基于模糊聚類的汽車底盤模塊化設(shè)計研究

吳正琴

（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，福建 漳州 363000）

對于汽車設(shè)計的整體過程與布局方案而言，合理的底盤設(shè)計占據(jù)著重要作用，不僅因為底盤設(shè)計關(guān)系到汽車內(nèi)外飾設(shè)計，而且因為底盤結(jié)構(gòu)與汽車的動力系統(tǒng)設(shè)計密切相關(guān)［1］。換言之，底盤設(shè)計對于汽車的操作性、安全性以及舒適性具有深遠(yuǎn)影響［2］?，F(xiàn)階段，汽車底盤的設(shè)計方向是跳出傳統(tǒng)的燃油汽車底盤結(jié)構(gòu)框架，進(jìn)行全新的創(chuàng)新設(shè)計，因此模塊化設(shè)計理念在其中具有重要意義，主要表現(xiàn)為：縮短設(shè)計和制造周期、提升產(chǎn)品研發(fā)速度、降低后期維修成本等等［3］。具體層面，在對汽車底盤展開模塊化設(shè)計時，關(guān)鍵的步驟包括：如何合理進(jìn)行模塊劃分、有效處理顧客信息需求以及如何進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)模塊編碼［4］。為此，結(jié)合QFD 技術(shù)構(gòu)建了底盤模塊化設(shè)計模型，并基于模糊聚類算法展開模塊合理劃分，以此保證汽車底盤模塊化總體設(shè)計的有效性與和可行性，從而為汽車底盤設(shè)計提供相應(yīng)的理論參考。

1 基于模糊聚類算法的汽車底盤模塊化設(shè)計方案

1.1 面向QFD 與KANO 的顧客需求模型構(gòu)建

模塊化設(shè)計是在產(chǎn)品功能分析和客戶需求分析的基礎(chǔ)上，對目標(biāo)產(chǎn)品進(jìn)行模塊劃分設(shè)計方法，其設(shè)計流程主要包括三個階段：總體設(shè)計與模塊設(shè)計［5］?！百|(zhì)量功能展開”設(shè)計（Quality Function Deployment，QFD）作為基于顧客需求進(jìn)行目標(biāo)產(chǎn)品規(guī)劃與設(shè)計的方法，是較為主動式的現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)理念［6］。為此，本研究構(gòu)建了結(jié)合QFD的汽車底盤模塊化總體設(shè)計模型，即根據(jù)顧客需求對汽車底盤總體設(shè)計任務(wù)展開分解，以此構(gòu)建層次化的汽車底盤設(shè)計功能結(jié)構(gòu)。在顧客需求分析層面，采用粗糙層次分析法對顧客需求的重要度進(jìn)行計算，以此有效地處理顧客需求表達(dá)的主觀性與含混性［7］；同時，采用顧客產(chǎn)品評估滿意度模型（NORITAKIKANO，KANO）進(jìn)行市場競爭性評估，并以此為基礎(chǔ)完成顧客需求最終重要度的計算［8］。最后，基于顧客需求展開汽車底盤模塊化設(shè)計的功能分析，并將顧客需求轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品功能，繼而實現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)層次化的汽車底盤模塊化設(shè)計。其中，汽車底盤模塊化設(shè)計顧客需求層次結(jié)構(gòu)詳見圖1。

圖1 汽車底盤模塊化設(shè)計顧客需求層次結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，基于顧客滿意的汽車底盤模塊化設(shè)計共有三個層次：目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層。其中，準(zhǔn)則層分別包括舒適性、安全性、便宜性以及環(huán)保性；指標(biāo)層包括性能好、轉(zhuǎn)向靈敏、加速穩(wěn)定、噪聲小以及污染小等15 項顧客需求［9］。為能夠合成計算顧客需求基本重要度，需要基于粗糙層次分析法，將通過一致性檢驗的矩陣構(gòu)造成粗糙群決策矩陣，分別得出準(zhǔn)則層和指標(biāo)層顧客需求的粗糙判斷矩陣，合成后可以計算出顧客需求基本重要度［10］。

1.2 面向模糊聚類算法的技術(shù)需求模型構(gòu)建

在根據(jù)顧客需求分析得到汽車底盤模塊化設(shè)計的功能結(jié)構(gòu)之后，則需要進(jìn)行汽車底盤設(shè)計模塊劃分。基于模糊聚類的模塊劃分方法，因其能夠?qū)ζ嚨妆P的子功能進(jìn)行相關(guān)度分析，因而能夠大幅度提高汽車底盤模塊化設(shè)計的可操作性［11］。具體操作流程為：首先需要結(jié)合模糊聚類分析方法得到底盤設(shè)計子功能的動態(tài)聚類圖，并通過選擇合適的閾值λ獲得底盤設(shè)計的模塊劃分方案［12］；其次需要通過構(gòu)建顧客需求-技術(shù)需求的關(guān)系矩陣，展開顧客需求與技術(shù)需求的相關(guān)性分析［13］；最后需要將顧客需求重要度轉(zhuǎn)化為技術(shù)需求重要度，設(shè)定技術(shù)需求的目標(biāo)值并進(jìn)行技術(shù)競爭性評估分析，以此完成汽車底盤的模塊系列設(shè)計［14］。在汽車子功能相關(guān)度分析層面，可以通過構(gòu)建獨立模型判斷矩陣，判定子功能設(shè)計是否滿足獨立模塊條件。其中，子功能的相關(guān)度計算詳見公式（1）。

式（1）中，rij表示子功能之間的相關(guān)度，n表示子功能相關(guān)度類型的數(shù)量，Wk表示第k種相關(guān)類型對總體的影響系數(shù)。根據(jù)rij可以構(gòu)建相關(guān)矩陣Rn×n，具體詳見矩陣（2）。

完成汽車底盤子功能相關(guān)矩陣之后，則需要對相關(guān)矩陣進(jìn)行模糊聚類計算，通過確定閾值λ∈[0,1]，展開λ-截距陣Rλ處理，若原R ij＜λ，則用數(shù)字0 表示，若原R ij≥λ，則用數(shù)字1 表示。然后，根據(jù)1 位置進(jìn)行模塊劃分。模塊劃分隨著閾值λ在區(qū)間［0，1］的變化而變化，由此可得到汽車底盤子功能之間的動態(tài)聚類圖。

由于λ=0.715 時，形成模塊數(shù)目比較適合，因此可以將汽車底盤設(shè)計劃分為7 大模塊［15］。詳見圖2。

圖2 汽車底盤產(chǎn)品模塊劃分

在得到顧客需求的重要度之后，需要將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的技術(shù)需求，即構(gòu)建顧客需求-技術(shù)需求相關(guān)矩陣。若顧客需求為x1,x2,…xm，技術(shù)需求為y1,y2,…yn，其相關(guān)性則為gij(i=1,2…,m;j=1,2…,n)。假設(shè)有m項顧客需求，對應(yīng)有n項技術(shù)需求，那么第j項的技術(shù)需求重要度計算則滿足公式（3）。

式（3）中，技術(shù)需求重要度的權(quán)值用hj表示，顧客需求的相對重要度權(quán)值用ｗi表示，rij即為顧客需求與技術(shù)需求的相關(guān)性。在完成技術(shù)需求的輸出矩陣構(gòu)建之后，則可以根據(jù)模塊劃分方案，展開汽車底盤模塊系列的具體方案設(shè)計。

2 基于模糊聚類的底盤模塊系列設(shè)計案例分析

2.1 技術(shù)需求重要度計算

由于汽車底盤設(shè)計需要諸多技術(shù)需求，本研究選取了底盤的最大功率、軸數(shù)、側(cè)傾梯度、軸距、偏頻以及總質(zhì)量等技術(shù)需求為例進(jìn)行市場性評估，并結(jié)合技術(shù)重要度設(shè)定技術(shù)需求目標(biāo)值。具體層面，通過使用模糊聚類的技術(shù)重要度算法，將顧客需求重要度轉(zhuǎn)化為技術(shù)需求重要度，結(jié)果詳見表1。

表1 汽車底盤技術(shù)需求重要度計算結(jié)果

在計算出技術(shù)需求重要度之后，結(jié)合市場性評估，可以確定汽車底盤模塊化設(shè)計的技術(shù)需求目標(biāo)值。汽車底盤的總質(zhì)量技術(shù)需求的重要度為1.1721，目標(biāo)值為1300 kg；軸距技術(shù)需求的重要度為0.4977，目標(biāo)值為2600 mm；前后輪距技術(shù)需求的重要度為0.6090，目標(biāo)值為1500 mm；最大功率技術(shù)需求的重要度為0.1825，目標(biāo)值為76kw；軸數(shù)技術(shù)需求的重要度為0.5434，目標(biāo)值為2；偏頻技術(shù)需求的重要度為0.8286，目標(biāo)值為前1.3Hz后1.45 Hz；側(cè)傾梯度技術(shù)需求的重要度為0.5710，目標(biāo)值為5.0 deg/g。

2.2 懸架模塊化設(shè)計方案

在基于模糊聚類底盤模塊化設(shè)計的案例分析上，以汽車底盤懸架模塊為例展開具體研究。結(jié)合技術(shù)需求矩陣相關(guān)信息，完成了三款汽車底盤懸架模塊的設(shè)計。具體技術(shù)需求參數(shù)：底盤A 的軸距為2500 mm、輪距為1480 mm、總質(zhì)量為1050 kg、偏頻為前1.3 Hz 后1.45 Hz，側(cè)傾梯度為5.0 deg/g；底盤B 的軸距為2650 mm、輪距為1555 mm、總質(zhì)量為1300 kg、偏頻為前1.3 Hz 后1.45 Hz，側(cè)傾梯度為5.0 deg/g；底盤C 的軸距為2775 mm、輪距為1585 mm、總質(zhì)量為1500 kg、偏頻為前1.3 Hz 后1.45 Hz，側(cè)傾梯度為5.0 deg/g。為了滿足三款底盤設(shè)計的技術(shù)需求，需要完成對應(yīng)的懸架模塊設(shè)計，而懸架模塊由前懸架和后懸架共同構(gòu)成。其中，前懸架模塊化設(shè)計方案詳見表2。

由表2 所示，具體汽車底盤前懸架模塊設(shè)計中，由于采用麥弗遜懸架進(jìn)行汽車底盤前懸架設(shè)計，為滿足三款底盤的輪距要求，需要對前懸架的轉(zhuǎn)向機以及下控制臂進(jìn)行設(shè)計；由于前懸架的偏頻目標(biāo)為1.3 Hz，需要對前簧剛度進(jìn)行設(shè)計；由于傾梯度目標(biāo)值5.0 deg/g，需要完成穩(wěn)定桿直徑的計算；最后，為適應(yīng)不同的車重，需要對完成不同壓縮/拉伸速度對應(yīng)的減震器設(shè)計。而后懸架模塊化設(shè)計方案詳見表3。

表2 汽車底盤前懸架模塊化方案

由表3 所示，采用扭轉(zhuǎn)梁懸架、四連桿懸架兩種形式展開汽車底盤后懸架模塊設(shè)計。具體方案設(shè)計中，需要改變扭力梁軸中的扭力梁縱臂的寬度，以適用不同底盤設(shè)計的輪距要求，同時需要對相應(yīng)減震器以及彈簧位置進(jìn)行調(diào)整；由于后懸架的偏頻目標(biāo)為1.45 Hz，因此需要設(shè)計出與不同車型杠桿比相適應(yīng)的彈簧剛度；同時，由于側(cè)傾梯度的目標(biāo)值為5.0 deg/g，需要通過設(shè)計不同的穩(wěn)定桿直徑來滿足需求；為了保證阻尼比，需要根據(jù)不同的車重設(shè)計出與之相應(yīng)的減震器阻尼力。

表3 汽車底盤后懸架模塊化方案

3 結(jié)語

本研究通過QFD 技術(shù)與KANO 模型構(gòu)建了汽車底盤模塊化設(shè)計的顧客需求目標(biāo)，并結(jié)合相關(guān)度分析構(gòu)建了顧客需求與汽車底盤子功能的相關(guān)矩陣；然后，通過模糊聚類算法實現(xiàn)顧客需求向技術(shù)需求的轉(zhuǎn)變，并得到汽車底盤設(shè)計模塊的動態(tài)聚類圖；最后，根據(jù)閾值λ確定最終的汽車底盤模塊劃分方案，并以汽車底盤懸架模塊為例展開具體研究?？偠灾?，基于模糊聚類的汽車底盤模塊劃分方法，由于能夠為模塊劃分提供客觀的數(shù)據(jù)支持，因而大幅度提升了模塊劃分的合理性，同時也使得模塊劃分更加靈活，繼而能夠為汽車底盤設(shè)計提供相應(yīng)的理論參考。