田口方法在緩速器擾流柱彈簧穩(wěn)健設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

唐少雄 尹遜青 維維 文光安

摘要：某液力緩速器在臺(tái)架試驗(yàn)高轉(zhuǎn)速工況排氣口出現(xiàn)了大量的油霧，其中一個(gè)重要的原因是擾流柱回位彈簧剛度偏小，導(dǎo)致內(nèi)腔形成空氣循環(huán)將內(nèi)腔的殘余液體汽化產(chǎn)生油霧。針對(duì)該問題，運(yùn)用田口方法對(duì)彈簧進(jìn)行了優(yōu)化，并進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)，驗(yàn)證了改進(jìn)措施的有效性。

關(guān)鍵詞：田口方法 緩速器 彈簧改進(jìn)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U469.6.03文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1004-0226（2017）09-0088-05

1前言

液力緩速器，也稱液力減速器，是一種輔助制動(dòng)系統(tǒng)。其通常安裝在變速器之后，依靠工作輪內(nèi)液流的作用將車輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為液體的熱能，再通過冷卻器散熱的方式實(shí)現(xiàn)車輛的制動(dòng)，液力緩速器特別適用于高速、大功率車輛。某液力緩速器由前端蓋、本體殼、定了葉輪、轉(zhuǎn)子葉輪、控制閥、換熱器及擾流柱等零件組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。緩速器安裝在變速器的后端，其轉(zhuǎn)子葉輪中心軸通過中間軸與變速器輸出軸并聯(lián)連接。擾流柱安裝在定子葉輪上，擾流柱的一端通過螺紋擰緊到定子葉輪的循環(huán)圓大徑處。

田口方法（Taguchi Mcthods）是當(dāng)代日本著名學(xué)者田口玄一博士于20世紀(jì)70年代初期創(chuàng)立的質(zhì)量工程新技術(shù)。其基本思想是：用正交表安排試驗(yàn)方案，以誤差因素模擬產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)的各種干擾，以信噪比作為衡量產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)健性的指標(biāo)，通過對(duì)各種試驗(yàn)方案的統(tǒng)計(jì)分析，找出抗干擾能力最強(qiáng)、性能最穩(wěn)定、可靠的設(shè)計(jì)方案。

液力緩速器在變速器加載試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行性能臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，在高速空載工況下，液力緩速器的排氣口出現(xiàn)大量油霧。拆檢故障件后發(fā)現(xiàn)，擾流柱內(nèi)部彈簧彈力不夠，彈簧剛度偏小?？辙D(zhuǎn)時(shí)由于擾流柱不能正常伸出破壞空氣流，導(dǎo)致空氣流速大幅增加，使得壁面殘余液體被霧化，同時(shí)工作腔內(nèi)的壓力升高，內(nèi)部被霧化的油氣混合物從排氣通道排出。為解決這個(gè)問題，本文運(yùn)用田口方法研究彈簧的設(shè)計(jì)參數(shù)及制造誤差對(duì)彈簧性能和穩(wěn)定性的影響。

2優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)

液力緩速器的工作原理如圖2所示。

液力緩速器的轉(zhuǎn)子葉輪與變速器輸出軸相連，定子葉輪與緩速器外殼相連，轉(zhuǎn)子葉輪與定子葉輪之間有一定的間隙構(gòu)成液體的工作腔。

緩速器工作時(shí)，控制閥打開，壓縮空氣進(jìn)入油箱，將液體壓入工作腔，液體在轉(zhuǎn)子葉輪的帶動(dòng)下被加速，高速液體沖擊定子葉輪，產(chǎn)生的沖擊力作用在定子葉輪上，而其反作用力則作用在轉(zhuǎn)子葉輪上，且反作用力的方向與旋轉(zhuǎn)方向相反，因而會(huì)產(chǎn)生阻力矩。液體在工作腔內(nèi)作小循環(huán)，產(chǎn)生阻力矩，同時(shí)液體的溫度升高，即將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能。此時(shí)高速液體沖擊力人于擾流柱的彈簧力，擾流柱處于完全壓縮狀態(tài)，如圖3所

工作腔設(shè)有出油口，高溫液體通過出油管路進(jìn)入換熱器，在換熱器里通過高溫液體與冷卻水熱交換，液體的溫度下降又流回工作腔，液體即形成大循環(huán)，冷卻水將熱量通過換熱器散發(fā)出去。

不工作時(shí)，控制閥關(guān)閉，壓縮空氣從油箱排到大氣中，液體從工作腔流回到油腔，此時(shí)工作腔中僅剩氣體，其壓力迅速減小，此時(shí)空氣產(chǎn)生的沖擊力小于擾流柱的彈簧力，擾流柱伸出，破壞工作腔內(nèi)氣體的循環(huán)，使得緩速器的空載扭矩下降，降低工作腔中的壓力。

如果擾流柱的彈簧力不足，氣體的流動(dòng)沒有破壞，空氣的流速將變快，緩速器的空載扭矩上升，功率損失增大，產(chǎn)生的熱量霧化工作腔壁面殘余液體，同時(shí)工作腔內(nèi)的壓力升高，內(nèi)部被霧化的油氣混合物從排氣通道排出，油氣混合物排出路徑如圖4所示。

因此，擾流柱彈簧剛度應(yīng)該保證緩速器不工作，處于空轉(zhuǎn)上況時(shí)，即使在最高轉(zhuǎn)速，擾流柱伸出時(shí)彈簧力應(yīng)大于空氣流動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)壓力；緩速器工作處于液力工況時(shí)，即使在最低轉(zhuǎn)速時(shí)，擾流柱也能完全縮回。

通過對(duì)高速空轉(zhuǎn)場及低速油渦流場的計(jì)算，以及對(duì)彈簧安裝空間和工作空間的核算，得到了彈簧的工作指標(biāo)：彈簧最小載荷

3望目特性的設(shè)計(jì)流程

4可控因素及水平

設(shè)計(jì)過程中，可以人為控制和選定水平的因素稱為可控因素。挑選可控因素及水平的目的在于尋找一組最佳參數(shù)組合，使得設(shè)計(jì)目標(biāo)均值最靠近目標(biāo)值，且抗干擾能力最強(qiáng)。

分析以上公式可知，不同彈簧材料的切變模量變化不大，不作可控因素，而彈簧鋼絲直徑、彈簧中徑、彈簧有效圈數(shù)作可控因素。

彈簧鋼絲直徑參照冷拉圓鋼絲、方鋼絲、六角鋼絲尺寸、外形、質(zhì)量及允許偏差（GB/T342-1997）選取，彈簧中徑按照廠家模具選取，彈簧有效圈數(shù)按經(jīng)驗(yàn)選取并校核間隙。

可控因素及水平如表1所示。

5誤差因素及水平

使用中不能人為控制和選擇的因素稱為誤差因素。由于誤差因素的客觀存在，使得產(chǎn)品質(zhì)量特性必然具有波動(dòng)的特點(diǎn)，表現(xiàn)為隨機(jī)變量。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，考慮誤差因素的目的是為了減小它們在產(chǎn)品生產(chǎn)和使用時(shí)的影響，設(shè)計(jì)抗干擾能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定的產(chǎn)品。彈簧誤差因素水平如表2所示。

彈簧材料切變模量誤差按手冊中的范圍選取，彈簧鋼絲直徑誤差參照冷拉圓鋼絲、方鋼絲、六角鋼絲尺寸、外形、質(zhì)量及允許偏差（GB/T342-1997）選取，彈簧中徑的偏差根據(jù)模具的制造誤差及磨損情況選取，彈簧有效圈數(shù)按照廠家經(jīng)驗(yàn)選取。

6內(nèi)設(shè)計(jì)

內(nèi)設(shè)計(jì)是用于分析可控因素對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，因此將可控因素放內(nèi)表中。

7外設(shè)計(jì)

外設(shè)計(jì)用于分析誤差因素對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響。綜合誤差因素法是外設(shè)計(jì)的一種方法，該方法將所有誤差因素綜合為一個(gè)綜合誤差因素。

對(duì)于望目特性，綜合誤差因素N取如下兩個(gè)水平：

8 SN比計(jì)算

SN比又稱信噪比，即信號(hào)與噪聲的比值。這一概念從通訊領(lǐng)域引伸到質(zhì)量工程中，作為評(píng)價(jià)產(chǎn)品質(zhì)量特性穩(wěn)定性的指標(biāo)。計(jì)算SN比是為了找到穩(wěn)定因素，獲得質(zhì)量特性穩(wěn)定的方案。

望目特性SN比的計(jì)算公式如下：

靈敏度是評(píng)價(jià)產(chǎn)品質(zhì)量特性平均水平的指標(biāo)。計(jì)算靈敏度是為了找到調(diào)整因素，使質(zhì)量特性趨向目標(biāo)值。

望目特性靈敏度S的計(jì)算公式如下：

按實(shí)驗(yàn)方案獲得的數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果如表4所示。

9內(nèi)表統(tǒng)計(jì)及方差分析

利用表3數(shù)據(jù)可得可控因素的SN比效應(yīng)圖和靈敏度效應(yīng)圖，如圖6、7所示。因素A對(duì)穩(wěn)定性影響大，因素B次之，因素C影響較小。因素A和B對(duì)靈敏度影響大，因素C影響較小。

以SN比數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，可進(jìn)行內(nèi)表統(tǒng)計(jì)分析，得到總波動(dòng)平方和以及各可控因素的波動(dòng)平方和，進(jìn)而進(jìn)行方差分析，通過方差分析可以判別可控因素相對(duì)與誤差因素的顯著性，其計(jì)算公式如下：

計(jì)算結(jié)果填入表5，結(jié)果顯示彈簧鋼絲直徑是高度顯著的影響因素，彈簧中徑也是高度顯著的影響因素，彈簧圈數(shù)為次要影響因素。彈簧圈數(shù)的影響小于誤差的影響。

以靈敏度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行相同的計(jì)算。結(jié)果填入表6中，結(jié)果顯示全部因素都是高度顯著的影響因素。

10因素分類

根據(jù)表5、6，將可控因素分類，如表7所示。

因?yàn)閯偠仁峭ㄟ^計(jì)算獲得的，沒有隨機(jī)誤差，導(dǎo)致對(duì)靈敏度進(jìn)行方差分析時(shí)，F(xiàn)值過大，喪失了區(qū)分功能，此時(shí)用貢獻(xiàn)率來區(qū)分可控因素更為合理。重新分類后如表

11最佳方案

分析表4的數(shù)據(jù)，7號(hào)A3B1c3的信噪比最大，其左側(cè)最壞為0.1383，右側(cè)最壞為0.1567，差值為0.0184，平均值為0.1475，與理想值0.095差別較大。

按兩步法，第一步首先確定穩(wěn)健方案為A3B1，C不顯著，暫不考慮，此方案與表3的7號(hào)方案相同。第一：步調(diào)整目標(biāo)值，因A為穩(wěn)定因素，不作調(diào)整，B為調(diào)整因素從一水下調(diào)到二水平，此方案與表4的8號(hào)A3B2C1接近，其左側(cè)最壞為0.0962，右側(cè)最壞為0.1103，差值為0.0141，平均值為0.1032，與理想值0.095接近；現(xiàn)在還需將均值調(diào)小一些，觀察靈敏度效應(yīng)圖，C因素為單調(diào)遞減，C因素調(diào)到2水平，此方案表4中沒有，重新計(jì)算得其左側(cè)最壞為0.0911，右側(cè)最壞為0.1046，差值為0.0135，平均值為0.0978，比理想值稍大。C因素調(diào)到3水下，重新計(jì)算得其左側(cè)最壞為0.0865，右側(cè)最壞為0.0994，差值為0.0129，下均值為0.093，比理想值稍小。C因素取2水平和3水平的中間值19.5，計(jì)算得其左側(cè)最壞為0.0887，右側(cè)最壞為0.1019，差值為0.0132，平均值為0.0953，接近理想值。

將理想方案、方案7、方案8、A3B2C2、A3B2C3的信噪比、靈敏度、誤差方差、期望平方列入表9中。理想方案的誤差方差足較小的，其期望平方也是最接近0.095的平方0.009025。因此最佳方案為A3B2C=19.5，即彈簧鋼絲直徑0.5 mm，彈簧中徑7mm，鋼絲圈數(shù)19.5。

12驗(yàn)證試驗(yàn)

按最佳方案生產(chǎn)了一批彈簧，測量了彈簧剛度數(shù)據(jù)如表10。其信噪比、靈敏度、誤差方差、期望平方列入表11中。

由表11的數(shù)據(jù)顯示：試驗(yàn)數(shù)據(jù)的信噪比比計(jì)算值大5.75dB，誤差方差只有計(jì)算值的1/3，期望平方接近。實(shí)際的試驗(yàn)值要好于計(jì)算值。

將彈簧安裝于擾流柱，然后將擾流柱安裝到緩速器上進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，已解決緩速器冒油霧的問題。

13結(jié)語

穩(wěn)健性設(shè)計(jì)是一種科學(xué)的、高效率、高效益的工程優(yōu)化設(shè)計(jì)方法體系，是保證產(chǎn)品的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是質(zhì)量工程的核心技術(shù)。運(yùn)用田口方法優(yōu)化設(shè)計(jì)彈簧參數(shù)，充分考慮了原材料的變化及制造的公差，以及使用時(shí)間造成模具磨損的影響，設(shè)計(jì)的產(chǎn)品對(duì)外界環(huán)境的干擾有很強(qiáng)的抵抗力，具有高度穩(wěn)定的性能。這種方法花費(fèi)不多，效果明顯，具有普遍的適用性。