tolerance design and analysis part iii

55
8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 1/55 Dr  Tafesse Gebresenbet  ,  

Upload: gstafesse2189

Post on 01-Jun-2018

217 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

Page 1: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 1/55

Dr Tafesse Gebresenbet

 , 

Page 2: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 2/55

References

 1.   reve ng,  . .,  o erance  es gn; a  an oo   or  eve op ng optimal specifications,1996,  Addison  Wesley 

2.   Fortini   Dimensionin   for interchan eable Manufacture  

1967,Industrial press3.   Ken Chase, Basic tools for tolerance analysis of  Mechanical 

ssem es, 2001

4.   Bjorke, 

Computer 

aided 

tolerancing, 

2nd

edition, 

1992, 

Library  

of   on ress

5.   Kai  Yang &  Basem Al Haik, Design for Six Sigma:  A  road map for product development.2003, McGraw‐Hill

6.   Paul  J. Drake,  Jr., Dimensioning and Tolerancing Handbook, McGraw‐Hill, 1999

Dr. Tafesse Gebresenbet 2

Page 3: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 3/55

Page 4: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 4/55

Tolerance Design

    o erance  es gn  s a out t e eng neer ng 

process 

or 

developing tolerances.

 

tolerances 

to 

the 

 part, 

assembly, 

or  

 process, 

identified  

in the  functional  and   physical  structures, based on 

overa   to era e variation in FRs, t e re ative in uence o 

different sources of  variation on the whole, and  the cost bene it

 trade

‐o s.

 This step calls for thoughtful selection of  design 

parameter 

tolerances and material 

upgrades that  will 

be later cascaded to the process  variables. 

 A  tolerance must be developed before it can be commun ca e ,  s  s  w a   we ca   o erance  es gn.

Dr. Tafesse Gebresenbet 4

Page 5: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 5/55

Tolerance Design

 n eng neer ng  eam mus   o ow a me o ca   oug u  

approach develop the tolerances for component parts, subassemblies, and a total system by  considering the internal 

reliability  

growth.   Leaving this thoughtful and methodical exercise to little more 

an an e uca e   guesses  us   pr or  o pro uc on  eaves  e engineering process open to every  individual personal opinion 

and it is prone to error.    W en to erances are not  we   un erstoo   , t e ten ency  is to over 

specify   with tight dimensional tolerances to ensure functionality  and thereby  incur cost penalties. 

  Traditionally, specification processes are not always respected as credible.  Hence, manufacturing and production individuals are tem ted to make u   their own rules. 

Dr. Tafesse Gebresenbet 5

Page 6: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 6/55

Tolerance Design

  Joint efforts between design and process in the team help improve understanding of  the physical aspects of  tolerance and 

balanced

    e process   y   w c   a pro uct  s to erance requ res t e 

considerations of; 

  Selection 

is 

based 

on 

the 

economics 

of  

customer 

satisfaction, ,

  the cost of  manufacturing and production, and

  the relative contribution of  sources of  FR.

  When this is done, the cost of  the design is balanced  with the 

quality  of  the design  within the context of  satisfying customer 

Dr. Tafesse Gebresenbet 6

Page 7: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 7/55

Tolerance Design

 

  y 

eterm n ng 

 w c 

to erances 

ave 

t e 

 greatest 

impact on FR  variation, only a  few tolerances need  to 

be ti htened, and  o ten, man   can be relaxed  at a 

savings.

 The 

quality  

loss 

function is the basis for these decisions. 

The proposed process also identifies key  characteristics ,  variability  reduction  will result in corresponding customer benefits.

Dr. Tafesse Gebresenbet 7

Page 8: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 8/55

Tolerance Design

    or a pro uc   or serv ce, 

cus omers 

o en 

ave 

exp c 

or 

mp c 

requirements and allowable requirement  variation ranges, called 

customer  tolerance. 

 , 

into 

design 

functional 

requirements 

and 

functional 

tolerances. 

  For a design to deliver its functional requirements to satisfy  functional , 

and their  variations must be  within design parameter tolerances. 

  For design development, the last stage is to develop

 

manufacturing 

process .

Tolerance development stage

Dr. Tafesse Gebresenbet 8

Page 9: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 9/55

Tolerance Design

    os   o   e  wor   n  o erance 

es gn 

nvo ves 

e erm na on 

es gn 

parameter tolerances and process  variable tolerances, given that the 

functional tolerances have already  been determined. 

e  erm  o erance  es gn  n mos   n us r es ac ua y means  e 

determination of  design parameter tolerances and process  variable 

tolerances.

  If  a product is complicated,  with extremely  coupled physical and 

process 

structures, 

tolerance 

design 

is 

multistage 

process. 

  After 

functional 

tolerances 

are 

determined, 

system 

and 

subsystem 

tolerances are determined first, and then the component tolerances are 

determined on the basis of  system and subsystem tolerances. 

  Finall ,  rocess  variable tolerances are determined  with res ect to 

component 

tolerances.

 A  typical stage of  tolerance design.

Dr. Tafesse Gebresenbet 9

Page 10: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 10/55

Tolerance Design

    n a typ ca   stage o   to erance  es gn, t e ma n tas   s, g ven t e target requirement of   y and  its tolerance (i.e, T  y±Δ0 )  , how to assign the tolerances for  xi values. There are three major  issues in tolerance 

1. Manage  variability.

2.  Achieve functional re uirements satisfactoril .

3. Keep life‐cycle cost of  design at low level

  In tolerance design, cost is an important factor. If  a design parameter or a process  variable is relatively  easy  and cheap to control, a tighter tolerance is desirable; otherwise, a looser tolerance is desirable.

  Therefore, for each sta e of  tolerance desi n, the ob ective is to 

effectively  ensure low functional  variation by  economically  setting appropriate tolerances on design parameters and process  variables.

Dr. Tafesse Gebresenbet 10

Page 11: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 11/55

Tolerance Design

 ere are two c asses o   to erance  es gn met o s:

  Traditional  tolerance design methods include 

‐ , 

  statistical tolerance analysis, and 

 cost‐based tolerance analysis (not included in this lecture series)

 

  the relationship between customer tolerance and producer’s tolerance, and 

 tolerance design experiments. (not included in this lecture series)

Dr. Tafesse Gebresenbet 11

Page 12: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 12/55

Worst Case

 Tolerance

 Anal sis

 Extreme or most liberal condition of  tolerance buildup

 “…tolerances must be assigned to the component parts of  t e mec anism in suc   a manner t at t e pro a i ity  t at a mechanism  will not function is zero…”

 Worst‐case‐anal sis is not considered a statistical procedure but is used often for tolerance analysis and 

allocation. 

  s met o   prov es a  as s to esta s   t e  mens ons and tolerances such that any  combination  will produce a functionin   assembly. 

 This method compares the part tolerances  with the entire assembly  tolerances to reveals the extreme or most liberal 

“con on o   o erance  u   ‐up;  ence,  e  erm   wors   ‐

case”. 

Evans 

describes 

it 

as, 

Dr. Tafesse Gebresenbet 12

Page 13: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 13/55

Worst Case

 Tolerance

 Anal sis

  The general model for the  WC analysis is the sum of  all component dimensions at their  WC maximum and 

m n mum  va ues

ntotal   d or or d or d or d d    )).....(()()( 321 −+−+−+−+=

  The assembly   will likely  have to fit  within a space defined 

by  

another 

feature 

on 

another 

component 

or 

assembly. 

,  mat ng.

 To define the gap between the mating dimension, the 

o ow ng a ustment must  e ma e to t e genera  

tolerance model

]))......(()()([ 321   nmatinggap   d or or d or d or d d d  −+−+−+−+−=

Dr. Tafesse Gebresenbet 13

Page 14: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 14/55

Worst Case Tolerance Analysis

 

maximum size is expressed

m

 Where WC max =   N  p i

+ T  p i

( )i=1∑  Npi – the nominal or target  value of  the component dimension of  

any  part 

 Tpi – the initial tolerance assigned to Npi   m‐total number of  parts in the assembly 

  The  WC minimum dimension can occur for the entire assembly  

WC min =   N  p i− T  p i

(m

Dr. Tafesse Gebresenbet

i=1

14

Page 15: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 15/55

Worst case tolerance analysis

    ntro uc ng new terms re err ng to t e geometry  as t e enve op an  

remaining consistent  with the 6σ institute terminology  

  Ne – normal envelop,

  Te‐ the envelop of  tolerance

  Q‐ the minimum gap constant or smallest allowable gap

∑=

+−−≤m

i

 pi piee   T  N T  N Q

1

)(

  In some applications  we  will use Q= 0,  which means  we are technically  at the point of  a line‐to‐line fit.  As Q gets bigger  we 

 will see a finite growth in the assembly  gap

 N e ‐ T e 

=>  Minimum assembly envelope

Dr. Tafesse Gebresenbet 15

Page 16: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 16/55

Page 17: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 17/55

Worst case tolerance analysis

 The upper boundary  on the allowable assembly  gap is quantified as:

 RT  N T  N 

m

i

 pi piee ≤−−+ ∑=1

)(

  In many  cases the assembly  gap could get too big for the proper functionality  of  the assembly   within the envelope. R  

is the u er bound on the assembl   a .  and R  are technically  related to the assembly  process and are thus critical boundary  for it

 Ne + Te  =>  Maximum assembly  envelope

Dr. Tafesse Gebresenbet 17

Page 18: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 18/55

WC Tolerance analysis  – Assembly gap

  Let us re resent   G‐ Assembly  gap

 Gmax – the maximum assembly  gap,  which is equal to R 

Gmax = N e + T e −   N  p i − T  p i( )i=1

m

∑  The minimum assembly  gap is defined by  Gmin

− −m

 

min   e e p i   p i

i=1

 

max 

min 

acceptable range of  assembly  gap, Grange

−=

Dr. Tafesse Gebresenbet

m nmaxrange

18

Page 19: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 19/55

 – 

 The maximum  worst‐case condition,  WC max, and 

t e m n mum  worst‐case con t on,  cm n, are expressed here mathematically. 

ow  a   we  now  e ex remes an   nom na   gaps,  we can begin to allocate the tolerances so that the 

calculated tolerance conditions. 

Dr. Tafesse Gebresenbet 19

Page 20: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 20/55

WC Tolerance analysis  – Assembly gap

 

can now define the nominal assembly  gap that is the desired 

target for the assembly 

( )∑=−=

m

i

 pealno i N  N G1

min

  We can do some rearranging to make it easy  to calculate the nominal envelope dimensions 

m

  The final gap dimension  we are left to define is the tolerance on 

∑=

+++=i

e pi pie   T QT  N  N 1

)(

the gap, Gtolerance

minmax   GG −=

Dr. Tafesse Gebresenbet

2o erance

20

Page 21: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 21/55

WC Tolerance analysis  – Assembly gap

    s ng  otora a s un que convent on to account  or  ot  

magnitude and directionality  of  a dimension (for complex assembly) 

  Where the term  Vi is used to define a unit  vector that quantifies the algebraic sign of  the component as it is stacked in the assembl ,  we  et 

∑=

=i

iialno   V  N G1

min

  ccount ng  or  ,  w ere t e true pos t on  w t   respect to a datum is considered; the tolerance zone must be converted from 

diameter to a radius  when used for the  vectorized summation 

process.  A  correction factor Bi is added in the equation to account for it [Harry  & Stewart,1988]

m

 BV  N G =

Dr. Tafesse Gebresenbet

i=1

21

Page 22: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 22/55

Worst Case Scenario Example

In this example,  we see a mating hole and pin assembly.  The nominal 

Dr. Tafesse Gebresenbet

  . 

22

Page 23: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 23/55

Worst Case Scenario Example

Dr. Tafesse Gebresenbet 23

Page 24: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 24/55

Worst Case Scenario Example

 Here,  we can see the two  worst case situations  where th   ins ar   in th   xtr m   out r  d s or inn r  d s. 

  The tolerance stack up can be evaluated as seen here. 

 In this exam le   the anal sis be ins on the ri ht ed e of  the right pin. 

 You should always try  to pick a logical starting point for stack analysis. 

 Note that the stack up dimensions are summed 

accor ng 

e r 

s gn 

arrows 

are 

displacement  vectors). 

Dr. Tafesse Gebresenbet 24

Page 25: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 25/55

Worst 

Case 

Scenario 

Exam le

•   Largest =>  0.05 + 0.093 = 0.143

•   Smallest => 0.05  ‐ 0.093 =  ‐0.043

Dr. Tafesse Gebresenbet 25

Page 26: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 26/55

Worst Case Scenario Example

 From the stack up,  we can determine the tolerance calculations as seen in this table. 

 Analyzing the results,  we find that there is a +0.05 nominal gap and +0.093 tolerance buildup for the  worst case in t e positive  irection. 

 This gives us a total  worst‐case largest gap of  +0.143.  It ‐   .  

interference fit. 

  Thus  in this  worst‐cas   sc nario  th   arts  will not fit 

and one needs to reconsider the dimension or the tolerance. 

Dr. Tafesse Gebresenbet 26

Page 27: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 27/55

Nonlinear  Tolerance stacks using the WC method    or cases  w ere t e re at ons p  n t e component parts  n an 

assembly  are not going to stack up in a linear relationship  with respect to the assembly  gap or other geometric‐dependent  variables.

    us  e r s  n  epen en   assem y   var a e an   e  n epen en  

component  variables: y =   f  ( x1, x2, x3,... xn )

  In considering this facts in  WC Tolerance analysis  with non‐linear 

problems (Greenwood & chase) formulated by  considering small changes in the assembly  or dependent dimension may  be expressed by  a Taylor’s expansion series as follows:

2

  The common  ractice for tolerance anal sis is to substitute tolerances 

...2   1 1+ΔΔ∂∂+Δ∂=Δ ∑∑∑ = =

 ji

i j   ji

i

i

 y   x x x x x x

 

for the delta quantities (See for similar formulation Fortni, 1967)

Dr. Tafesse Gebresenbet 27

Page 28: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 28/55

Nonlinear  Tolerance stacks using the WC method

 In some cases, the relationship between the components and the assembly   will stack up in a linear 

 When it occurs, one must determine a function that can be used to define the relationshi   between the dependant assembly   variable,  y,  and the independent component  variables, x sub n. 

the nominal dimension and tolerance can be used as shown here. 

 The partial derivatives represent the particular sensitivity  that each component dimension and 

Dr. Tafesse Gebresenbet 28

Page 29: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 29/55

Nonlinear  Tolerance stacks using the WC method

  Greenwood and Chase defined a general case  WC tolerance equation as follows:

Tol y =

  ∂  f 

∂  x1tol1 +

  ∂  f 

∂  x2tol2 +

  ∂  f 

∂  x3tol3 + ...+

  ∂  f 

∂  xntoln

 Nom y ≈  ∂  f 

∂  x1

 x1 +  ∂  f 

∂  x2

 x2 +  ∂  f 

∂  x3

 x3 + ...+  ∂  f 

∂  xn

 xn

  In a nonlinear problem  we must define specific  values for 

t e 

part a 

er vat ves 

t ey  

represent 

t e 

part cu ar 

sensitivities that each component dimension and tolerance  will induce on the assembly  dimension and tolerance.

Dr. Tafesse Gebresenbet 29

Page 30: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 30/55

Root Sum‐of ‐Square

 Although useful for interchangeability, the  worst case analysis, however, is also  very  conservative and does no   ensure 100   pro uc y. 

  The  worst case scenario does not take into account the . 

 For example, suppose the probability  for a defect is 10 

% and there are  arts in a linear s stem. 

 The probability  or chances of  producing a system  with 

all five “out‐of ‐spec” parts is 0.10 raised to the 5th 

 which equals 0.001 percent.  The such a remote chances of  defect, one could 

 v y   ,  . 

Dr. Tafesse Gebresenbet 30

Page 31: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 31/55

Root Sum‐of ‐Square

 The real  world of  component manufacturing is dominated 

by  the laws of  probability, random and chance and special 

on 

target 

every  

time) 

 Statistical tolerance analysis assumes that all processes are in control, so all estimates of  tolerance accumulation are 

1 − 1/ 2   x−   /σ    2

 x = σ    2π  e

Dr. Tafesse Gebresenbet 31

Page 32: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 32/55

Root Sum‐of ‐Square

 Random  variations caused by  external or deteriorative sources that moves the process from a state of  random 

of  

 variability  

that 

is 

beyond 

 what 

is 

occurring 

due 

to 

natural (random) events are represented by  batch‐to‐batch 

ar a y,  amage   or  worn  oo s, con am na e   raw 

materials, and numerous other noises.

  In Ta uchi  aradi m, noises are alwa s active in 

manufacturing processes and SPC charts are  viewed as measuring external, unit‐to‐unit, and deterioration noise 

.

  If  one noise source is intensified or is somehow initiated 

 within the manufacturing sources of   variability  that can be corrected during the manufacturing process.

Dr. Tafesse Gebresenbet 32

Page 33: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 33/55

Root Sum‐of ‐Square

 , be considered to account for the more likely  chances of  having dimensions  which do not all occur at the extreme limits simultaneously. 

 The root mean square utilizes basic statistical methods to a   t e measure o   varia i ity. 

 We 

postulate 

probability  

distribution, 

as 

seen 

here, 

for 

eac   component  n t e assem y   s a ran om  var a e, f(x) is the probability  function of  x and mu and sigma are constant parameters. 

Dr. Tafesse Gebresenbet 33

Page 34: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 34/55

Root Sum‐of ‐Square

 

occur between the mating assemblies. 

transform or student t‐transform to calculate probability  of  assembly  success. 

 The sum of  squares is a mathematical treatment of  the data 

to 

facilitate 

the 

legitimate 

addition 

of  

measures 

of  

ar a ty  

 RSS method is used to add up tolerance stacks  when more . 

assemblies must then fit into another assembly.

Dr. Tafesse Gebresenbet 34

Page 35: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 35/55

Root Sum‐of ‐Square

  The sum of  squares is a mathematical treatment of  the data to facilitate the legitimate addition of  measures of   variability 

 

two 

components 

are 

assembled 

together. 

Often 

these 

assemblies 

must then fit into another assembly.

  RSS is used to determine if  a functional fit is going to occur b/n a probability  of  assembly  success or failure can be calculated using 

Z‐transform for population data, or by  using the student t‐transform for sample data.

  This allows us to study  the  joint probabilities relative to the ‐ . 

Dr. Tafesse Gebresenbet 35

R S f S

Page 36: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 36/55

Root Sum‐of ‐Square

 

component has a measured average and standard deviation 

associated  with it due to  variation in the manufacturing process.

 The sum or differences of  each of  these average component dimensions  will define the avera e dimension

nd or or d or d or d d   ~

))....((~

)(~

)(~~

321 −+−+−+−+=

 The sum of  the squares of  each of  the dimensional standards

 

deviations 

defines 

the 

overall 

assembly  

22

3

2

2

2

1

2 .... nsssss ++++=

Dr. Tafesse Gebresenbet 36

Page 37: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 37/55

RSS method

 In statistics, it is arithmetically   wrong to simply  add 

the standard deviations linearly. 

  , 

squares 

of  

the 

 variances 

and 

taking 

the 

square 

root. 

Similarly, tolerance stacking  works in a similar fashion. 

 Assembly  tolerance stack equation

 f  ( x) =   T 12 + T 2

2 + T 32 + ...T n

2

 Tn – represents the nth component tolerance in the assembly 

Dr. Tafesse Gebresenbet 37

Page 38: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 38/55

Pool Variance in RSS

 The adjusted standard deviation if  the actual process standard deviation is not known is given  is determined:

σ  =   Tol

 

 p

 

the standard deviation. 

 For normal distribution  with an unknown standard 

deviation, one  would use the adjusted standard deviation 

ca cu a ons  w c   cons ers  e capa y    va ue,  p. 

Dr. Tafesse Gebresenbet 38

Page 39: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 39/55

Pool Variance in RSS  

assembly  is assumed to be independent of  every  other component  variance; thus, each component  will possess its own  p  va ue. 

 This allows us to formulate a more realistic calculation of  the  variances  called  oolin   of  the  variances  which results in the sigma gap formula seen here. 

T ⎛ ⎞2

T ⎛ ⎞m   2

 

σ gap =3Cp⎝ ⎠

+3Cpi⎝ ⎠i=1

rom  e  ormu a, one can see  a   e s an ar   ev a on 

of  the gap assembly  is expressed as the square root of  the pooled  variances from the envelope the assembly  is to fit 

 within and the sum of  the component  variances. 

Dr. Tafesse Gebresenbet 39

P l V i i RSS

Page 40: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 40/55

Pool Variance in RSS

  ‐

the following equation,  where the the Z‐transform is used 

to calculate the actual probability  of  exceeding the limits of  the gap.

 Z Q = Q − G

nom

σ gap

 

 which is an interference fit. 

  In the formula seen here, ZQ is determined  when Q is 

su tracte 

rom 

t e 

nomina 

gap 

an 

compare 

to 

t e 

standard deviation of  the assembly  gap. 

Dr. Tafesse Gebresenbet 40

l i i

Page 41: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 41/55

Pool Variance in RSS  

the mating assembly.

  In this case,  we assume that Q=0, in order to have an 

interference fit represented by  line‐to‐line contact.

 Thus, ZQ is simply  the number of  standard deviations away  

interference.  This Z  value is then used to look up the 

corresponding 

probability  

in 

the 

Z‐

chart.

Q −   N e −   N  pi

m

∑ 

⎜ ⎟

 Z Q =

=  

T e

3C 

⎛⎜

 ⎞⎟

2

+  T  pi

3C 

⎛⎜

 ⎞⎟

m

∑2

Dr. Tafesse Gebresenbet

  =

41

D i RSS

Page 42: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 42/55

Dynamic RSS

    n a s m ar  as on, one can ca cu ate t e   va ue  or the maximum condition in  which  we exceed the 

and 

Gmax to 

determine 

the 

 values 

at 

the 

gap 

limits. 

 Z G min =   min −   nom

T e

⎛ ⎞2

+  T 

 pi

⎛ ⎞2m

3Cp   3Cpi  i=1

 Z G max =  max −   nom

T e⎛⎜

 ⎞⎟

2

+  T  pi⎛⎜

 ⎞⎟

2m

Dr. Tafesse Gebresenbet

 p    pi  i=1

42

N li RSS

Page 43: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 43/55

Nonlinear RSS

    on near  oot sum o   squares  eterm nat on  s similar to the linear methods only  the tolerance is 

for 

the 

adjusted 

sigma. 

Tol y =

  ∂  f ⎛

 ⎞

2

tol1

2

+

  ∂  f ⎛

 ⎞

2

tol 2

2

+

  ∂  f ⎛

 ⎞

2

tol3

2

+ ...+

  ∂  f ⎛

 ⎞

2

toln1   2   3   n  

σ adjusted  =   o i

3Cpk i

Dr. Tafesse Gebresenbet 43

Page 44: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 44/55

RSS Example

•   Largest =>  0.05 + 0.051 = 0.101

•   Smallest => 0.0   ‐ 0.0 1 =  ‐0.001

Dr. Tafesse Gebresenbet 44

RSS Example

Page 45: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 45/55

RSS Example

 

before and consider the RSS method of  analysis. 

 

nominal 

gap 

and 

+0.051 

tolerance 

buildup 

for 

the 

RSS case in the positive direction. 

 For the largest gap,  we  would have a total gap of  +0.101.  When at the smallest gap, the result is a  ‐0.001which is 

 Although, technically, this scenario  would not  work 

scenario case. 

Dr. Tafesse Gebresenbet 45

Page 46: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 46/55

Page 47: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 47/55

Ta uchi Method

Input from the  voice of  the customer and QFD processes

Select proper quality ‐loss function for the design

Determine customer tolerance  values for termsin Quality  Loss Function

Determine cost to business to adjust

 a cu ate  anu actur ng  o erance

Proceed to tolerance design

Dr. Tafesse Gebresenbet 47

Page 48: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 48/55

Taguchi

 The first step in the process include getting input from the parameter design.  The  voice of  the customer and Quality  

insight into the customer expectations.  Other inputs from 

the parameter design include:

 p mum con ro   ‐ ac or se   po n ,  o erance es ma es determined from engineering analysis, and initial material 

grades 

selected. 

 Voice of  customer

 Quality  function deployment

 

 Optimum control‐factor set points   Tolerance estimates

    Initia   materia   gra es

Dr. Tafesse Gebresenbet 48

Quality Loss Function

Page 49: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 49/55

Quality Loss Function

 The first step in the process include getting input from 

the parameter design.  The  voice of  the customer and 

Quality  function Deployment processes help provide eta e   ns g t  nto t e customer expectat ons.  t er 

inputs 

from 

the 

parameter 

design 

include:  Optimum control‐factor set point, tolerance estimates 

e erm ne   rom eng neer ng ana ys s, an   n a  

material grades selected. 

  Identify  

customer 

costs 

for 

intolerable 

performance 

 L( y) = k ( y − m)2 =   Ao

Δ o

( y − m)2

Dr. Tafesse Gebresenbet 49

Page 50: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 50/55

Quality Loss Function

  The quadratic loss function is described here.  In the formula, L(y) is the loss in dollars due to a deviation away  from the target 

,  , product; m is the target  value of  the product’s response; and k is an economic loss function called the the quality  loss coefficient and is calculated as  A  zero over Delta zero s uared. . 

  The typical quality  loss function is also illustrated here.  From 

the figure, one can see that at  y=m, the loss is zero;  the loss 

increases as  moves from m.    As the curve approaches the customer tolerance limits, Delta 

zero, the cost for the poor performance increase. 

  ,  . 

function is shown here for example purposes and is not indicative of  all quality  loss function behavior; the quality  loss function  can and  would chan e de endin   on the customer’s tolerance and usage environment. 

Dr. Tafesse Gebresenbet 50

Cost of Off Target and Sensitivity

Page 51: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 51/55

Cost of  Off  Target and Sensitivity

 The next step, one needs to determine the cost to the business to adjust the off ‐target performance  values 

and the sensitivity  between the customer tolerance and manufacturing tolerances. 

 Cost to business to adjust off  target performance

 Sensitivity, β

φ =   o A  A =   o

Δ   [ β ( x − m)]2

Dr. Tafesse Gebresenbet 51

Cost of Off Target and Sensitivity

Page 52: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 52/55

Cost of  Off  Target and Sensitivity  Once the function and its limits are established  the 

engineering team need to determine the a safety  factor, phi,  to prevent off ‐target performance  values. 

 The company  also needs to quantify   what expense is  worth 

funding to remedy  the off ‐target performance. 

 Therefore, the safety  factor can be described as the square root of  the average loss in dollars  when a product c aracteristic excee s customer to erance  imits over t e average loss in dollars  when a product characteristics exceeds the manufacturing and/or design tolerance limits. 

  ens t v ty   s t e c ange  n t e  g   ‐ eve   customer observable characteristic or a product‐level engineering characteristic,  y,  when a unit change occurs from the target 

.   The relationship of  the of  the sensitivity  in the 

manufacturing loss,  A, is equal to the loss function for . 

Dr. Tafesse Gebresenbet 52

Page 53: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 53/55

S

Page 54: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 54/55

Summary

 Accounting for the safety  factor and the sensitivity,  we can 

link the customer limits to the development of  design 

element limits.  The result is delta, the manufacturing 

tolerance based on the Taguchi equation. 

,  , forward to the design process  where further tolerance design can be optimized. 

 Note that  we discussed three methods to establish 

tolerance 

‐ , 

  statistical tolerance analysis, and 

  Taguchi tolerance design  methods

Dr. Tafesse Gebresenbet 54

Page 55: Tolerance Design and Analysis Part III

8/9/2019 Tolerance Design and Analysis Part III

http://slidepdf.com/reader/full/tolerance-design-and-analysis-part-iii 55/55