實驗設(shè)計助力汽車發(fā)動機研發(fā)

　　發(fā)動機是汽車的心臟，為汽車的行駛提供最基本的動力，它的質(zhì)量特性關(guān)系著汽車的動力性、經(jīng)濟性、環(huán)保性。縱觀汽車行業(yè)100多年的發(fā)展史，雖然發(fā)動機的基本原理沒有改變，但積極進取的汽車廠商們常常喜歡把發(fā)動機的性能作為競爭亮點，富于創(chuàng)新的設(shè)計大師們也不斷地將最新科技融入到發(fā)動機中，把發(fā)動機變成一個日益復雜的機電一體化產(chǎn)品。舉例來說，影響發(fā)動機Calibration(標定)的參數(shù)已經(jīng)增加到數(shù)以千計的程度。

　　如何能夠在眾多參數(shù)中快速而準確地找到少數(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同時達到指定的要求?

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

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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。由于缺乏正確的實驗設(shè)計理論指導，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，甚至導致相當一部分企業(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，實驗設(shè)計是它們長期保持發(fā)動機競爭力的法寶之一，這與國內(nèi)同行或憑經(jīng)驗、或憑苦干的工作風格形成了鮮明的對比。

　　實驗設(shè)計DOE，又稱試驗設(shè)計，是以概率論和數(shù)理統(tǒng)計為理論基礎(chǔ)，既經(jīng)濟又科學地安排實驗，同時在此基礎(chǔ)上研究和處理多因子與響應(yīng)變量關(guān)系的一種科學方法。在發(fā)動機新產(chǎn)品、新工藝的研究中，通常要做實驗，而且往往做實驗的次數(shù)還很多。實驗者總希望從近可能少的實驗次數(shù)中最大限度地提取有用信息，為此就必須進行實驗的設(shè)計、分析與優(yōu)化。實驗設(shè)計會告訴工程師們?nèi)绾伟才艑嶒炞詈侠?，如何對實驗結(jié)果進行評價和檢驗，最終在科研和工藝研究領(lǐng)域如何能夠達到大幅度縮短研發(fā)周期、節(jié)省經(jīng)費、找到最佳的產(chǎn)品設(shè)計參數(shù)的目的。本文中所有涉及到實驗設(shè)計的分析報告都是基于專業(yè)統(tǒng)計分析軟件JMP完成的。

　　雖然說實驗設(shè)計是一種跨行業(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?？偟膩碚f，汽車行業(yè)的實驗設(shè)計可以分為兩類：篩選(Screening)設(shè)計和優(yōu)化(Optimization)設(shè)計。

　　篩選設(shè)計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)模降低實驗次數(shù)而又準確地找到少數(shù)幾個影響發(fā)動機性能的關(guān)鍵因素。具體的實現(xiàn)手段有兩種：一種是經(jīng)典的實驗設(shè)計方法，如部分析因設(shè)計、Plackett-Burman設(shè)計等(如圖一所示);另一種是高級的實驗設(shè)計方法，如D最優(yōu)設(shè)計等(如圖二所示)。

　　圖一

　　圖二

　　篩選設(shè)計的最終目的是不靠猜測，擺脫低效率的試錯法，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，在有限的實驗空間中精準地找到使發(fā)動機性能發(fā)揮到極致的最佳設(shè)計。具體的實現(xiàn)手段有兩種：一種是經(jīng)典的實驗設(shè)計方法，如響應(yīng)曲面設(shè)計等(如圖四所示);另一種是高級的實驗設(shè)計方法，如空間填充設(shè)計、I最優(yōu)設(shè)計等(如圖五所示)。

　　圖四

　　圖五

　　優(yōu)化設(shè)計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驗就能找到所需要的參數(shù)設(shè)置，使發(fā)動機的各項指標均達到指定的要求，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這兩個關(guān)鍵參數(shù)對燃料Consumption影響的預(yù)測模型，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)實情況靈活運用實驗設(shè)計的方法，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到篩選變量和優(yōu)化方案的目的，使我們的汽車擁有更強勁的發(fā)動機，使我們的汽車工業(yè)早日進入到一個更高的發(fā)展階段。