GPE Vorlesung 04 Systemdenken SS07

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Grundlagen der Produktentwicklung Maschine als System – Systemdenken SS 07 – Vorlesung 04 – 11.05.2007 P fD I Ud Li d Prof. Dr.-Ing. Udo Lindemann Lehrstuhl für Produktentwicklung Freitag 12:15 13:45 Uhr MW 2001 Freitag 12:15-13:45 Uhr, MW 2001 Sprechstunde Prof. Lindemann Donnerstag, 11:00-12:00 Uhr und nach Vereinbarung bitte anmelden! und nach Vereinbarung bitte anmelden! GPE_VO_04 SS07 - 1 © 2007 Prof. Lindemann © 2007 Prof. Lindemann

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Grundlagen der ProduktentwicklungMaschine als System – Systemdenken

SS 07 – Vorlesung 04 – 11.05.2007

P f D I Ud Li dProf. Dr.-Ing. Udo LindemannLehrstuhl für Produktentwicklung

Freitag 12:15 13:45 Uhr MW 2001Freitag 12:15-13:45 Uhr, MW 2001

Sprechstunde Prof. Lindemann Donnerstag, 11:00-12:00 Uhrund nach Vereinbarung – bitte anmelden!und nach Vereinbarung – bitte anmelden!

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Gliederung GPE

01 Einführung 20.04.0702 Methoden I 27.04.0703 Methoden II 04.05.0704 Maschine als System - Systemdenken 11.05.0705 Modellierung von Systemen 18 05 0705 Modellierung von Systemen 18.05.0706 Gestaltung – Grundregeln und Prinzipien 25.05.0707 Schäden im Maschinenbau 01.06.0708 Beanspruchung 08.06.0709 Bauteilfestigkeit 15.06.0710 Herstellgerechtes Konstruieren I 22.06.0711 Herstellgerechtes Konstruieren II 29.06.0712 Kostenzielorientiertes Entwickeln 06 07 0712 Kostenzielorientiertes Entwickeln 06.07.07

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Maschinen als System – Systemdenken

Systeme

SSystemhierarchische Betrachtung

Funktionsorientierte Betrachtung von Systemen

Systemanalyse

ZusammenfassungZusammenfassung

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Definition System

Ein System ist ein beliebiger Gegenstand des Denkens. Ein System ist eine Menge von Elementen und ihren Relationen mit klar definierter S t i i U f ld Al S t k di hi d tSystemgrenze in einem Umfeld. Als System kann man die verschiedensten Gesamtheiten ansehen:

– Prozess als Menge von Operationeng– Gegenstand als Menge seiner Bestandteile, seiner Eigenschaften oder

Funktionen

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Bestandteile eines Systems

Umfeld

Output ARelationen

Umfeld

Output ARelationen

Umfeld

Output ARelationen

Umfeld

Output ARelationen

Element 1Element 4Input

Output ARelationen

Output B

Element 1Element 4Input

Output ARelationen

Output B Element 3

Element 1Element 4Input

Output ARelationen

Output B

Element 1Element 4Input

Output ARelationen

Output B Element 3

Element 2Element 3

Output B

Element 2Element 3

Output B

Element 2Element 3

Output B

Element 2

Element 3 Output B

SystemgrenzeSystemgrenzeSystemgrenzeSystemgrenze

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Beispiel: Bestandteile des Systems Motor im PKW

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Komplexität

Die Komplexität eines Systems ist abhängig von:• Elementen

d A t d V hi d ti k it d El t– der Art und Verschiedenartigkeit der Elemente– der Anzahl der Elemente– der Ungleichmäßigkeit der Aufteilung der Elementeg g g

• Relationen– der Art und Verschiedenartigkeit der Relationen

d A hl d R l ti– der Anzahl der Relationen– der Ungleichmäßigkeit der Aufteilung der Relationen

• Dynamiky– der (Eigen-) Dynamik des Systems (Art und Anzahl der möglichen Zustände)

Zum Umgang mit Komplexität bedarf es einer Systematik:Zum Umgang mit Komplexität bedarf es einer Systematik:Systemdenken, Strukturierung, Systemanalyse, Modelle, …

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Grundprinzip des Systemdenkens

SystemdenkenDenkweise, die es unterstützt, komplexe Systeme verstehen und gestalten

zu könnenInsbesondere beinhaltet das Systemdenken:• Begriffe zur Beschreibung komplexer Gesamtheiten und Zusammenhänge• Begriffe zur Beschreibung komplexer Gesamtheiten und Zusammenhänge• modellhafte Ansätze, um reale komplexe Systeme zu veranschaulichen,

ohne sie unzulässig vereinfachen zu müssen• Ansätze, die das holistische / ganzheitliche Denken unterstützen

– System und Systemumfeldunterschiedliche Systemsichten– unterschiedliche Systemsichten

– unterschiedliche Abstraktionsgrade– etc.

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Zielsetzungen des Systemdenkens

• Erkennen von Zusammenhängen• Aufdecken von Widersprüchen• Definition von Freiräumen• Möglichkeiten der Vereinfachung und Wiederverwendung identifizieren

O ti i d I ti h kt fd k• Optimierungs- und Innovationsschwerpunkte aufdecken• Risiken minimieren und getroffene Entscheidungen dokumentieren

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Systemsichten

Übergeordnete SystemeSysteme

PKW-PKW-System

PKW-MotorPKW-Motor

Untergeordnete Systeme

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Systemhierarchische Betrachtung

SBLACK BOXInput Output System(Black Box)

Ziel:Verstehen des Systems• Systemabgrenzung

S 1 S2

• Umgang mit Komplexität

Systemhierarchie

S3

Systemhierarchie• Stufenweise Auflösung des

Systems in Subsysteme• Anwendung Blackbox auf

E2E1 E6 E7

verschiedenen Detaillierungsebenen

• Struktur des Systems

21 6 7

E3• Struktur des Systems• Blick auf das „Ganze“• Blick ins Detail

E4

E5

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Blackbox

P i

FarbeWärme

bedrucktes PapierPapier

Ziel:V t h d S t

System Druckmaschineelektrische

Wärme

Information

G ä h

Wasser

Verstehen des Systems• Systemabgrenzung • Umgang mit Komplexität

elektrischeEnergie

Reststoffe

Geräusch

Information

Blackbox Prinzip

• Reduktion der KomplexitätBlick auf das Ganze“

Blackbox Prinzip(umgebungsorientierte Betrachtungsweise):• Betrachtung von Input und Output• Struktur des System unbekannt (offen) • Blick auf das „Ganzey ( )• keine weitere Unterteilung von

Elementen des Systems

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Wichtige Zusammenhänge

BauzusammenhangAus welchen Bauteilen BaugruppenAus welchen Bauteilen, Baugruppen, Maschinen mit ihren zugehörigen Verbindungen besteht das System?

FunktionszusammenhangWie interagieren Elemente auf Funktionsebene?

Bedienkraft BremsmomentBremskraft erzeugen

Funktionsebene?

SystemzusammenhangWelche Interaktionen des technischenWelche Interaktionen des technischen Gebildes bestehen zu übergeordneten Systemen (Umgebung, Mensch)?

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Maschinen als System – Systemdenken

Systeme

SSystemhierarchische Betrachtung

Funktionsorientierte Betrachtung von Systemen

Systemanalyse

ZusammenfassungZusammenfassung

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Systemhierarchische Betrachtung am Beispiel einer Druckmaschine

• Bogenoffsetdruckmaschine bedruckt einzelne Bogen Papier (im Gegensatz zu Papier von der Rolle)

– arbeitet mit dem Offsetdruck- oder Flachdruck-Verfahren– wird eingesetzt für Druckarbeiten mit hohen Qualitätsanforderungen

• Ziel: Systemverständnis erlangen durch den schrittweisen Aufbau derZiel: Systemverständnis erlangen durch den schrittweisen Aufbau der Baustruktur nach dem Top Down Prinzip

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Systemhierarchische Betrachtung: Schritt 1

Schritt 1: Druckmaschine als Black Box betrachten

OutputInputDruckmaschine

bedrucktes Papier

InputPapier

„Maschine bedruckt Papier“

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Systemhierarchische Betrachtung: Schritt 2

Schritt 2: Identifikation größerer Baugruppen

Anleger Druckwerk AuslegerLackierwerk Trocknerg g

Wende-einrichtung

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Baugruppen einer Druckmaschine

D k hiDruckmaschine

AuslegerDruckwerk

Anleger

WendeeinrichtungLackierwerkTrockner

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Systemhierarchische Betrachtung: Schritt3

Schritt 3: Detaillierung ausgewählter BaugruppenSchritt 3: Detaillierung ausgewählter Baugruppen

Anleger Druckwerk AuslegerLackierwerk

Wende

Trockner

Wende-einrichtung

FarbwerkPl tt

KühlungPl tt

Feuchtwerk

Platten-zylinder

Platten-wechsel

Wasch-einrichtung

Gummituch-zylinder

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Bogenlauf

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Bauteile eines Druckwerks

Druckwerk

Platten-,G it hFarbwerk Gummituch-,Druckzylinder

Wasch-einrichtungen

FeuchtwerkPlatten-

g

Kühl

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Plattenwechsel

Kühlung

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Maschinen als System – Systemdenken

Systeme

SSystemhierarchische Betrachtung

Funktionsorientierte Betrachtung von Systemen

Systemanalyse

ZusammenfassungZusammenfassung

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Funktionsbegriff

DefinitionEine Funktion ist eine lösungsneutrale, als Operation beschriebene Beziehung zwischen Eingangs und Ausgangsgrößen eines SystemsBeziehung zwischen Eingangs- und Ausgangsgrößen eines Systems. Funktionen werden meist durch Kombination eines Substantivs mit einem Verb beschrieben.Neben technischen Aufgaben können Funktionen auch weitere Aufgaben, z. B. in Bezug auf Prestige oder Kosten eines Systems oder Prozesses abbilden. Bei der Beschreibung der Funktionen spielt der Mensch eineabbilden. Bei der Beschreibung der Funktionen spielt der Mensch eine wichtige Rolle. Es kann grundsätzlich zwischen unterschiedlichen Arten von Funktionen

t hi d dunterschieden werden:– Gesamtfunktionen lassen sich in Teilfunktionen gliedern.– Hauptfunktionen dienen direkt der Gesamtfunktion.– Nebenfunktionen tragen mittelbar zur Gesamtfunktion bei.– Störfunktionen erzeugen einen nicht gewünschten Output.

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Zielsetzung Funktionsmodellierung

• Funktionsmodellierung ist konkreter als die Black Box Betrachtung.• noch ausreichend abstrakt für lösungsneutrale Systembetrachtung

F kti t t i S t lt i li t f i i d hä fi i• Funktionen treten in Systemen selten isoliert auf; sie sind häufig in Wechselwirkungen vorzufinden.

• Unterschiedliche Zielsetzungen führen zu verschiedenen Formen der gFunktionsmodellierung:

– umsatzorientiert• Betrachtung des Energie- Stoff- oder SignalumsatzesBetrachtung des Energie , Stoff oder Signalumsatzes• flussorientierte Darstellung

– relationsorientiertBetrachtung der Relationen zwischen den Funktionen• Betrachtung der Relationen zwischen den Funktionen

• Darstellung von Zusammenhängen „verursacht“, „wird benötigt für“ und „wurde eingeführt um zu vermeiden“

nutzerorientiert– nutzerorientiert• Betrachtung der (Produkt-)Nutzer• lebenslauforientierte Darstellung

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Umsatzorientierte Funktionsmodellierung

Funktionale Beschreibung der Eigenschaftsänderungenvon Umsatzprodukten in Systemen

VorgehenEinsatzgebiet Vorgehen• Beschreibung der Eigenschaften des

Umsatzproduktes (Zustände)

Einsatzgebietgut geeignet zur Beschreibung technischer Systeme mit U t d kt( ) • Beschreibung der Eigenschaftsänderungen

des Umsatzproduktes (Operationen)Umsatzprodukt(en)

X1 X2Eigenschafts-

änderung

R l iR l i

Eingangszustand AusgangszustandOperation

RelationRelation

FunktionPapie

r Papier bedrucken bedrucktes Papier

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r p Papier

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Symbole, Relationen, Umsätze

S b lSymboleZustand

Arten von Relationen:

Operation

Arten von Relationen:

einfach wirkend

rückwirkend

ungerichtet

Energieumsatz

Umsatzarten

Stoffumsatz

Signalumsatz

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Betrachtung der Umsätze am Beispiel der DruckmaschineHauptumsatz StoffHauptumsatz Stoff• Farbe wird auf Papier gebracht,

das durch die Maschine geführt wird.• Elemente des Stoffumsatzes:

A l A l W d i i ht Z li dAnleger, Ausleger, Wendeeinrichtung, Zylinder

Nebenumsatz Energie• Antrieb der Zylinder etc.,

Energieversorgung derSteuerung

Nebenumsatz Information• Steuerungs-Software steuert

Antrieb, Druckplatten speichern Information ( Muster“)Steuerung

• Elemente des Energieumsatzes:Elektromotoren, Getriebe, Kupplungen, Lager, ...

(„Muster )• Elemente des Informationsumsatzes:

Rechner mit Netzwerkverbindung, Verstärker, Relais, Sensoren, Druckplatten etc.

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g , p

Betrachtung der Umsätze

Elemente eines Systems können je nach Funktion unterschiedliche Umsatzarten umsetzen (Bsp. Zahnrad)

UmsatzartProduktElement

StoffumsatzZahnradpumpe

Energieumsatz

Signalumsatz

Getriebe

Uhr

Zahnrad

g

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Beispiel: umsatzorientierte Funktionsstruktur ein Kaffeemaschine

SteigrohrWasserdampf nach

Heizelement

Wasserdampf l it

Wasser vorAustrittsöffnung Kaffeepulver

in Filter

Filterbehälterser

eln

fe

hen

Thermische Energiein Heizelement

leiten

FilterbehälterHeizelementB W

ass

wan

d

Sto

ffm

isch

Wasser undKaffeepulverin Filter

Wasser vorHeizelement

Zuleitung Filterpapier

Sto

ffe

trenn

en

Was

ser

leite

n

Kaffee inKanne

Kaffeesatz in FilterbehälterWasser kalt

im Behälter

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Hierarchisches Funktionsmodell am Beispiel „Bogenoffsetdruckmaschine“

• Funktionsmodelle können hierarchisch als Baumdiagramme (Funktionsbäume) aufgebaut werdenaufgebaut werden.

• Ausgehend von der Hauptfunktion werden dieser Teilfunktionen zugeordnet, die zur Erfüllung der Hauptfunktion notwendig sind

Farbe definiert auf Papier bringenErfüllung der Hauptfunktion notwendig sind.

• Diese Vorgehensweise wird für jede definierte Teilfunktion angewendet, bis der

ü ht D t illi d i htBogen

anlegenBogen

bedruckenPapier-

lauf...

gewünschte Detaillierungsgrad erreicht wurde.

• Funktionsbäumen bieten einen schnellen Üb bli k üb M d l d

anlegen bedrucken lauf

Stapel- BogenÜberblick über Module und Funktionseinheiten.

• Die hierarchische Abhängigkeit der

Stapel-management

Bogenvereinzeln

BogenBogenBogen

...

Funktionen wird deutlich. Bogenverlagern

Bogentrennen

Bogenlockern

...

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Hierarchisches Funktionsmodell am Beispiel „Fahrertür“

Funktionen Autotür

Funktionen außen Funktionen innen

Innenraum Von außen Von außen Sicht Von innenVon innenInnenraumschließen

Karosserievervollständigen

Von außen schließen

Von außen öffnen

Von außen verriegeln

Sicht ermöglichen

Komfort ermöglichen

Von innen schließen

Von innen öffnen

Von innen verriegeln

vervollständigen öffnen ermöglichenschließen

Karosserie Schutz gegen Schutz gegen Armablage Ablage tragen

g gWind

Schutz gegenWasser

g gWärme/Kälte

germöglichen

germöglichen

Wiedergabeakustischer Informationen

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Wasser akustischer Informationen

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Maschinen als System – Systemdenken

Systeme

SSystemhierarchische Betrachtung

Funktionsorientierte Betrachtung von Systemen

Systemanalyse

ZusammenfassungZusammenfassung

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Systemanalyse am Beispiel Motorrad

• Systemdenken bei der Analyse komplexer Systeme am Beispiel eines Motorrades

– Einsatz der vorgestellte Strategien– Erläuterung von „Baustruktur“ und „Wirkungsnetz“– Erläuterung der Einflussmatrix als AnalysemethodeErläuterung der Einflussmatrix als Analysemethode

• Zielsetzung– Entwicklungsschwerpunkte bei der Neuentwicklung eines Motorrades zu

setzten

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Elemente des Systems Motorrad

M t• Motor• Abgasanlage• Getriebe

Kupplung• Kupplung• Rahmen• Verkleidung• Tank• Tank• Federgabel• Rad vorne• Bremse vorneBremse vorne• Schwinge• Rad hinten• Bremse hintenBremse hinten• Kraftübertragung• Lenker• Sitzbank• Armaturen• Elektrik• Beleuchtung

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• Anbauten

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Wirkstruktur für ein Motorrad

Bremse (hinten) R d (hi )Getriebe

Kraftüber-

Abgasanlage

Bremse (hinten) Rad (hinten)

Motor

Kraftüber-tragung

Schwinge

AnbautenKupplung

funktional

RahmenVerkleidung

Elektrik t i h

funktional

ArmaturenBeleuchtung

Elektrik

Tank

geometrisch

Federgabel

g

Sitzbank

Rad (vorne)

Bremse (vorne)Lenker

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Zusammenfassen von Elementen zu Baugruppen

• Motor• Abgasanlage

„System A“

Abgasanlage• Getriebe• Kupplung• Rahmen

V kl id • Antriebsaggregat

„System B“

• Verkleidung• Tank• Federgabel• Rad vorne

• Antriebsaggregat

• Karosserie

• Bremse vorne• Schwinge• Rad hinten

B hi t

• System Vorderrad

• System Hinterrad

Abstraktion zurKomplexitäts-reduzierung• Bremse hinten

• Kraftübertragung• Lenker• Sitzbank

• Mensch-Maschine-Schnittstelle

reduzierung

• Armaturen• Elektrik• Beleuchtung

Anbauten

• Ausstattung

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• Anbauten

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Baustruktur des Motorrads

Motorrad

Antriebs-aggregat

Karosserie Mensch-Maschine-

SystemVorderrad

SystemHinterrad

Ausstattung

LenkerFedergabel

gg gSchnittstelle

ElektrikGetriebe Rahmen Schwinge

Sitzbank

Armaturen

Lenker

Rad vorne

Bremse vorne

Federgabel

Beleuchtung

Anbauten

ElektrikGetriebe

Motor

Abgas-

Rahmen

Verkleidung

Tank

Rad hinten

Schwinge

Bremse hintenganlage

KupplungKraft-übertragung

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Wirkungsnetz des Systems Motorrad

Ausstattung

Antriebs-aggregat System

Vorderrad

KarosserieMensch-Maschine-

Schnittstelle

SystemHinterrad

stark, 3mittel, 2,schwach, 1

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Einflussmatrix

• Ziele– Abhängigkeiten aufzeigen

Wirkung auf

– Elemente priorisieren– Wesentliches herausstellen– Reihenfolge festlegen m

ent 1

men

t 2

men

t 3

men

t 4

vsum

me

Reihenfolge festlegen– kritische Elemente aufzeigen

• Vorgehen

Elem

Elem

Elem

Elem

Akt

i

Element 1 0 1 1 2

von

– Einfluss von jedem Element auf jedes Element bestimmen

– Aktiv- und Passivsumme berechnen

Element 2 1 2 0 3

Element 3 2 2 1 5

Element 4 2 1 3 6Wir

kung

Passivsumme 5 3 6 2

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Klassifikation der Elemente

• Aktives Element: stark beeinflussend und wenig beeinflusst• Aktives Element: stark beeinflussend und wenig beeinflusstAktivsumme groß, Passivsumme klein

• Passives Element: stark beeinflusst und wenig beeinflussendAktivsumme klein, Passivsumme groß

• Kritisches Element: stark beeinflussend und stark beeinflusstAktivsumme groß Passivsumme großAktivsumme groß, Passivsumme groß

• Träges Element: wenig beeinflussend und wenig beeinflusstAktivsumme klein, Passivsumme klein

8

10

KritischeEl t

PassiveElemente

Passivsumme

4

6

8 ElementeElemente

2

4AktiveElemente

TrägeElemente

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Aktivsumme00 2 4 6 8 10

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Einflussmatrix für das System Motorrad

lle-S

chni

ttste

l

sagg

rega

t

erie

m V

orde

rrad

m H

inte

rrad

h-M

asch

ine

ttung

umm

e

sum

me

Antri

ebs

Karo

sse

Syst

em

Syst

em

Men

sch

Auss

tat

Akt

ivsu

Pass

ivs

Antriebsaggregat 3 0 2 1 2 8 4Antriebsaggregat 3 0 2 1 2 8 4Karosserie 2 1 1 2 1 7 9

System Vorderrad 0 1 1 1 1 4 4

System Hinterrad 1 2 1 1 1 6 4

Mensch-Maschine-Schnittstelle 1 2 1 0 2 6 6

Ausstattung 0 1 1 0 1 3 7

Passivsumme 4 9 4 4 6 7

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Auswertung Einflussmatrix

PassivsummePassivsumme10

KritischeElemente

PassiveElemente

Karosserie

8

Karosserie

6Mensch-Maschine-

Schnittstelle

Ausstattung

4System

HinterradAntriebs-aggregat

SystemVorderrad

2

Hinterrad aggregatVorderrad

Aktivsumme0

0 2 4 6 8 10

AktiveElemente

TrägeElemente

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Aktivsumme0 2 4 6 8 10

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Maschinen als System – Systemdenken

Systeme

SSystemhierarchische Betrachtung

Funktionsorientierte Betrachtung von Systemen

Systemanalyse

ZusammenfassungZusammenfassung

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Zusammenfassung

• Begriffe– System– Komplexität– Systemdenken

• Systemhierarchische Betrachtung von Systemen zur Handhabung derSystemhierarchische Betrachtung von Systemen zur Handhabung der Komplexität

• Umsatzorientierte Funktionsstruktur• Bauteilorientierte Strukturen

– Baustruktur– WirkungsnetzeWirkungsnetze

• Einflussmatrizen als Analysemethode• Portfolios zur Darstellung von Ergebnissen

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Gliederung GPE

01 Einführung 20.04.0702 Methoden I 27.04.0703 Methoden II 04.05.0704 Maschine als System - Systemdenken 11.05.0704 Modellierung von Systemen 18 05 0704 Modellierung von Systemen 18.05.0706 Gestaltung – Grundregeln und Prinzipien 25.05.0707 Schäden im Maschinenbau 01.06.0708 Beanspruchung 08.06.0709 Bauteilfestigkeit 15.06.0710 Herstellgerechtes Konstruieren I 22.06.0711 Herstellgerechtes Konstruieren II 29.06.0712 Kostenzielorientiertes Entwickeln 06 07 0712 Kostenzielorientiertes Entwickeln 06.07.07

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