吴正琴

（漳州职业技术学院 汽车工程学院，福建 漳州 363000）

对于汽车设计的整体过程与布局方案而言，合理的底盘设计占据着重要作用，不仅因为底盘设计关系到汽车内外饰设计，而且因为底盘结构与汽车的动力系统设计密切相关［1］。换言之，底盘设计对于汽车的操作性、安全性以及舒适性具有深远影响［2］。现阶段，汽车底盘的设计方向是跳出传统的燃油汽车底盘结构框架，进行全新的创新设计，因此模块化设计理念在其中具有重要意义，主要表现为：缩短设计和制造周期、提升产品研发速度、降低后期维修成本等等［3］。具体层面，在对汽车底盘展开模块化设计时，关键的步骤包括：如何合理进行模块划分、有效处理顾客信息需求以及如何进行复杂系统模块编码［4］。为此，结合QFD 技术构建了底盘模块化设计模型，并基于模糊聚类算法展开模块合理划分，以此保证汽车底盘模块化总体设计的有效性与和可行性，从而为汽车底盘设计提供相应的理论参考。

1 基于模糊聚类算法的汽车底盘模块化设计方案

1.1 面向QFD 与KANO 的顾客需求模型构建

模块化设计是在产品功能分析和客户需求分析的基础上，对目标产品进行模块划分设计方法，其设计流程主要包括三个阶段：总体设计与模块设计［5］。“质量功能展开”设计（Quality Function Deployment，QFD）作为基于顾客需求进行目标产品规划与设计的方法，是较为主动式的现代产品设计开发理念［6］。为此，本研究构建了结合QFD的汽车底盘模块化总体设计模型，即根据顾客需求对汽车底盘总体设计任务展开分解，以此构建层次化的汽车底盘设计功能结构。在顾客需求分析层面，采用粗糙层次分析法对顾客需求的重要度进行计算，以此有效地处理顾客需求表达的主观性与含混性［7］；同时，采用顾客产品评估满意度模型（NORITAKIKANO，KANO）进行市场竞争性评估，并以此为基础完成顾客需求最终重要度的计算［8］。最后，基于顾客需求展开汽车底盘模块化设计的功能分析，并将顾客需求转化为产品功能，继而实现功能结构层次化的汽车底盘模块化设计。其中，汽车底盘模块化设计顾客需求层次结构详见图1。

图1 汽车底盘模块化设计顾客需求层次结构

如图1 所示，基于顾客满意的汽车底盘模块化设计共有三个层次：目标层、准则层、指标层。其中，准则层分别包括舒适性、安全性、便宜性以及环保性；指标层包括性能好、转向灵敏、加速稳定、噪声小以及污染小等15 项顾客需求［9］。为能够合成计算顾客需求基本重要度，需要基于粗糙层次分析法，将通过一致性检验的矩阵构造成粗糙群决策矩阵，分别得出准则层和指标层顾客需求的粗糙判断矩阵，合成后可以计算出顾客需求基本重要度［10］。

1.2 面向模糊聚类算法的技术需求模型构建

在根据顾客需求分析得到汽车底盘模块化设计的功能结构之后，则需要进行汽车底盘设计模块划分。基于模糊聚类的模块划分方法，因其能够对汽车底盘的子功能进行相关度分析，因而能够大幅度提高汽车底盘模块化设计的可操作性［11］。具体操作流程为：首先需要结合模糊聚类分析方法得到底盘设计子功能的动态聚类图，并通过选择合适的阈值λ获得底盘设计的模块划分方案［12］；其次需要通过构建顾客需求-技术需求的关系矩阵，展开顾客需求与技术需求的相关性分析［13］；最后需要将顾客需求重要度转化为技术需求重要度，设定技术需求的目标值并进行技术竞争性评估分析，以此完成汽车底盘的模块系列设计［14］。在汽车子功能相关度分析层面，可以通过构建独立模型判断矩阵，判定子功能设计是否满足独立模块条件。其中，子功能的相关度计算详见公式（1）。

式（1）中，rij表示子功能之间的相关度，n表示子功能相关度类型的数量，Wk表示第k种相关类型对总体的影响系数。根据rij可以构建相关矩阵Rn×n，具体详见矩阵（2）。

完成汽车底盘子功能相关矩阵之后，则需要对相关矩阵进行模糊聚类计算，通过确定阈值λ∈[0,1]，展开λ-截距阵Rλ处理，若原R ij＜λ，则用数字0 表示，若原R ij≥λ，则用数字1 表示。然后，根据1 位置进行模块划分。模块划分随着阈值λ在区间［0，1］的变化而变化，由此可得到汽车底盘子功能之间的动态聚类图。

由于λ=0.715 时，形成模块数目比较适合，因此可以将汽车底盘设计划分为7 大模块［15］。详见图2。

图2 汽车底盘产品模块划分

在得到顾客需求的重要度之后，需要将其转化为相应的技术需求，即构建顾客需求-技术需求相关矩阵。若顾客需求为x1,x2,…xm，技术需求为y1,y2,…yn，其相关性则为gij(i=1,2…,m;j=1,2…,n)。假设有m项顾客需求，对应有n项技术需求，那么第j项的技术需求重要度计算则满足公式（3）。

式（3）中，技术需求重要度的权值用hj表示，顾客需求的相对重要度权值用ｗi表示，rij即为顾客需求与技术需求的相关性。在完成技术需求的输出矩阵构建之后，则可以根据模块划分方案，展开汽车底盘模块系列的具体方案设计。

2 基于模糊聚类的底盘模块系列设计案例分析

2.1 技术需求重要度计算

由于汽车底盘设计需要诸多技术需求，本研究选取了底盘的最大功率、轴数、侧倾梯度、轴距、偏频以及总质量等技术需求为例进行市场性评估，并结合技术重要度设定技术需求目标值。具体层面，通过使用模糊聚类的技术重要度算法，将顾客需求重要度转化为技术需求重要度，结果详见表1。

表1 汽车底盘技术需求重要度计算结果

在计算出技术需求重要度之后，结合市场性评估，可以确定汽车底盘模块化设计的技术需求目标值。汽车底盘的总质量技术需求的重要度为1.1721，目标值为1300 kg；轴距技术需求的重要度为0.4977，目标值为2600 mm；前后轮距技术需求的重要度为0.6090，目标值为1500 mm；最大功率技术需求的重要度为0.1825，目标值为76kw；轴数技术需求的重要度为0.5434，目标值为2；偏频技术需求的重要度为0.8286，目标值为前1.3Hz后1.45 Hz；侧倾梯度技术需求的重要度为0.5710，目标值为5.0 deg/g。

2.2 悬架模块化设计方案

在基于模糊聚类底盘模块化设计的案例分析上，以汽车底盘悬架模块为例展开具体研究。结合技术需求矩阵相关信息，完成了三款汽车底盘悬架模块的设计。具体技术需求参数：底盘A 的轴距为2500 mm、轮距为1480 mm、总质量为1050 kg、偏频为前1.3 Hz 后1.45 Hz，侧倾梯度为5.0 deg/g；底盘B 的轴距为2650 mm、轮距为1555 mm、总质量为1300 kg、偏频为前1.3 Hz 后1.45 Hz，侧倾梯度为5.0 deg/g；底盘C 的轴距为2775 mm、轮距为1585 mm、总质量为1500 kg、偏频为前1.3 Hz 后1.45 Hz，侧倾梯度为5.0 deg/g。为了满足三款底盘设计的技术需求，需要完成对应的悬架模块设计，而悬架模块由前悬架和后悬架共同构成。其中，前悬架模块化设计方案详见表2。

由表2 所示，具体汽车底盘前悬架模块设计中，由于采用麦弗逊悬架进行汽车底盘前悬架设计，为满足三款底盘的轮距要求，需要对前悬架的转向机以及下控制臂进行设计；由于前悬架的偏频目标为1.3 Hz，需要对前簧刚度进行设计；由于倾梯度目标值5.0 deg/g，需要完成稳定杆直径的计算；最后，为适应不同的车重，需要对完成不同压缩/拉伸速度对应的减震器设计。而后悬架模块化设计方案详见表3。

表2 汽车底盘前悬架模块化方案

由表3 所示，采用扭转梁悬架、四连杆悬架两种形式展开汽车底盘后悬架模块设计。具体方案设计中，需要改变扭力梁轴中的扭力梁纵臂的宽度，以适用不同底盘设计的轮距要求，同时需要对相应减震器以及弹簧位置进行调整；由于后悬架的偏频目标为1.45 Hz，因此需要设计出与不同车型杠杆比相适应的弹簧刚度；同时，由于侧倾梯度的目标值为5.0 deg/g，需要通过设计不同的稳定杆直径来满足需求；为了保证阻尼比，需要根据不同的车重设计出与之相应的减震器阻尼力。

表3 汽车底盘后悬架模块化方案

3 结语

本研究通过QFD 技术与KANO 模型构建了汽车底盘模块化设计的顾客需求目标，并结合相关度分析构建了顾客需求与汽车底盘子功能的相关矩阵；然后，通过模糊聚类算法实现顾客需求向技术需求的转变，并得到汽车底盘设计模块的动态聚类图；最后，根据阈值λ确定最终的汽车底盘模块划分方案，并以汽车底盘悬架模块为例展开具体研究。总而言之，基于模糊聚类的汽车底盘模块划分方法，由于能够为模块划分提供客观的数据支持，因而大幅度提升了模块划分的合理性，同时也使得模块划分更加灵活，继而能够为汽车底盘设计提供相应的理论参考。