基于可靠性的汽车转向机构稳健优化设计.doc

分类号_密级_编号_硕士学位论文基于可靠性的汽车转向机构稳健优化设计学 位 申 请 人 ： 张鑫学 科 专 业 ： 车辆工程指 导 教 师 ： 程贤福 副教授答辩委员会主席：答辩日期：华东交通大学2012届硕士学位论文基于可靠性的汽车转向机构稳健优化设计机电工程学院张鑫华东交通大学硕士学位论文任务书研究生姓名学院（系）专业张鑫机电工程学院车辆工程车辆现代设计技术基于可靠性的汽车转向机构稳健优化设计2011 年 10 月 22 日载运工具与装备教育部重点实验室开放研究项目车辆零部件可靠性稳健优化设计(09JD01)。学号20090390140104专业方向论文题目要求完成时间选题来源主要研究任务：1、对汽车转向机构和稳健设计理论进行研究，包括对稳健设计理论的发展和研究现状以及稳健设计的基本理论的研究。2、在稳健设计时，分别采用 Taguchi 稳健设计方法和基于可靠性的稳健设计方法对转向机构进行设计，在基于可靠性的稳健设计方法中，提出基于概率分布的可靠性稳健优化设计方法和基于非概率模型的稳健可靠性优化设计方法，并分别将两种方法应用于转向机构设计，对设计结果进行分析。3、采用 CATIA 软件对汽车转向机构进行建模和运动仿真，分别对整体式转向机构和断开式转向机构进行建模，并对它们进行运动仿真，对仿真结果进行分析。接受任务时间导师签名2010 年 11 月 01 日学生签名日期年月日独创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写的研究成果，也不包含为获得华东交通大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人签名_日期_关于论文使用授权的说明本人完全了解华东交通大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定，本论文无保密内容。本人签名_导师签名_日期_摘要基于可靠性的汽车转向机构稳健优化设计摘要稳健优化设计作为提高产品设计质量的有效方法在工程设计领域特别是汽车设计领域越来越引起了人们的重视。本文在系统回顾汽车转向机构以及稳健设计的国内外发展的基础上，对汽车转向机构进行稳健优化设计。在车辆的转向机构设计中，考虑了可控因素和噪声因素对运动精度的影响，将可靠性优化设计和稳健设计方法相结合，以转向机构运动精度为目标函数建立转向机构的可靠性稳健优化数学模型，把运动精度的可靠性灵敏度溶入可靠性优化设计模型之中，将可靠性稳健优化设计转化为满足可靠性要求的多目标优化问题。基于非概率可靠性理论，结合稳健设计方法，提出了基于非概率模型的稳健可靠性优化设计方法，该方法只需知道不确定参数的边界，无需知道其概率分布形式。构造了两层优化数学模型，顶层优化问题是原有稳健优化的数学模型，只是添加了一个非概率可靠性指标约束，底层优化问题仅仅是用来确定可靠性指标的值。此外，针对汽车转向机构进行三维建模，采用 CATIA 软件，分别对整体式转向机构和断开式转向机构进行三维建模，对组成零件进行单独建模，然后将各个零件进行装配，采用 DMU 模块及正交试验设计来进行试验的安排，并考虑运动间隙副的影响对转向机构进行运动仿真，当内转向角转到最大角度时，得到仿真出的外转向轮转角的最大值与理想的外转向角之间的差值进行分析。关键词：转向机构，稳健设计，可靠性稳健优化，非概率稳健可靠性优化IAbstractTHE ROBUST OPTIMIZATION OF STEERING MECHANISM FOR TRUCKS BASED ON RELIABILITY DESIGNABSTRACT Robust design as an effective way to improve the quality of products is becoming a moreand more important method in the filed of product design especially in vehicle design. Considering the impact of controllable factors and noise factors in optimization designfor steering mechanism of trucks, based on the reliability-based optimization theory, thestable reliability sensitivity method and the robust design method, the reliability-based robustdesign for steering mechanism of trucks is extensively discussed. The kinematics accuracy ofthe mechanism is considered as a major optimization objective. The reliability sensitivity ofkinematics accuracy is added to the reliability-based optimization design model and thereliability-based robust design is transformed into the multi-objective optimization problem. For reliability optimization design with uncertain parameters, based on thenon-probabilistic reliability theory and robust design method, the optimization design ofrobust reliability was proposed. Compared with the traditional probabilistic reliabilityoptimization, the proposed method does not require a presumed probability distribution of theuncertain parameters and only the bounds or ranges of variation of them are required.Top-level optimization was used to solve the original robust optimal model with theconstraints of non-probabilistic reliability index, and lower-level optimization was used toidentify the reliability index. It does three-dimensional modeling for automotive steering using CATIA software. First,the integral steering body for 3D modeling, the component parts for modeling separately andthen the various parts are assembled, using the DMU modules for motion simulation and thesimulation results are analysed; Second, the divided steering structure for modeling, its basicsteps as same as the integral steering structure.Key Words: Steering mechanism, Robust design, Reliability Robust optimization, RobustReliability optimizationII目录目录主要符号说明. I第一章1.1绪论. 1汽车转向机构 . 11.1.11.1.21.1.31.21.31.4第二章2.12.22.3汽车转向系统简介. 1转向系基本构造. 1转向梯形. 2汽车转向机构研究的目的与意义 . 3汽车转向机构的研究及发展现状 . 3本文的主要内容 . 5稳健优化设计的基本理论和方法. 7稳健设计 . 7稳健设计发展及研究现状 . 7稳健设计的基本理论 . 92.3.12.3.2稳健设计要达到的目的. 9稳健设计的分类. 10功能质量损失函数. 12信噪比. 14正交试验设计. 15可靠性设计. 16基于概率分布的可靠性稳健优化设计. 17基于非概率的稳健可靠性优化设计. 172.4Taguchi稳健设计方法 . 122.4.12.4.22.4.32.5基于可靠性的稳健优化设计方法 . 162.5.12.5.22.5.32.6第三章3.1本章小结 . 18汽车转向机构稳健优化设计. 19转向机构运动分析 . 193.1.13.1.2转向机构基本运动分析. 19考虑运动副间隙的转向机构运动分析. 20转向机构稳健优化设计模型. 21设计变量和噪声因素. 22目标函数. 223.2基于Taguchi设计方法的转向机构稳健优化设计 . 213.2.13.2.23.2.3III目录3.2.43.33.3.13.3.23.4第四章4.14.24.3设计实例. 22基于概率模型的转向机构可靠性稳健优化设计. 25基于非概率模型的稳健可靠性优化设计. 30基于可靠性的转向机构稳健优化设计 . 25本章小结 . 37汽车转向机构运动仿真. 39虚拟样机技术 . 39CATIA软件简介 . 40整体式转向机构建模与运动仿真 . 414.3.14.3.2整体式转向机构建模. 41整体式转向机构模型仿真. 42断开式转向机构建模. 47断开式转向机构运动仿真. 484.4断开式转向机构建模与运动仿真 . 474.3.14.3.24.5第五章5.15.2个人简历本章小结 . 51总结与展望. 53工作总结 . 53展望 . 53在读期间发表的学术论文及参与的科研项目. 58参考文献. 55致谢. 59IV主要符号说明主要符号说明BLl两侧主销轴线与地面相交点之间的距离，m；汽车轴距，m；转向梯形臂长度，m；转向梯形的底角，；内侧车轮转角，；外侧车轮转角，；信噪比，dB；可靠度；非概率可靠性指标；运动副间隙，m；运动误差，；齿条长度，mm；转向横拉杆长度，mm；齿条移动距离，mm；齿条到前轴的距离，mm；SNRriTbhI第一章绪论第一章1.11.1.1绪论汽车转向机构汽车转向系统简介汽车转向系统现在已经成为汽车非常重要组成部分，它对汽车的操纵稳定性有很大的影响，同时也会对安全性造成影响，汽车转向系统根据转向方式的不同有多种布置形式，它的作用就是在驾驶者试图根据路面情况改变或者保持汽车的行驶方向时，对车辆的行驶方向进行控制。汽车转向系统有两大基本功能：第一个功能是使汽车能够按照驾驶者的意图使汽车的行驶方向改变或者保持行驶方向不变，主要是驾驶者通过对方向盘的操控来控制前轮的主销转角来实现的；第二个功能就是在汽车的行驶过程中，车辆会受到路面的影响，路面的状况会作用在轮胎上，轮胎上的受力状况会通过转向传动机构传递给操纵汽车的驾驶者，驾驶者在驾驶车辆时，希望汽车能够将驾驶情况及时、准确的反馈给驾驶者，这样才能准确的掌握车辆的行驶状况从而更为准确把握的来操纵车辆，提高汽车行驶中的安全性，所以优良的操纵稳定性中良好的路感是很重要的组成部分。1.1.2转向系基本构造机械转向系统是把驾驶者在转向时，作用在方向盘上的力作为转向动力，它的组成部件为机械的。机械转向系统主要是由转向操纵机构、转向器以及转向传动机构三个大部分来组成的，图 1-1 为机械转向系统的组成和布置示意图。从转向盘到转向传动轴的一系列零件属于转向操纵机构。由转向摇臂至转向梯形的一系列零部件（不含转向节）均属于转向传动机构1。1转向盘 2转向轴 3转向万向节 4转向传动轴 5转向器 6转向摇臂7转向主拉杆 8转向节臂 9左转向节 10、12梯形臂 11转向横拉杆 13右转向节 图 1-1 机械转向系示意图 Fig.1-1 Mechanical Steering System Schematic Diagram1第一章绪论驾驶者在实现转向意图时，在方向盘上作用一定的力矩，这个力矩通过与方向盘连接的转向轴和万向节传递给转向器，转向器对传递过来的力矩进行放大，并实现减速，然后再将力矩通过转向摇臂和抓向主拉杆传递给转向节臂，最后传递到转向节，从而驱动转向车轮，实现驾驶员的转向操纵。1.1.3转向梯形转向机构是转向系统的重要组成部分之一，它的功用就是将转向器输出的动力传递给转向车轮，同时使汽车在行驶过程中保持汽车的方向稳定性以及实现汽车的变向行驶。转向梯形是转向机构的主要组成，目前，汽车上应用最为广泛的车轮转向机构是阿克曼机构，如图 1-2 所示。此机构的特点是：机构的几何形状呈前宽后窄的梯形，但它只能近似满足上述要求。采用阿克曼机构，内外轮转角的实际曲线与理论曲线有一定的差距。图 1-2阿克曼转向梯形机构Fig.1-2Ackerman Steering Trapezoidal Mechanism转向梯形机构由转向横拉杆、转向梯形臂和转向节组成。转向横拉杆的两端分别是左旋和右旋，与横拉杆的接头通过螺纹连接在一起，因为横拉杆的两端是正反螺纹，所以当在旋松夹紧螺栓以后，转动横拉杆的杆体，这样就可以改变转向横拉杆的总长度，这样就可以调整前束，它连接左右转向臂，这样既可以实现左右转向车轮的同步运动，而且还可以调正全速。转向梯形臂是连接转向横拉杆和转向节，梯形臂带锥形柱的一端是和转向锥形孔配合在一起的，这样可以用键防止螺母的松动，而另一端是带有锥形孔的，并与相应的拉杆球头销的锥形柱连接在一起。汽车在行驶的过程当中，想要实现方向的改变，必须使各个车轮的旋转中心是同一个中心，才能够使汽车在转向时，车轮是作纯滚动的，如果不能满足的话，会使轮胎发生打滑，所以，内转向轮的偏转角应该比外转向轮的偏转角要大。为了能够实现这样的目的，发明了转向梯形，通过由横拉杆和左右转向梯形臂组成的这种梯形杆系，这样能够非常近似的满足这样的要求。有些汽车在设计时，为了减小汽车的最小转弯直径，使外转向轮的转角大于理论的偏转角。汽车的悬架分为独立悬架和非独立悬架，那么由于结构的不同，转向梯形也分为和独立悬架配合使用的以及与非独立悬架配用的。与非独立悬架配用的转向梯形，各杆件之间均采用球形铰链连接的，并没有放置松脱、缓冲吸振、自动消除磨损后的间隙等的结构措施。如果汽车的转向轮是采用独立悬架的，这样的话每个转向轮是相对于车架作2第一章绪论独立的运动，因此，转向桥必须是断开式的，那么与之相配用的转向梯形也必须是分开的，也就是说转向梯形是断开分为两段的，有些还有是三段式的。1.2汽车转向机构研究的目的与意义汽车工业近些年得到迅速的发展，现在已经成为我国的支柱产业，汽车工业的发展能够带动其它相关产业的发展，所以其在国民经济中的作用越来越重要，但是相对于发达国家来说，我国的汽车工业的自主研发能力还很薄弱，虽然我国在汽车的制造领域取得了不错的成绩，但是在汽车的设计与改型方面与国际的先进水平还有很大的差距，而且我国的汽车工业的发展仍然满足不了我国人民日益增长的需求，每年我国都要从国外进口大量的汽车，销售到全国的各个地方。汽车作为一个由数以万计的零部件组成的庞大而复杂系统，它的组成零部件大部分是有专门的零部件厂家来提供的，而现在我国的零部件生产厂家从整体上来说，其生产的产品水平不高，尤其是在自主开发的能力上还有很大的进步空间，与先进国家的产品相比在国际市场上缺乏产品竞争力，这显然是我国汽车工业发展必须解决的根本问题，因此，对于我国的汽车零部件企业，为了提高产品的性能，必须具备与整车同步发展的产品开发能力，研究汽车零部件，特别是汽车关键部件的先进设计理论和技术2。汽车转向机构的好坏直接对汽车的操纵稳定性、安全性以及轮胎的使用寿命造成影响，汽车转向机构作为汽车的一个重要的组成部分，它是决定汽车主动安全性的关键因素之一，在设计转向机构时，如果设计的合理，能够使汽车在行驶转弯时，汽车的各个车轮相对于地面是作纯滚动，也就是没有滑动的运动，这样既可以减少轮胎的磨损，还能够保证汽车的动力不会因为轮胎磨损而过度消耗，那么如何正确的、合理的对汽车转向机构进行设计，就成为现今各汽车生产厂家的要求，也就成为了当今科研的重要的研究内容，尤其是在现今社会的道路状况有了很大的改善，车辆的行驶速度越来越高，而且现在家有轿车越来越多，造成驾驶者的非专业化，车流量也越来越密集，所以在考虑到驾驶者驾驶水平的不同，汽车的操纵稳定性设计也就显得尤为重要3。1.3汽车转向机构的研究及发展现状最初的汽车转向机构，是由一个操纵杆或者是手柄来控制前轮，从而实现汽车的转向，这种操纵和布置行驶是根据马车以及自行车的转向行驶而产生的。最早发明转向机构的人是德国的林肯斯潘杰，他在 1817 年就发明了现代使用的汽车转向机构并申请了专利，而后又将这个专利转让给了阿克曼，阿克曼就是在此专利的基础上由申请了“平面连杆式转向机构”，从而一举成名，现今通常将转向梯形特性的关系式称为阿克曼公式，从此以后，汽车转向系统在汽车上的作用越来越重要，所以受到学术界的广泛关注，大量的学者对其进行了研究，从而推动了转向系统的发展，转向系统发展到今天有了很3第一章绪论大发展。第一个平行四边形转向联动机构是由法国人杰特发明的，而第一个使用方向盘的机动车辆是达吉恩蒸汽汽车，苏格兰人查理士鲁道夫把方向盘安装在使用煤气发动机的车辆上，从而使用方向盘对转向进行操纵，英国人德里克斯特里克兰与作为汽车制造商的德雷克在 1886 年将船用的转向柱以及方向盘安装在戴姆勒弗顿的新款敞篷车上用来进行转向操纵，而戴姆勒帕利生生产出第一辆带有倾斜的转向柱与转向盘的汽车。而后，汽车的转向系统有了很大的发展，许多先进的转向器相继出现，像齿轮齿条式转向器、滚珠蜗轮式转向器也就是所谓的循环球式转向器，而随着悬架的发展，汽车转向机构也随之有了很大的发展。我国的汽车转向机构的研究工作相对于先进的国家起步较晚，而且也存在一定的差距，但是经过许多学者的共同努力也取得了一定的成果，汽车工业在我国的研究设计工作已经展开，在某些方面有了很高的水平，但从整体的水平来看，和国外的一些先进国家相比还是存在很大的差距的，尤其是在将所研究的成果推广应用到实际当中还是相对较少的，那么对于汽车行业来说，理论的研究并不是研究的重点，而是在汽车实际的设计当中如何将理论本身应用，也就是对于汽车整体性能参数的匹配、各个系统总成、零部件的结构优化开展研究工作，建立合理的数学模型，选择适当的方法，提高汽车设计的质量。到二十世纪七十年代，优化设计方法在很多领域得到了很大的发展，尤其是在机械设计方面，从最开始的只对简单的构件及机构的优化设计，逐步的发展到复杂的零部件的优化设计。随着优化设计理论的发展，在汽车设计领域也开始得到应用，例如汽车的底盘设计，内燃机的零部件设计以及车身设计方面都有了一定的发展应用，这样在提高汽车的平顺性、操纵稳定性、安全性等方面都做出了很大的贡献，虽然在国外优化设计在汽车设计当中得到了广泛的应用，但是并没有贯穿汽车设计的整个过程，而且在具体的优化设计当中，还存在很多问题需要解决。我国的汽车优化设计的研究开展的比较晚，不过经过各位学者以及业内人士的努力已经取得了很大的进步，但是相对于国外先进的国家还存在一定的差距。对于转向机构的优化设计，国内也进行了一定的研究，根据目标函数的不同，有几方面的研究：（1）把转向车轮的绝对误差的最大值，或是相对误差的极大值，作为优化时的目标函数4-5，这样是对转向机构在转向过程中的最大的误差进行了控制，但是不能够对于转向时的整个状态进行综合分析；（2）对于转向时，转向车轮轴线在地面投影的交点会形成轨迹曲线，有将这个运动轨迹作为优化时的目标函数的6-8，采用此方法在进行优化的时候，要先把交点的坐标和轴距进行对比，这样才能进行优化，得到优化的结果，所以缺少直观性；（3）在优化时考虑转向轮的转角误差，把它作为优化时的目标函数9-11，这样在进行优化时，我们针对不同的车辆，转向轮是存在差异的，那么把转向轮作为自变量而得到的优化结果会有很大的不同，而且这样所得到的转向机构，它4第一章绪论在转向时的转角误差会很小，不过会出现前轮的转向中心与后轮的转向轴线二者偏离较远，这样的不理想情况。近些年，稳健设计和可靠性设计越来越受到人们的关注，运用这两种设计方法能够有效的提高产品质量，而其还能够使成本有所降低，所以这两种方法在工程设计中的应用也越来越广泛，汽车作为发展迅速的产业，很多新的设计方法和理念也都应用到了汽车设计中，稳健设计和可靠性设计就是其中的两种，在后面的章节会进行详细的介绍，对于汽车转向机构，有以下的应用：汽车转向机构的稳健设计：（1）具有正态分布的设计参数与噪声因素的稳健设计理论，这种方法是将转向过程中的运动误差作为稳健设计的目标函数，把主销中心距、轴距、转向梯形底角以及转向梯形臂它们的长度作为稳健设计的设计变量，从而建立转向机构的稳健优化数学模型12-13；（2）基于响应面法的稳健优化设计方法，转向机构的试验设计中，将各杆件约束点的位置坐标设为输入，转向曲线理论值（由Ackerman转角关系曲线计算得到）与实际模拟值最大差值作为目标函数，此即系统的响应。在响应面计算的具体过程中，根据各设计变量对目标函数的敏感度，筛选影响转向性能（响应量）或者与噪声因素相互影响的主要设计变量14。（3）基于集成化仿真技术的稳健设计，考虑汽车转向机构零件的制造精度对汽车转向性能的影响，应用蒙特卡罗法及多目标的遗传算法来进行稳健设计15。基于可靠性的汽车转向机构稳健设计：近些年，可靠性设计和稳健设计越来越得到重视，所以两种理论也有了很大的发展，那么有人将可靠性设计、稳健设计、优化设计以及灵敏度设计结合起来，将各个理论融合在一起对产品进行设计，在设计的时候，正确的使用这种方法可以有效的提高机械产品的性能指标，提高设计质量16-21，对于转向机构，在进行设计时将主销距、轴距、转向梯形臂以及转向梯形的底角作为设计变量，而噪声因素则选择运动副的间隙，它的变化会影响运动的精度，变量和参数均按正态分布并且是相互独立的22，在同时考虑可靠性和稳健性，也就是说对转向机构在进行设计的时候，既使其能够满足稳健设计的要求，同时还能够具有一定的可靠性，这样能够有效地提高汽车转向机构的质量，从而使汽车在行驶的过程当中能够具有较好的操纵稳定性，而且还能够兼顾到安全性能。1.4本文的主要内容本文首先对稳健设计方法的基础理论进行介绍，包括对稳健设计理论的发展及研究现状、稳健设计的基本理论、Taguchi 稳健设计方法以及基于可靠性的稳健设计方法进行了简单的介绍，从而为下面的建模提供理论基础。然后分别从 Taguchi 稳健设计方法和基于可靠性的稳健设计方法两个方面进行建模，那么在基于可靠性稳健设计方法中，提出基于概率分布的可靠性稳健优化设计和基于非概率的稳健可靠性优化设计的数学模型，并应用这两种数学模型进行了实例计算，并与传统的优化方法进行比较，从而证5第一章绪论明提出的理论方法的正确性。最后应用 CATIA 软件分别对整体式转向系统和断开式转向系统进行了建模和运动仿真。6第二章稳健优化设计的基本理论和方法第二章2.1稳健设计稳健优化设计的基本理论和方法在机械产品设计完成后，就会进入加工和制造，在这个阶段会产生很多的干扰因素，例如加工人员的操作水平、加工机械的加工误差不同等，而由于采用的材料的性能的差异等的影响，都会对产品的设计参数产生影响，从而影响产品的性能，使产品不能够达到设计时所要求的性能，严重的可能导致产品完全丧失功能。稳健设计就是针对这些干扰因素而产生的一种设计方法，它是在设计的过程当中，就充分的考虑到加工和制造以及加工材料这些不确定因素的影响，从而使设计出的产品在受到这些不确定性因素的影响时，其质量性能仍能够达到设计所要求的性能，也就是说其产品的性能是稳健的。对于任何的机械产品来说，它的性能实现都要受到一些影响因素的影响，对于这些影响可以采用消除影响因素的方法来实现消除这些影响，但是在工程实际中，消除这些影响是有很大困难的，而且有一些影响因素即使能够消除，但是这样会造成成本大大增加，所以这种方法是得不偿失的，还有一种就是尽量的让产品的性能在受到这些影响的时候能够保持它的性能要求，也就是说当这些不确定性因素发生微小的变化时，产品仍能够保证其质量性能，这就是稳健设计的指导思想。稳健设计把对产品性能的影响因素分两类：一类是能够控制的因素，就是在设计和制造的时候可以控制，使这些影响因素在规定的范围内变化，像产品的尺寸、材料的性能等，这些因素就称为可控因素；另一类是很难控制或是不能控制的影响因素，如在加工时工人的熟练程度、加工时的温度和湿度等，这些因素在设计的时候很难控制，把这些因素称为不可控因素。稳健设计的核心内容其实是优化问题，优化设计解决的是知道约束的可行域，然后在根据特定的意义，在这个可行域的范围内找出最优的法案的一种设计方法，通常情况下，优化设计的最优点是在约束可行域的边界上，但是在实际的工程设计中，由于设计变差的影响，所找到的最优点往往是不可行的，这就是说一般意义上的优化设计，它的最优解是不具有稳健性的。稳健优化设计它是在优化设计的基础上而产生的，就是在优化设计的基础上考虑稳健性，在设计时使最优解在受到设计参数的变差的影响下仍然是可行的，也就是说当产品的设计参数发生微小的变化时，其质量性能函数仍然能够在所规定的容差范围内。2.2稳健设计发展及研究现状稳健设计最初是由日本著名的质量工程专家 Taguchi 教授在 1978 年提出来的，他所提出来的稳健设计方法的优点是在设计以及开发产品的时候，使产品所设计的功能函数7第二章稳健优化设计的基本理论和方法在影响因素的影响下能够具有稳健性，而且还能够使产品的目标值的变异极小化，这种方法首先在日本进行了推广，并在日本本土开展了产品质量管理，取得了很好的效果，因此这种方法也受到了许多发达国家的关注，他们对 Taguchi 稳健设计方法进行了深入的研究，在 Taguchi 思想的基础上加入许多新的思想内容，并且提出了很多和 Taguchi稳健设计方法不完全相同的新的设计方法，尤其是在计算机产生后迅速得到很大的发展，这样又为稳健设计提供了很多新的思路，于是稳健设计在学术界、工程技术界和统计界得到了高度的重视。Taguchi 稳健设计方法就是所称的基于损失模型的稳健设计方法，这种设计方法在国内称为三次设计，也就是由系统设计、参数设计和容差设计这三次设计组成从而得名的，任何一种产品都必须经过这三次设计才能完成。系统设计就是在设计初期，通过对客户要求的调查，从而对所要设计的新产品的功能以及原理有一个初步的了解，以此为基础来确定产品应该具有的基本结构并且来对综合功能进行分析。参数设计是 Taguchi稳健设计的核心内容，参数设计一般是要在系统设计完成后开始，它的目的是希望找到对产品的功能影响较大的因素，从而在设计的时候对其加以控制，来达到使质量特性的波动最小，通常采用正交试验设计来进行对可控因素的选择。容差设计也就是公差设计，它是在系统设计和参数设计完成后所进行的设计，也就是在产品设计完成的最后设计，它的主要目的是对产品的质量和成本进行综合的考虑，从而对其进行调整，来达到质量和成本的平衡，得到质量好成本低的产品，它的具体的实现方法，是在设计产品时，首先规定出所能容许的最大的偏差，那么在产品的设计中，所规定的容差小，则限制的产品的尺寸制造性差，制造成本高，如果在参数设计完成后，所设计的产品的性能已经能达到规定的要求，那么就可以不用再进行容差设计了，但是要是满足不了，就要对参数的容差进行调整，目的就是希望可以使产品在达到质量要求的同时成本最低。Fiacco在稳健设计的基础上加入灵敏度分析理论，产生了灵敏度分析法以此来进行产品设计，就是在设计产品时估计出约束变差或者设计变量变差变化对质量性能指标的影响范围23。Belegundu提出在产品开发的设计阶段，对设计变量进行合理适当的选择，使产品质量对噪声因素的敏感性最小，这种方法也就是将灵敏度进行极小化，从而实现稳健性能24。Parkinson、Emch等对工程模型的稳健性进行了研究，他们将此类稳健性分为两类：一类是即使在发生变异的情况下也能确保设计约束的满足的可行稳健性，第二类是尽可能的减小设计变量对变异的灵敏度的敏感稳健性。同时指出稳健性设计的核心是一个优化问题，在稳健设计中变量和参数的改变会影响设计函数，从而使设计目标和设计约束都产生相应的变化。变量和参数的分布情况决定了设计函数的分布情况。稳健设计的目的是尽可能的减小设计中变量和参数对设计函数等的影响，这就是容差模型法25-26。Ting对机构系统的性能质量和容差灵敏度进行了深入的研究，提出了性能质量对容差灵敏度的确定方法和判定容差最不敏感稳健设计方法27。国内的稳健设计起步比较晚，在 1980 年左右，Taguchi设计方法才引起我国学术界8第二章稳健优化设计的基本理论和方法的重视，在 20 世纪 90 年代末期，我国的学术界对稳健设计的研究成为热点。韩之俊在三次设计中对稳健设计方法进行了系统的介绍，从而将稳健设计引入到国内28。陈立周等对稳健性随机优化方面进行了深入的研究，对稳健设计的基本概念、原理和方法 郭惠昕等将模糊设计的思想进行了系统的阐述并对稳健设计研究成果进行了总结29-31。引入到稳健设计当中，对其进行了深入的研究，提出了基于模糊理论的稳健设计方法32-34，而且将非概率可靠性方法与稳健设计方法相结合，提出了稳健可靠性设计方法35。孙永光等利用计算机技术，对模具建立参数化模型，并将实验设计、蒙特卡洛模拟方相结合，提出了六西格玛稳健设计方法36。针对汽车也有相关的稳健设计研究，车华军等对悬架进行稳健设计，从而来提高汽车的操纵稳定性能37。宋传学对汽车的平顺性运用稳健设计方法来进行研究，对多工况下悬架参数最优值的变化规律进行稳健设计研究，提出多工况下评价平顺性的稳健设计方法38。俞斌对发动机悬置系统刚度的设计过程中运用稳健设计方法进行优化设计，提高了其刚度的稳健性39。李超将Taguchi设计和有限元分析相结合的方法应用于车门系统的设计，根据正交矩阵试验方案对车门进行了优化设计，提高了车门的品质40。张义民等将稳健性设计应用到汽车零部件（弹簧）的设计中，提高了弹簧的产品质量41。张文明等运用偏好聚合法替代线性加权法来进行方差和均值的归一化，而且对制动器的设计采用响应面稳健优化设计42。程贤福将可靠性优化设计方法、可靠性灵敏度分析以及稳健优化设计理论结合在一起，对汽车鼓式制动器进行了设计，在实际过程当中考虑噪声因素的影响看，以制动效能因数作为可靠性稳健优化设计的目标函数，以此来进行数学建模，设计后的结果表明，制动器具有较高的制动效能以及可靠性，而其还具有较低的可靠性灵敏度43。对于汽车的转向系统也有相关的研究，王涛等运用蒙特卡洛法和多目标遗传算法对转向机构进行了稳健优化设计，并采用集成运动仿真方法，提高了转向机构的运动精度44。申焱华采用响应面法对转向机构进行优化分析，对影响转向精度的因素进行了分析45。程贤福将可靠性优化设计以及稳健设计方法结合在一起，对转向机构进行了优化设计，不仅考虑了可控因素对运动精度的影响，而且同时把噪声因素对于运动精度的影响也进行考虑，以转向精度作为目标函数建立可靠性稳健优化设计数学模型46。2.32.3.1稳健设计的基本理论稳健设计要达到的目的图 2-1 所示的是目标针对质量设计的稳健设计方法的图解。对于稳健设计而言，通常是要达到以下的设计目的：（1）在产品设计时，应使产品的质量特性均值与目标值接近，也就是说，应使设计的质量特性值最大限度等于目标值，可以表示为下式：9第二章稳健优化设计的基本理论和方法d y = y - y 0 min 或 d y2 = ( y - y 0 ) 2 min为：（2-1）（2）使功能特性波动的方差尽可能小，此波动是由干扰因素造成的，数学表达式d y2 = E( y - y ) 2 minf ( xi )x（2-2）f ( y)Dx - Dx +(m y - y0 )xiy0y = y ( x, z )f ( zi )z图 2-1Fig.2-1-y0Dy Dy+myy稳健设计的图解表示Robust Design Graphic实现两个目的的主要方法有：实现第一个目的的主要方法：在产品设计的方案设计阶段，将输入与输出的关系进行调整，这样就可以达到使功能特性尽可能接近目标值；在参数设计阶段，对所要设计的变量的值进行改变，即设定其值，从而使所设计产品的输出均值能过达到目标值。实现第二个目的的主要方法：在产品设计的时候，使参数的名义值的偏差降低，通过降低偏差，但是这样做会造成成本的增加，原因是为了使偏差降低，要么必须采用与未设计前相比的更好的材料，要么就是采用高精度的加工方法；选择合理的工作点，从而达到使特性值的波动减小的目的。2.3.2稳健设计的分类稳健设计根据用于的目的不同，基本上可以分为以下三类：类问题：把信号因素作为一定值来进行设计，这也就是一般的静态问题，这样的话通过对设计变量的改变，可以降低输出特性的方差，如图 2-2 所示，当设计变量 x 取不同的 a