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工业设计/产品设计 |
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QFD在柴油机总体概念设计中的应用 |
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作者：柴国英 熊伟 王晓暾 韩琦 |
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1 产品概念设计及QFD的重要性
柴油机是复杂的机械产品，零部件数量多，系统装配和运动关系复杂。采用传统的概念设计方法，即使是经验丰富的设计人员对后续工作往往也缺乏足够的预见性，通常需要多次反复修才能完成，这样的工作过程设计效率低、成本高、周期长，而且设计质量难以保证。
随着市场竞争的加剧，如何最大程度地满足客户需求、提高产品质量成为竞争中取胜的关键。而产品质量将在很大程度上取决于产品的概念设计。概念设计是产品设计的关键环节，产品的结构、性能、质量、成本、交货时间、可制造性、可维护性等都是在概念设计阶段确定的。概念设计阶段一旦出现错误，后期阶段将很难纠正，或者纠正错误代价太大。因此，概念设计的成功与否决定了产品的质量优劣及市场竞争能力，直接影响企业的获利能力。可见，如何保证概念设计阶段产品设计的质量，已成为现阶段设计人员的当务之急。
到目前为止，已有大约300种概念设计方法应用于新产品概念设计的生成、评价选择和测试等活动中。在这些方法中，有30多年历史的QFD方法由于其系统性和已经取得的成效而显得尤为突出。丰田公司于20世纪70年代后期使用QFD取得了巨大的经济效益，新产品开发启动成本下降了61％，产品开发周期缩短了1／3，而质量也得到了大幅度改进。
在目前的设计理论中，QFD，TRIZ及DOE3种设计方法互相补充，可以综合利用。美国供应商协会(ASI)已经把该方法介绍给世界500强企业，并把该方法用于产品的设计创新中，取得了丰硕的成果，成为赢得竞争优势的核心技术之一。
2 QFD技术在柴油机整体概念设计中的应用
2．1 3种技术集成的理论框架
赤尾洋二教授提出的质量机能展开(QFD)技术，是用多层次演绎分析方式，将顾客需求转化为产品开发设计过程的一系列技术特性，以市场为导向，以顾客需求为依据，在开发设计初期阶段就对产品的适用性实施全方位保证的系统技术方法。QFD的核心内容是顾客需求转换。质量屋(HOQ)是QFD方法的工具，它是一种直观的矩阵框架表达形式。建立质量屋的基本框架，给出输入信息，通过分析评价得到输出信息，从而将需求转换为产品设计方案。
TRIZ是由前苏联G．S Altshuller等总结归纳出的解决工程技术参数冲突问题的理论，它几乎可以用在产品全生命周期的各个阶段，与开发高质量产品、获得高效益、扩大市场、创新产品、分析产品失效、保护自主知识产权以及研发下一代产品等都有十分密切的联系。TRIZ的冲突矩阵是一个重要的解决问题方法，它为设计者提供了另一种分析问题和解决问题的思路。
DOE设计理论是日本著名质量管理专家田口玄一博士于20世纪70年代刨立的一种系统化设计方法，其核心思想是在产品设计阶段就进行质量控制，试图用最低的制造成本生产出满足顾客要求的、对社会造成损失最小的产品。与传统的设计概念不同，田口将产品设计过程分为3个阶段，即系统设计、参数设计和容差设计。3次设计的重点在参数设计，国外称为健壮设计或鲁棒设计。
DOE，TRIZ，QFD三者可以相互补充，通过有机集成，使得柴油机的总体概念设计方案更优，概念开发过程更加完善，从而研制出高质量、低成本且性能可靠的柴油机产品。3种技术集成的理论框架如图1所示。
图1 DOE，TRIZ，QFD集成理论模型
2．2 QFD技术在柴油机概念设计中的应用
2．2．1 柴油机用户需求--技术特性矩阵分析
质量需求表是质量屋HOQ最基本的输入，主要是是通过市场调查获得。在进行市场调查时应客观公正、全面真实。有了前期充分准确、合理的市场调查资料，才可以顺利开展QFD的后续工作。对车用柴油机的设计而言，首先从用户的要求中获取信息，将这些信息进行汇总分类后，用KJ法(亲和图法)对需求进行整理，将用户需求分解为3个层次。为确定质量需求展开表中每个项目的重要度，需要进行详实调查，并按调查结果对各项目标示重要度。均按1到5的数字尺度进行重要度评判，并从顾客的需求角度进行修正，最后得到每一项质量需求的重要度评判分值。
按QFD理论，在完成前面工作之后，应该构建质量需求和质量特性二维矩阵表，分析柴油机各个质量需求与质量特性的相关程度并标示，尤其要注意考虑军用柴油机的特殊之处，对于机动性、功率、可靠性等重点项目要更为关注。
记质量特性为yj(j=1，2，…J)，用户需求为ri，定义ri与yj的关系系数为Rij，Rij表示改善质量特性yj及用户需求r。得到满足的程度。按照满足程度的不同，分别定义Rij为0，1，3，5。Rij=0表示改善为对满足ri无关；Rij=5表示改善yj对满足ri有极大的关系。定义R为顾客需求与质量特性关系矩阵，R=[Rij](i=1，2，…J)，(j=1，2，…J)。
定义质量特性yj改善后的目标值为Tj。Tj在分析对竞争对手产品和本公司现有产品质量特性值yjo的基础上，考虑企业内部资源状况来确定。由此得到质量特性为的实现难度Pj，
式中，yjo为现有产品质量特性的值，yjc为不采用TRIZ技术工具，而通过当前技术改善yj所达到的值。
根据用户质量需求和已成熟的技术，设计出工程技术特性展开表如表1所示。
同时，在此阶段要用概念结构化的功能结构方法，分析柴油机总体功能、子功能和辅助功能。用设计结构矩阵方法开展概念结构化活动。用数量化理论(QM3)进行功能的定量结构化设计。即进行柴油机的QFD功能展开与概念设计的结构化。为了构建技术与系统的QFD模型，应在概设计的初期进行瓶颈技术、瓶颈原材料、瓶颈加工方法和瓶颈工序的提炼与研究。研究相关的技术标准，分析系统原理并进行展开，最终得到系统与功能的QFD模型和技术与系统的QFD模型。
2．2．2柴油机质量规划
柴油机质量规划HOQ如表l所示。首先选择国内外两个研发机构为竞争对手，对各项需求的满意度进行市场竞争性评估，以判断二者在满足用户需求方面的竞争能力。4以数字1～5梯次表示用户对某项需求的满意度，5表示非常满意，1表示非常不满意。具体讲，柴油机质量规划主要包括用户需求重要度评估、用户竞争性评估、质量计划、需求权重计算等内容。对于军用柴油机，可选择国外军用柴油机为竞争对手，让用户对二者的各项竞争性状况评分，借以评估选定公司产品的实力。
根据需求的重要度及竞争性评估的分析结果，可以设定本单位的目标质量和差异化程度的评估值。对于重要度高且国内研究所比国外研究所水平高的用户要求，可以直接作为本研究单位的特色，用于差异化战略。其中，水平提高率=目标质量／国内某研究所，它表示本研究所"目标质量"需要提高的程度。绝对重要度一重要度评判×水平提高率×差异化评估。
以◎代表1．5，O代表1．2，空白代表1，对差异化评估进行量化，将绝对重要度合计，各项目所占的百分比(％)就是柴油机用户需求的"质量权重"(见表2)。
2．2．3柴油机质量设计
柴油机质量设计是构建产品规划阶段的技术和成本评估矩阵，其行列数与质量特性矩阵相对应。在进行质量设计之前，利用质量屋的对应关系将市场要求的质量需求重要度变换成技术特性的质量特性重要度。质量特性重要度变换是通过矩阵运算得到的。要对柴油机的质量进行设计，首先需进行技术竞争性评估，确定质量特性目标值。新产品设计要求总体性能完整，所以工程设计必须使各项设计要素的工作相互协调。要解决质量设计里的权衡问题，需要有创造性的工程设计和使用最新的技术和工艺．
2．2．4 质量屋的建立
在完成柴油机总体概念设计的上述工作后，柴油机的概念设计质量屋便顺理成章地建立起来。QFD的强大之处在于它适用于新产品开发的全过程，即对接下来的零件配置、工艺设计和生产控制也可以进行质量机能展开。如对活塞连杆设计、机体设计、气缸盖设计、附件布置及系列化设计等过程QFD也能发挥重要作用，柴油机概念设计质量屋见表3。
由表3可知，在柴油机设计中优先考虑的是单位功率质量、标定功率、可靠性、使用寿命、活塞平均速度和燃油消耗率等参数。在表3中，动力性指标，紧凑性指标、经济性指标、工艺性指标、环境指标、可靠性指标、耐久性指标的质量特征重要度总和分别为130．5，99．5，45．7，65．8，37．7，67．7，72．2。可见，在柴油机的概念设计中最重要的是动力性指标的选择。
2．2．5 QFD在柴油机零部件设计中的应用
通过零件配置质量屋的建立和分析，可以找出实现工程特征要求的难点和薄弱环节，重新进行有关零部件特征的方案设计。零件配置质量屋的最终输出是能保证实现质量特性(产品特征或工程措施)的零部件特征要求(见表4)。
与产品规划矩阵不同，零件配置质量屋矩阵要简单得多。仅包含了矩阵的几个基本组成部分：质量特性，关键零件特征，关系矩阵及关键零件特征目标值。零件配置质量屋矩阵的开发过程同产品规划质量屋基本相同。值得注意的是，关键零件特征只有在产品设计方案确定后才能确定。因此，首先应选择能满足顾客需求的最佳设计方案。
3 结束语
QFD是由用户需求所驱动，并且将用户需求在设计过程中层层展开，确保设计忠实于用户需求。QFD用可视的连续的方法对用户需求进行演绎分析，使设计决策科学化，体现了一种预防问题发生的思想，它是提高设计质量的有力工具。而田口方法与QFD从不同侧面、不同角度保证产品质量，生产符合用户要求的产品，如能将两者结合起来使用，效果将更好。将QFD和田口方法集成子一体，用于产品设计质量控制，充分体现了质量控制中的源流管理思想和以用户为中心的思想。QFD，TRIZ，DOE三者集成的概念设计方法彻底消除了传统方法的缺陷，改善了设计过程，缩短了设计周期，同时QFD及DOE技术工具的集成和相关软件的应用使概念设计过程更系统化。
未来高质量产品的设计要兼顾产品全寿命周期，本研究正是利用QFD这一质量工程技术，从用户需求人手，建立柴油机概念设计的QFD模型，提出柴油机的概念设计方案，并提出切实可行的质量控制办法，为提高柴油机质量开辟了一条新的有效途径。(end)
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(1/2/2009) |
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