6.3 Funktionenstruktur. 6.3 Funktionenstruktur 55

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1 6.3 Funktionenstruktur 55 Die Wirkmechanismen sind von mehreren Autoren in umfangreichen Katalogen systematisch gesammelt und dargestellt worden. Wegen des großen Umfangs und der Vielfalt dieser Konstruktionskataloge kann an dieser Stelle aber nur darauf verwiesen werden. Eine Funktion wird in der Technik immer durch einen Funktionsträger bewirkt, sie ist aus den folgenden Elementen zusammensetzt (Bild 6-4): Zustand: Beschreibung der Eigenschaften des Stoffs, der oder der Information beim Eingang und Ausgang in den Funktionsträger Operation: Eigenschaftsänderung, bewirkt durch den Funktionsträger, auch Prozess oder Verfahren genannt Relation: Darstellung der Beziehung zwischen Zuständen und Operationen (Verknüpfung, Ablaufwege). Diese Darstellungsweise gestattet es, die Lösung einer Aufgabenstellung aus einzelnen Bauelementen und ihren Relationen, ähnlich wie bei einem elektrischen Schaltplan oder dem Ablaufdiagramm eines Rechenprogramms auf dem Papier darzustellen. Man kann Varianten des Ablaufes und der Wirkmechanismen in dieser Funktionenstruktur zunächst theoretisch in allen ihren Konsequenzen darstellen und beurteilen, bevor man zum nächsten Schritt des Konstruktionsablaufes übergeht. Eigenschaften des Umsatzproduktes (Text oder Symbol) (Eingangszustand) (Ausgangszustand) Relation (Verbindung von der vorgelagerten Funktion kommend) Funktionseigenschaft (was bewirkt die Funktion) Relation (Verbindung zur folgenden Funktion führend) Bild 6-4 Darstellung der Elemente in der Funktionsstruktur (nach [4]) 6.3 Funktionenstruktur Strukturieren bedeutet, eine Aufgabenstellung nach geeigneten Gesichtspunkten zu gliedern. Durch die Strukturierung wird eine komplexe Gesamtaufgabe auf überschaubare Einzelaufgaben, die einfacher zu lösen sind, aufgeteilt. Man kann den Wesenskern einer Aufgabenstellung in wichtigere und nachgeordnete Einzelfunktionen aufteilen und Teilbereiche definieren, die in eine Reihenfolge der Bearbeitung eingeordnet werden können. An dieser Stelle ist es angebracht, die Bezeichnung Funktionenstruktur kurz zu erläutern. Es handelt sich um die in der VDI-Richtlinie 2803 verwendete Terminologie, in manchen Lehrbüchern wird auch das Wort Funktionsstruktur für den gleichen Sachverhalt verwendet. Es hat sich aber in der Wertanalyse der Begriff Funktionenstruktur eingebürgert, weil ja die Struktur (Zuordnung) der verschiedenen Funktionen zueinander gemeint ist und nicht die interne Struktur der einzelnen Funktionen (Wirkmechanismus).

2 56 6 Konzipieren Man kann verschiedene Gesichtspunkte bei der Strukturierung befolgen, der Einfachheit halber sollen hier aber nur funktionale Aspekte berücksichtigt werden, weil beim Konstruieren die Erfüllung von Funktionen Vorrang hat. Die Funktionenstrukturierung liegt auf der Schnittstelle zwischen Aufgabenklärung und Lösungssuche. Am Beispiel der Aufgabenstellung entsalzen kann gezeigt werden, wie sich die einzelnen Funktionen: zuleiten fördern entsalzen wie bei einem elektrischen Schaltplan zu einer einfachen Funktionenstruktur verknüpfen lassen (Bild 6-5). Anlage zur Entsalzung von Meerwasser (vereinfachtes Anordnungsschaubild) Motor 3~ Zuleitung Speicher für Pumpe Ansaugfilter Membranfilter (Umkehrosmose) Speicher für Meer Funktionenstruktur (Hauptumsatz Stoff, Nebenumsatz ) mechanische elektrische in mechanische wandeln elektrische elektrische bereitstellen Verunreinigungen ab fördern + p Druck erhöhen p 2 1 Salz von + Verunreinigungen (sauber) Bild 6-5 Funktionenstruktur für die Gesamtfunktion entsalzen

3 6.3 Funktionenstruktur 57 In der Abbildung sind die Funktionsträger und dazwischen die Zustände eingezeichnet. Für die Funktionsträger werden in der Regel Symbole verwendet, hier z. B. nach Bild 2-18, die Zwischenzustände werden meist weggelassen, dadurch wird die Übersichtlichkeit verbessert. Es ist außerdem zweckmäßig, die Funktionenstruktur zunächst nur für den Hauptumsatz des Systems aufzustellen. Hierbei handelt es sich um die elementare Tätigkeit, die es als Maschine, Apparat oder Gerät charakterisiert (Abschnitt Klassifikation technischer Systeme). Aufgrund der später noch zu erläuternden Arbeitsweise im Konstruktionsbereich (Strukturierung einer Stückliste, s. Kap. 8) und der Montage (vormontierbare Baugruppen) hat sich die Strukturierung nach so genannten Gruppen oder Ebenen am weitesten verbreitet. Man gliedert ein Produkt also entweder nach Funktions- oder Montagegesichtspunkten, wobei in der Praxis die Grenzen aus verschiedenen Gründen manchmal ineinander fließen können. Eine so entstandene Struktur ist in Bild 6-6 am Beispiel eines Fahrzeugantriebes, gemeinsam mit der Baustruktur, dargestellt. Bild 6-6 Teil der Baustruktur eines Fahrzeugantriebes, die Bezeichnungen in Klammern beschreiben die entsprechenden Funktionen [4] Man erkennt hier die zentrale Funktion (Wesenskern) des Verbrennungsmotors (umsatz) und die zur Erfüllung weiterer Teilaufgaben (vor- und nachgeordnet) erforderlichen Bauelemente (bzw. Funktionen). Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die kombinierte Darstellung von Bauelementen und Funktionen nach der Methodenlehre des Konstruktionsprozesses unüblich ist. Je nach der Art der Konstruktionsaufgabe (Neu- oder Anpassungskonstruktion) ist es empfehlenswert, die weitere Entwicklung der Funktionenstruktur unterschiedlich durchzuführen. Wenn lediglich die Veränderung eines bereits bekannten Systems gefordert ist, sind die Funktionen und auch ihre hierarchische Zuordnung bekannt und man geht von dieser Struktur (Istzustand) aus (Analyse). Wird eine Neukonstruktion gefordert, kennt man noch keine Struktur und man startet mit einer sequentiellen Aneinanderreihung der geforderten (oder erforderlichen) Funktionen und erstellt eine Sollstruktur (Synthese).

4 58 6 Konzipieren Funktionenbaum Diese, entsprechend der Systemtechnik gegliederte Struktur der Funktionen, ist hierarchisch aufgebaut. Bei ihrer Erstellung geht man möglichst, auch bei bekannten Systemen, von der abstrahierten, allgemein formulierten Gesamtaufgabe aus. Sind alle Ein- und Ausgangsgrößen (gegeben oder gefordert) bekannt, so lässt sich eine Gesamtfunktion angeben, die in weitere Teilfunktionen aufgegliedert werden kann (Bild 6-7). Bild 6-7 Bildung einer Funktionenstruktur durch Aufgliedern einer Gesamtfunktion in Teilfunktionen [15] Auch Teilfunktionen sind in der Regel noch weiter unterteilbar. Der hierarchischen Zuordnung der Funktionen entsprechend wurde eine Unterscheidung in Funktionenklassen eingeführt: Hauptfunktion, dient unmittelbar der Erfüllung der Gesamtfunktion. Bei einfacheren Systemen kann die Gesamtfunktion auch auf eine Hauptfunktion beschränkt sein. (z. B. in Bild 6-8 für den Verbrennungsmotor: chemische in mechanische wandeln ). Die Hauptfunktionen entsprechen meist den Festforderungen in der Anforderungsliste (z. B. in Tabelle 5-2 Nr. 4: Temperatureinstellung unabhängig vom Durchsatz und Druck ). Nebenfunktionen tragen unmittelbar zur Erfüllung der Gesamtfunktion bei (Hilfsfunktionen), sie sind nicht direkt einer Hauptfunktion zugeordnet. Es kann sich z. B. um die Wunschfunktionen der Anforderungsliste handeln (z. B. in Tabelle 5-2 Nr. 10: Als Wandarmatur umrüstbar ). Teilfunktionen sind solche Funktionen, deren Zusammenwirken eine Gesamtfunktion ergibt, sie sind dieser direkt abhängig zugeordnet (z. B. in Bild 6-8 alle Funktionen der zweiten Ebene zur Hauptfunktion). Gesamtfunktion ist die Gesamtwirkung aller ihr in der Funktionenstruktur untergeordneten Teilfunktionen (z. B. alle Funktionen in Bild 6-8 denen in der nächsten Ebene noch mehrere Funktionen direkt zugeordnet sind). Da Gesamtfunktionen auch Hauptoder Nebenfunktionen sein können, ist diese Kennzeichnung nicht eindeutig. Elementarfunktion ist die vorwiegend auf der untersten Hierarchiestufe angesiedelte, nicht mehr weiter unterteilbare, einzelne Funktion (z. B. in Bild 6-8: Bauteile fixieren ). Dieser Funktionenklasse sind die in Konstruktionskatalogen zusammengestellten, elementaren Operationen oder physikalischen Wirkprinzipien zugeordnet.

5 6.3 Funktionenstruktur 59 unerwünschte Funktion (s. Bild 6-9, UF ), unterteilt in vermeidbare und unvermeidbare unerwünschte Funktionen, sind Nebenwirkungen (ungewollt) der einzelnen Funktionen (z. B. in Bild 6-12: Wärme abstrahlen ). Vermeidbare unerwünschte Funktionen sind unnötige Funktionen, sie dürfen bei der angestrebten Sollstruktur nicht mehr vorkommen. Wendet man die hierarchische Ordnung auf das in Bild 6-6 gegebene Beispiel an, so kommt man zu der so genannten Baumstruktur in Bild 6-8. Die Gesamtfunktion (Hauptfunktion) für den Verbrennungsmotor aus Bild 6-6 ist hier in der für Funktionen empfohlenen (möglichst abstrakten) Form formuliert, die anderen Funktionenklassen sind ihr in den darunter liegenden Ebenen zugeordnet. chemische in mechanische wandeln Luft zuführen (leiten) Benzin zuführen (leiten) Verunreinigungen von Abgas leiten Benzin fördern Benzinleitung mit Tank verbinden Ruß von Abgas Auspuff mit Motor verbinden oder verbinden vergrößern mit Stoff zusammenführen Filtergehäuse fixieren Bauteile fixieren Bild 6-8 Einige Funktionen eines Verbrennungsmotors als Baumstruktur Die Darstellung der verschiedenen Ebenen der Funktionsklassen kann von oben nach unten oder von links nach rechts erfolgen. Wichtig für die Aufstellung der Funktionenstruktur ist die sprachlogische Hilfe beim Übergang von der höheren zu niedrigeren Ebene wie geschieht das? (Mittel), bei dem Übergang von unten nach oben warum geschieht das? (Zweck). Dadurch können die Einordnung der Funktionen leichter durchgeführt, oder noch nicht erkannte Funktionen gefunden werden. In Bild 6-8 geben z. B. alle Funktionen der zweiten Ebene an wie die Funktion der ersten Ebene chemische in mechanische wandeln realisiert werden soll. Umgekehrt wird deutlich, warum die Funktionen Bauteile fixieren und mit Stoff zusammenführen gebraucht werden, wenn man von der vierten Ebene zur dritten aufsteigt und dort die Funktion Benzin fördern findet Das FAST-Diagramm Wenn das zu konstruierende Objekt keinen Vorläufer hat, ist die Aufstellung einer Funktionenstruktur in hierarchischer Form zunächst nicht möglich. Bei bekannten Objekten erschwert