實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)助力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)

　　發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的心臟，為汽車的行駛提供最基本的動(dòng)力，它的質(zhì)量特性關(guān)系著汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性。縱觀汽車行業(yè)100多年的發(fā)展史，雖然發(fā)動(dòng)機(jī)的基本原理沒有改變，但積極進(jìn)取的汽車廠商們常常喜歡把發(fā)動(dòng)機(jī)的性能作為競(jìng)爭(zhēng)亮點(diǎn)，富于創(chuàng)新的設(shè)計(jì)大師們也不斷地將最新科技融入到發(fā)動(dòng)機(jī)中，把發(fā)動(dòng)機(jī)變成一個(gè)日益復(fù)雜的機(jī)電一體化產(chǎn)品。舉例來說，影響發(fā)動(dòng)機(jī)Calibration(標(biāo)定)的參數(shù)已經(jīng)增加到數(shù)以千計(jì)的程度。

　　如何能夠在眾多參數(shù)中快速而準(zhǔn)確地找到少數(shù)關(guān)鍵的參數(shù)?

　　如何能夠讓設(shè)置好的參數(shù)使燃料的Consumption、Emissions、Smoothness同時(shí)達(dá)到指定的要求?

　　如何能夠在最短的時(shí)間內(nèi)、在廣義的參數(shù)空間內(nèi)精準(zhǔn)定位，找到最優(yōu)化的設(shè)計(jì)空間?

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　　這些都是國內(nèi)很多汽車企業(yè)的研發(fā)和質(zhì)量部門經(jīng)常遇到的技術(shù)難題。由于缺乏正確的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)理論指導(dǎo)，本土車企的研發(fā)成本高、研發(fā)周期長、研發(fā)效果差，這些情況制約了企業(yè)的上升空間，甚至導(dǎo)致相當(dāng)一部分企業(yè)陷入了“銷量下降→壓縮研發(fā)成本→銷量繼續(xù)下降→繼續(xù)壓縮研發(fā)成本”的惡性循環(huán)。

　　從歐美、韓日等知名車企的成功經(jīng)歷來看，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是它們長期保持發(fā)動(dòng)機(jī)競(jìng)爭(zhēng)力的法寶之一，這與國內(nèi)同行或憑經(jīng)驗(yàn)、或憑苦干的工作風(fēng)格形成了鮮明的對(duì)比。

　　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)DOE，又稱試驗(yàn)設(shè)計(jì)，是以概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)為理論基礎(chǔ)，既經(jīng)濟(jì)又科學(xué)地安排實(shí)驗(yàn)，同時(shí)在此基礎(chǔ)上研究和處理多因子與響應(yīng)變量關(guān)系的一種科學(xué)方法。在發(fā)動(dòng)機(jī)新產(chǎn)品、新工藝的研究中，通常要做實(shí)驗(yàn)，而且往往做實(shí)驗(yàn)的次數(shù)還很多。實(shí)驗(yàn)者總希望從近可能少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)中最大限度地提取有用信息，為此就必須進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、分析與優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)會(huì)告訴工程師們?nèi)绾伟才艑?shí)驗(yàn)最合理，如何對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)和檢驗(yàn)，最終在科研和工藝研究領(lǐng)域如何能夠達(dá)到大幅度縮短研發(fā)周期、節(jié)省經(jīng)費(fèi)、找到最佳的產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)的目的。本文中所有涉及到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的分析報(bào)告都是基于專業(yè)統(tǒng)計(jì)分析軟件JMP完成的。

　　雖然說實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種跨行業(yè)的分析方法論，但在汽車行業(yè)，其使用也有一定的特殊性。總的來說，汽車行業(yè)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以分為兩類：篩選(Screening)設(shè)計(jì)和優(yōu)化(Optimization)設(shè)計(jì)。

　　篩選設(shè)計(jì)是指在問題研究的早期，潛在的候選因素很多，如何有效地大規(guī)模降低實(shí)驗(yàn)次數(shù)而又準(zhǔn)確地找到少數(shù)幾個(gè)影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的關(guān)鍵因素。具體的實(shí)現(xiàn)手段有兩種：一種是經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，如部分析因設(shè)計(jì)、Plackett-Burman設(shè)計(jì)等(如圖一所示);另一種是高級(jí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，如D最優(yōu)設(shè)計(jì)等(如圖二所示)。

　　圖一

　　圖二

　　篩選設(shè)計(jì)的最終目的是不靠猜測(cè)，擺脫低效率的試錯(cuò)法，卻能在眾多參數(shù)中快速而精確地發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)，如圖三中所顯示的X5和X8。

　　圖三

　　優(yōu)化設(shè)計(jì)是指在問題研究的中后期，關(guān)鍵因素已經(jīng)明確，但需要精益求精，在有限的實(shí)驗(yàn)空間中精準(zhǔn)地找到使發(fā)動(dòng)機(jī)性能發(fā)揮到極致的最佳設(shè)計(jì)。具體的實(shí)現(xiàn)手段有兩種：一種是經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，如響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)等(如圖四所示);另一種是高級(jí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，如空間填充設(shè)計(jì)、I最優(yōu)設(shè)計(jì)等(如圖五所示)。

　　圖四

　　圖五

　　優(yōu)化設(shè)計(jì)的最終目的是不用一次次地盲目調(diào)試，而是通過有限的幾次實(shí)驗(yàn)就能找到所需要的參數(shù)設(shè)置，使發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到指定的要求，從而大幅度降低研發(fā)周期與成本。圖六所示的圖形就是反映Fuel pressure和Valve train這兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)燃料Consumption影響的預(yù)測(cè)模型，工程師們可以由此制定最佳的工藝方案。

　　圖六

　　總之，根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況靈活運(yùn)用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，可以幫助研發(fā)和質(zhì)量管理的技術(shù)人員快速而有效地達(dá)到篩選變量和優(yōu)化方案的目的，使我們的汽車擁有更強(qiáng)勁的發(fā)動(dòng)機(jī)，使我們的汽車工業(yè)早日進(jìn)入到一個(gè)更高的發(fā)展階段。