基于客户需求的设计柔性度量方法

陈 君，游 颖

(1湖北理工学院 机电工程学院，湖北 黄石 435003；2湖北工业大学 机械工程学院，湖北 武汉 430068)

基于客户需求的设计柔性度量方法

陈 君1，游 颖2

(1湖北理工学院 机电工程学院，湖北 黄石 435003；2湖北工业大学 机械工程学院，湖北 武汉 430068)

为了提高产品设计中对需求变化的响应能力，根据客户需求对产品设计柔性的影响，针对数值型、逻辑型、程度型和选择型等不同的客户需求类型，提出了相应的设计柔性度量方法，并以汽车转向系统为例，分别对连续型客户需求和离散型客户需求的设计柔性进行实例分析，验证了度量方法的合理性，为产品设计快速应对需求变化提供了理论依据。

客户需求；设计柔性；度量方法；汽车转向系统

0 引言

不确定性是产品设计的环境特征，包含客户需求的不确定性、技术的不确定性、供应商的不确定性和竞争的不确定性，其中客户需求的变化对产品设计的影响尤为突出。在对现代设计方法如配置设计、变型设计等研究中，采用不同技术来满足客户需求的变化。文献[1]通过适应产品平台建立公理设计矩阵，构建设计关联矩阵并分析关联度，采取产品平台中设计参数共享策略，从而形成快速响应客户需求的配置设计。文献[2]将配置设计界定为依据具体的设计需求，在原理和基本功能定义不变的条件下，对系统内相似产品或模块的局部结构的配置和参数进行一定范围内的修改和调整，形成符合客户需求的产品[3]。变型设计是针对需求多变性和设计环境的不确定性，充分利用系统现有资源，快速、高效地设计出满足客户需求的产品。变型设计的实现技术主要有参数化设计技术、模块化设计技术和智能化设计技术等[4]。基于模块的变型设计是将客户需求转化为功能需求，以功能分析进行模块划分，通过对功能相同而性能不同的模块进行组合来实现变型设计[5]；基于结构的变型设计是将产品平台构成高度结构化，根据客户需求对结构参数的影响，通过对产品结构参数的调整和改变来实现变型设计[6]等。

应对不确定性的优势和关键资源在于柔性，尤其是设计柔性。设计柔性是应对产品设计面临的不确定性和变化的能力，能在较短时间内和耗费较低成本的前提下，通过修改设计参数达到改变产品性能的目的，在保证成本效益的前提下，具有易修改特性以满足不同时点的不同要求的能力[6]等，这种实时改变和设计参数的修改特性是设计柔性实现的手段。

设计柔性是根据需求的变化，设计过程或结果做出相应改变以适应需求变化的能力。设计柔性度量的关键是如何通过界定需求的变化和对应设计结果的改变，建立一种能反映两者之间定量或定性关联的映射模型。本研究设计柔性的度量时，主要考虑某一影响因素对设计柔性的影响，而非综合考虑所有影响因素对设计整体柔性的影响。

1 面向设计柔性的客户需求划分

正确、科学划分客户需求类型及其改变方式，是建立映射模型的前提。

1.1 客户需求的类型

客户需求可以分为数据型和非数据型2种类型[7]。所谓数据型是指可以用数据或数值进行描述的，主要包括数值型和逻辑型，而非数据型一般有程度型和选择型，非数据型需求同样可以用取值表示，如程度型可以用模糊值表示，选择型可以用相应的二进制编码表示[8]。

1)数值型。数值型需求指用数值表示产品或零部件属性、尺寸、性能变量等方面的需求，如汽车转向器产品开发中，很多设计参数、属性、性能指标都是可以用具体数值进行表示。常见的参数型表述的需求主要有连续型和离散型2种，连续型一般都是区间型(大于某个值、小于某个值)，如转向器的寿命范围；离散型是所有具体的取值，如齿轮齿条转向器中齿轮的模数都是一系列取值。

2)逻辑型。逻辑型需求是指从客户角度考虑可有可无的、产品属性值被设置成二元互斥取值出现在产品的需求中。对于这类客户需求，一般是针对可供客户自主选择的附加产品功能。在一般汽车零部件的设计中，这类客户需求往往通过把附加功能的可选项设置成(是，否)、(有，无)或(选，不选)来实现，如对转向器某一几何特征结构的选取等。

3)程度型。程度型客户需求采用描述性的模糊语义方式进行描述或表述。这类需求大多使用模糊值表示，如关于重要程度的，包括很重要、比较重要、重要、不重要、很不重要等取值方式；关于优劣程度的，包括很好、较好、好、一般等。

4)选择型。指客户可以从一组预先定义的有限个属性值中选取某可选项来表达产品或零部件属性的需求。这些选项相互替代，只能取其一，当然也可以默认为缺省值。选择型客户需求一般用来描述汽车转向器产品的替换功能，而不是附加功能等，如对转向器的生产批量(单件、小批量、中批量、大批量)的选取等。

1.2 客户需求的改变 1)客户需求的增减。客户需求的改变之一是客户需求的增减。客户需求的增减是指增加新的客户需求内容、减少或合并现有的需求。 2)需求参数值的改变。对于数值型、逻辑性、程度型来说，需求参数值的改变就是取值或取值范围的变动，如转向器变速比取值发生改变、所对应车型前轴负荷的范围发生变动等。 程度型客户需求使用模糊值表示，如“很好、好、较好、一般”等，一般用变动级数衡量程度型客户需求取值的变化程度，如从“很好”到“好”变动级数为1，从“很好”到“较好”变动级数为2，依此类推。

对于选择型而言，需求参数值的改变为选择对象或选择对象的描述发生改变，导致对应的需求编码不同，如生产批量从小批量改变为大批量。

2 基于客户需求的设计柔性度量方法

设计柔性的度量是在需求与设计变量之间建立一种可量化的映射关系[9]，以此反映设计变量对需求变化的适应程度。对于不同类型的客户需求，其度量方法也有所区别。

2.1 数值型客户需求的设计柔性度量

(1)

由式(1)可知，数值型设计柔性取决于客户需求的相对范围和对应于客户需求的设计变量范围。 如果数值型客户需求具有离散型的取值，可设此类需求构成集合Mm={m1,m2,…,mn}，对任一需求mi∈Mm，对应于该需求的设计变量同样具有离散型的取值，且构成集合X(m1)={x1(mi),x2(mi),…,xin(mi)}，且对任一xj(mi)∈X(mi)。以S{xj(mi)}表示该设计变量所有取值构成的集合，以L表示该集合几何元素个数的函数，则对于离散型的数值型客户需求设计柔性可以表示为：

(2)

2.2 逻辑型客户需求的设计柔性度量

(3) 当客户需求改变时，某个设计变量不存在，其取值区间构成的集合为空，则对应的区间长度为0，因此，逻辑型设计柔性实质是针对需求改变前后两者共同设计变量的一种度量。 从式(2)中可知，当客户需求发生改变时，如果对应的设计变量取值范围不变，则此时设计柔性是最大的；如果设计变量取值范围完全不同，则此时设计柔性是最小的。

2.3 程度型客户需求的设计柔性度量

程度型客户需求使用模糊值表示，如“很好、好、较好、一般”等，设程度型客户需求构成集合Md={md1,md2,…,mdn}，以isn表示第i个需求的取值数量，则第i个需求的取值形式表示为mdik，k=1,2,…,isn。对任一需求mdi∈Md，对应于该需求的设计变量构成集合X(mdi)={x1(mdi),x2(mdi),…,xin(mdi)}，in表示对应于需求mdi所有取值的全体设计变量数量；同时，对应于该需求不同取值的设计变量记作xj(mdik)，以S{xj(mdjk)}表示区间内所有取值构成的集合，以L表示该区间长度的函数，如果设计变量为离散型，则表示该离散型取值所构成集合几何元素个数的函数；当mdik取值发生改变时记作mdit，k≠t，对应于mdit的设计变量记作xi(mdit)，取值区间构成的集合为S{xj(mdit)}，则对应于程度型客户需求的设计柔性可以表示为：

(4)

程度型客户需求的设计柔性反映了客户需求取值变化时，对应设计变量取值范围的改变程度，当改变程度大，设计柔性小，否则设计柔性大。

2.4 选择型客户需求的设计柔性度量

设选择型客户需求共有n种选取方案，构成集合Ms={ms1,ms2,…,msn}，对任一需求选取方案msi∈Ms，对应于该方案的设计变量构成集合X(msi)={x1(msi),x2(msi),…,xsn(msi)}，sn表示对应于选择型客户需求的所有设计变量的个数。以S{xj(msi)}表示区间内所有取值构成的集合，以L表示该区间长度的函数；如果设计变量的取值为离散型，则S{xj(msi)}表示该设计变量所有取值构成的集合，L表示该集合的数量,选择型客户需求的设计柔性可以表示为：

(5)

如果选择型客户需求选取方案为n，则从一个方案到另一个方案改变的次数共有(n-1)!次。从式(5)中可以看出，对于选择型需求的改变，每一个设计变量的柔性取值总是在0和1之间，因此总体上可以保证与前面几种度量方式的一致性。

从上述设计柔性分析和模型可以看出，当客户需求改变时，对应设计变量保留的数量以及设计变量与原有设计变量取值重叠的范围反映了对需求变化的适应程度，也直接决定了设计柔性的大小，这是对于汽车转向器设计柔性度量的一个共性。

3 基于客户需求的汽车转向器设计柔性分析

以汽车转向系统、数值型客户需求为例来说明面向客户需求的设计柔性度量方法。汽车动力转向系统示意图如图1所示，由转向器和转向传动机构组成，转向传动机构由转向摇臂、转向主拉杆、梯形臂、转向横拉杆、转向节等组成。汽车转向时，驾驶员转动转向盘，通过转向轴、转向节和转向传动轴将转向力矩传递到转向器，再传递到转向摇臂、转向节臂，使车轮发生转向。

图1 汽车动力转向系统示意图

3.1 连续型客户需求的设计柔性分析

转向盘上的手力是实现驾驶灵便性和行驶平顺性的重要指标之一，对于各类汽车来说是一项很重要的客户需求变量，如某类型转向器，其转向盘上的手力计算公式：

(6)

式(6)中：L1为转向摇臂长度；MR为原地转向阻力矩；L2为转向节臂长度；Dsw为转向盘直径；iW为转向器角传动比；η1为转向器的正效率。

现代汽车结构中，L2与L1比值大约在0.85～1.10之间，可近似认为其比值为1，转向盘上的手力是一项很重要的客户需求变量，例如转向盘手力取值上下限分别为Ch1和Cl1，对应于该需求的设计变量同样具有连续型的取值区间，原地转向阻力矩取值上下限分别为Cxh1和Cxl1，转向盘直径取值上下限分别为Cxh2和Cxl2，转向器角传动比取值上下限分别为Cxh3和Cxl3，转向器的正效率取值上下限分别为Cxh4和Cxl4。假设转向盘手力、原地转向阻力矩、转向盘直径、转向器角传动比、转向器的正效率取值上下限等参数已知，且有2种方案，2种转向器方案的参数对比见表1。

表1 2种转向器方案的参数对比

由公式(1)可知，方案1设计柔性为：

方案2设计柔性为：

根据计算结果可知，方案1取值范围较大，其设计柔性相对也大，即连续型的客户需求取值范围与设计柔性成正比。客户需求的取值范围较大，相对其设计参数的选择范围也较大，其设计柔性较大。

3.2 离散型客户需求的设计柔性分析

以循环球式转向器为例来说明离散型数值客户需求与设计参数柔性度量方法。循环球式转向器主要由2个传动副组成，一个是螺杆、螺母和螺旋槽内装钢球构成的传动副，另一个是由齿扇和螺母上齿条构成的传动副。对于循环球式转向器来说钢球中心距D是一项很重要的客户需求变量，钢球中心距会影响循环球式转向器的结构尺寸和强度。钢球中心距的计算公式为[10]：

(7)

式(7)中，D为钢球中心距；d为钢球直径；V为一个环路中的钢球工作圈数；n为不包括环流导管中的钢球数；α0为螺线导程角，常取α0=5～8°，故 cosα0≈1。循环球式转向器的设计参数选择见表2。

客户需求为钢球中心距，对于该需求的设计变量同样具有离散型取值，需求与设计变量的取值个数见表3。方案1钢球中心距取值集合为S(m1)={20,23}，方案2中钢球中心距取值集合为S(m1)={25,28,30,32,35,40}。

表2 循环球式转向器的设计参数选择

按照数值客户需求与设计参数柔性度量分析方法的原则，在钢球数和螺线导程角取值条件相同的条件下，2种方案相比，第1种方案的数值更大，设计柔性更优。

表3 离散型客户需求的2种方案选择

4 结束语

客户需求是设计柔性的重要影响因素。通过对客户需求数值型、逻辑型、程度型和选择型等不同类型的划分，以及对应客户需求类型的设计柔性度量方法的研究，可以提高产品开发中对需求变化的响应能力，加快产品设计的有效性，实现产品开发的高效、快速和低成本。

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[5] 童时中.模块化原理设计方法及应用[M].北京:中国标准出版社,2000:12-55.

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[9] 石纯一,王家廞.数理逻辑与集合论[M].北京:清华大学出版社,2002:25-136.

[10] 王望予.汽车设计[M].4版.北京:机械工业出版社,2004:8:178-181.

(责任编辑 吴鸿霞)

Design Flexibility Measurement Based on Customer Demand

ChenJun1，YouYing2

(1School of Mechanical and Electronic Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003;2School of Mechanical Engineering,Hubei University of Technology,Wuhan Hubei 430068)

According to the customer demands on product design flexibility,a corresponding design flexibility measurement method was proposed in order to enhance response capability to requirements change in product design process,aiming at different customer demand such as the numerical type,logical type,degree type,and selective type and so on.By taking the vehicle steering system for an example,the design flexibility based on continuous-oriented customer demand and discrete-oriented customer demand was analyzed respectively,verifying the rationality of the measurement method and providing a theoretical basis for the rapid response to the change of needs in product design.

customer demand;design flexibility;measurement method;vehicle steering system

2016-10-20

湖北省教育厅科学技术研究项目(项目编号：B2014029)；湖北工业大学博士基金项目(项目编号：BSQD12007)。

陈君，教授，博士，研究方向：机械设计及理论、产品数字化设计技术。

10.3969/j.issn.2095-4565.2016.06.001

TH122

A

2095-4565(2016)06-0001-05