ПРЕДИСЛОВИЕ
Создание нового изделия требует многосторонней деятельности и большого искусства, прежде всего от инженеров-конструкторов и дизайнеров промышленного профиля. Нетрудно определить степень ответственности каждого, когда сравниваются деятельности инженера-конструктора и дизайнера, но не так легко установить, где кончается ответственность одного и начинается ответственность другого.
Инженер-конструктор участвует в конструировании, которое часто называют по-другому, например эскизирование, деталирование, определение размеров и т. д. Значительную часть работы инженеров-конструкторов и дизайнеров составляют одни и те же виды деятельности, т. е. формулирование предложений по форме изделий, моделирование их (эскизирование, вычерчивание или выполнение материальных моделей), исследование и оценка возможностей. Эти виды деятельности, предполагающие творчество, являются предметом книги, которая не только знакомит учащегося с принципами развития конструкции, но и рассматривает критерии, посредством которых конструкции оцениваются. По всей книге слово конструктор используется в широком значении для обозначения лиц, занятых конструированием изделий (т. е. инженеров, дизайнеров и др.).
Содержание книги следует рассматривать как часть методики конструирования. В общем виде описаны только методы оценки проекта и разработки конструкции, связанные с заключительными ступенями процесса конструирования.
Принципиальный недостаток принятых формулировок системных методов конструкторской работы состоит в том, что они позволяют думать о возможности получения при системном подходе правильного результата в любом случае. А это совсем не так. Наиболее эффективное решение достигается при сбалансированном сочетании системного подхода и интуиции. Поэтому системный подход надо рассматривать как основание для ума, склонного к новаторству и понимающего, что сознательными усилиями можно объективно и системно изучить все критерии конструкции и предпосылки, на которых основывается любое частное решение.
В качестве примеров в большой степени использованы существующие изделия. Выбраны были такие изделия, которые иллюстрируют возможность различных подходов к одной и той же проблеме и получение при этом разных результатов, а не потому, что они хороши или плохи. Таким образом, выбор этих изделий не подразумевает какой-либо оценки их качества.
Я хотел бы выразить благодарность фирмам, которые помогли проиллюстрировать текст книги примерами, предоставив материалы различного рода. Ряд фотографий выполнен по моему поручению Ф. Шмидтом, которому я очень благодарен.
Я надеюсь, что многие из тех, кто участвует в процессах создания изделий, найдут эту книгу полезной, будь они инженерами или дизайнерами. Я надеюсь также, что книга заполнит пробел в литературе, предназначенной для обучения конструированию в технических школах. При традиционном подходе необходимо делать черновые эскизы создаваемого изделия, прежде чем можно будет приступить к специальным расчетам и разработке чертежей деталей. Очень много времени затрачивается на эти важные процессы и, все же, очень часто никто не спрашивает, как появилась идея, стоящая за какой-либо частной схемой. Слишком распространено ошибочное отношение к первой появившейся идее конструкции, заключающее-ся и том, что на нее смотрят как на единственную или даже как на самую лучшую. В заключение я выражаю надежду, что книга, возможно, вдохновит промышленных дизайнеров, обучающихся или работающих, так как им очень важно иметь представление об этапах, которые проходит в процессе своего создания сложное изделие, и усвоить общий взгляд на критерии его оценки.
Э. Тьялве
СОЗДАНИЕ ИЗДЕЛИЯ
1.1. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О ФОРМЕ
Большая часть окружающего нас мира состоит из объектов, обладающих одним основным свойством - формой, т. е. определенными очертаниями, устройством частей и общим расположением последних. Форма может быть результатом одного из следующих четырех видов процессов (рис. 1).
1. Неуправляемые процессы, когда форма зависит только от условий окружающей среды, например образование булыжника, гальки, гор.
2. Процессы, подчиняющиеся физическим и химическим законам, а также условиям окружающей среды, например образование кристаллов льда, слюды.
3. Процессы, управляемые генами и условиями окружающей среды, например живые организмы.
4. Процессы, регулируемые желаниями людей или инстинктами животных и условиями окружающей среды, например, промышленные изделия, плотины бобров, птичьи гнезда.
В настоящее время, когда промышленные изделия во все возрастающей степени доминируют в повседневной практике (особенно там, где окружающая среда создается руками человека), появилась необходимость в более пристальном анализе процессов, определяющих форму изделий, для того, чтобы мы могли проектировать окружающую нас среду максимально соответствующей нашим потребностям.
В качестве первой попытки такого анализа рассмотрен клапан (рис. 2). Конструкция клапана и детали, из которых он собран, описаны ниже.
Чтобы сделать возможной сборку клапана с помощью регулируемого гаечного ключа, соединяемые детали вентиля снабжены шестигранниками. Вращающаяся гайка под маховичком также выполнена шестигранной, и, следовательно, ее можно затянуть га-ечным ключом. Маховичку придана круглая форма, чтобы человек мог крепко захватить его рукой в любом положении. На стержне клапана нарезана резьба, так как его функция состоит в преобразовании вращательного движения (маховичка) в поступательное движение относительно седла клапана. Седло клапана имеет кольцевую форму, а его лицевая сторона обрабатывается фрезой, чтобы обеспечить плотный контакт с прокладкой. Внутренней полости клапана придана форма, облегчающая движение потока. Внешние очертания клапана образованы двумя пересекающимися цилиндрами. Форма цилиндра определяется литейной формой, в которой отливают корпус клапана.
Подобным образом можно проанализировать чашку и блюдце, показанные на рис. 3. Чашка и блюдце имеют симметрию вращения в результате вращения заготовки на гончарном станке или (если изделия получены в литейной форме) потому, что они традиционно имеют симметрию вращения. Чашка выполнена цилиндрической, потому что этот внешний вид был найден удобным и желательным. Диаметр чашки в основании сделан меньше, потому что в этом случае чашка удобна для установки одна в другую, а также по соображениям внешнего вида. Желобок в основании чашки позволяет стекать воде при мытье чашки в моечной машине. Ручке придана такая форма, чтобы она не нагревалась чрезмерно при пользовании чашкой. Кромка блюдца поднята кверху, потому что блюдце должно удерживать жидкость, выплеснувшуюся из чашки.
Даже если эти два примера немного упрощенные, они все-таки ясно показывают, что конструкция изделия и его элементов зависит от многих различных факторов, н апример от производственного процесса, функционального назначения, удобства транспортирования, внешнего вида и экономики. Другой, очень важный фактор, который нельзя забывать, это личность конструктора (дизайнера) изделия. Несмотря на многие требования, предъявляемые к изделию в технических условиях, всегда остаются возможности для того, чтобы конструктор мог выразить свои идеи и суждения.
Понимание факторов, влияющих на конструкцию, должно основываться на знании различных этапов существования изделия. Поэтому ниже рассмотрена модель существования изделия от замысла до разрушения, а также более детальная модель процесса создания изделия.
1.2. СУЩЕСТВОВАНИЕ ИЗДЕЛИЯ
Все изделия создаются, используются и, в конце концов, приходят в негодность. Поэтому рассмотрим поближе, что происходит с изделием до эксплуатации, в процессе эксплуатации и после эксплуатации. Эксплуатация изделия представляет собой процесс, который вызывает внешние изменения, выражающиеся в переходе из одного состояния в другое. Необходимость этого превращения является причиной создания изделия, например: ножницы (целый лист бумаги - бумага, разделенная на два куска), напильник (заготовка с заусенцами - заготовка со снятыми фасками на кромках), телевизор (человек с потребностью в развлечениях и информации - человек, удовлетворивший потребность в развлечениях и информации), экструдер (пластмасса в гранулах - пластмассовый профиль непрерывной длины с требуемым поперечным сечением).
Прежде чем изделие поступает в эксплуатацию, потребитель покупает его у торговой фирмы, которая приобретает это изделие у изготовителя. Когда изделие выполнило свое назначение, износилось или разрушилось, оно уничтожается. Если эти события расположить последовательно, то можно проиллюстрировать период существования изделия, как показано на рис. 4. Исходной точкой служит информация о потребностях, для удовлетворения которых предназначено изделие. Первый этап - это процесс конструирования, в ходе которого рассматриваются возможные методы удовлетворения нужд потребителя и окончательно отрабатываются технические условия на готовое изделие.
Для деталей, которые производятся в больших количествах, процесс конструирования и выбор метода производства рассмотрены ниже; на рис. 4, в целях сохранения его ясности, этот вид производства не отражен. Далее следует процесс производства изделия, после которого изделие сбывается торговой фирме, а последняя продает его потребителю. Только теперь изделие может функционировать согласно запланированному назначению. Период существования изделия оканчивается его разрушением. Этот процесс может быть активным, т. е. изделие подвергается раздроблению, разбирается на части или переплавляется, или пассивным; в последнем случае изделие ржавеет, крошится или распадается и т. д.
Рис. 4 показывает, что в процесс конструирования вводится информация о всех этапах существования изделия. Процесс конструирования может быть эффективным только в том случае, если конструктор будет полностью осведомлен о том, что происходит с изделием вне чертежной доски. Таким образом изделие создается в процессе конструирования с учетом всех требований и пожеланий, возникающих на всех этапах.
Важно иметь в виду, что на рис. 4 показано общее направление создания изделия в промышленных условиях. Если изделие конструирует и изготовляет одно и то же лицо, то первые два этапа могут быть объединены. Заметим, что процесс конструирования может определяться не только информацией, касающейся потребностей или функций, но и самой идеей создания изделия или новых конкурирующих изделий. Однако входная информация, показанная на рис. 4, рассматривается как основная, потому что в других ситуациях может возникнуть необходимость вернуться назад и начать с анализа потребностей.
1.3. СВОЙСТВА ИЗДЕЛИЯ
Любой объект (какое-либо изделие, машина или система) обладает характерными свойствами. Некоторые из этих свойств полезны, но другие могут быть более или менее нежелательными. Наиболее важное свойство из всех - это основная функция изделия, потому что она помогает потребителю в удовлетворении его нужд. Другими желательными свойствами могут быть приятный внешний вид, легкость перемещения, безопасность, долговечность и надежность.
Прежде чем приступить к конструированию, конструктор должен, может быть в сотрудничестве с потребителем, составить перечень желаемых свойств изделия. В процессе конструирования, когда изделие создается, именно эти свойства определяют выбор принимаемых конструктивных решений.
К сожалению, нельзя конструировать изделие таким путем, чтобы желаемые свойства определялись одно за другим, так как эти свойства не являются независимыми переменными. Однако мы считаем, что пять свойств можно выделить среди всех, которые в сумме полностью определяют изделие. Для изделий в целом таким свойством является структура (т. е. элементы изделия и их взаимозависимость), а для каждого элемента - форма, материал, размеры, поверхность. Эти пять свойств принимаются за основные свойства. Важно подчеркнуть, что эти свойства являются переменными, которыми конструктор может манипулировать, а изделие создается последовательными решениями вопросов, связанных с этими переменными. Таким образом, все другие свойства, как полезные, так и нежелательные, выводятся из этих основных свойств. Однако, поскольку эта цель не всегда достигается, необходимо различать желаемые свойства и фактически полученные свойства.
Таким образом, мы приходим к модели процесса конструирования, показанной на рис. 5. Эта модель охватывает все этапы процесса от анализа проблемы до готового изделия. На начальном этапе анализа проблема изучается со всех сторон. Результаты это-го изучения выражаются, с одной стороны, в конкретной формулировке требуемой функции, а с другой стороны, - в перечне требуемых свойств, которые образуют критерии, служащие фундаментом для выбора решений. Далее следует этап синтеза, т. е. этап, на котором создается конструкция изделия. Это выполняется путем предварительного (грубого) определения шаг за шагом основных свойств - структуры, формы, материала, размеров и поверхности. Когда решены вопросы основных свойств, конструирование изделия завершено, и оно может быть изготовлено. После изготовления изделие обладает свойствами, которые, как можно надеяться, близки к требуемым свойствам, установленным в процессе первоначального анализа.
1.4. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ СОЗДАНИЕ ИЗДЕЛИЯ
Модель процесса конструирования, показанная на рис. 5, упрощена с целью дать только общую схему процесса конструирования. Данной схемой нельзя пользоваться как рецептом для конструирования изделия, но ее можно, однако, развить, чтобы попытаться достичь этого. Так как мы интересуемся преимущественно качеством формы, то детализируем только те этапы модели, где устанавливаются основные свойства. 
Мы называем детализированную модель синтезом изделия, так как она показывает ступени создания изделия (рис. 6). Черные cтрелки указывают последовательность ступеней во времени. В начальной точке синтеза изделия встречаются два вида выходных данных, вытекающих из анализа проблемы, а именно: с одной стороны, определение требуемой функции - основной функции (возможно несколько подчиненных основных функций), а с другой стороны - перечень требуемых свойств, которые могут быть также описаны, как критерии оптимального изделия.
На рис. 5 видно, что следующей ступенью является определений структуры. В синтезе изделия эта очень важная ступень разделена на ряд шагов, начиная с деления требуемой функции на подфункции. Затем следует изучение возможных средств реализации подфункций, сочетание их в основной структуре и, наконец, адаптация в количественно определенной структуре, где решающие параметры оптимизированы и где определено относительное расположение элементов. Форма рассматривается в двух параллельных ветвях, поскольку общая форма и формы составляющих элементов определяются одновременно. Подробная форма элементов включает спецификацию материалов, размеров и поверхностей.
Из схемы синтеза изделия (см. рис. 6) видно, что критерии для оптимального изделия используются на протяжении всего процесса конструирования в качестве руководящих данных и для управления каждым шагом при принятии решений.
Ниже даны обзор индивидуальных ступеней синтеза изделия и типичные примеры.
Основные функции. Основная функция изделия есть способ, с помощью которого выходные данные определяются посредством входных данных. Если рассматривать изделие как сложную систему, то мы можем анализировать его функции на всех уровнях от функции общей системы (основная функция или, возможно, несколько параллельных основных функций) до функций подсистем и элементов (подфункции). Представление о функции является очень важным инструментом для анализа проблемы с ясно определенными деталями, которые выражают то, что изделие должно быть в состоянии выполнять.
Подфункции и средства. Под средством мы понимаем решение, т. е. метод, подсистему или элемент, посредством которого может быть осуществлена данная функция. Деление основной функции на подфункции и затем на субподфункции и т. д. может проводиться попеременно с поиском средств для их реализации. Одни из возможных методов выполнения этой работы состоит в построении так называемой древовидной схемы функция-средство. На рис. 7 показано, как может выглядеть в начале процесса древовидная схема функция - средство автоматической чаеварки. Теоретически древовидная схема функция - средство может быть детализирована вплоть до ступени получения средства в виде элемента машины или части элемента машины. Построение прекращается, когда найдены средства для наиболее важных подфункций.
Основная структура. Решение достигается путем составления процесса для каждой подфункции, который мы называем основнойструктурой. Основная структура может быть выражена структурными схемами, рабочими (основными) чертежами (условные обо-значения машин, электрической аппаратуры, гидравлических, пнев-матических устройств и т. д.) или упрощенными чертежами другого рода. На этой ступени не принимают какие-либо "количественные" решения, например, касающиеся размеров, относительного расположения и т. д. На рис. 8 показаны различные основные структуры автоматической чаеварки (см. рис. 7).
Количественно определенная структура. В количественно определенной структуре важные параметры отдельных элементов обо-значены и оптимизированы наряду с относительным расположением элементов. Однако па этой ступени никакие решения, касающиеся конструктивной формы элементов, еще не принимают. Различные количественно определенные структуры показаны на рис. 9.
Общая форма. Общая форма изделия определяется попеременно с формой элементов. Требования, предъявляемые к общей конструкции, зависят от изделия, с которым приходится иметь дело.
Если эстетические критерии имеют важное значение (например, для автомобилей, прогулочных лодок, фотоаппаратов), то конструкция элементов должна быть приспособлена к общей конструкции. Когда преобладает значение технических и экономических критериев (например, для карбюраторов, коробок передач, сателлитов планетарных зубчатых передач), то преимущество в пределах общей конструкции принадлежит конструкции элементов. На рис. 10 показаны возможные варианты общей формы автоматической чаеварки.
Формы элементов. Конструктивные формы индивидуальных элементов определяются на ступени детальной разработки конструкции изделия. Отправным пунктом этой ступени может служить рассмотрение формы функциональных поверхностей. Эффективные критерии в этом случае находятся преимущественно на основе функций, прочности и методов производства деталей. 
Типичными видами деятельности, выполняемой на данной ступени, прежде всего являются расчет, разработка эскизов, изготовление чертежей. Здесь чрезвычайно полезно пользоваться эскизами, быстро набрасываемыми от руки, с помощью несложной методики (рис. 11). Постепенно, по мере того как определяются формы элементов, эти эскизы заменяются другими, выполняемыми с помощью чертежных приборов, и масштабными чертежами.
Для разработки окончательного чертежа каждого элемента требуется решение вопросов выбора материала, размеров, поверхностей, допусков и технологии производства. В рабочих чертежах приводят характеристики элементов изделий, отражающие четыре основных свойства (форму, материал, размеры и поверхности), а также другую информацию, например программу выпуска, данные технологического процесса, номер чертежа, дату и т. д. Пятое основное свойство (структура) указывают в сборочных чертежах (рис. 12), которые показывают, как должна производиться сборка деталей (элементов). Готовая автоматическая чаеварка показана на рис. 13.
Синтез изделия. Каждая ступень синтеза изделия приближает конструктора к цели - готовому изделию. Несмотря на различное содержание ступеней, все они имеют следующую типичную последовательность: 1) поиск решений; 2) изучение, решений; 3) оценка и выбор решений для дальнейшей работы. Эта последовательность приведена на рис. 14, где число принимаемых решений дано в функции времени. Каждый пик кривой соответствует какой-либо ступени синтеза изделия.
Поиск решений проводится путем генерации идей - интуитивно или системно; выбор наиболее подходящего метода зависит от ступени синтеза изделия. Цель поиска решений на какой-либо ступени состоит в исследовании области, образуемой множеством теоретически возможных решений. Редко имеется возможность изучить все решения, так как обычно они бесчисленны. Однако область все-таки должна быть тщательно изучена, чтобы все основные типы решений вошли в сферу изучения. Только тогда можно логически обоснованно говорить, что существует возможность выбора наилучшего решения.
Оценка решений проводится на основе критериев, которые изменяются в зависимости от ступени и степени детализации решения. Таким образом, интуитивная оценка может быть удовлетворительной только на первых ступенях, а на последующих может оказаться необходимым использовать достаточно большое число взаимно взвешенных критериев. Следовательно, окончательный результат (изделие) зависит от двух фундаментально различных факторов: во-первых, от генерируемых идей и, во-вторых, от критериев, с помощью которых решается вопрос, какие идеи должны быть выбраны. С этих двух точек зрения может быть проведен более тщательный анализ идеи формы. Поэтому в гл. 2 рассмотрены методы, которые могут быть применены при поиске идеи формы, а в гл. 3 описаны факторы, на основе которых производится выбор критериев.
МЕТОДЫКОНСТРУИРОВАНИЯ ФОРМЫ
2.1. ОГРАНИЧЕНИЯ
Окончательные решения, касающиеся формы изделия, обычно принимают на последних этапах процесса конструирования, однако важно, чтобы еще до этого конструктор обдумал и принял решения, которые оказывают решающее влияние на образование формы изделия. В п. 1.4 мы познакомили читателя с примером подобного процесса. Ниже рассмотрены примеры, которые позволят читателю лучше уяснить значение предварительных решении, принимаемых на ранних этапах и непосредственно влияющих на образование формы изделия.
Основная функция, устанавливаемая на первой ступени синтеза изделия, имеет решающее влияние на вид изделия, например, является ли оно машиной или инструментом. Поэтому два изделия с разными основными функциями будут 
настолько различными, что невозможно создать промежуточное изделие, так как эти изделия коренным образом различаются. На рис. 15 представлен пример такого различия, а именно: между счетной машиной и обычными счетами. Счетная машина служит тем же потребностям, что и обычные счеты.
Метод, с помощью которого основная функция подразделяется на подфункции, как и выбор средств для реализации подфункций, имеет почти такое же значение для конструирования, что и основная функция. Это можно проиллюстрировать путем сравнения двух изделий с одной основной функцией, но с различными основными структурами. 
На рис. 16 показаны два различных автомобильных домкрата, оба с основной функцией выигрыша в силе с преобразованием вра-щательного движения в поступательное. Форма обоих домкратов различается коренным образом, потому что для реализации индивидуальных подфункций использованы разные средства, т. е. основ-ные структуры различны. Заметим, что форма одного домкрата не может быть постепенно преобразована в форму другого.
Количественно определенная структура приводит нас к такому уровню синтеза изделия, когда мы можем постепенно двигаться от одного решения к другому. Показанные на рис. 17 два клапана имеют различные количественно определенные структуры, но одну и ту же основную структуру, т. е. с точки зрения функций они состоят из одинаковых элементов. Клапаны различаются формой элементов и различными углами наклона стержня и маховичка. Рис. 17 иллюстрирует также путь, идя по которому, форма двух клапанов может быть постепенно видоизменена одна в другую.
Методы синтеза формы имеют целью охват всего диапазона конструктивных решений. Мы видим, что для выбранной основной структуры форма может постепенно изменяться при переходе от одного решения к другому. Поэтому лучше описывать методы синтеза формы, как методы изменений, в процессе которых некоторые характерные характерные параметры изменяются таким образом, что охватывается вся область решений. Вопрос о том, какие параметры могут быть целесообразно изменены, рассмотрен в последующих главах, в которых изложены методы, относящиеся к последним ступеням синтеза изделия, а именно: количественно определенной структуре, общей форме и форме элементов.
2.2. ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ
Метод изменения структуры. Рассмотрим три кофеварки, показанные на рис. 18. Все они работают по одному и тому же принципу (т. с. они имеют сходную основную структуру). Но почему две из них похожи одна на другую, а третья совершенно от них отличается? Ответ лежит в количественно определенной структуре.
В первых двух кофеварках относительное расположение составляющих элементов почти одинаково, а в третьей их расположение другое. Относительное расположение составляющих элементов является важным свойством количественно определенной структуры. Другим важным свойством являются размеры деталей, в данном случае размеры сосудов и расстояние между ними.
Относительное расположение и размеры составляющих элементов могут быть использованы как переменные параметры при поиске конструктивных решений. Этот метод может быть назван методом изменений структуры. Наибольший эффект достигается, когда, иллюстрируя индивидуальные решения (здесь возможно моделирование в трех измерениях), опускают все излишние подробности. Таким путем можно экономить время при формулировании решений и достигать большей ясности при их сравнении.
На рис. 19 показана основная структура кофеварок, а также иллюстрируется метод образования нескольких количественно определенных структур путем изменения относительного расположения элементов и их размеров. На рис. 20 приведены примеры типичных кофеварок. Рисунок показывает, как обыкновенная количественно определенная структура для каких-либо двух изделий приводит к конструкции обычного характера, тогда как различные количественно определенные структуры позволяют создавать изделия с широким разнообразием конструкций.
Метод изменения структуры позволяет легко генерировать идеи для новых структур. Этот метод основывается на предпосылке, согласно которой необходимо проанализировать ряд решений, прежде чем одно из них может быть признано удовлетворительным. Метод был испытан в различных ситуациях конструирования и может быть применен на многих уровнях, например, для построения общей системы, создания малых подсистем.
Количественно определенная система может быть использована с двух точек зрения, зависящих от того, учитывается функциональная связь между элементами или не учитывается. Если такая функциональная связь игнорируется, метод изменения структуры позволяет получить ряд предложений для очень грубых конструкций изделия. Если функциональная связь учитывается, то основная структура получает дальнейшее развитие в целях оптимизации соответствующих параметров и установления технических требований к ним. Это показано па примерах, приведенных ниже.
Изменения структуры основных элементов. Основными являются элементы, оказывающие наибольшее влияние на форму изделия. Поэтому с успехом можно приложить метод изменения структуры к некоторому числу основных элементов изделия, чтобы осуществить первый обзор возможностей создания конструкции. Эскизы моделей, выполняемые на этом этапе, создают предпосылки для первого, предварительного, разбора решений в соответствии с такими критериями, как пространство и внешний вид. На рис. 21 показано несколько количественно определенных структур пылесоса с различным относительным расположением трех основных элементов. Функциональная связь между элементами не показана. На рис. 22 приведены несколько современных пылесосов, на примере которых видно, как велико влияние относительного расположения элементов на конструкцию пылесоса.
Теперь рассмотрим, как метод изменения структуры может быть применен к проектированию микроскопа. Основная структура микроскопа характеризуется линзами и плоскостями изображений. 
Чтобы определить производную структуру, необходима информация о размерах и фокусной длине линз, расстоянии между ними и их относительном расположении. На рис. 23 показаны количественные определенные структуры, полученные на основе изменения относительного расположения трубки и плоскости предмета относительно столика.
Функциональные связи между элементами (например, направление лучей и фокусирование) не включены в количественно определенные структуры, но они могут быть очень быстро установлены. 
Два микроскопа, показанные на рис. 24, сконструированы по различным количественно определенным структурам, которые легко просматриваются в разных конструкциях.
Часто оказывается возможным использовать еще один переменный параметр, а именно: каждый из составляющих типов элементов. В принципе, изменение числа элементов относится к основной структуре, но в тех случаях, когда элемент может быть разделен на несколько частей или удвоен (без изменения характера основной структуры), число элементов с равным правом может быть изменено в количественно определенной структуре.
На рис. 25 показаны возможные количественно определенные структуры дорожных катков, для которых переменными параметрами являются относительное расположение и число элементов. Рассмотрению подлежат колеса, двигатель и положение водителя. Анализируются только построенные по традиционному принципу дорожные катки, у которых укаточные колеса и транспортные колеса одинаковы.
Заметим, что на рис. 25 диапазон решений значительно сужен ввиду того, что все колеса должны находиться на одном и том же уровне и ни один элемент не должен быть ниже этого уровня. Заметьте также, что ключ к системному расположению, охватывающему весь спектр решений, лежит в малых составных изображениях. Эти изображения отражают уровни, па которых элементы находятся по отношению к земле. Конечно, элемент (например, двигатель) может лежать на уровне, расположенном между рассматриваемыми уровнями, однако, поскольку возможности, очевидно, бесчисленны, мы начнем с разделения задачи на целесообразное число категории (в данном случае - четыре). Когда структура выбрана для более близкого изучения, должны еще сохраняться достаточные возможности для изменения расположения элементов, хотя и в узких пределах. На рис. 26 показаны несколько современных дорожных катков.
Диапазон решений для двух и трех элементов. Необходимо задаться вопросом: "Сколько можно реально составить количественно определенных структур и возможно ли получить ясное представление о всем диапазоне решений?" Во многих случаях это может быть сделано, если в качестве основы для изменений используют наиболее важные элементы. Возможности для двух и трех элементов рассмотрены ниже.
Если мы исследуем относительное расположение двух элементов приблизительно равных размеров, то мы можем составить схемы возможностей, представленные на рис. 27. Очевидно, угол наклона одного элемента относительно другого может постепенно изменяться, поэтому диапазон решений можно иллюстрировать показанными углами.
Относительное расположение трех элементов с размерами того же порядка можно подчинить тем же соображениям. На рис. 28 представлен ряд комбинаций, возможных при выбранном уровне детализации. Очень большое число решений, появляющихся при перестановках трех различных элементов в каждом из показанных положений, всегда сильно ограничено при работе с конкретным изделием. Пример такого ограничения приведен ниже для чаеварки.
Изменения структуры, связанные с функцией. Функциональные связи между наиболее важными элементами выражают в основной структуре чаще всего в виде показывающих принцип конструкций эскизов, в которых обычно используют условные обозначения известных элементов (обозначения, принятые в машиностроении для гидравлических, пневматических, электрических устройств и т. д.). Поскольку эти эскизы выражают основную структуру, в них отсут-ствуют какие-либо определенные размеры или формы, но они могут быть отправными для ряда количественно определенных структур, строящихся с помощью метода изменения структур, в котором относительное расположение используется в качестве параметра для каждого элемента основной структуры.
На рис. 29 показана количественно определенная структура насоса, предназначенного для откачивания воды из пришвартованной лодки, источником энергии для которого являются качательные движения лодки. При качании лодки маятник, установленный на вертикальной оси, отклоняется из стороны в сторону, приводя таким образом в движение поршень насоса. В верхней правой части рис. 29 показана основная структура.
Рис. 29 иллюстрирует и тот факт, что существует много возможных вариантов, так как относительное расположение и размеры могут изменяться непрерывно. Поэтому важно правильно выбрать этапы для разработки вариантов; это означает, что число рассматриваемых элементов не должно быть слишком большим (менее важные элементы надо оставлять для последующего использования) и что параметры следует изменять на удобных для этого ступенях. Таким образом, к каждому предлагаемому в эскизах решению нужно относиться как к представляющему категорию решений. Позднее, при отборе наилучших предложений, частные категории решений могут быть рассмотрены более подробно.
На рис. 30 показано несколько количественно определенных структур зубчатых передач, построенных на базе основных структур, которые приведены на этом же рисунке. В данном случае относительное расположение и размеры не изменяются независимо. Полезно ли изменять оба параметра раздельно в процессе поиска решений, зависит от существа проблемы, - факт также очевидный из других примеров, приведенных ниже. На рис. 31 приведены примеры изменений структуры маркировочной машины. В верхней части рисунка показаны количественно определенные структуры четырех существующих маркировочных машин, а в нижней части - другие возможные варианты. На рис. 32 показано несколько количественно определенных структур экскаватора, а рис. 33 демонстрирует использование трех из этих структур в существующих экскаваторах.
Чаеварка как наглядный пример. Здесь рассматривается возможность успешного использования двух методов изменения структуры. Например, представим себе чаеварку, в которой кипящей водой заливают чайные листья, и чай заваривается перед тем, как листья удаляются из готового чая. Будем считать, что мы достигли той ступени в процессе конструирования, когда основные структуры уже рассмотрены, поэтому обсужд