Tervezett avultatás, avagy az autóiparral kapcsolatos legnépszerűbb konteó
Bevezetés
Nem sok olyan téma van, amiről ennyire eltérően gondolkodna a laikus közvélemény és a szakmabeliek, mint a tervezett avultatás kérdésköre. Annyira elterjedtek és mélyek az ezzel kapcsolatos tévhitek az átlagemberek körében, hogy gyakorlatilag szélmalomharc megpróbálni elmagyarázni azt, hogy mi is a valóság. Ennek ellenére teszek rá egy kísérletet, aztán meglátjuk, mi sül ki belőle. Ez sem lesz rövid, és sajnos könnyen emészthető sem. De emlékeztek az alapelvekből: bonyolult kérdésekre nem léteznek egyszerű válaszok, bonyolult problémákra nincs egyszerű a magyarázat.
Tervezett avultatás, avagy a gyártók összeesküvése, ellened
Mindannyian találkoztunk már azzal a jelenséggel, amikor a jól értesültet játszó szomszéd, rokon, kommentelő vagy "szakértő" egy meghibásodással kapcsolatban elmagyarázza, hogy ez azért történt, mert az autógyárak direkt így akarták, így tervezték meg, hogy az autó a garanciaidő lejárta után elromoljon, és újat kelljen venni. Ez annyira mélyen gyökerezik már a kollektív tudatunkban, hogy folyton-folyvást előjön, sok embernek már nem is az jut eszébe, hogy a termék szimplán szar volt, teljesen komolyan hisznek benne, hogy ez bizony szándékos.
Hogy a témát egyértelműsítsük: a fogalmat a programozott mechanikus tönkremenetel értelmében fogom használni. Használják a tervezett avultatás fogalmát erkölcsi avultatás értelemben is, ezt arra értik, amikor egy gyártó gyors termékváltásokkal teszi kevésbé vonzóvá a régebbi típusokat (lásd okostelefonok) vagy lehet szoftveres értelemben is használni, amikor egy berendezés simán letilt, ha elért egy élettartamot, függetlenül a valódi állapotától. Néha említenek gazdasági, pszichológiai, vagy technológiai avultatást is, de ez ritkább.
Programozott mechanikus tönkremenetel
A tervezett avultatás mint programozott tönkremenetel annyit tesz, hogy egy adott termék egy előre meghatározott élettartam elérése után mechanikus módon megy tönkre. Eltörik, elkopik benne valami, lehetőleg javíthatatlanul. A népszerű vélemény szerint ez lehetőleg a garanciaidő letelte után nem sokkal következik be.
Tézis
A tervezett avultatás az autóiparban nem létezik. Azért nem, mert nem lehet megcsinálni, de ha lehetne, akkor sem akarná egy gyártó sem. Mivel a műszaki törvényszerűségek általános érvényűek, ezért ki lehetne jelenteni, hogy más iparágakban sincs ilyesmi, de mivel ez a blog az autóiparról szól, ezért maradok annál.
Alapok
Ahhoz hogy megértsük, miért nem létezik tervezett avultatás, először azt kell megértenünk, hogy hogy milyen elvek mentén terveznek meg egy autót, illetve annak az alkatrészeit. Emellett foglalkoznunk kell a gyártás sajátosságaival is, mint például a gyártási tűrés és a gyártási szórás.
Tervezési alapelvek
Kezdésnek vegyünk egy nagyon egyszerű gépelemet: egy rudat. Rudakat ezer helyen használunk a gépiparban, támasztunk vele, erőt viszünk át. Itt egy teljesen egyszerű, tömör acélrúd.
Nyilvánvalóan nem a technológia csúcsa, ezért is alkalmas szemléltető példának. Tegyük fel, hogy a tervező feladata az, hogy meghatározza: mekkora tengelyirányú egyenletes terhelést bír el a rúd, ez nem más, mint húzásra való méretezés. Tegyük fel, hogy a rúd anyaga általános acél, szakítószilárdsága 600 MPa, azaz 600 N/mm². Ha a rúd átmérője 10 mm, akkor 47,1 kN húzóerőt fog elviselni, ettől nagyobb terhelés esetén elszakad. Nagyon egyszerű elméletben.
A gond ott kezdődik, amikor elkezdjük tesztelni a gyakorlatban a számítást. Megrendelünk ezer darab rudat, és aztán elkezdjük elszakítani őket, és mérjük az eredményt. Klasszikus szakítóvizsgálat, semmi extra, az anyagtudomány használja már több mint száz éve. Mégis azt fogjuk látni, hogy a mérési eredmények szórnak, nem is kicsit. Mi nem stimmelt a számításunkkal?
Gyártási tűrés
Amikor a fenti példában megrendeljük az acélrudat, akkor a beszállítónk egyből kérni fogja a specifikációkat. Nem lesz neki elég, ha azt mondjuk, hogy legyen acél, meg 10 mm átmérő, kérni fogja az acél pontos típusát, és az átmérő tűrését is. A tervező azt fogja neki mondani, hogy az anyag legyen acél, szabvány megjelölés 1.0503, a méret pedig ∅10 ± 0,2. De miért kell ez utóbbi, miért kell minden méretet tűréssel ellátni? Azért mert a gyártásnak mindig van tűrése. Soha nem lehet egy alkatrészt pontosan 10 mm-re gyártani, valamennyi eltérés mindig lesz. A legpontosabb gyártóeszköznek is van pontossága, sőt még a mérőeszközöknek is van pontossága. Ezért a specifikációk mindig tartalmazzák az előírt tűrést.
Ha a fenti acél specifikációit megnézzük, akkor azt találjuk, hogy a szakítószilárdság értéke 650-800 MPa. Tehát az anyagtulajdonságoknak is van tűrése.
Gyártási szórás
Ha legyártatjuk a beszállítóval az ezer darab acélrudat, aztán megmérjük mindegyiket, akkor azt fogjuk találni, hogy az átmérőjük ∅9,8 mm és ∅10,2 mm között lesz valahol, klasszikus normál eloszlást mutatva.
Az Y tengely a valószínűségi sűrűség, az X tengely pedig a tényleges méret. A legvalószínűbb méret a 10 mm, az van középen. Minél nagyobb az eltérés a névleges mérettől, annál kisebb a valószínűsége hogy találunk ilyen méretet. Ha a gyártási folyamatunk stabil, akkor a görbe mindkét vége a tűrésen belüli értéken van, azaz nincs selejtünk.
Mit jelent ez a méretezés szempontjából? Az volt a tervezési feladat, hogy meg kell határozni, mekkora terhelést bír el a rúd. A válasz természetesen az, hogy attól függ, melyik. A maximális teherbírás, azaz a tönkremenetel pontos határa az adott alkatrész egyedi paramétereitől függ. Ha egy olyan rudat fogunk ki, amelyik 9,8 mm átmérőjű és 650 MPa a szakítószilárdsága, akkor 49 kN-t fog elviselni, ha 10,2 mm az átmérő és 800MPa szakítószilárdságú, akkor meg 65,3kN-t. A két szélsőérték között van 33% eltérés, ami jelentősnek mondható. Ha a célunk a minél nagyobb teherbírás, akkor az esetünkben a lehetséges változatok közül az első a potenciálisan leggyengébb eredményt mutató variáció a specifikáción belül.
Mire és hogyan méretezünk a valóságban?
A fejlesztési folyamat kezdetekor a tervező ott ül az üres papír felett, és első lépésként meghatározza a tervezési célokat. Mi az adott alkatrész funkciója? Milyen terhelések érik? Hány darabot kell legyártani? Mennyi pénz van rá? Több tucat feltételt kell figyelembe venni, vannak fontosak és kevésbé fontosak, és jó pár közülük egymásnak is ellentmond. De egy tervezési szempont mindenképpen előkelő helyen van, az pedig az élettartam, méghozzá az a minimális élettartam, amit a komponensnek a működése során biztonságosan teljesítenie kell.
De hogyan tudjuk meghatározni egy olyan komplex műszaki berendezésnél, mint egy autó, az elvárt minimális élettartamot? Sokan most kapásból rávágják, hogy a garanciaidőt kell kibírnia, de sajnos ez több szempontból sem ilyen egyszerű.
A legnagyobb probléma az, hogy ahány vásárló, annyiféle használati profil van. Teljesen nyilvánvalóan nem ugyanúgy terheli az autót az, ha egy fiatal család használja két kisgyerekkel és egy kutyával, esetleg egy folyamatosan utazó területi képviselő, vagy egy nyugdíjas vidéki osztrák háziorvos vasárnaponként a templomba járni. Ezért egyszerűen azt mondani, hogy bírjon ki 150.000 kilométert és 4 évet, nem elegendő. Valahogy definiálni kell néhány terhelési profilt, amit ki kell bírjon az autó. De ez sem elég, ezt a vállalaton belül szigorúan standardizálni is kell, különben nem tudjuk mindig ugyanúgy végrehajtani a teszteket, és nem lesznek összehasonlíthatóak az eredmények.
De itt még nem vagyunk készen, mert meg kell vizsgálnunk a határhelyzeteket is, azokat a ritka, de lehetséges, és a normál használatba beférő eseményeket, amiket meghibásodás nélkül ki kell bírni az autónak. Például ilyen a lakókocsi húzás. A család és a csomagok két hétre az autóban, lakókocsi felcsatolva, aztán fel az autópályára, és irány a Brenner-hágó. Vagy autópályán 200 km/h-nál vészfékezés, az ABS működésbe lép, majd az autó odaér egy felújításhoz, ahol fel van marva az aszfalt, és az első kerekek eltalálják vészfékezés közben a néhány centis keresztbordát az aszfaltban. Számtalan ilyen határhelyzet van, ami nem történik meg gyakran, de az autónak bírnia kell, nem főhet fel a motor, nem szakadhat le az ütéstől az első futómű.
Nem szabad kifelejteni a törvényi előírásokat sem. Ebből tényleg rengeteg van, és ahány piac, annyiféle. Az élettartammal kapcsolatban egy érdekességet érdemes megemlíteni, méghozzá az emissziós határértékek teljesítésével kapcsolatosakat. Az USA egyik jelentős környezetvédelmi szabályozó hatósága az EPA. ( U.S. Environmental Protection Agency, a másik a California Air Resources Board, azaz CARB). Az EPA előírja, hogy az emisszióval kapcsolatos alkatrészeknek (injektorok, katalizátorok, kipufogógáz visszavezetők, és így tovább) legalább 120.000 mérföld vagy 10 év élettartamot kell felmutatni, ezen élettartamon belül hozniuk kell a gyári értékeket. Ha olyan gyanú merül fel, hogy egy alkatrész jellemzően hamarabb meghibásodik, akkor az EPA akár egy 9 éves autónál is kötelező visszahívást rendelhet el. A gyáraknak ezzel kapcsolatban jelentési kötelezettségük van, ha ezt elmulasztják akkor jön a büntetés. Nyilvánvalóan nem elegendő csak a garanciaidőre méretezni.
Amikor a feltételeket összeírtuk, meghatároztuk a terhelési profilt, a maximális terheléseket, hőmérsékleteket, törvényi feltételeket, stb., akkor ebből kiindulva tudjuk elvégezni az alkatrész első körös mechanikai méretezését. Természetesen ez igazodik az alkatrész funkciójából adódó terhelésekhez is, másképp méretezünk egy hajtórudat, mint egy futómű lengőkart. A méretezés jellemzően végeselemes terhelési szimulációkat hív segítségül, amik manapság rendkívül komplex terhelési formákat is képesek szimulálni, statikus, dinamikus, ismétlődő és termikus terheléseket, valamint ezek kombinációját is, de a mai napig számos bizonytalansággal terhelt az eredmény, leginkább azért, mert a pontos terhelés gyakran csak becsülhető. Másrészt le kell fedni a fent említett gyártási tűrésekből és a szórásból adódó bizonytalanságot is.
Itt lép be gépészmérnökök egyik kedvence, a biztonsági tényező. A mai napig használjuk a gyakorlatban, méghozzá úgy, hogy a feltételezett terhelést simán megszorozzuk vele. Ha például az elvárt biztonsági tényező 2, akkor minden alkatrészt kétszer olyan erősre tervezünk, mint ahogy azt a feltételezett terhelés szerint kellene. Persze ezt most erősen leegyszerűsítettem, de a lényege ez. A fenti elv nem csak a tisztán mechanikai komponensekre érvényes, hanem az elektronikákra és a mechatronikai komponensekre is.
Tesztelés
Amikor megvagyunk az tervezéssel, a mechanikai méretezéssel, a szimulációkkal, ami egy hosszas folyamat, és iteratív módon hatnak egymásra, azaz a szimuláció eredménye visszahat a tervezésre, az új változat pedig a szimulációra, akkor jönnek a valódi tesztek. Prototípusokat kell gyártanunk, és azt tesztelnünk kell a valóságban. Tesztelhetjük a komponenst magát külön, részegységeket önállóan (például motorokat fékpadon) és persze teljes autókat, ezerféle környezetben. Sivatagban, sarkkörön, utcán, versenypályán.
BMW M5 Touring versenypályás tesztelése
Audi prototípus sarkköri tesztje
Ez a fejlesztési folyamat legdrágább és legidőigényesebb része. A prototípusok rettentő drágák. Egy prototípus alkatrészekből felépített belsőégésű motor 50-100.000 euró között van. Egy korai prototípus komplett autó, ami utcára mehet, mérőeszközökkel felszerelve 1 millió euró minimum, egy fékpadi teszt 100 ezer euró, és ahogy mérnökök mondják: egy mérés nem mérés, egy teszt nem teszt, ezért nem elég egy motor, egy autó, egy teszt, rengeteg költség merül még fel, és csak úgy repkednek a millió eurók.
A tesztek időigényesek is. Fékpadi tesztek simán tarthatnak hónapokig, utcai tartóstesztek szintén. Ehhez hozzájön a logisztika és az analízis időigénye is. Ha a motor teljesítette az előírt tesztet, akkor szét kell szedni, minden egyes komponenst megvizsgálni, adott esetben megmérni. Egy komplett autónál ez még időigényesebb feladat. Aztán vannak még egyéb tesztek is: öregedési vagy korróziós tesztek, azoknak is meg kell felelni.
Mielőtt valaki megkérdezné: nem, villanyautót tesztelni sem olcsóbb.
De akkor mennyi valójában az élettartam?
A válasz az hogy fogalmunk sincs, és nem is érdekel minket. A normál fejlesztési folyamatban a cél az, hogy igazoljuk: a komponensek teljesítik az elvárt minimális élettartamot. Elviselték az elvárt ciklusszámot, kilométert, üzemórát a tesztekben, és nem mentek tönkre. Hogy mennyi ciklusszámot, kilométert, üzemórát bírnának ki, mikor mennének tönkre, azt nem vizsgáljuk, mert sem idő, sem pénz, sem kapacitás nincs rá, és valójában nincs is szükségünk erre az információra.
A valódi élettartam egyébként szintén egy normál eloszlási görbét fog mutatni, ahol az tervezési célként meghatározott minimális élettartam a görbe bal szélére kerül. A piros rész jelképezi azokat a példányokat, amik a valóságban nem érték el a megcélzott minimális élettartamot. A túlnyomó többség viszont gond nélkül el fogja érni, és a gyakorlatban sokkal többet fog teljesíteni, nyilván akkor, ha az üzemeltetés során elvégezték az előírt karbantartásokat.
Tervezett elavulás elméleti méretezése
Gondoljuk végig, hogy hogyan kellene nekiállni annak, ha a tervezési cél az lenne, hogy az autó romoljon el a garanciaidő lejárta után egy kicsivel. Most attól tekintsünk el, hogy piacról piacra más és más garanciaidőket adnak a gyártók ugyanarra az autóra, és nagyon gyakran egy kis pénzért jelentős garanciahosszabbítást is lehet vásárolni sok gyártónál, mert ez csak megkavarja a gondolatmenetet. Legyen a cél 4 év és 150.000 kilométer. Kicsit jobban kifejtve, ez azt jelenti, hogy a tervezési cél az, hogy az autó 4 év vagy 150.000 kilométer után biztosan elromoljon. Tehát most egy elvárt maximális élettartamot kellene valahogy méreteznünk. Hogyan nézne ki akkor a fenti ábránk?
Ha a célunk az, hogy a lehető legkevesebb autó élje túl az elvárt maximális élettartamot, akkor nyilvánvalóan úgy kell megterveznünk a komponenseket, hogy az elvárt maximális élettartam a görbe jobb szélére essen, és a piros mezőben azok lennének, akik többet futottak mint a határ. Mindenki más, aki a zöld mezőbe esett, a tervezett módon hamarabb elromlott. A probléma az, hogy a többség sokkal kevesebbet futott, a legnagyobb valószínűségű futás, a görbe legmagasabb pontja, jóval kisebb élettartamnál van. Ami azt jelenti, hogy tömegesen hamarabb romlottak el, mint ahogy lejárt a garancia. Gondolom nem kell fejtegetni, hogy ez mit jelentene, egy gyártó sem akar ilyen marhaságot a nyakába.
Na de a Villanykörte összeesküvés!
Igen, láttam én is. A probléma az, hogy annak a filmnek semmi köze a mérnöki szakmához, sem a tervezéshez, szakmai szemmel teljesen értelmezhetetlen állításokat tesz. Érdemes annak kezelni, ami valójában: a fogyasztói társadalom kritikájának. Nem is fejtegetném ezt tovább.
Összefoglalás
Az autóiparban nem létezik tervezett elavulás. Az autóipar által használt tervezési elvek és célok pont az ellentétei annak, ami a tervezett elavulás akarna lenni.
Hogy miért romlanak el mégis az autók, néha még a garanciaidő alatt? Miért vannak meghibásodások, milyen okok vezetnek oda? Később erről is fogok majd írni.
A véleményeteket, megjegyzéseiteket, kritikáitokat írjátok le nyugodtan kommentben.
Megjegyzések
Megjegyzés küldése