材料的切变模量变化不大,不作可控因素,而弹簧钢丝直径、弹簧中径、弹簧有效圈数作可控因素。
弹簧钢丝直径参照冷拉圆钢丝、方钢丝、六角钢丝尺寸、外形、质量及允许偏差(GB/T342-1997)选取,弹簧中径按照厂家模具选取,弹簧有效圈数按经验选取并校核间隙。
可控因素及水平如表1所示。
5误差因素及水平
使用中不能人为控制和选择的因素称为误差因素。由于误差因素的客观存在,使得产品质量特性必然具有波动的特点,表现为随机变量。在产品设计中,考虑误差因素的目的是为了减小它们在产品生产和使用时的影响,设计抗干扰能力强、性能稳定的产品。弹簧误差因素水平如表2所示。
弹簧材料切变模量误差按手册中的范围选取,弹簧钢丝直径误差参照冷拉圆钢丝、方钢丝、六角钢丝尺寸、外形、质量及允许偏差(GB/T342-1997)选取,弹簧中径的偏差根据模具的制造误差及磨损情况选取,弹簧有效圈数按照厂家经验选取。
6内设计
内设计是用于分析可控因素对产品质量的影响,因此将可控因素放内表中。
7外设计
外设计用于分析误差因素对产品质量的影响。综合误差因素法是外设计的一种方法,该方法将所有误差因素综合为一个综合误差因素。
对于望目特性,综合误差因素N取如下两个水平:
8 SN比计算
SN比又称信噪比,即信号与噪声的比值。这一概念从通讯领域引伸到质量工程中,作为评价产品质量特性稳定性的指标。计算SN比是为了找到稳定因素,获得质量特性稳定的方案。
望目特性SN比的计算公式如下:
灵敏度是评价产品质量特性平均水平的指标。计算灵敏度是为了找到调整因素,使质量特性趋向目标值。
望目特性灵敏度S的计算公式如下:
按实验方案获得的数据及计算结果如表4所示。
9内表统计及方差分析
利用表3数据可得可控因素的SN比效应图和灵敏度效应图,如图6、7所示。因素A对稳定性影响大,因素B次之,因素C影响较小。因素A和B对灵敏度影响大,因素C影响较小。
以SN比数据为基础,可进行内表统计分析,得到总波动平方和以及各可控因素的波动平方和,进而进行方差分析,通过方差分析可以判别可控因素相对与误差因素的显著性,其计算公式如下:
计算结果填入表5,结果显示弹簧钢丝直径是高度显著的影響因素,弹簧中径也是高度显著的影响因素,弹簧圈数为次要影响因素。弹簧圈数的影响小于误差的影响。
以灵敏度数据为基础,进行相同的计算。结果填入表6中,结果显示全部因素都是高度显著的影响因素。
10因素分类
根据表5、6,将可控因素分类,如表7所示。
因为刚度是通过计算获得的,没有随机误差,导致对灵敏度进行方差分析时,F值过大,丧失了区分功能,此时用贡献率来区分可控因素更为合理。重新分类后如表
11最佳方案
分析表4的数据,7号A3B1c3的信噪比最大,其左侧最坏为0.1383,右侧最坏为0.1567,差值为0.0184,平均值为0.1475,与理想值0.095差别较大。
按两步法,第一步首先确定稳健方案为A3B1,C不显著,暂不考虑,此方案与表3的7号方案相同。第一:步调整目标值,因A为稳定因素,不作调整,B为调整因素从一水下调到二水平,此方案与表4的8号A3B2C1接近,其左侧最坏为0.0962,右侧最坏为0.1103,差值为0.0141,平均值为0.1032,与理想值0.095接近;现在还需将均值调小一些,观察灵敏度效应图,C因素为单调递减,C因素调到2水平,此方案表4中没有,重新计算得其左侧最坏为0.0911,右侧最坏为0.1046,差值为0.0135,平均值为0.0978,比理想值稍大。C因素调到3水下,重新计算得其左侧最坏为0.0865,右侧最坏为0.0994,差值为0.0129,下均值为0.093,比理想值稍小。C因素取2水平和3水平的中间值19.5,计算得其左侧最坏为0.0887,右侧最坏为0.1019,差值为0.0132,平均值为0.0953,接近理想值。
将理想方案、方案7、方案8、A3B2C2、A3B2C3的信噪比、灵敏度、误差方差、期望平方列入表9中。理想方案的误差方差足较小的,其期望平方也是最接近0.095的平方0.009025。因此最佳方案为A3B2C=19.5,即弹簧钢丝直径0.5 mm,弹簧中径7mm,钢丝圈数19.5。
12验证试验
按最佳方案生产了一批弹簧,测量了弹簧刚度数据如表10。其信噪比、灵敏度、误差方差、期望平方列入表11中。
由表11的数据显示:试验数据的信噪比比计算值大5.75dB,误差方差只有计算值的1/3,期望平方接近。实际的试验值要好于计算值。
将弹簧安装于扰流柱,然后将扰流柱安装到缓速器上进行台架试验,已解决缓速器冒油雾的问题。
13结语
稳健性设计是一种科学的、高效率、高效益的工程优化设计方法体系,是保证产品的关键环节,是质量工程的核心技术。运用田口方法优化设计弹簧参数,充分考虑了原材料的变化及制造的公差,以及使用时间造成模具磨损的影响,设计的产品对外界环境的干扰有很强的抵抗力,具有高度稳定的性能。这种方法花费不多,效果明显,具有普遍的适用性。