetic flows and guiding (positioning and orientation) of a certain element; sometimes, the element guiding can be reduced to a point positioning;

- gripping mechanisms (device-mechanisms): mechanisms that in the catching phase have negligible forces, and in the gripping phase have reduced relative motions that become null after the necessary gripping force is reached.

33°. Device: technical system consisting of resistant bodies with joints, characterized through determined relative motions (limited, generally) that become null in the service time (while the function is fulfilled); there are highlighted devices: centering, processing, fixing, amortization, warping etc.

34°. Apparatus: technical system whose main function is referring to the „manipulation and/or processing“of energy, material or information, but without the help of mechanical work that is specific to the technical systems of mechanism and prime mover nature, respectively. Therefore, the apparatuses can be gathered in:

253

- Aparate pentru energie (exemple: întreru-pătorul electric, transformatorul electric, cazanul cu aburi, paratrăsnetul, arzătorul, gazogenul, reşoul etc.);

- Aparate pentru materiale (exemple: filtrele, carburatoarele, distilatoarele etc.);

- Aparate pentru informaţie (exemple: microfonul, radioreceptorul, semnaliza-toarele, ampermetru, voltmetru, telefonul, antenele etc.).

35°. Instrument tehnic: sistem tehnic, de tip aparat de prelucrare a informaţiei, destinat observării, măsurării şi/sau controlului unor mărimi; se deosebesc instrumente: optice, termice, acustice, magnetice, electrice, mecanice etc.

36°. Instrument muzical: aparat de prelucrare a informaţiei destinat conversiei notelor muzicale în sunete muzicale.

37°. Unealtă: Obiect (de tip piesă sau de tip dispozitiv) destinat prelucrării şi/sau manipulării unui material solid, prin contact direct; partea activă a unei unelte, care vine în contact direct cu materialul de prelucrat sau manipulat, este numită sculă.

- Apparatus for energy (examples: electric switch, electric transformer, steam boiler, lightning rod, gas burner, gas-generator, hot plate etc.);

- Apparatus for materials (examples: absorbers, carburetor, distiller, etc.);

- Apparatus for information (examples: microphone, radio-receptor, signaler, ammeter, voltmeter, telephone, antenna etc.).

35°. Technical instrument: an apparatus for processing the information, meant for observing, measuring and/or controlling some parameters; there are highlighted instruments: optical, thermal, acoustic, magnetic, electric, mechanical etc.

36°. Musical instrument: an apparatus for processing the information, meant for converting the musical notes in musical sounds.

37°. Utensil: Object (of piece type or device type) meant for processing and/or manipulating a solid material, through direct contact; the tool active part, which is in direct contact with the material to be processed or manipulated is called tool.

254

ANEXA A.2. MODELAREA RANDAMENTULUI UNITĂŢII PLANETARE MONOMOBILE În această anexă sunt stabilite relaţiile de calcul utilizate în capitolele 5 şi 6 pentru determinarea randamentului reductoarelor planetare, formate dintr-o unitate planetară monomobilă (M = 1). Aceste relaţii se stabilesc cu ajutorul exemplului ilustrat în fig. A.2.1, în care sunt reprezentate:

- schema structurală şi schema bloc ale unei unităţi planetare monomobile (fig. A.2.1,a şi b) şi

- schemele mecanismului cu axe fixe (fig. A.2.1,c şi d), rezultat din unitatea plantară prin inversiunea mişcării faţă de braţul H (care constă în aplicarea unei viteze unghiulare –ωH, întregii unităţi planetare).

APPENDIX A.2. EFFICIENCY MODELING OF THE MONOMOBILE PLANETARY UNIT In this appendix there are established the relations used in chapters 5 and 6 for establishing the efficiency of the planetary reducers, consisting of a 1 DOF planetary unit / gear set (M = 1). These relations are established by means of the example from Fig. A.2.1, in which there are represented:

- the structural scheme and the block scheme of a 1 DOF planetary gear set (Fig. A.2.1,a and b) and

- the schemes of the fixed axes mechanism (Fig. A.2.1,c and d), resulted from the planetary gear set by inverting the motion vs. the carrier H (which consists in applying an angular velocity –ωH, to the whole planetary gear set).

2 2

1

(z1=20)

1 H = 0 H

3 (z3=80) 3=0

T1

T1 T3

TH T1

T3

(TH)

T3 T1 T3

TH TH

ωωωω13‒ωωωω H3 =

= ωωωω1H ωωωω13 ωωωωH3

0 ‒ωωωωH3 =

= ‒ωωωω3H

ωωωωH3 ‒ ωωωωH3 = 0

3Hω−

ωωωω13‒ωωωωH3 =

= ωωωω1H

ωωωωH3

ωωωω1 1 3 = 0 1 3

H =

0 H 0‒ωωωωH3=

= ‒ωωωω3H

ωωωωHH = 0

M = 1

L = 2

M = 1

L= 2

b d

Fig. A.2.1,a şi b. Exemplu de unitate planetară monomobilă, cu 2 roţi centrale (1 şi 3) şi satelit

simplu (2): schemă structurală (a) şi schemă bloc (b); c şi d. Unitatea cu axe fixe derivată din unitatea

planetară prin inversiunea mişcării faţă de braţul H: schemă structurală (c) şi schemă bloc (d).

Fig. A.2.1,a and b. Example of a 1 DOF planetary gear set/unit, with 2 sun gears (1 and 3) and

a simple satellite (2): structural scheme (a) and block scheme (b); c and d. Fixed axes gear train,

derived from the planetary gear set by inverting the motion vs. the carrier H: structural scheme (c) and

block scheme (d).

a c

255

Formularea problemei: Cunoscând randamentul interior şi raportul cinematic interior ale unităţii planetare (adică randamentul şi raportul mecanismului cu axe fixe asociat prin inversiunea mişcării): η0 = ηH

1,3 = ηH1,2·η

H2,3 = 0,972 = 0,94,

i0 = i H

1,3 = ω1,H /ω3,H = –z3/z1 = –80/20 = –4, (A.2.1) se cere să se stabilească randamentele unităţii planetare, în cele două situaţii posibile de funcţionare: η3

1,H = ? şi η3H,1 = ?

Stabilirea acestor randamente se efectuează în următoarele premise:

a) se consideră numai pierderile prin frecare din angrenaje, neglijându-se frecările din cuplele de rotaţie (care uzual sunt realizate prin rulmenţi);

b) se neglijează efectele inerţiale (unitatea planetară funcţionează în regim staţionar şi are S ≥ 2 sateliţi în paralel, care se echilibrează reciproc); ca urmare, prin inversiunea mişcării, momentele rămân nemodificate (deci, unitatea planetară şi unitatea cu axe fixe asociată au aceleaşi momente);

c) puterile de intrare se consideră pozitive, iar cele de ieşire se consideră negative.

În cazul în care puterea intră prin roata 1 (ω1,3T1>0) şi iese prin elementul H (ωH,3TH<0), randamentul unităţii planetare are următoarea expresie (v. fig. A.2.1,a si b): η

31,H = (– ωH,3TH /(ω1,3T1) = (–TH / T1)/(ω1,3 /ωH,3) =

= (–TH /T1)/ i31,H = ? (A.2.2)

Prin urmare, calculul randamentului constă în stabilirea rapoartelor: i31,H şi (–TH /T1). Ţinând seama de relaţia vitezei relative: ωX,Y = ωX – ωY = ωX,H – ωY,H, pentru raportul de transmitere al vitezelor se obţine următoarea expresie: i 31,H = ω1,3 /ωH,3 = (ω1,H – ω3,H)/( ωH,H – ω3,H) =

= 1– (ω1,H / ω3,H) = 1 – i0 = 1 – (–4) = +5. (A.2.3)

Problem formulation: knowing the interior efficiency and the interior transmission ratio of the planetary gear set (meaning the efficiency and the ratio of the associated fixed axes mechanism obtained by inverting the motion): η0 = ηH

1,3 = ηH1,2·η

H2,3 = 0.972 = 0.94,

i0 = i H1,3 = ω1,H /ω3,H = –z3/z1 = –80/20 = –4, (A.2.1) it is requested to establish the efficiencies of the planetary gear set in two possible functional situations: η3

1,H = ? and η3H,1 = ?

The settlement of these efficiencies is made under the following premises:

a) there are considered only the losses due to friction from gear pairs, neglecting the frictions from the revolute joints (that are usually made through ball bearings);

b) there are neglected the inertial effects (the planetary gear set works in stationary regime and has S ≥ 2 satellites in parallel, that are equilibrating themselves reciprocally); therefore, by inverting the motion, the torques remain unmodified (thus, the planetary gear set and associated fixed axes mechanism have the same torques);

c) the input powers are considered positive and the output powers are considered negative.

In the case in which the power goes in through the gear 1 (ω1,3T1>0) and goes out through the element H (ωH,3TH<0), the efficiency of the planetary gear has the following expression (see Fig.A.2.1,a and b): η

31,H = (– ωH,3TH /(ω1,3T1) = (–TH / T1)/(ω1,3 /ωH,3) =

= (–TH /T1)/ i31,H = ? (A.2.2)

Therefore, the efficiency calculus consists in the establishment of the ratios: i31,H and (–TH /T1). Taking into account the relation of the relative speed: ωX,Y = ωX – ωY = ωX,H – ωY,H, for the speeds transmission ratio it is obtained the following expression: i 31,H = ω1,3 /ωH,3 = (ω1,H – ω3,H)/( ωH,H – ω3,H) =

= 1– (ω1,H / ω3,H) = 1 – i0 = 1 – (–4) = +5. (A.2.3)

256

Raportul momentelor (–TH / T1) se determină cu ajutorul ecuaţiei de echilibru a momentelor colineare T1, T3 şi TH, care încarcă unitatea cu axe fixe (fig. A.2.1,c şi d): T1 + T3 + TH = 0 (A.2.4) şi din ecuaţia randamentului unităţii cu axe fixe, scrisă în cazul general, când nu se cunoaşte sensul de circulaţie al puterii (fig. A.2.1, c şi d): (η0)

w = (ηH1,3)

w = (– ω3,HT3)/(ω1,HT1) = –T3/(i0T1),

w = sgn(ω1,HT1) = ±1. (A.2.5) /tiind că ω1,H /ω3,H = i

H1,3 = i0 şi că ω1,3T1 > 0,

relaţiile precedente pot fi scrise sub forma: ω1,HT1(η0)

w + ω3,HT3 = 0 => T1i0(η0)w + T3 =0,

w =sgn(ω1,HT1) = sgn[(ω1,HT1)/ (ω1,3T1)] =

= sgn[ω1,H / (ω1,H – ω3,H)] = sgn[i0 / (i0 – 1)] =

= sgn[–4/ (–4–1)] = +1. (A.2.6)

Din relaţiile (A.2.4) şi (A.2.6) se determină raportul momentelor:

(–TH / T1) = 1– i0(η0)w = 1 – (–4)0,94+1 =

= +4,76. (A.2.7) Prin înlocuire în relaţia (A.2.2), se obţine valoarea randamentului căutat: η

31,H = (– ωH,3TH /(ω1,3T1) = (–TH / T1)/(ω1,3 /ωH,3) =

= [1– i0(η0)w] /(1– i0) = 0,952. (A.2.8)

Din comparaţia relaţiilor (A.2.3) şi (A.2.7) se observă că raportul vitezelor (ω1,3 /ωH,3) şi raportul momentelor (–TH / T1) au aceeaşi funcţie, 1–x , dar de argumente diferite: în raportul vitezelor x = i0, iar în raportul momentelor x = i0(η0)

w.

Ca urmare a acestei proprietăţi, raportul momentelor poate fi determinat direct din expresia raportului vitezelor, prin înlocuirea argumentul i0 cu i0(η0)

W .

Aplicând această proprietate în cazul secund, în care puterea intră prin elementul H (ωH,3TH > 0) şi iese prin roata 1 (ω1,3T1 < 0), randamentul unităţii planetare se determină în următoarea succesiune:

The torques ratio (–TH / T1) is established by means of the equilibrium equation of collinear torques T1, T3 and TH, that loads the fixed axes mechanism (Fig. A.2.1,c and d): T1 + T3 + TH = 0 (A.2.4) and of the equation of the fixed axes mechanism efficiency, written in the general case, when the direction of power flow is not known (Fig. A.2.1, c and d): (η0)

w = (ηH1,3)

w = (– ω3,HT3)/(ω1,HT1) = –T3/(i0T1),

w = sgn(ω1,HT1) = ±1. (A.2.5) Knowing that ω1,H /ω3,H = i

H1,3 = i0 and that

ω1,3T1 > 0, the previous relations can be written as follows: ω1,HT1(η0)

w + ω3,HT3 = 0 => T1i0(η0)w + T3 =0,

w =sgn(ω1,HT1) = sgn[(ω1,HT1)/ (ω1,3T1)] =

= sgn[ω1,H / (ω1,H – ω3,H)] = sgn[i0 / (i0 – 1)] =

= sgn[–4/ (–4–1)] = +1. (A.2.6) The torques ratio is established from relations (A.2.4) and (A.2.6): (–TH / T1) = 1– i0(η0)

w = 1 – (–4)0.94+1 =

= +4.76. (A.2.7) By replacing it in relation (A.2.2), it is obtained the value of the efficiency: η

31,H = (– ωH,3TH /(ω1,3T1) = (–TH / T1)/(ω1,3 /ωH,3) =

= [1– i0(η0)w] /(1– i0) = 0.952. (A.2.8)

From the comparison of relations (A.2.3) and (A.2.7) it outcomes that the speeds ratio (ω1,3 /ωH,3) and the torques ratio (–TH / T1) have the same function, 1–x, but of different arguments: in the speeds ratio x = i0, while in the torques ratio x = i0(η0)

w.

As the result of this property, the moments ratio can be established directly from the expression of the speeds ratio by replacing the argument i0 with i0(η0)

w .

By applying this property in the second case, in which the power goes in through the element H (ωH,3TH > 0) and goes out through the gear 1 (ω1,3T1 < 0), the planetary gear efficiency is established in the following succession:

257

η3H,1 = (–ω1,3T1)/(ωH,3TH)= (–T1/TH)/(ωH,3 /ω1,3)=

=(–T1/TH)/ i3H,1= ? (A.2.9) i3H,1= ωH,3 /ω1,3 = 1/i31,H = 1/(1– i0) =

=1/[1– (–4)] = +1/5; (A.2.10) w = sgn(ω1,H·T1) = sgn[(ω1,H·T1)/ (–ω1,3·T1)] =

= sgn[–ω1,H/ (ω1,H – ω3,H)] = sgn[–i0 / (i0 – 1)] =

= sgn[– (–4) / (–4–1)] = –1; (A.2.11) (–T1/TH) = 1/[1– i0(η0)

w] = 1/[1 – (–4) ·0,94-1] =

= 1/5,255; (A.2.12) η

31,H = (–TH / T1)/ i

31,H = 5/5,225 = 0,957. (A.2.13)

Spre deosebire de mecanismul cu axe fixe (în care sensul puterii nu influenţează randamentul: ηH

1,3 = ηH3,1 = η0 = 0,94),

randamentul unităţii planetare este dependent de sensul de circulaţie a puterii: η

31,H = 0,952 ≠ η3

H,1 = 0,957!

η3H,1 = (–ω1,3T1)/(ωH,3TH)= (–T1/TH)/(ωH,3 /ω1,3)=

=(–T1/TH)/ i3H,1= ? (A.2.9) i3H,1= ωH,3 /ω1,3 = 1/i31,H = 1/(1– i0) =

=1/[1– (–4)] = +1/5; (A.2.10) w = sgn(ω1,H·T1) = sgn[(ω1,H·T1)/ (–ω1,3·T1)] =

= sgn[–ω1,H/ (ω1,H – ω3,H)] = sgn[–i0 / (i0 – 1)] =

= sgn[– (–4) / (–4–1)] = –1; (A.2.11) (–T1/TH) = 1/[1– i0(η0)

w] = 1/[1 – (–4) ·0.94-1] =

= 1/5.255; (A.2.12) η

31,H = (–TH/T1)/ i

31,H = 5/5.225 = 0.957. (A.2.13)

Unlike the fixed axes mechanism (in which the power sense don’t influence the efficiency: ηH

1,3 ≈ ηH3,1 ≈ η0 = 0.94), the

planetary gear efficiency depends on the sense of the power flow: η3

1,H = 0.952 ≠ η3H,1 =

0.957!

258

ANEXA A.3. MODELAREA REDUCTORULUI PLANETAR VAUCANSON Reductoarele de turaţie, de tip „ideal“, ar trebui să realizeze rapoarte de transmitere şi randamente maxime, în condiţiile unor gabarite şi grade de complexitate cât mai reduse.

Celebrul inventator francez J. Vaucanson (1709-1782), membru al Academiei franceze, a propus un reductor planetar cu roţi dinţate conice (fig. A.3.1), care aspiră şi astăzi la acest titlu.

În continuare se modelează şi se interpretează principalele proprietăţi ale acestui reductor; pe baza acestora se formulează concluzii utile pentru optimizarea soluţiilor de principiu ale acestui tip de produs tehnic. A.3.1. Caracterizare structurală În fig. A.3.1,a este ilustrată schema reductorului planetar Vaucanson (reprodusă după Doyon şi Liaigre), iar în fig. A.3.1,b şi c sunt reprezentate schema structurală (fig. A.3.1,b) şi schema bloc (fig. A.3.1,c), în conformitate cu exigenţele teoriei mecanismelor. Pe schema structurală (fig. A.3.1,b) sunt precizate orientările pozitive ale axelor, iar pe schema bloc (fig. A.3.1,c) sunt precizate: gradele de mobilitate şi rapoartele cinematice interioare ale unităţilor componente, legăturile dintre unităţi şi legăturile exterioare ale reductorului (intrarea a şi ieşirea H); alăturat, pe schema bloc din fig. A.3.1,d sunt reprezentate semnele momentelor care încarcă roţile dinţate şi arborii de legătură.

Conform fig. A.3.1,b şi c, reductorul conţine o unitate planetară diferenţială (cu gradul de mobilitate M1 = 2), cu roţi conice, de tip simetric (cu raportul cinematic interior i01 = i H1,3 = –1): 1-2-3-H.

Între roţile centrale 1 şi 3, ale acestei unităţi, este introdus un lanţ cinematic de închidere, format din două angrenaje conice cu axe fixe: 4-5 (cu gradul de mobilitate M2 = 1) şi 6-7 (cu M3 = 1). Deoarece intrarea puterii are loc prin arborele a (fig. A.3.1,b şi c), solidar cu roţile 5 şi 6, iar ieşirea are loc prin arborele braţului H,

APPENDIX A.3. MODELING OF THE VAUCANSON PLANETARY REDUCER The speed reducers, of „ideal“ type, have to ensure maximum transmission ratios and efficiencies, in the conditions of more reduced overall dimensions and degrees of complexity.

The famous French inventor J. Vaucanson (1709-1782), member of the French Academy, proposed a planetary reducer with bevel gears (Fig. A.3.1), which aspirates to this title nowadays, too.

The main properties of this reducer are further modeled and interpreted; on the basis of these properties, then there are formulated useful conclusions for the optimization of the principle solutions of this type of technical product. A.3.1. Structural characterization In Fig. A.3.1,a it is illustrated the scheme of the Vaucanson’s planetary reducer (reproduced from Doyon and Liaigre), while in Fig. A.3.1,b and c there are represented the structural scheme (Fig. A.3.1,b) and the block scheme (Fig. A.3.1,c), according to the exigencies of mechanisms theory. On the structural scheme (Fig. A.3.1,b) there are specified the axes positive orientations, while on the block scheme (Fig. A.3.1,c) there are specified: the degrees of freedom and the interior kinematical ratios of the component units, the links between these units and the reducer external links (input a and output H); nearby, on the block scheme from Fig. A.3.1,d there are represented the torques signs that load the gears and the connecting shafts.

According to Fig. A.3.1,b and c, the reducer contains a differential (with the degree of freedom M1 = 2), with bevel gears, of symmetrical type (with the interior kinematical ratio i01 = i H1,3 = –1): 1-2-3-H.

Between the sun gears 1 and 3, of this unit, it is introduced a closing kinematical chain, consisting of two bevel gear pairs with fixed axes: 4-5 (with the degree of freedom M2 = 1) and 6-7 (with M3 = 1). Because the power input is made through the shaft a (Fig. A.3.1,b and c), solidar to the gears 5 and 6, and the output through the carrier H shaft,

259

reductorul are parametrii exteriori: ωa, Ta şi ωH, TH.

Între cele trei unităţi componente (fig. A.3.1,b şi c), intervin Lc = 3 cuplări: 5 ≡ 6 ≡ a, 3 ≡ 4 şi 7 ≡ 1; ca urmare, reductorul are gradul de mobilitate [3]:

the reducer has the external parameters: ωa, Ta and ωH, TH.

Among the three component units (Fig. A.3.1,b and c), interfere Lc = 3 connections: 5 ≡ 6 ≡ a, 3 ≡ 4 and 7 ≡ 1; therefore, the reducer has the degree of freedom [3]:

?H =ω ?TH =

aω

aT

( )zz =66

( )zz =55

( )77 z

( )44 z

1

2

3

H

+ +

+

a

a b

6,703

31

ii

M

=

=Hii

M

3,101

12

=

=

5,402

21

ii

M

=

=

1

3

4

5

6

7

H

?=H

ω ?=H

T

a

1+=a

T

1+=a

ω

03i

Hii3,101

=

02i

1

3

4

5

6

7

H

a

HT−

HT+

7T+ 7

T−

1T+

1T−

6T−

5T−

4T−

3T−

3T+

4T+

5T+

6T+

aT− a

T+

c d

Fig. A.3.1. Reductorul planetar Vaucanson: a) schema reductorului reprodusă după Doyon şi

Liaigre [4], b) schema structurală, c) schema bloc şi d) schema bloc cu semnele momentelor care

încarcă roţile şi arborii.

Fig. A.3.1. Vaucanson’s planetary reducer: a) the reducer scheme, after Doyon and Liaigre [4],

b) structural scheme, c) block scheme and d) block scheme with the signs of torques that load the gears

and shafts.

260

M = M1 + M2 + M3 – Lc = 2 + 1 + 1 – 3 = 1; (A.3.1) aceasta înseamnă că reductorul are o mişcare exterioară independentă (de exemplu, viteza ωa) şi, implicit, un moment exterior dependent (de exemplu, TH = TH( )); deci mişcarea exterioară rămasă este dependentă (ωH = ωa /ia,H), iar momentul exterior rămas (Ta) este independent.

Pentru simplitate, se va considera că mărimile exterioare independente sunt egale cu unitatea: ωa = 1 şi Ta = 1; vitezele unghiulare şi momentele, determinate în aceste condiţii, sunt denumite în continuare viteze unghiulare reduse şi respectiv momente reduse. A.3.2. Modelarea vitezelor reduse Se explicitează mai întâi ideea de bază folosită de Vaucanson şi apoi se modelează analitic şi numeric vitezele unghiulare reduse ale reductorului.

Ideea centrală, care stă la baza reductorului Vaucanson (fig. A.3.1,a şi b), poate fi explicitată intuitiv astfel:

1°. Dacă în unitatea planetară diferenţială 1-2-3-H (fig. A.3.1,b), considerată separat (izolată), se blochează braţul H, atunci turaţiile roţilor 1 şi 3 sunt egale şi de sensuri contrare; reciproc, dacă în unitatea planetară diferenţială se antrenează roţile 1 şi 3 cu turaţii egale şi de sensuri contrare, atunci braţul H rămâne nemişcat, deşi nu este fixat. Fizic, acest deziderat poate fi realizat prin introducerea lanţului de închidere 3 ≡ 4-5 ≡ 6-7 ≡ 1 (fig. A.3.1,b), în care roţile au numerele de dinţi: z4 = z7 şi z5 = z6; în mecanismul astfel realizat, raportul de transmitere este infinit, deoarece la o rotaţie a arborelui de intrare a ≡ 5 ≡ 6 (fig. A.3.1,b), arborele de ieşire H rămâne în repaus şi deci: ia,H = ωa /ωH = 1/0 = ∞! 2°. Dacă numerele de dinţi z4 şi z7 (fig. A.3.1,b) sunt diferite, dar foarte apropiate, atunci roţile 1 şi 3 se rotesc cu turaţii aproape egale şi de sensuri contrare, iar braţul H se roteşte foarte lent; în condiţiile exemplului numeric considerat de Vaucanson (z4 = 23, z7 = 22 şi z5 = z6 = 20, fig. A.3.1,a şi b), la 50,6 rotaţii ale arborelui de intrare, arborele de ieşire efectuează o singură rotaţie (în sensul negativ al axei).

M = M1 + M2 + M3 – Lc = 2 + 1 + 1 – 3 = 1; (A.3.1) this means that the reducer has [3]: an independent external motion (for instance, speed ωa) and, implicitly, a dependent external torque (for instance, TH = TH( )); thus, the remained external motion is dependent (ωH = ωa /ia,H), and the remained external torque (Ta) is independent.

For simplicity, it will be considered that the independent external parameters are equal to one: ωa = 1 and Ta = 1; the angular speeds and the torques, established in these conditions, are further called reduced angular speeds and reduced torques, respectively. A.3.2. Modeling of the reduced speeds Firstly it is explicated the basic idea used by Vaucanson and then there are modeled analytically and numerically the reducer’s reduced angular speeds.

The central idea, on which the Vaucanson’s reducer is based (Fig. A.3.1,a and b), can be explained intuitively as follows:

1°. If in the differential gear-set 1-2-3-H (Fig. A.3.1,b), considered isolated, the carrier H is blocked, then the gears speeds 1 and 3 are equal but backwards; reciprocally, if in the differential gears 1 and 3 are actuated with equal speeds backwards, then the carrier H stays still even if it is not fixed. Physically, this desideratum can be obtained by introducing a closing chain 3 ≡ 4-5 ≡ 6-7 ≡ 1 (Fig. A.3.1,b), in which the gears have the numbers of teeth: z4 = z7 and z5 = z6; in the obtained mechanism the transmission ratio is infinite, because for a rotation of the input shaft a ≡ 5 ≡ 6 (Fig. A.3.1,b), the output shaft H remains in repose and thus: ia,H = ωa /ωH = 1/0 = ∞! 2°. If the teeth numbers z4 and z7 (Fig. A.3.1,b) are different, but very close, then gears 1 and 3 are rotating with almost equal speeds but backwards, and the carrier H is rotating very slow; for the considered numerical example of Vaucanson (z4 = 23, z7 = 22 and z5 = z6 = 20, Fig. A.3.1,a and b), for 50.6 rotations of the input shaft, the output shaft makes a single rotation (in the negative direction of the axis).

261

Ca urmare, s-a obţinut un reductor planetar, relativ simplu, care realizează un raport mare de transmitere a vitezelor: |ia,H| = |ωa/ωH| = 50,6 !

În conformitate cu fig. A.3.1,b şi c, modelarea vitezelor unghiulare, ale reductorului Vaucanson, se reduce la rezolvarea următorului sistem de ecuaţii [4]:

ω1= i01·ω3 + (1–i01)·ωH;

i01 = iH1,3 = ω1,H/ω3,H = –z3/z1 = –1,

ω4 = ω5·i02; i02 = i4,5 = +z5/z4,

ω7 = ω6·i03; i03 = i7,6 = -z6/z7,

ω1 = ω7;

ω3 = ω4;

ω5 = ω6 = ωa = 1. (A.3.2)

În cazul exemplului numeric considerat z4 = 23, z7 = 22 şi z5 = z6 = 20 (fig. A.3.1,b), din sistemul (A.3.2) rezultă următoarele valori pentru vitezele reduse şi, implicit, pentru raportul de transmitere a vitezelor (ia,H):

ω5 = ω6 = ωa = 1,

ω1 = ω7 = ωai03 = 1i03 = – 20/22,

ω3 = ω4 = ωai02 = 1i02 = + 20/23,

ωH = ω1/(1–i01) – ω3i01/(1–i01) =

= (ω1 + ω3)/2 = –10/506,

ia,H = ωa /ωH = 1/(–10/506) = –50,6; (A.3.3)

aceasta înseamnă că la 506 rotaţii complete ale arborelui a ≡ 5 ≡ 6, în sensul pozitiv al axei sale (fig. A.3.1,b), braţul H efectuează 10 rotaţii complete, în sensul negativ al axei sale! A.3.3. Modelarea momentelor reduse În conformitate cu fig. A.3.1,b,c şi d, modelarea momentelor reductorului Vaucanson se reduce la rezolvarea următorului sistem de ecuaţii [13]:

T1 + T3 + TH = 0,

ω1,H T1(η01)x1 + T3ω3,H = 0 T1i01(η01)

x1 + T3 = 0,

x1 = sgn(ω1,H T1) = sgn [(ω1‒ωH) T1] = ±1;

ω4T4(η02)x2 + T5ω5 = 0 T4 i02(η02)

x2 + T5 = 0,

x2 = sgn(ω4T4) = ±1;

ω7T7(η03)x3 + T6ω6 = 0 T7 i03(η03)

x3 + T6 = 0,

x3 = sgn(ω7T7) = ±1;

Therefore, it was obtained a relative simple planetary reducer that accomplishes a high speeds transmission ratio: |ia,H| = |ωa/ωH| = 50.6 !

According to Fig. A.3.1,b and c, the angular speeds modeling for the Vaucanson’s reducer, is reduced to solving the following system of equations [4]:

ω1= i01·ω3 + (1–i01)·ωH;

i01 = iH1,3 = ω1,H/ω3,H = –z3/z1 = –1,

ω4 = ω5·i02; i02 = i4,5 = +z5/z4,

ω7 = ω6·i03; i03 = i7,6 = -z6/z7,

ω1 = ω7;

ω3 = ω4;

ω5 = ω6 = ωa = 1. (A.3.2)

For the considered numerical example, z4 = 23, z7 = 22 and z5 = z6 = 20 (Fig. A.3.1,b), the following values of the reduced speeds and for the speeds transmission ratio (ia,H) result from system (A.3.2):

ω5 = ω6 = ωa = 1,

ω1 = ω7 = ωai03 = 1i03 = – 20/22,

ω3 = ω4 = ωai02 = 1i02 = + 20/23,

ωH = ω1/(1–i01) – ω3i01/(1–i01) =

= (ω1 + ω3)/2 = –10/506,

ia,H = ωa /ωH = 1/(–10/506) = –50.6; (A.3.3)

this means that for 506 complete rotations of the shaft a ≡ 5 ≡ 6, in the positive sense of its axis (Fig. A.3.1,b), the carrier H makes 10 complete rotations, in the negative sense of its axis! A.3.3. Modeling of the reduced torques According to Fig. A.3.1,b,c and d, the torques modeling for the Vaucanson’s reducer is reduced at solving the following system of equations [13]:

T1 + T3 + TH = 0,

ω1,H T1(η01)x1 + T3ω3,H = 0 T1i01(η01)

x1 + T3 = 0,

x1 = sgn(ω1,H T1) = sgn [(ω1‒ωH) T1] = ±1;

ω4T4(η02)x2 + T5ω5 = 0 T4 i02(η02)

x2 + T5 = 0,

x2 = sgn(ω4T4) = ±1;

ω7T7(η03)x3 + T6ω6 = 0 T7 i03(η03)

x3 + T6 = 0,

x3 = sgn(ω7T7) = ±1;

262

–T3 – T4 = 0; –T1 – T7 = 0;

–T5 – T6 + Ta = 0; Ta = +1, (A.3.4)

în care prin η01, η02 şi η03 s-au notat randamentele mecanismelor cu axe fixe asociate celor trei unităţi componente (fig. A.3.1,b şi d); pentru calculele numerice care urmează, se vor considera iniţial următoarele valori: η01 = ηH

1,3 ≅ ηH3,1 = (0,94)2 ≅ 0,883,

η02 = η4,5 ≅ η5,4 ≅ 0,94 şi

η03 = η7,6 ≅ η6,7 ≅ 0,94. Prin rezolvarea sistemului (A.3.4) se obţin următoarele expresii pentru momentele reduse şi, implicit, pentru raportul de transmitere a momentelor: Ta = +1,

T1 = Ta /[i03(η03)x3 ‒ i01i02(η01)

x1(η02)x2] =

= 1/ [i03(η03)x3 + i02(η01)

x1(η02)x2],

T3 = ‒T1i01(η01)x1 = T1(η01)

x1,

T4 = ‒T3 = T1i01(η01)x1 = ‒T1(η01)

x1,

T7 = ‒T1,

T6 = T1i03(η03)x3,

T5 = ‒T1i01i02(η01)x1(η02)

x2 = T1i02(η01)x1(η02)

x2,

TH = ‒T1[1‒ i01(η01)x1] = ‒T1[1+ (η01)

x1],

i*a,H = ‒TH /Ta=

=[1‒ i01(η01)x1] / [i03(η03)

x3‒ i01i02(η01)x1(η02)

x2] =

= [1+(η01)x1] / [i03(η03)

x3 + i02(η01)x1(η02)

x2]. (A.3.5) În această fază, calculul expresiilor (A.3.5) nu este posibil, deoarece nu se cunosc exponenţii x1, x2 şi x3. De aceea, se determină mai întâi valorile expresiilor (A.3.5) în premisa neglijării frecării, în care exponenţii x1, x2 şi x3 rămân fără efect: (η01)

x1 = (1)x1 = 1, (η02)x2 = (1)x2 = 1 şi (η03)

x3= (1)x3 = 1.

Momentele obţinute în această premisă, denumite momente teoretice (adică, fără frecare), şi momentele omonime reale (cu frecare) au module diferite (modulele momentelor teoretice sunt mai mari decât cele ale momentelor reale), dar au acelaşi semne! Aceasta înseamnă că exponenţii x1, x2 şi x3 pot fi determinaţi cu ajutorul momentele teoretice, după care pot fi calculate momentele reale (cu frecare).

–T3 – T4 = 0; –T1 – T7 = 0;

–T5 – T6 + Ta = 0; Ta = +1, (A.3.4) in which through η01, η02 and η03 were denoted the efficiencies of the associated fixed axes mechanisms of the three component units (Fig. A.3.1,b and d); for the next numerical calculus, initially, there were considered the following values: η01 = ηH

1,3 ≅ ηH3,1 = (0.94)2 ≅ 0.883,

η02 = η4,5 ≅ η5,4 ≅ 0.94 and

η03 = η7,6 ≅ η6,7 ≅ 0.94. The following expressions for the reduced torques and for the torques’ transmission ratio are obtained by solving the system (A.3.4): Ta = +1,

T1 = Ta /[i03(η03)x3 ‒ i01i02(η01)

x1(η02)x2] =

= 1/ [i03(η03)x3 + i02(η01)

x1(η02)x2],

T3 = ‒T1i01(η01)x1 = T1(η01)

x1,

T4 = ‒T3 = T1i01(η01)x1 = ‒T1(η01)

x1,

T7 = ‒T1,

T6 = T1i03(η03)x3,

T5 = ‒T1i01i02(η01)x1(η02)

x2 = T1i02(η01)x1(η02)

x2,

TH = ‒T1[1‒ i01(η01)x1] = ‒T1[1+ (η01)

x1],

i*a,H = ‒TH /Ta=

=[1‒ i01(η01)x1] / [i03(η03)

x3‒ i01i02(η01)x1(η02)

x2] =

= [1+(η01)x1] / [i03(η03)

x3 + i02(η01)x1(η02)

x2]. (A.3.5)

In this phase, the expressions (A.3.5) can not be calculated because the exponents x1, x2 and x3 are not known. Therefore, first there are determined the values of the expressions (A.3.5) in the premise of neglecting friction, in which the exponents x1, x2 and x3 have no effect: (η01)

x1 = (1)x1 = 1, (η02)x2 = (1)x2 = 1 and

(η03)x3= (1)x3 = 1.

The torques obtained in this premise, called theoretical torques (without friction), and the real homonym torques (with friction) have different modules (the modules of the theoretical torques are bigger than of the real torques), but have the same sign! This means that the exponents x1, x2 and x3 can be established by means of the theoretical torques, and afterwards can be calculated the real torques (with friction).

263

În condiţiile valorilor numerice considerate, se obţin următoarele valori pentru momentele reduse teoretice (fără frecare) şi pentru raportul de transmitere a momentelor teoretice (pentru evitarea confuziilor, momentele reduse fără frecare s-au notat italic): Ta = Ta = +1,

T1 = 1/ (i02 + i03) = 1 / (+20/23 ‒ 20/22) = = ‒506/20 = ‒25,3,

T3 = T1 = ‒25,3,

T4 = ‒T3 = ‒T1 = +25,3,

T7 = ‒T1 = +25,3,

T6 = T1i03 = (‒506/20)( ‒20/22) = +23,

T5 = T1i02 = (‒506/20)(+20/23) = ‒22,

TH = ‒T1 (1 + 1) = +50,6,

i*a,H = ‒TH /Ta = ‒50,6 = ia,H. (A.3.6)

Prin urmare, în condiţii teoretice (fără frecare), reductorul analizat reduce turaţia de intrare de 50,6 ori şi amplifică tot de atâtea ori momentul de intrare; cu alte cuvinte, raportul de transmitere a momentelor i*a,H coincide cu raportul de transmitere a vitezelor unghiulare ia,H.

Cu valorile obţinute pentru momentele reduse teoretice, se obţin următoarele valori pentru exponenţii x1, x2 şi x3: x1 = sgn(ω1,H T1) = sgn [(ω1‒ωH)T1] =

= sgn[(‒20/22 + 1/50.6)(‒25.6)] =

= +1 ω1,HT1 > 0;

x2 = sgn(ω4T4) = sgn[(+20/23)(+25.3)] =

= +1 ω4T4 > 0;

x3 = sgn(ω7T7) = sgn[(‒20/22)(+25.3)] =

= ‒1 ω7T7 < 0. (A.3.7) Ţinând seama de valorile exponenţilor x1, x2 şi x3, se obţin următoarele valori pentru momentele reduse reale (cu frecare) şi pentru raportul de transmitere a momentelor reale: Ta = +1,

T1 =1/ [i03(η03)x3 + i02(η01)

x1(η02)x2] =

=1/[(-20/22)(0,94)-1+(20/23)(0,8836)+1(0,94)+1]=

= ‒ 4,0837,

T3 = T1(η01)x1 = ‒4,0837(0,8836)+1 = ‒3,6083,

T4 = ‒T3 = +3,6083,

In the conditions of the considered numerical values, the following values for the theoretical reduced torques (without friction) and for the transmission ratio of the theoretical torques are obtained (in order to avoid confusion, the reduced torques without friction were denoted italic): Ta = Ta = +1,

T1 = 1/ (i02 + i03) = 1 / (+20/23 ‒ 20/22) = = ‒506/20 = ‒25.3,

T3 = T1 = ‒25.3,

T4 = ‒T3 = ‒T1 = +25.3,

T7 = ‒T1 = +25,3,

T6 = T1i03 = (‒506/20)( ‒20/22) = +23,

T5 = T1i02 = (‒506/20)(+20/23) = ‒22,

TH = ‒T1 (1 + 1) = +50.6,

i*a,H = ‒TH /Ta = ‒50.6 = ia,H. (A.3.6) Therefore, in theoretical conditions (without friction), the analyzed reducer reduces the input speed 50.6 times and amplifies the same number of times the input torque; in other words, the torques transmission ratio i*a,H coincides to the transmission ratio of the angular speeds ia,H.

With the previous values for the theoretical reduced torques, the following values for the exponents x1, x2 and x3 are obtained: x1 = sgn(ω1,H T1) = sgn [(ω1‒ωH)T1] =

= sgn[(‒20/22 + 1/50.6)(‒25.6)] =

= +1 ω1,HT1 > 0;

x2 = sgn(ω4T4) = sgn[(+20/23)(+25.3)] =

= +1 ω4T4 > 0;

x3 = sgn(ω7T7) = sgn[(‒20/22)(+25.3)] =

= ‒1 ω7T7 < 0. (A.3.7)

Taking into account the values of the exponents x1, x2 and x3, the following values for the real reduced torques (with friction) and for the real torques’ transmission ratio, are obtained: Ta = +1,

T1 =1/ [i03(η03)x3 + i02(η01)

x1(η02)x2] =

=1/[(-20/22)(0.94)-1+(20/23)(0.8836)+1(0.94)+1]=

= ‒ 4.0837,

T3 = T1(η01)x1 = ‒4.0837(0.8836)+1 = ‒3.6083,

T4 = ‒T3 = +3.6083,

264

T7 = ‒T1 = +4,0837,

T6 = T1i03(η03)x3 = ‒4,0837(‒20/22)(0,94)-1 =

= +3,9494,

T5 = T1i02(η01)x1(η02)

x2 =

= ‒4,0837(+20/23)(0,8836)+1(0,94)+1 = ‒2,9494,

TH = ‒T1[1+ (η01)x1] = 4,0837[1+(0,8836)+1] =

= + 7,6920,

i*a,H = ‒TH / Ta = ‒7,6920 ≠ ia,H = ‒ωa /ωH =

= ‒50,6. (A.3.8)

Comparând valorile (A.3.6) cu (A.3.8), se constată că, prin intervenţia frecării, semnele momentelor reduse rămân neschimbate, dar modulele acestora se diminuează drastic.

Aşadar, în condiţii reale (cu frecare), reductorul analizat reduce turaţia de intrare de 50,6 ori şi amplifică momentul de intrare de numai 7,692 ori! Cu alte cuvinte, datorită intervenţiei frecării, modulul raportului de transmitere a momentelor devine mult mai mic decât modulul raportului de transmitere a vitezelor: |i*a,H| < |ia,H|.

A.3.4. Modelarea circulaţiei de putere şi a randamentului

Pe baza valorilor numerice obţinute pentru vitezele unghiulare reduse (rel. A.3.3) şi pentru momentele reduse (rel. A.3.6 şi respectiv A.3.8), poate fi determinată atât circulaţia teoretică a puterii (fără frecare), cât şi circulaţia reală a puterii (cu frecare). Din relaţiile (A.3.3) şi (A.3.6) se obţin următoarele valori pentru ramurile circulaţiei teoretice de putere: ω5T5 = (+1)(‒22) = ‒ 22 < 0

(putere de ieşire pentru unitatea 2); ω4T4 = (+20/23)(+25,3) = + 22 > 0

(putere de intrare pentru unitatea 2); ω6T6 = (+1)(+23) = + 23 > 0

(putere de intrare pentru unitatea 3); ω7T7 = (‒ 20/22)(+25,3) = ‒ 23 < 0

(putere de ieşire pentru unitatea 3); ω1T1 = (‒ 20/22)(‒25,3) = + 23 > 0

(putere de intrare pentru unitatea 1); ω3T3 = (+20/23)(‒25,3) = ‒ 22 < 0

(putere de ieşire pentru unitatea 1); ωHTH = (‒1/50,6)(+50,6) = ‒ 1 < 0

(putere de ieşire pentru unitatea 1); (A.3.9)

T7 = ‒T1 = +4.0837,

T6 = T1i03(η03)x3 = ‒4.0837(‒20/22)(0.94)-1 =

= +3.9494,

T5 = T1i02(η01)x1(η02)

x2 =

= ‒4.0837(+20/23)(0.8836)+1(0.94)+1 = ‒2.9494,

TH = ‒T1[1+ (η01)x1] = 4.0837[1+(0.8836)+1] =

= + 7.6920,

i*a,H = ‒TH / Ta = ‒7.6920 ≠ ia,H = ‒ωa /ωH =

= ‒50.6. (A.3.8) Comparing the values (A.3.6) and (A.3.8), it is detected that, by introducing friction, the signs of the reduced torques remain unmodified but their modules are diminishing drastically.

Thus, in real conditions (with friction), the analyzed reducer reduces the input speed 50,6 times and amplifies the input torque 7,692 times! In other words, due to friction, the module of the torques’ transmission ratio becomes much smaller than the module of the speed transmission ratio: |i*a,H| < |ia,H|. A.3.4. Modeling of the power circulation and efficiency On the basis of the obtained values for the reduced angular speeds (rel. A.3.3) and for the reduced torques (rel. A.3.6 and, respective A.3.8), there can be established the power theoretical circulation (without friction) and the power real circulation (with friction). The following values for the branches of the power theoretical circulation are obtained from relations (A.3.3) and (A.3.6): ω5T5 = (+1)(‒22) = ‒ 22 < 0

(output power for unit 2); ω4T4 = (+20/23)(+25.3) = + 22 > 0

(input power for unit 2); ω6T6 = (+1)(+23) = + 23 > 0

(input power for unit 3); ω7T7 = (‒ 20/22)(+25.3) = ‒ 23 < 0

(output power for unit 3); ω1T1 = (‒ 20/22)(‒25.3) = + 23 > 0

(input power for unit 1); ω3T3 = (+20/23)(‒25.3) = ‒ 22 < 0

(output power for unit 1); ωHTH = (‒1/50.6)(+50.6) = ‒ 1 < 0

(output power for unit 1); (A.3.9)

265

pe baza acestor valori, s-a ilustrat circulaţia teoretică de putere din fig. A.3.2,a, care evidenţiază existenţa unei circulaţii de putere, în circuit închis, de 22 de ori mai mare decât puterea de intrare. În mod analog, din relaţiile (A.3.3) şi (A.3.8) se obţin următoarele valori pentru ramurile circulaţiei reale de putere:

ω5T5 = (+1)(‒ 2,9494) = ‒ 2,9494 < 0

(putere de ieşire pentru unitatea 2); ω4T4 = (+20/23)(+3,6083) = + 3,1376 >0

(putere de intrare pentru unitatea 2); ω6T6 = (+1)(+3,9494) = + 3,9494>0

(putere de intrare pentru unitatea 3); ω7T7 = (‒ 20/22)(+4,0837) = ‒ 3,7124 <0

(putere de ieşire pentru unitatea 3); ω1T1 = (‒ 20/22)(‒ 4,0837) = +3,7124 >0

(putere de intrare pentru unitatea 1); ω3T3 = (+20/23)(‒3,6083) = ‒ 3,1376 <0

(putere de ieşire pentru unitatea 1); ωHTH = (‒1/50,6)(+7,6920) = ‒ 0,1520 <0

(putere de ieşire pentru unitatea 1); (A.3.10)

pe baza acestor valori, s-a calculat randamentul reductorului:

ηa,H = (‒ωH TH)/( ωaTa) = (‒ωHTH) /1 =

= + 0,152 = 15,20% (A.3.10) şi s-a ilustrat circulaţia reală de putere din fig. A.3.2, b, care evidenţiază existenţa unei circulaţii de putere, în circuit închis, de 2,9494 de ori mai mare decât puterea de intrare. Se constată, de asemenea (v. fig. A.3.2,b), că modulul puterii de ieşire este net mai mic decât modulul sumei puterilor pierdute prin frecare, în cele trei unităţi componente. A.3.5. Concluzii 1°. În condiţiile exemplului numeric consi-derat, reductorul Vaucanson (fig. A.3.1) este caracterizat prin următoarele proprietăţi:

a) este un mecanism planetar mono-mobil, cu o intrare şi o ieşire, care are un grad de complexitate relativ redus;

b) transmite turaţia de la intrare la ieşire, în condiţiile reducerii acesteia de 50,6 ori;

on the basis of these values, it was illustrated the power theoretical circulation from Fig. A.3.2,a, which highlights the existence of a power circulation in closed circuit, 22 times bigger than the input power. Analogous, from relations (A.3.3) and (A.3.8) there are obtained the following values for the branches of the power real circulation:

ω5T5 = (+1)(‒ 2.9494) = ‒ 2.9494 < 0

(output power for unit 2); ω4T4 = (+20/23)(+3.6083) = + 3.1376 >0

(input power for unit 2); ω6T6 = (+1)(+3.9494) = + 3.9494>0

(input power for unit 3); ω7T7 = (‒ 20/22)(+4>0837) = ‒ 3.7124 <0

(output power for unit 3); ω1T1 = (‒ 20/22)(‒ 4.0837) = +3.7124 >0

(input power for unit 1); ω3T3 = (+20/23)(‒3.6083) = ‒ 3.1376 <0

(output power for unit 1); ωHTH = (‒1/50.6)(+7.6920) = ‒ 0.1520 <0

(output power for unit 1); (A.3.10)

on the basis of these values the reducer efficiency was established:

ηa,H = (‒ωH TH)/( ωaTa) = (‒ωHTH) /1 =

= + 0.152 = 15.20% (A.3.10) and it was illustrated the power real circulation from Fig. A.3.2,b, which highlights the existence of a power circulation in closed circuit, 2.9494 times bigger than the input power. It is also detected that the module of the output power (see Fig. A.3.2,b) is much smaller than the module of the sum of the powers lost through friction, in the three component units. A.3.5. Conclusions 1°. In the conditions of the considered example, the Vaucanson’s reducer (Fig. A.3.1) is characterized through the following properties:

a) it is a 1 DOF planetary mechanism with one input and one output, which has a relative reduced degree of complexity;

b) it transmits the speed from input to output in the conditions of reducing it 50.6 times;

266

03i 01i

02i

1

3

4

5

6

7

H

22

23

22

23 22

1

1

a

03i 01i

02i

1

3

4

5

6

7

H

3,1376

3,7124

2,9494

3,9494 2,9494

0,1520

1

0,4228

0,1882

0,2370

a

a b

Fig.A.3.2. Circulaţia ramurilor de putere în reductorul planetar Vaucanson: a) schema circulaţiei

de putere, în premisa neglijării frecării; b) schema circulaţiei de putere, în premisa considerării frecării.

Fig. A.3.2. The circulation of the power branches in the Vaucanson’s planetary reducer: a) the

scheme of the power circulation, while neglecting friction; b) the scheme of the power circulation, while

considering friction.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

22 26 30 34 38 42 46 50

|rap.tr.vit.| rand.min.% rand.max.%

z4

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

|rap.tr.vit.| 0,1*rand.max.

z=z5=z6

a b

Fig. A.3.3. Diagramele de variaţie ale modulului raportului de transmitere |ia,H| (notat |rap.tr.vit|)

şi randamentului ηa,H: a) în funcţie de numărul de dinţi z4 (diagrama rand.min. s-a obţinut în premisa că

η01 = 0.942 ≅ 0,883 şi η02 = η03 = 0,94, iar diagrama rand.max. s-a obţinut în premisa că η01 = 0.98

2 ≅

0,96 şi η02 = η03 = 0,98); b) în funcţie de numărul de dinţi z = z5 = z6.

Fig. A.3.3. The diagrams for the variation of the transmission ratio module |ia,H| (noted

|rap.tr.vit|) and of the efficiency ηa,H: a) in terms of the teeth number z4 (the diagram

rand.min.=minimum efficiency was obtained in the premise that η01 = 0.942 ≅ 0.883 and η02 = η03 = 0.94,

and the diagram rand.max.=maximum efficiency was obtained in the premise that η01 = 0.982 ≅ 0.96 and

η02 = η03 = 0.98); b) in terms of the teeth number z = z5 = z6.

267

c) transmite puterea, de la intrare la ieşire, cu un randament redus (de 15,20%), cauzat de circulaţia de putere în circuit închis, care depăşeşte de 2,9494 ori puterea de intrare (v. fig. A.3.2,b); datorită randamentului redus, transmiterea momentului de la intrare la ieşire se realizează cu o amplificare diminuată: de numai 7,692 ori, în loc de 50,6 ori !

2°. Pentru o mai bună evidenţiere a corelaţiei dintre raportul de transmitere a vitezelor (considerat în modul: |ia,H|) şi randament (ηa,H), în fig. A.3.3,a s-au trasat diagramele de variaţie ale acestor mărimi (|rap.tr.vit.| şi rand.min.), în funcţie de numărul de dinţi z4 (v. fig. A.3.1,b); conform fig. A.3.3,a, creşterea raportului |ia,H| este însoţită de reducerea randamentului şi reciproc: cu reducerea raportului |ia,H|, randamentul creşte.

3°. Pentru optimizarea randamentului, pot fi utilizate, separat sau combinat, următoarele modalităţi:

a) Utilizarea de angrenaje cu randamente maxime (deci, prelucrate foarte îngrijit); pentru a evidenţia acest aspect, în fig. A.3.3,a s-a trasat suprapus şi diagrama randamentului rand.max., obţinută în premisa că unităţile componente (v. fig. A.3.1,c şi d) au randamente interioare: maxime:

η01 = ηH1,3 ≅ ηH

3,1 = (0.98)2 ≅ 0,960,

η02 = η4,5 ≅ η5,4 ≅ 0,98 şi

η03 = η7,6 ≅ η6,7 ≅ 0,98.

Analiza comparativă a diagramelor rand.min şi rand.max, (fig. A.3.3,a) arată că, în cazul secund, randamentele sunt net mai bune.

b) Reducerea numărului de angrenaje, prin reconfigurarea structurală a reducto-rului planetar;

c) Înlocuirea lanţului cinematic de închidere 4‒5 ≡ 6‒7, din fig. A.3.1,b, printr-un sistem format din două maşini electrice, dintre care una funcţionează ca motor şi cealaltă ca generator.

d) Identificarea numărului optim de dinţi z = z5

= z6 (fig. A.3.1,b); conform fig. A.3.3, b, se observă că prin modificarea numărului de dinţi z, randamentul rămâne nemodificat, în timp ce raportul de transmitere are o variaţie semnificativă.

c) it transmits the power from input to output with a reduced efficiency (15.20 %), caused by the power circulation in closed circuit, which exceeds 2.9494 times the input power (see Fig. A.3.2,b); due to the reduced efficiency, the torque is transmitted from input to output with a diminished amplification: of only 7.692 times, instead of 50.6 times!

2°. For a better highlighting of the correlation between the speeds transmission ratio (considered in module: |ia,H|) and the efficiency (ηa,H), in Fig. A.3.3,a there were plotted the diagrams of variation for these parameters (|rap.tr.vit.| and rand.min.), in terms of the teeth number z4 (Fig. A.3.1,b); according to Fig. A.3.3,a, the increase of the ratio |ia,H| is accompanied by the efficiency reduction and reciprocally: while the ratio |ia,H| is reducing, the efficiency is increasing.

3°. The following modalities can be used, separately or combined, for the efficiency optimization:

a) Use of gear pairs with maximum efficiencies (processed very careful); in order to highlight this aspect, in Fig. A.3.3,a it was superposed the diagram of the efficiency rand.max. = maximum efficiency, obtained in the premise that the component units (Fig. A.3.1,c and d) have maximum interior efficiencies:

η01 = ηH1,3 ≅ ηH

3,1 = (0.98)2 ≅ 0.960,

η02 = η4,5 ≅ η5,4 ≅ 0.98 and

η03 = η7,6 ≅ η6,7 ≅ 0.98.

The comparative analysis of the diagrams rand.min. and rand.max. (Fig. A.3.3,a) shows that, in the second case, the efficiencies are much better.

b) Reduction of the number of gear pairs, by a structural reconfiguration of the planetary reducer;

c) Replacement of the closing kinematical chain 4‒5 ≡ 6‒7, from Fig. A.3.1,b, through a system consisting of two electrical machines, one of which works as motor and one as generator.

d) Identification of the optimum number of teeth z = z5 = z6 (Fig. A.3.1,b); according to Fig. A.3.3, b, by modifying the teeth number z, the efficiency remains unmodified, while the transmission ratio has a significant variation.

268

ANEXA A.4. ASUPRA METODEI TRIZ (TEORIA REZOLVĂRII PROBEMELOR DE INVENTICĂ)

Prelucrare după G. Mazur [23] şi G. Dieter & L. Schmidt [2]

Problemele inginereşti pot fi, în general, de două tipuri: probleme cu soluţii cunoscute şi probleme cu soluţii necunoscute. Uzual, problemele de primul tip pot fi rezolvate pe baza rezultatelor prezentate în cărţi sau alte surse tehnice: o problemă dată este redusă la o problemă similară anterioară, din soluţia anterioară derivând o soluţie particulară a noii probleme. Al doilea tip de pobleme, denumite comun probleme de inventică, se caracterizează uzual prin cerinţe contradictorii. Rezolvarea modernă a aceastor probleme aparţine domeniului psihologiei; de exemplu, sunt abordate de obicei metode cum ar fi brainstorming şi încercare-eroare. Dar, pe de o parte, instrumentele psihologice ca intuiţia si experienţa sunt greu de transmis altor persoane. Pe de altă parte, inerţia psihologică conferă, de obicei, un caracter aleatoriu şi conduce, mai ales, la dezvoltarea propriei experienţe. În urma prelucrării de brevete, inginerul rus G. Altshuller şi echipa sa au elaborat o teorie inovatoare de soluţionare a problemelor inginereşti, bazată pe tehnologie (şi nu pe psihologie); această teorie a inoventicii este: a) o procedură sistematică (în paşi); b) un ghid de utilizare a unei baze largi de soluţii; c) reproductibilă şi independentă faţă de instrumentele psihologice; d) deschisă faţă de baza de cunoştinţe de inventică; e) furnizoare către baza de cunoştinţe de inventică; f) practicabilă de inventatori urmând abordarea generală aferentă soluţionării problemelor de primul tip. Altshuller şi echipa sa au observat, în studiul lor, că multe brevete descriu soluţii care rezolvă anumite contradicţii; de aceea, ei au clasificat soluţiile pe cinci niveluri:

1. Aproximativ 32% din probleme au fost rezolvate prin aplicarea de metode de specialitate bine cunoscute, fără a utiliza idei de inventică veritabile;

APPENDIX A.4. ON THE TRIZ METHOD (THEORY OF INVENTIVE PROBLEM SOLVING)

A processing after G. Mazur [23] and G. Dieter & L. Schmidt [2]

Two engineering problem types can be generally distinguished: problems with known solutions and problems with unknown solutions. The first problem type can be usually solved by means of the results found in books or other technical sources: a certain problem is elevated to a similar previous problem and from previous solution comes a certain solution to the new problem. The second type of problem, called commonly inventive problem, has usually contradictory requirements. This problem solving has modernly fallen into the psychology field; for instance, methods such as brainstorming and trial-error are usually approached. But, on one side, psychological tools as intuition and experience are hard to transmit to other people. On the other side, psychological inertia gives usually randomness and leads especially to own experience. Using the patents’ processing, Russian engineer G. Altshuller and his team elaborated an innovative theory, to find solutions of the engineering problems, based on technology (not on psychology); this theory of invention is: a) a systematic procedure (in steps); b) a guide to a broad solution base; c) reproducible and independent of psychological tools; d) open to the inventive knowledge base; e) supplier to the inventive knowledge base; f) practicable for inventors by following the general approach afferent to the solving of the problems of first type. Altshuller and his team observed, in their study, that many patents describe solutions that resolved certain contradictions; that’s why, they divided the solutions into five levels:

1. About 32% problems solved by well known specialty methods and used no veritable invention ideas;

269

2. Aproximativ 45% din probleme au fost rezolvate prin îmbunătăţiri minore ale sistemelor existente (cu unele compromisuri), prin aplicarea unor metode industriale cunoscute;

3. Aproximativ 18% dintre soluţii reprezintă îmbunătăţiri semnificative ale sistemelor existente, cu contradicţii rezolvate prin aplicarea de metode cunoscute în afara industriei;

4. Aproximativ 4% dintre soluţii utilizează noi principii (în special din ştiinţă) pentru realizarea principalelor funcţii ale sistemului;

5. Aproximativ 1% din soluţii aduce o invenţie de pionierat a unui nou sistem;

Altshuller şi echipa sa au descoperit, de asemenea, faptul că aproximativ 95% din problemele de inginerie au fost anterior rezolvate. Această teorie de rezolvare a problemelor de inventică, elaborată prin intermediul problemelor, contradicţiilor şi soluţiilor extrase din analiza brevetelor, a fost denumită de către Altshuller TRIZ. Teoria TRIZ are câteva legi şi una dintre ele este Legea Creşterii Idealităţii care spune că un sistem tehnic evoluează spre creşterea gradului său de idealitate (definit ca raport între suma efectele utile ale sistemului şi suma efectelor sale nocive). De obicei, atunci când o anumită îmbunătăţire se realizează concomitent cu creşterea unui efect dăunător, se impune realizarea unui compromis; insă, Legea Idealităţii direcţionează proiectarea pentru eliminarea oricăror compromisuri sau contradicţii; de exemplu, evoluţia de la ceasul mecanic cu arc la ceasul electronic cu cristale de cuarţ reprezintă o tendinţă de migrare spre idealitate. Identificarea problemei inginereşti a unui sistem: trebuie studiate, pentru sistemul considerat, mediul său de operare, cerinţele de resurse, funcţia utilă principală, efectele dăunătoare. Apoi, problema este reformulată prin intermediul contradicţiilor fizice: există contradicţii tehnice care ar putea determina compromisuri?

2. About 45% problems solved by minor improvements of existing systems (with some compromises) by means of industrial known methods;

3. About 18% of the solutions bring meaningful improvements to existing systems, with resolved contradictions, by means of known methods outside the industry;

4. About 4% of the solutions use new principles (especially from science) to achieve the main system functions;

5. About 1% of the solutions bring a pioneering invention of a new system;

Altshuller and his team found also out that about 95% of the engineering problems were solved somewhere before. This theory of inventive problem solving, elaborated by means of the problems, contradictions, and solutions extracted from patents’ analysis, was named TRIZ by Altshuller. The theory of TRIZ has some laws and one of them is the Increasing Ideality Law which says that a technical system evolves towards increasing its ideality degree (defined as ratio between the useful effects’ sum of the system and its harmful effects’ sum). Usually, when a certain improvement increases implicitly a harmful effect, a trade-off is made; but the Law of Ideality drives the design to eliminate any trade-offs or contradictions; for instance, the watch evolution from mechanical spring-driven to electronic quartz crystal is a trend of moving towards ideality. The engineering problem of a system is identified: for the considered system, its operating environment, resource requirements, primary useful function, harmful effects must be studied. Then, the problem is reformulated by means of physical contradictions: are there technical contradictions that might force trade-offs?

270

Altshuller a identificat, din aproximativ 2 milioane de brevete din întreaga lume, următoarele 39 caracteristici tehnice (numite Parametri Inginereşti), care pot genera contradicţii [2; 23]: 1. Greutatea obiectului în mişcare 2. Greutatea obiectului staţionar 3. Lungimea obiectului în mişcare 4. Lungimea obiectului staţionar 5. Aria obiectului în mişcare 6. Aria obiectului staţionar 7. Volumul obiectului în mişcare 8. Volumul obiectului staţionar 9. Viteză 10. Forţă 11. Tensiune, presiune 12. Formă 13. Stabilitatea obiectului 14. Rezistenţă 15. Durabilitatea obiectului în mişcare 16. Durabilitatea obiectului staţionar 17. Temperatură 18. Strălucire 19. Energie consumată de către obiectul în

mişcare 20. Energie consumată de către obiectul

staţionar 21. Putere 22. Pierderea energetică 23. Deşeuri de substanţe 24. Pierdere de informaţii 25. Pierdere de timp 26. Cantitatea de substanţă 27. Fiabilitate 28. Precizia de măsurare 29. Precizia de fabricaţie 30. Factori nocivi care acţionează asupra

obiectului 31. Efecte nocive secundare 32. Prelucrabilitate 33. Uşurinţă în utilizare 34. Depanabilitate 35. Adaptabilitate 36. Complexitatea dispozitivului 37. Complexitatea controlului 38. Nivelul de automatizare 39. Productivitate

Altshuller indentified from about 2 millions world patents the following 39 technical features (named Engineering Parameters) that can generate contradictions [2; 23]:

1. Weight of moving object 2. Weight of nonmoving object 3. Length of moving object 4. Length of nonmoving object 5. Area of moving object 6. Area of nonmoving object 7. Volume of moving object 8. Volume of nonmoving object 9. Speed 10. Force 11. Tension, pressure 12. Shape 13. Stability of object 14. Strength 15. Durability of moving object 16. Durability of nonmoving object 17. Temperature 18. Brightness 19. Energy spent by moving object

20. Energy spent by nonmoving object

21. Power 22. Waste of energy 23. Waste of substance 24. Loss of information 25. Waste of time 26. Amount of substance 27. Reliability 28. Accuracy of measurement 29. Accuracy of manufacturing 30. Harmful factors acting on object

31. Harmful side effects 32. Manufacturability 33. Convenience of use 34. Repairability 35. Adaptability 36. Complexity of device 37. Complexity of control 38. Level of automation 39. Productivity

271

Altshuller a identificat, de asemenea, din analiza brevetelor, următoarele 40 principii ale inventicii, utile inginerilor pentru găsirea de soluţii inovative [2; 23]: 1. Segmentare (descompune un obiect în componente independente; realizează obiecte uşor demontabile);

2. Extracţie (separă/extrage o anumită componentă/proprietate a unui obiect);

3. Calitate locală (asigură fiecărei componente a obiectului condiţiile cele mai favorabile pentru funcţionarea acestuia; componente diferite ale obiectului îndeplinesc funcţii diferite);

4. Asimetrie (introduce asimetria sau creşte gradul de asimetrie);

5. Combinare (combină obiecte omogene sau obiecte destinate operaţiunilor contigue; combină în timp operaţiuni omogene sau contigue);

6. Universalitate (obiectul îndeplineşte mai multe funcţii);

7. Incluziune (conţine obiectul în interiorul altui obiect, care, la rândul său, este plasat în interiorul unui alt obiect; trece un obiect printr-o cavitate a unui alt obiect);

8. Contragreutate (compensează greutatea obiectului prin cuplarea cu un alt obiect care generează o forţă de ridicare; compensează greutatea unui obiect prin interacţiune cu un mediu furnizând forţe aerodinamice sau hidrodinamice);

9. Contra-acţiune anticipată (efectuează o contra-acţiune în avans; dacă obiectul este tensionat, realizează în avans acţiuni de anti-tensionare);

10. Acţiune anticipată (realizează în avans toată sau o parte a acţiunii necesare; aranjează obiectele astfel încât acestea să poată intra în acţiune în timp util şi dintr-o poziţie convenabilă);

11. Prevenire (compensează fiabilitatea relativ scăzută a unui obiect prin măsuri de combatere luate în avans);

12. Echipotenţialitate (schimbă condiţiile de lucru astfel încât să nu fie nevoie ca un obiect să fie ridicat sau coborât);

Altshuller also identified from the patents the following 40 inventive principles that will help an engineer find an inventive solution [2; 23]:

1. Segmentation (Divide an object into independent parts; make an object easy to disassemble);

2. Extraction (Separate a certain part or property from an object);

3. Local Quality (Place each part of the object under conditions most favorable for its operation; Have different parts of the object carry out different functions);

4. Asymmetry (Introduce an asymmetrical one or increase the degree of asymmetry);

5. Combining (Combine homogeneous objects or objects destined for contiguous operations; Combine in time homogeneous or contiguous operations);

6. Universality (Have the object perform multiple functions)

7. Nesting (Contain the object inside another which, in turn, is placed inside a third object; Pass an object through a cavity of another object);

8. Counterweight (Compensate for the object's weight by joining with another object that has a lifting force; Compensate for the weight of an object by interaction with an environment providing aerodynamic or hydrodynamic forces);

9. Prior counter-action (Perform a counter-action in advance; If the object is under tension, provide anti-tension in advance);

10. Prior action (Carry out all or part of the required action in advance; Arrange objects so they can go into action in a timely matter and from a convenient position);

11. Cushion in advance (Compensate for the relatively low reliability of an object by countermeasures taken in advance);

12. Equipotentiality (Change the working conditions so that an object need not be raised or lowered);

272

13. Inversiune (pune în aplicare o acţiune opusă celei impuse de specificaţiile problemei; face imobilă o componentă mobilă a obiectului sau a mediului; face mobilă o componentă staţionară; întoarce obiectul cu susul în jos);

14. Sphericitate (înlocuieşte piese liniare sau suprafeţe plane cu cele curbe; înlocuieşte forme cubice cu forme sferice; utilizează spirale cu bile sau role; înlocuieşte o mişcare liniară cu mişcare de rotaţie; utilizează o forţă centrifugă);

15. Dinamicitate (adaptează automat un obiect sau mediului acestuia pentru performanţe optime în fiecare regim de funcţionare; descompune un obiect în elemente care îşi pot schimba poziţia, unul faţă de celălalt; transformă un obiect imobil în mobil sau interschimbabil);

16. Acţiune parţială sau exagerată (dacă este dificil să se obţină 100% dintr-un efect dorit, realizează ceva mai mult sau mai puţin pentru a simplifica major problema);

17. Trecerea la o nouă dimensiune (elimină problemele cu deplasarea liniară a unui obiect printr-o mişcare bidimensională; foloseşte un ansamblu de mai multe straturi de obiecte în loc de un singur strat);

18. Vibraţii mecanice (pune un obiect în oscilaţie; dacă există mişcare oscilatorie, creşte frecvenţa, chiar şi la nivel ultrasonic; utilizaţi frecvenţa de rezonanţă; utilizează piezovibratoare în loc de vibraţii mecanice; Utilizează vibraţii ultrasonice în conjucţie cu un câmp electromagnetic);

19. Acţiune periodică (înlocuieşte o acţiune continuă cu una periodică; dacă o acţiune este deja periodică, schimbă frecvenţa acesteia);

20. Continuitatea unei acţiuni utile (efectuează o acţiune în continuu, în cazul în care toate componentele unui obiect funcţionează la capacitate maximă; elimină mişcările inutile şi intermediare);

21. Rapiditate în operare (efectuează la viteze înalte operaţiunile periculoase sau riscante);

13. Inversion (Instead of an action dictated by the specifications of the problem, implement an opposite action; Make a moving part of the object or the outside environment immovable and the non-moving part movable; Turn the object upside-down)

14. Spheroidality (Replace linear parts or flat surfaces with curved ones; replace cubical shapes with spherical shapes; Use rollers, balls spirals; Replace a linear motion with rotating movement; utilize a centrifugal force);

15. Dynamicity (Make an object or its environment automatically adjust for optimal performance at each stage of operation; Divide an object into elements which can change position relative to each other; If an object is immovable, make it movable or interchangeable);

16. Partial or overdone action (If it is difficult to obtain 100% of a desired effect, achieve somewhat more or less to greatly simplify the problem);

17. Moving to a new dimension (Remove problems with moving an object in a line by two-dimensional movement; Use a multi-layered assembly of objects instead of a single layer);

18. Mechanical vibration (Set an object into oscillation; If oscillation exists, increase its frequency, even as far as ultrasonic; Use the resonant frequency; Instead of mechanical vibrations, use piezovibrators; Use ultrasonic vibrations in conjunction with an electromagnetic field);

19. Periodic action (Replace a continuous action with a periodic one; If an action is already periodic, change its frequency);

20. Continuity of a useful action (Carry out an action continuously, where all parts of an object operate at full capacity; Remove idle and intermediate motions);

21. Rushing through (Perform harmful or hazardous operations at very high speed);

273

22. Transformarea benefică a efectelor dăunătoare (utilizează factori dăunători sau efecte dăunătoare asupra mediului pentru a obţine un efect pozitiv; elimină un factor dăunător prin combinarea cu un alt factor dăunător; creşte intensitatea acţiunii dăunătoare, până când încetează să mai fie dăunătoare);

23. Feedback (introduce feedback-ul; dacă feedback-ul există deja, se inversează);

24. Mediator (foloseşte un obiect intermediar care să transfere sau să efectueze o acţiune; conectează temporar un obiect la altul, care este uşor de îndepărtat);

25. Auto-întreţinere (face ca obiectul să se auto-întreţină şi să efectueze operaţii suplimentare şi de reparaţie; utilizează deşeuri materiale şi energetice);

26. Copiere (utilizează o copie simplă şi ieftină în locul unui obiect complex, costisitor, fragil sau incomod în operare; înlocuiţi un obiect prin copia sa optică sau o imagine a acestuia; foloseşte scalarea pentru a reduce sau mări imaginea; înlocuieşte copiile optice vizibile cu cele în infraroşu sau ultraviolet);

27. Obiect ieftin şi de scurtă durată în locul celui scump şi de folosinţă îndelungată (înlocuieşte un obiect scump cu o colecţie de obiecte ieftine);

28. Înlocuirea unui sistem mecanic (înlocuieşte un sistem mecanic printr-un sistem optic, acustic sau olfactiv; utilizează un câmp electric, magnetic sau electromagnetic pentru interacţiunea cu obiectul; înlocuieşte câmpurile: câmpuri staţionare cu câmpuri în mişcare, câmpuri fixe cu cele care se schimbă în timp, câmpuri aleatoare cu câmpuri structurate; utilizează un câmp în conjuncţie cu particule feromagnetice);

29. Construcţii pneumatice sau hidraulice (înlocuieşte componentele solide ale unui obiect cu gaz sau lichid. Aceste componente pot folosi aerul sau apa pentru inflaţie sau utilizează perne de aer sau hidrostatice);

30. Membrane flexibile sau strat subţire (înlocuieşte construcţiile tradiţionale cu cele realizate din membrane flexibile sau strat subţire; izolează un obiect faţă de mediul său folosind membrane flexibile sau strat subţire);

22. Convert harm into benefit (Utilize harmful factors or environmental effects to obtain a positive effect; Remove a harmful factor by combining it with another harmful factor; Increase the amount of harmful action until it ceases to be harmful);

23. Feedback (Introduce feedback; If feedback already exists, reverse it);

24. Mediator (Use an intermediary object to transfer or carry out an action; Temporarily connect an object to another one that is easy to remove);

25. Self-service (Make the object service itself and carry out supplementary and repair operations; Make use of wasted material and energy);

26. Copying (Use a simple and inexpensive copy instead of an object which is complex, expensive, fragile or inconvenient to operate; Replace an object by its optical copy or image; A scale can be used to reduce or enlarge the image; If visible optical copies are used, replace them with infrared or ultraviolet copies);

27. Inexpensive, short-lived object for expensive, durable one (Replace an expensive object by a collection of inexpensive ones);

28. Replacement of a mechanical system (Replace a mechanical system by an optical, acoustical or olfactory system; Use an electrical, magnetic or electromagnetic field for interaction with the object; Replace fields: stationary fields with moving fields, fixed fields with those which change in time, random fields with structured fields; Use a field in conjunction with ferromagnetic particles);

29. Pneumatic or hydraulic construction (Replace solid parts of an object by gas or liquid. These parts can use air or water for inflation, or use air or hydrostatic cushions);

30. Flexible membranes or thin film (Replace traditional constructions with those made from flexible membranes or thin film; Isolate an object from its environment using flexible membranes or thin film);

274

31. Utilizarea de material poros (realizează un obiect poros sau adăuga elemente poroase; dacă un obiect este deja poros, umple porii în avans cu substanţă);

32. Schimbarea culorii (schimbă culoarea unui obiect sau a mediului său înconjurător; schimbă gradul de transluciditate a unui obiect sau proces dificil dpdv vizual; utilizează aditivi coloraţi pentru a observa obiecte sau procese dificile dpdv vizual; în cazul în care astfel de aditivi sunt deja utilizaţi, întrebuinţează urme luminescente sau elemente de marcare);

33. Omogenitate (realizează acele obiecte care interacţionează cu un obiect principal din acelaşi material sau material care este apropiat de aceasta în comportament);

34. Respingerea şi regenerarea pieselor componente (după ce şi-a finalizat funcţia sau a devinit inutil, respinge sau modifică un element al unui obiect; recondiţionează imediat orice piesă componentă a unui obiect epuizat sau ieşit din uz);

35. Transformarea fazelor fizice şi chimice ale unui obiect (schimbă starea de agregare a unui obiect, distribuţie de densitate, gradul de flexibilitate, temperatura);

36. Transformare de fază (implementarea unui efect dezvoltat în timpul fazei de tranziţie a unei substanţe);

37. Dilatare termică (foloseşte un material care se dilată sau contractă termic; utilizează diverse materiale cu coeficienţi diferiţi de dilatare termică);

38. Utilizeză oxidanţi puternici (înlocuieşte aerul normal cu aer îmbogăţit; înlocuieşte aerul îmbogăţit cu oxigen; tratează un obiect în aer sau în oxigen cu radiaţii ionizante; utilizează oxigen ionizat);

39. Mediu inert (înlocuieşte mediul normal cu unul inert; desfăşoară procesul în vid);

40. Materiale compozite (înlocuieşte un material omogen cu o unul compozit).

Altshuller a propus o Matrice a Contradicţiilor pentru a stabili care principii ale inventicii se utilizează: aceasta este o matrice patratică de dimensiune 39 linii şi 39 coloane, corespunzătoare celor 39 de Parametri Inginereşti presentati anterior (în această

31. Use of porous material (Make an object porous or add porous elements; If an object is already porous, fill the pores in advance with some substance);

32. Changing the color (Change the color of an object or its surroundings; Change the translucency degree of an object or processes which are difficult to see; Use colored additives to observe objects or processes which are difficult to see; If such additives are already used, employ luminescent traces or tracer elements);

33. Homogeneity (Make those objects which interact with a primary object out of the same material or material that is close to it in behavior);

34. Rejecting and regenerating parts (After it has completed its function or become useless, reject or modify an element of an object; immediately restore any part of an object which is exhausted or depleted);

35. Transformation of the physical and chemical states of an object (Change an object's aggregate state, density distribution, degree of flexibility, temperature);

36. Phase transformation (Implement an effect developed during the phase transition of a substance);

37. Thermal expansion (Use a material which expands or contracts with heat; Use various materials with different coefficients of heat expansion);

38. Use strong oxidizers (Replace normal air with enriched air; Replace enriched air with oxygen; Treat an object in air or in oxygen with ionizing radiation; Use ionized oxygen);

39. Inert environment (Replace the normal environment with an inert one; Carry out the process in a vacuum);

40. Composite materials (Replace a homogeneous material with a composite one).

Altshuller proposed a Contradiction Matrix to find which inventive principles to use: this is a square matrix with 39 rows and 39 columns, corresponding to the number of the above 39 Engineering Parameters (in this matrix, the X-axis is considered as undesired effects and

275

matrice, axa X este considerată axa efectelor nedorite şi axa Y – axa caracteristicilor de îmbunătăţit); fiecare celulă a matricei conţine lista principiilor adecvate, din cele 40 de Principii ale Inventicii, care permit depăşirea contradicţiei aferente. Un exemplu de matrice, preluat din [2], este prezentat în Fig. A.4.1. De obicei, pentru rezolvarea problemelor mai dificile, metodologia TRIZ utilizează instrumente mai precise, dintre care se reamintesc următoarele patru:

1) ARIZ (Algoritm de Rezolvare a Problemelor de Inventică) cu cinci paşi de bază: a) formularea problemei; b) modelarea problemei; c) analiza modelului; d) rezolvarea contradicţie fizice şi e) formularea soluţiei ideale.

2) Analiza Su-Câmp este de ajutor în identificarea deficienţelor de lucru. În cazul în care un obiect acţionează asupra unui alt obiect, obiectele sunt numite substanţe (Su) şi acţiunea un câmp (Câmp). Deci, acţiunile nedorite pot fi identificate prin intermediul unor câmpuri opuse sau amplificate.

3) EDP (Evoluţia Direcţionată a Produsului). Altshuller a stabilit opt modele de-a lungul timpului cu privire la evoluţia sistemelor tehnologice; prin intermediul acestor modele, care evidenţiază mai degrabă modul în care oamenii cred decât ceea ce cred ei, EDP acţionează ca o hartă a drumului în viitor şi poate inventa sistematic tehnologiile viitoare.

4) Software-ul TRIZ. Deoarece TRIZ foloseşte o bază de date extinsă (de brevete, principii, operatori, contradicţii etc.), poate ajuta inginerii proiectanţi în obţinerea de rezultate în timp util. Boris Zlotin şi Alla Zusman (amândoi studenţi ai fondatorului metodologiei, G. Altshuller), cu echipa lor americană de software, au elaborat o serie de pachete software pentru a ajuta inginerii proiectanţi în utilizarea TRIZ. În prezent, in lume sunt disponibile numeroase astfel de pachete software.

the Y-axis as features to improve); each matrix cell contain the list of the suitable principles, from the above 40 Inventive Principles, which can overcome the afferent contradiction.

A matrix extract, taken from [2], is exemplified in Fig. A.4.1. Usually, for more difficult problem solving, the TRIZ methodology uses more precise tools, from which the following four are reminded:

1) ARIZ (Algorithm for Inventive Problem Solving) with five basic steps: a) the problem formulation; b) the problem modeling; c) the model analysis; d) physical contradiction solving and e) ideal solution formulation.

2) Su-Field Analysis is helpful in identifying working failures. If one object acts on another object, the objects are called substances (Su) and the action a field (Field). So, undesirable actions can be identified by means of opposite or amplified fields.

3) DPE (Directed Product Evolution). Altshuller established eight patterns regarding over time evolution of the technological systems; by means of these patterns, which highlight how people think rather than what they think, DPE acts as a road map into the future and can systematically invent future technologies.

4) TRIZ Software. Because TRIZ uses a broad database (of patents, principles, operators, contradictions etc.), the software using can help design engineers to obtain timely results. Boris Zlotin and Alla Zusman (both students of the methodology founder, G. Altshuller), with their American software team, has elaborated a number of software packages to assist design engineers in TRIZ utilization. At present, many software packages are available in the world.

276

10. Forţă (Intensitate) / Force (Intensity)

8, 10, 18, 37

8, 10, 19, 35

17, 10, 4

28, 10

19, 30, 35, 2

1, 18, 35, 36

15, 35, 36, 37

2, 18, 37

13, 28, 15, 19

+

9. Viteză / Speed

2, 8,

15, 38

- 13, 4, 8

-

29, 30 4, 34

-

29, 4,

38, 34

- +

13, 28, 15, 12

8. Volumul obiectului staţionar / Volume of nonmoving object

-

5, 35, 14, 2

-

35, 8, 2, 14

- + -

2, 36, 18, 37

7. Volumul obiectului în mişcare / Volume of moving object

29, 2,

40, 28

-

7, 17, 4, 35

-

7, 14, 17, 4

- + -

15, 9,

12, 37

6. Aria obiectului staţionar / Area of nonmoving object

-

35, 30, 13, 2

-

17, 7,

10, 40

- + - -

1, 18, 36, 37

5. Aria obiectului în mişcare / Area of moving object

29, 17, 38, 34

- 15, 17, 4

- + -

1, 7, 4, 17

- 29, 30, 34

19, 10, 15

4.Lungimea obiectului staţionar / Length of nonmoving object

-

10, 1,

29, 35

- + -

26, 7, 9, 39

-

35, 8, 2, 14

- 28, 10

3. Lungimea obiectu-lui în mişcare / Length of moving object

15, 8,

29, 34

- + -

14, 15, 18, 4

-

1, 7, 4, 35

19, 14

13, 14, 8

17, 19, 9, 36

2. Greutatea obiectu-lui staţionar / Weight of nonmoving object

- + -

35, 28, 40, 29

-

30, 2,

14, 18

-

35, 10, 19, 14

-

18, 13, 1, 28

Pa

ram

etr

i Ing

ine

reşt

i deg

rad

ato

ri sa

u co

nfli

ctu

ali

(1-1

0)

/ De

gra

din

g E

ngin

eeri

ng P

aram

ete

rs (

1-1

0)

1. Greutatea obiectu-lui în mişcare / Weight of moving object

+

8, 15, 29, 34

2, 17, 29, 4

2, 26, 29, 40

-

2, 28, 13, 38

8, 1,

37, 18

1.

Gre

utat

ea o

bie

ctul

ui î

n m

işca

re /

W

eig

ht

of m

ovin

g ob

ject

2.

Gre

utat

ea o

bie

ctul

ui s

taţio

nar

/

We

igh

t of

non

mov

ing

obje

ct

3.

Lun

gim

ea

obie

ctu

lui î

n m

işca

re /

Le

ngt

h o

f mov

ing

obj

ect

4.

Lun

gim

ea

obie

ctu

lui s

taţio

nar

/

Le

ngt

h o

f non

mo

vin

g o

bje

ct

5.

Ari

a ob

iect

ulu

i în

miş

care

/

Are

a of

mo

vin

g o

bje

ct

6.

Ari

a ob

iect

ulu

i sta

ţiona

r /

Are

a of

no

nmov

ing

ob

ject

7.

Vo

lum

ul o

bie

ctu

lui î

n m

işca

re /

V

olu

me

of m

ovi

ng o

bje

ct

8.

Vo

lum

ul o

bie

ctu

lui s

taţio

na

r /

Vo

lum

e of

non

mov

ing

obje

ct

9.

Vite

ză /

Spe

ed

10

. F

orţ

ă (I

nte

nsi

tate

) /

For

ce (

Inte

nsi

ty)

MA

TR

ICE

A T

RIZ

A C

ON

TR

AD

ICŢ

IILO

R /

T

RIZ

CO

NT

RA

DIC

TIO

N M

AT

RIX

(cu

ce

lule

în

car

e su

nt î

nscr

ise

num

erel

e d

e o

rdin

e a

le p

rinc

ipiil

or

cu c

are

se p

ot

elim

ina

cont

rad

icţii

le a

fere

nte

/ w

hith

ce

lls

in w

hic

h th

ere

are

writ

ten

the

ord

er

num

bers

of t

he p

rinc

iple

s to

be

ap

plie

d to

e

limin

ate

the

aff

ere

nt c

ont

rad

ictio

ns)

Parametri Ingineresti de Ameliorat (1-10) / Improving Engineering Parameters (1-10)

Fig

. A

.4.1

. M

atri

ce T

RIZ

a c

on

trad

icţi

ilo

r (p

arţi

ală)

; p

relu

crar

e d

up

ă [2

] /

Fig

. A

.4.1

. (P

art

ial)

TR

IZ c

on

tra

dic

tio

n m

atr

ix;

pro

cess

ed a

fter

[2

]

277

BIBLIOGRAFIE / REFERENCES 1. CROSS, N. (The Open University, Milton Keynes, UK), Engineering Design Methods.

Strategies for Product Design, John Wiley & Sons, New York, 1994.

2. DIETER, G., SCHMIDT, L. (University of Maryland), Engineering Design, Mc Graw Hill, Boston, 2009.

3. DIACONESCU, D. (Transilvania University of Brasov), Conceptual Design of Products (in Romanian), Ed. Universitatii Transilvania din Brasov, 2005.

4. DUDIŢĂ, F., DIACONESCU, D. (Transilvania University of Brasov), Mechanisms’ structural optimization (in Romanian), Ed. Tehnică, Bucureşti, 1987.

5. DUDIŢĂ, F. et al. (Transilvania University of Brasov), Articulated mobile couplings (in Romanian), Ed. Orientul Latin, 2001.

6. DUDIŢĂ, F. et al. (Transilvania University of Brasov), Podo-morph mobile couplings (in Romanian), Ed. Trisedes Press, 2001.

7. DUBBEL, Taschenbuch für den Maschinenbau (Teil F), Springer Verlag, Berlin, 1995.

8. EHRLENSPIEL, K. (Technische Universität München), Konstruktionslehre I und II, Vorlesungen, Technische Universität München, 1989.

9. EHRLENSPIEL, K. (Techn. Universität München), Integrierte Produktentwicklung, Carl Hanser Verlag, München, 1995.

10. FRENCH, M. (Lancaster Univ., UK), Conceptual Design for Engineers, Springer, 1999.

11. HÜTTE, Engineer’s handbook. Fundamentals (Part K), Ed. Tehnică, Bucureşti, 1995.

12. KOLLER,R. (Technische Hochschule Aachen), Konstruktionslehre für den Maschinenbau, Springer Verlag, Berlin, 1994.

13. MILOIU, G. et al. (Transilvania University of Braşov), Modern mechanical transmissions (in Romanian), Ed. Tehnică, Bucureşti,1980.

14. NACHTIGALL, W. Konstruktionen. Biologie und Technik. VDI-Verlag, Düsseldorf.

15. OTTO, K.N. (Massachusetts Institute of Technology), WOOD, K.L. (University of Texas at Austin), Product Design, 2001 Prentice Hall, Upper Saddle River, New Jersey 07458.

16. PAHL, G. (Technische Hochschule Darmstadt) et al. Engineering Design, A Systematic Approach, Springer-Verlag London, 2007.

17. PUGH, S. (University of Strathclyde, UK), Total Design, Addison-Wesley Publishing Comp., Wokingham-England, 1997.

18. ROOZENBURG, N.F.M., EEKELS, J. (Delft University of Technology, The Netherlands), Product Design: Fundamentals and Methods, John Wiley & Sons, New York, 1996.

19. ULRICH, K., EPINGER, S. (Massachusetts Institute of Technology), Product Design and Development, McGraw-Hill, Inc. New York, 2008.

20. V.D.I. (Verein Deutscher Ingenieure) - Richtlinien 2221, 2222.

21. http://www2.unitbv.ro/LinkClick.aspx?link=Doctorat/Analiza_criteriala.ppt&tabid=300&mid=723 (Multi-criteria Analysis, Prof. S. BOBANCU).

22. http://www.johnstark.com

23. http://www.mazur.net/triz/index.html

24. www.wikipedia.org

Date post:	28-Dec-2015
Category:	Documents
Upload:	nina-ballerina
View:	142 times
Download:	26 times

design conceptual

Documents