稳健性设计思想在超越离合器设计中的应用_黄华星
稳态超越措施
稳态超越措施引言在科学和工程中，我们常常遇到需要控制系统达到稳定状态的问题。
稳态超越是在系统达到稳定状态之前出现的一种现象，通常会对系统的性能和稳定性造成不利影响。
为了有效地解决稳态超越问题，我们需要采取一些措施来调节系统的动态响应，以达到期望的稳态行为。
本文将介绍一些常见的稳态超越措施，包括系统建模、控制器设计和参数调节等方面的方法。
我们将详细讨论每种措施的原理、优缺点以及适用的场景，帮助读者更好地理解和应用这些方法。
1. 系统建模在设计稳态超越措施之前，我们首先需要对要控制的系统进行建模。
系统建模可以帮助我们理解系统的动态行为以及影响系统响应的因素。
常用的系统建模方法有传递函数法、状态空间法等。
下面分别介绍这两种方法的原理和应用。
1.1 传递函数法传递函数法是一种用传递函数来描述系统动态行为的方法。
传递函数是系统输入输出之间的比值，通常表示为一个多项式的比例。
传递函数的形式可以更直观地反映系统的特性，方便我们进行分析和设计。
1.2 状态空间法状态空间法是一种将系统的状态变量和输入输出关系表示为一组线性常微分方程的方法。
状态空间模型更为直观，可以更好地描述系统的动态行为。
它可以用于分析系统的稳定性和可控性，并且能够方便地进行控制器设计。
2. 控制器设计在系统建模的基础上，我们可以进行控制器的设计。
控制器是用来调节系统响应的设备或算法，通过对系统输入进行调节来达到期望的稳态行为。
下面介绍一些常见的控制器设计方法。
2.1 比例控制器比例控制器是一种简单的控制器，它的输出与误差信号成比例关系。
比例控制器的优点是结构简单，易于实现，但对于系统的响应速度和稳定性要求较高的情况下，性能可能不佳。
2.2 积分控制器积分控制器是一种根据误差信号的历史累积值来调节系统响应的控制器。
积分控制器可以消除稳态误差，并对系统的鲁棒性有较好的改善，但容易引起超调和震荡现象。
2.3 微分控制器微分控制器是一种通过对误差信号的变化率进行调节的控制器，可以提高系统的响应速度和稳定性。
稳健性设计Robust Design
六西格玛培训—优化阶段模块稳健性设计Robust DesignPatrick ZhaoI&CIM Deployment Champion稳健性设计•稳健性设计也称田口设计，由Dr. Genichi Tuguchi在70 年代创立。
质量损失•车主在汽车行驶过程中听到发动机有异响，担心出问题，他请假开到4S 店检修。
工作人员安排检查，两个小时后报告显示异响噪音满足标准，无法赔偿。
车主十分不满，几年后换车时，他选择了其他品牌。
传统田口传统质量损失VS 田口质量损失LSL USLTarget LSL USLTargetLoss Loss Loss Loss什么是稳健性？•稳健性定义：产品或过程在周围不可控或未控制因子（噪音因子）不断变化的条件下，持续稳定工作的能力。
（The ability of a product or process to function consistently as the surrounding uncontrollable or uncontrolled factors vary.）在冬天转动遮阳板时很紧，在夏天时很松，产品是否稳健？发泡产品在环境干燥时需要更多原材料，潮湿时需要很少原材料，过程是否稳健？产品不稳健的原因–遮阳板•温度低，使材料变硬，遮阳板难以转动。
过程不稳健的原因–发泡•湿度低时，反应变慢，填充同样模具所用材料更多。
解决策略1.直接减少噪音•控制环境温度？•控制环境湿度？•建造恒温恒湿车间？成本？2.根据噪音制定不同的策略•制定两套工艺参数应对不同环境？•产品在客户端的条件能预测吗？3.稳健性设计•减少噪音因子对产品/过程的影响！•三种策略可能同时需要。
稳健性指标•衡量一个产品/过程是否稳健的指标是信噪比，S/N –Signal to Noise Ratio。
•通过比较两种设计的信噪比差值来确定设计优化的程度。
•信噪比越大，产品/过程越稳健，越不受噪音因子的影响。
稳健设计名词解释
稳健设计名词解释
稳健设计 (稳健性设计) 是指在系统设计和开发过程中，为了提高系统的可靠性、稳定性和鲁棒性，采取一系列措施来提高系统的安全性和可用性。
稳健设计的目标是在设计阶段就发现和解决系统可能存在的缺陷和风险，避免在系统运行时出现不可预料的问题。
稳健设计的具体含义包括以下几个方面:
1. 系统性：稳健设计要求系统设计和开发过程必须以系统性为基础，强调从系统整体的角度思考问题，综合考虑各个模块之间的交互关系和影响。
2. 风险评估：在系统设计和开发过程中，需要进行风险评估，分析系统可能存在的风险和缺陷，并制定相应的对策和措施。
3. 容错设计：在系统设计和开发过程中，需要考虑异常情况下系统的响应和处理能力，设计相应的容错机制和预案，以保证系统的稳定性和可靠性。
4. 可维护性：稳健设计要求系统设计和开发过程需要考虑系统的可维护性，保证系统在不同环境下的可适应性和易用性。
5. 安全性：稳健设计要求系统设计和开发过程需要考虑系统的安全性，包括防止恶意攻击、数据保护、访问控制等方面。
总结起来，稳健设计是一种系统设计和开发的理念，旨在提高系统的可靠性、稳定性和鲁棒性，保证系统在不同环境下的可用性和安全性。
稳健性设计
8
7
6
5
4
3
2
1
S/N
1 2
19.1
20.0
19.6
19.6 19.7 22.6 21.0 25.6 14.7
19.9
16.9 19.4 19.1 18.9 19.4 20.0 18.4 15.4 19.3
9.50 16.2 16.7 17.4 18.6 16.3
15.6
24.0 25.5 25.3 25.9 26.9 25.3
优化分析（容差）
根据此例中的质量性能目标值类型为越大越 好，则选用信噪比函数对各行试验数据（对应 各种因素组合）进行计算分析。表中的 S/N 列 中的数据即为各种情况下的S/N值。 • 通常情况下，根据S/N最大原则可确定参数 优化结果。按照这一原则，A、B、C、D四个 因素的组合为（A2，B2，C3，D1），此时的 S/N为26.908。 •
素）的搭配。设计参数搭配不同，输出性能的波动大
小不同，平均值也不同。
稳健设计理论介绍
系统设计
稳健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年代创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。 稳健设计由系统设计(system desing)、参数设计(parameter design)和容差设计(tolerance design)三个阶段组成。 稳健设计即三阶段设计，所谓三阶段设计，是建立在试验设计技术基础之上的 一种在新产品开发设计过程中进行三阶段设计的设计方法。它是在产品设计阶 段就进行质量管理，在专业设计的基础上用正式交试验法对零件的参数进行优 选，以求减少各种内、外因素对产品功能稳定性的影响，选择零件最佳组合和 最合理的容差范围，尽量用价格低廉的、低等级的零件来完成优质、廉价、性 能稳定和抗干扰性强的产品的优化设计方法。
稳健设计
3
几个基本概念
4
质量特性值
在工业生产中，产品的质量通常通过对特定的功能、特性的测
定或测量数值来评定（质量特性或输出特性）。
任何一种产品的质量特性值与其名义值（额定值）之间都存在
一定的偏差。偏差越小，质量越好。
5
质量的变异性
产品的质量特性指标往往会有差异； 即使完全相同的生产条件，由于种种干扰因素的存在，其 产品也会表现出不完全相同的质量特性；
质量工程技术人员研究发现，瓷砖尺寸波动原因是由砖窑内
部温度差异引起的。
在没有放置瓷砖时，砖窑内部设计的加热后温度是相同的， 但是放置瓷砖之后加热后窑内各部位的温度就不同了，外侧 温度高，中心处温度低。
解决办法：重新设计一个新砖窑，保证窑内温度均匀。 方法缺陷是什么？
15
第三种方法
从瓷砖内部结构入手，寻找影响尺寸稳健的内部原因。
现代设计理论 —稳健设计
胡坤（20101011）
1
主要内容
稳健设计起源 稳健设计的几个基本概念 稳健性设计与三次设计 内外表参数设计
简单的稳健设计方法
2
源起
20世纪70年代末期开始
日本学者田口玄一博士创立
以三次设计为内容的质量工程学 目前美国把一切用于提高和改进产品质量有关的工程方法 统称为稳健性设计
同一产品在不同的环境中使用，或者在寿命周期内的不同
时刻，其质量特性都会有差异；
例如手机电池的使用时间：随着气温的变化而变化；随着 使用时间长短的变化而变化。
6
质量特性值
确定性设计、可靠性设计和稳健性设计
ｆ一ｆ． — ． ０ｃ ］・ （ ｝ １ ０８ ０ ７（ ／） （ ９ ５ ） 巧
（） ３
、
式 中 ０和 ｃ 别 为内壁假想 的半椭 圆裂纹深 分
度 （ 半轴 ）和长 半轴 ，ｏ 为 内压 引起的环 向应 短 ｒ 力 。Ｙ为裂纹最 深点形状 因子 。载 荷 、材 料性质
踊 一
０
任 何机械产 品和结构在全寿命 周期 内都存 在 着载荷 、材料 性能和制造 质量等方 面的不确定偏 差。这些偏 差 中的一类是 由于数据 的缺乏 、模 型 的简化和人 为的误差等 引起 ，能够通 过收集 更多 的数据 以及 对 问题 的更深 入 了解和 更严格 的质量
控制 加 以减 少 ；而 另 一类 是 由随机 自然现 象 引
为代表 的新兴市场转 移 ．他们将成 为 中国工程机
械企 业海外业务拓展 的首选 目标 。所 以 ，国 内企 业应该 将眼光放在 开辟新兴市场 上 ．而不 是一味
以非 正常手段来搅 乱市场秩序 。
１ ６
信 息》２ １ 第 ５ ，本刊有删 改 ） ０ ２年 期
经 验 交 流 ＪＥ ｃ ａ ａ ｆ ｘ ｅｉｎ ｅ ｘ ｈ ｎ ｅｏ ｐ ｒ ｃ Ｅ ｅ
和评 估方面得到 了广泛应 用。但是 ，真正用概 率
可 靠性设计 的产 品仍然很 少 ．一个重 要确定性 的方法是稳健 性设计 ．它是指 结构 的响应 对输入 随机 变量 不敏
ｙ 面 ２ ２ａ ＝ －． ／ ０ ．ｃ ８
下滑 。一些企业 为了扩大在行业 的影响 力 ，抢 占
４ 结 束 语
更 多的市 场份额 。以 “ 低首付 、零首付 ”等方式
抢 占客户的手段屡 见不鲜 这种 激进营销 在助推 部分企 业业绩增 长的 同时．也给 生产企 业带来 巨
现代设计方法之稳健性设计
三个阶段
参数设计
决定系统中各参数的选择，使产品的性能既能达到目标 值，又使它在各种条件下波动小
系统设计
对产品进行整个系统和整个结构的设计 主要由专业技术人员完成
为了定量描述产品质量损失，田口提出了“质量损失函数”的概念，并以信 噪比来衡量设计参数的稳健程度。
质量损失函数
产品功能波动客观存在，有功能波动就会造成社会损失。所 谓质量损失函数是指定量表述产品功能波动与社会损失之间关系 的函数。
当产品特性值y与目标值m不相等时，就认为造成了质量损失。
L(y)=k(y-m)² 其中L（y）为质量损失函数，m—目标值
外噪声
由于环境因素和使用条件的波动或变化，引起质量特性值 的波动。例如，温度、湿度、位置等。
内噪声
由于在储存或使用过程中，随着时间的推移，发生材料变 质、劣化现象而引起质量特性值的波动。例如，电器产品 绝缘材料的老化等。
质量的变异性
那个设计更好？
1
产品的质量特性指标往往会有差异
即使完全相同的生产条件，由于种种
稳健性设计是田口玄一创立的质量工程观中的一个分支， 由田口玄一发展而成，因此通常被人们称之为田口方法(Taguchi Method)。
田口方法是一种低成本、高效益的质量工程方法，它强调 产品质量的提高不是通过检验，而是通过设计。
稳健性设计基本认识
传统的设计思想认为：只有质量最好的元器件 （零部件）才能组装成质量最好的整机；只有 最严格的工艺条件才能制造出质量最好的产品 。总之，成本越高，产品的质量越好，可靠性 越高。
稳健型设计
稳健性设计的发展和应用
工业界的质量意识空前提高，开始制定以 顾客需求为中心的质量战略和以质量管理为根 本内容的经营战略，注重加强研制阶段的质量 设计和质量分析。 稳健性设计技术不仅可以使企业以最快的开发得最好 的资本增值效益，同时，也是跻身世界及公司 的必由之路。
稳健性设计的发展和应用
美国
美国波音公司已采用田口方法成功地进行了飞机尾翼设计。 美国航空航天局从94年开始计划用3—4年时间推行田口方法， 从对高级领导人进行培训、转变观念入手，并首先在航天飞机燃 料储箱设计中应用。 美国每年完成的案例在5000个以上。美国应用稳健性设计方法 节约经费达九百万美元，另外，美国70%以上的工程技术人员了解 此方法。 由于世界范围内高技术产业兴起和社会生产力的迅速发展，国 际市场竞争的焦点已开始由价格的竞争转向质量设计的竞争。设 计竞争的严峻形势迫使每个企业重新考虑其质量经营战略。
质量的稳健性优化设计
主讲:韩微
一 . 稳健型设计的产生
传统的设计思想认为：只有用质量最好的原材料（零 部件），才能组装成质量最好的整机；只有最严格的 工艺条件才能制造出质量最好的产品。总之，材料、 元器件质量特性越好，可行性就越高。 70年代，世界上技术先进国家已开始以一种全新的设 计概念取代了传统的设计思想。 设计中心思想：（1）采用最低廉的元件组装成品质量 最好，可靠性最高的整机；（2）采用最宽松的工艺条 件加工出质量最好、成本最低、收益最高的产品。其 口号是“用三类元件设计制造出一类整机”。
稳健性设计的产生
在国际市场上占有最大份额的日本电气产品以 及美国三大汽车公司等都是在这种设计概念下 取得了最好的技术经济效果，在放宽工艺要求， 降低制造成本的条件下制造出高品质的产品。 稳健性设计是日本著名的质量管理专家田口玄 一博士于70年代初创立的质量管理新技术。
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2009年第28卷8月第8期机械科学与技术M echanical Science and Technol ogy f or Aer os pace Engineering August Vol .282009No .8收稿日期:2007210209作者简介:黄华星(1977-),博士研究生,研究方向为链环式超越离合器的稳健性设计,huanghx00@mails .tsinghua .edu .cn;黄靖远(联系人),教授,huangjy@mail .tsinghua .edu .cn黄华星稳健性设计思想在超越离合器设计中的应用黄华星,黄靖远(清华大学精密仪器与机械学系,北京 100084)摘 要:介绍了现代稳健性设计思想,并将稳健性设计的思想理论应用于超越离合器的稳健性设计中,目的是改变传统超越离合器对磨损的稳健性不良的问题,寻求得到一种高稳健性的设计结果。
着重讨论了磨损对超越离合器的自锁性能的影响,提出了磨损自锁特性曲线的趋势分析,作为稳健性敏感度分析的准则,同时也对制造误差等其它噪声进行稳健性敏感度分析,最后得到了链环式超越离合器具有高度稳健性的结论,体现了稳健性设计哲理关于“质量是能够设计到产品中去的”思想。
关 键 词:稳健性设计;超越离合器;敏感度分析;链环式中图分类号:TH13314 文献标识码:A 文章编号:100328728(2009)0821083204Appli cati on of Robust Desi gn Philosophy to Overrunn i n g Clutch Desi gnHuang Huaxing,Huang J ingyuan(Depart m ent of Precisi on I nstru ment and M echanol ogy,Tsinghua University,Beijing 100084)Abstract:W e intr oduce the modern r obust design method t o the designing of an overrunning clutch for overcom ing the p r oble m of poor r obustness existing in a traditi onal overrunning clutch .Thr ough discussi on of the self 2l ocking effects of an overrunning clutch by wear,a trend analysis about wear self 2l ocking p r operty curves was done and the r obust sensitivity caused by other kinds of noise such as manufacturing err ors was als o analyzed .Finally,the good r obustness of a chain 2ring overrunning clutch validated the r obust design phil os ophy .Key words:r obust design;overrunning clutch;sensitivity analysis;chain 2ring 现代稳健性设计的思想是建立在对产品“高质量”认识的基础之上的。
所谓产品的高质量,是指一个产品保持其性能(质量)指标不变,而不受制造、环境影响和使用时间影响的能力[1]。
从目前发表的研究文献看,人们更多地从容差设计[2]角度来研究和认识稳健性设计,而几乎没有人从“系统设计”[3]的角度来研究和认识它,以至于停留在狭义的容差设计上面,大大影响了它的发展和推广,因此人们往往误以为稳健性设计是一种固定的方法,有成熟的数学模型可以借鉴。
其实这种情况只是对某一些具体问题而言,实际上不同的问题应该有不同的方法和措施。
笔者所讨论的稳健性设计问题就是针对超越离合器这一具体对象,如何采用合理的方法和措施来进行稳健性的敏感度分析。
现有的滚柱式和楔块式超越离合器都存在磨损引起打滑失效的问题,这是典型的稳健性问题,即对第3种噪声(使用时间引起的噪声因素)的敏感度问题。
解决这个问题,人们一方面可以从材料和热处理的角度,使零件耐磨来提高稳健性,或者从容差设计来提高稳健性,实践证明,这个途径得到的稳健性效果是有限的;另一方面可以设计出一种对磨损不敏感的新结构原理,使其能在长时间的使用中保持稳定自锁性能,显然这是更为理想的,更符合稳健性设计思想的超越离合器设计思想。
笔者将从稳健性设计的原理出发,对超越离合器的稳健性设计问题进行分析及探讨。
机械科学与技术第28卷1 现代稳健性设计新概念简介稳健性概念最早出现于上世纪60年代,田口(Taguchi)博士在美国和日本发表了称为田口方法的稳健性设计思想。
当时主要是讨论如何通过合理选用制造零件的“公差带”来保证得到高质量产品的问题,即所谓“容差设计”的问题。
这种狭义的稳健性设计思想,经过后来不断充实和发展,现在已经发展成为一种更加成熟的广义稳健性设计哲学。
现代稳健性设计思想主要不是通过无限提高制造精度来解决如何得到高质量产品的问题。
现代稳健性设计的思想指出所谓产品的高质量,是指一个产品保持其性能(质量)指标不变,而不受制造、使用时间和环境引起的参数变化的影响的能力。
人们认识到,影响一个产品的质量(性能)的干扰因素有3类:即制造误差、使用环境的影响以及使用时间引起的参数变化。
把这些干扰因素总称之为:“噪声”。
稳健性设计就是通过某些设计技术使产品性能指标对这些“噪声”不敏感。
稳健性的基本思想是:使产品的性能(质量)指标对可能出现的噪声不敏感。
其基本思想是保持产品的高质量[1]。
笔者通过对超越离合器的稳健性设计分析,说明稳健性设计在创造高性能、高质量产品中的作用,说明了稳健性设计哲学关于“质量是能够设计到产品中去的[1]”思想。
2 超越离合器的稳健性问题影响超越离合器的性能的因素分别有:一是离合器各个零件的制造误差;二是环境(包括温度、外载荷等)变化,造成的外环、滚柱(或楔块)和星轮的变形,进而引起楔角的变化;三是使用时间造成的零件磨损等因素。
在稳健性设计理论中,这3种影响产品性能的因素都称为噪声[1]。
在实践中,人们发现在影响超越离合器的稳健性问题的干扰因素中,最主要的是工作元件的磨损。
因此笔者将着重讨论超越离合器由磨损引起的稳健性问题。
211 传统超越离合器的稳健性问题传统超越离合器是机械行业中广泛应用的机械基础件,其中摩擦式超越离合器是工业中最广泛使用的超越离合器类型。
摩擦式超越离合器是利用滚柱、楔块(偏心滚子)形成自锁状态下的摩擦力来传递扭矩。
摩擦式超越离合器的种类很多,以滚柱式和楔块式占绝大多数。
现在以滚柱式为例来说明在稳健性方面存在的问题。
滚柱式超越离合器结构简图如图1。
图1中,角φ称为楔角,当φ/2小于材料间的摩擦角时,机构在单方向能够自锁。
楔角φ对离合器的工作性能影响非常大,通常取φ在6°～8°之间,由于各种磨损、局部变形都会导致楔角的急剧变化。
滚柱式超越离合器的失效最终大都是由于楔角的变大引起打滑而失效的。
图1 滚柱式超越离合器结构简图[4]对于超越离合器的稳健性问题如何评价呢?我们提出用磨损自锁特性曲线作为准则进行评价。
例如,某纺织机械的滚柱式超越离合器,R= 1615,r=3,φ=7°,如图2所示。
图2 滚柱式离合器楔角增量与磨损量的关系[4]图2中:Δφh为内星轮的磨损深度造成的楔角增量,可以看出楔角的增大对内星轮的磨损非常敏感。
内星轮的磨损量深度为0102mm时,楔角增量Δφh=511°,楔角增加到了1211°,此时滚柱式超越离合器当打滑失效[4]。
图3 自锁裕度与磨损量的关系图3所示为自锁裕度与磨损量的关系曲线。
该曲线是根据文献[4]计算作图所得,是与图2相对4801第8期黄华星等:稳健性设计思想在超越离合器设计中的应用应的。
图中Z 为“自锁裕度”,设临界自锁的φ角为[φ],则定义Z =[φ]-φ[φ](1)式中:当Z >0,自锁;当Z =0,临界自锁;当Z <0不自锁,打滑。
可以看出,这条Z 2d h 曲线是一种明显呈下降趋势的磨损自锁特性曲线,说明滚柱式超越离合器的自锁对磨损很敏感。
当这条曲线下降到横坐标轴下面时,说明Z <0,超越离合器已经打滑失效,我们可以用这条曲线下降趋势的快慢来作为评价超越离合器对磨损量的敏感度指标。
我们要寻找一种高稳健性的超越离合器,它的磨损自锁特性曲线应该是缓慢下降甚至于在工作范围内不会下降到0坐标轴以下。
212 链环式超越离合器的稳健性表现链环式超越离合器是一种“面接触”式的新型摩擦式超越离合器[5](见图4),和传统的线接触式的结构原理有本质的不同,因而其多方面性能都表现出显著的不同。
图4 链环式超越离合器实物及结构原理图摩擦片实验台对超越离合器的工作要求为:正向工作载荷为3000N ・m ,超越转速为3600r/m in,使用过程为锁紧加载3m in,超越运行15m in,如此周期性循环。
该研究所曾先后试用过多种类型的超越离合器,包括滚柱式、应用较广泛的楔块式和采用先进加工工艺的各种摩擦式超越离合器等,但几乎都在装机运行后短时间内甚至几分钟之内因为摩擦发热,进而磨损打滑失效[6]。
为解决该试验台急需解决的技术难题,针对上述严酷的工作条件,我们设计研制了这种链环式超越离合器。
这种超越离合器在该摩擦片实验台上9年多的成功应用(至今仍在正常使用,没有出现打滑现象),充分证明了该离合器具有突出的稳健性。
3 链环式超越离合器的稳健性设计与分析在链环式超越离合器中,控制键的倾角α可以通过调节滚针(见图4)来调节,使其在使用开始时处在理想的起始位置上(例如-25°)。
随着使用过程中工作表面的磨损,控制键的倾角α就逐渐由-25°向+15°变化。
在作结构设计时,我们设定倾角α的这个范围(-25°,+15°)为“正常工作区”(见图5)。
图5 控制键摆动的正常工作区我们对链环式超越离合器的自锁结构进行了深入的理论分析,建立了数学模型,得到Z =f (D 1,D 0,B L ,C l ,L 0,L k ,B k ,H,R k ,R k 1,R r ,R 1,R 2,R 3,ER,EO E,Δαk ,μ)(2) 利用这个数学模型,我们建立链环式超越离合器的磨损自锁特性曲线(见图6)。