面向成本設計技術在汽車轉向機設計中的應用

周康渠，李 曉

(重慶理工大學 重慶汽車學院，重慶 400054)

汽車制造業(yè)是我國經濟的支柱產業(yè)，近10年來保持了良好的發(fā)展勢頭。作為汽車產業(yè)的重要組成部分，汽車轉向機生產企業(yè)是典型的零部件制造型企業(yè)。目前因整車設計周期的逐漸縮短，使零部件產品的設計周期也不斷被壓縮，整車市場的激烈競爭更是不斷地擠壓轉向機生產企業(yè)的生存空間，同時原材料價格的不斷提升和整車價格的急劇下降，使得控制產品成本成為轉向機生產企業(yè)生存與發(fā)展的關鍵所在。眾多研究表明，產品在設計過程中的成本只占總成本的5%不到，卻決定了產品成本的60% ～70%［1］。因此，在設計階段考慮成本因素，對于降低轉向機產品的成本具有顯著作用?；趯σ陨蠁栴}的研究，本文將面向成本設計(DFC)理念引入到汽車轉向機設計中，實現在設計源頭降低成本的目標。

1 面向成本設計的內涵及應用流程

面向成本的設計(DFC-design for cost)是指在滿足市場需求的前提下，盡可能地降低產品壽命周期總成本，通過分析產品制造過程及其后續(xù)的銷售、使用、維修、回收、報廢等產品全生命周期中的各個部分的成本因素，并對其進行評價后，對原設計中影響產品成本的過高的部分進行修改，以達到從源頭控制成本的目的［2］。

到目前為止，面向成本設計只是一種成本控制的理念，并沒有固定的應用模式，由于本文將其應用于汽車轉向機的設計中，因此可以歸結為此理念與汽車轉向機產品設計流程的結合?；诿嫦虺杀驹O計及產品生命周期理論的研究，本文總結歸納出了轉向機產品面向成本設計的大體流程，如圖1所示。

圖1 轉向機產品面向成本設計的流程

2 DFC技術對轉向機產品和工藝設計的要求

汽車轉向機產品的設計須遵循DFC的思想原則，主要包括幾個方面:

1)產品設計的經濟功能原則。眾所周知，產品的大部分成本是在設計過程中決定的，因此設計人員在降低產品成本中扮演著非常重要的角色。轉向機產品設計不但要求在功能上滿足靈活轉向、操作簡便等需求，而且要求制造簡單易行、制造成本盡量低。因此，作為一名設計人員，必須真正了解經濟性的觀念，運用價值工程等理論對所設計的零部件進行功能和價值分析，不斷優(yōu)化設計方案。針對汽車類產品而言，在總成本構成中，材料費用一般超過50%，有的高達70%以上［3］，因此，在開發(fā)過程中，想方設法降低零件的成本、選擇合適的材料和加工方法、提高材料利用率以及降低廢品率等都有著十分重要的意義。

2)結構設計的經濟制造原則。汽車轉向機的功能主要是承擔汽車轉向工作，由眾多具體部件來實現。要提高產品總體設計的技術經濟性，必須做到2個方面:一方面，盡可能在滿足設計標準的前提下降低構成各部件的成本;另一方面，盡可能通過各部件的有機結合使產品總體性能得到提高。在進行結構設計時，應該在不降低結構功能要求的前提下追求經濟性，而在滿足產品一些特殊設計要求時，也不能違背經濟性的原則?？偠灾?，盡量用最少的投入換取最大可能的收益，這包括功能、質量、外觀美化等多方面。

3)零件結構的工藝合理原則。按照DFC的理念，轉向機生產工藝須在規(guī)定的生產規(guī)模下，采用最為經濟的加工手段，生產出質量合格的產品。這就要求設計人員在設計過程中充分考慮產品制造過程中的勞動量、產品加工方法、運輸方式等因素，提前采取一些優(yōu)化方法，盡可能降低甚至避免一些制造過程問題，最終達到縮短生產周期、降低生產成本的目的。

產品工藝流程優(yōu)化要貫穿于設計過程的始終，不斷舉行產品評審會進行商討會審，集思廣益，收集多種工藝設計路線，從中選取最優(yōu)方案。這樣可以及時解決和調整工藝過程方面的問題，同時加快了工藝文件的編寫速度和產品試制速度，無形之中縮短了新產品的開發(fā)周期。

4)選材的經濟性原則。制造方式即加工工藝的確定依賴于材料的選擇。材料性質與消費者對產品的需求有著很大的關聯(lián)，因此，材料的選擇對于一個產品的設計成功與否、是否具有市場競爭力都有著至關重要的作用。一般情況下，有多種材料和制造工藝的組合可供選擇，最佳設計是選擇這兩者之間最合理的組合方案，評定它們之間關系的主要依據是成本因素［4］。

因此，要解決這個問題，成本分析是必不可少的手段。在選擇材料時，應充分考慮到影響產品總成本的各種因素，尤其是像轉向機這樣由很多個部件組成的產品，不能以單個部件的經濟性作為標準，而要考慮總體是否兼容，是否合適等。因此，材料的選擇過程需要持續(xù)到最終方案的確定。在設計過程中會出現材料選擇的反復現象，這些都是針對不同的設計方案所做出的改變。也只有這樣做，才能不斷優(yōu)化設計方案，使設計功能、外觀以及經濟性之間達到一個平衡，讓生產廠家和顧客都能接受，產品才會具有市場競爭力。

5)最合理的質量標準原則?？梢赃@樣說，不僅僅是汽車轉向機產品，任何一個機電產品對尺寸公差、行為公差以及表面精度等都有著或多或少的要求，而這些也對一個機械產品的性能影響很大。一般情況下，這幾個方面中某一個或幾個的設計要求提高時，則最終產品成本必然會相應地增加，甚至當有些部件要求達到超高精度時，生產成本會急劇地增加。因此，原則上在轉向機產品設計中，只要能夠滿足整車對其性能的要求即可，無需將精度及公差等級要求設計得很高。在滿足功能需求的前提下，盡量選擇與部件功能相一致的公差等級。除此之外，還要考慮加工方法等問題，這些都可能增加加工難度，進而增加相應的生產成本。

因此，想要做到面向成本的設計，研發(fā)設計工程師必須加強設計的生產易行性、經濟性觀念，正確確定設計對象(零件、部件或產品)的加工精度，熟悉與加工精度和加工方法相關的技術經濟問題。

設計和制造工藝的選擇，不僅需要設計人員掌握技術知識，更為重要的是具有經濟理念。因為要開發(fā)出成功的產品，一個重要的先決條件是產品具備經濟上的可行性［5］。

3 汽車轉向機面向成本設計的關鍵技術——總成本估算

轉向機設計的一般過程分為概念設計、初步設計和詳細設計階段。在概念設計階段，設計人員會參照產品的設計標準要求對產品進行全面發(fā)散的構思，形成幾種粗略的設計方案，并草擬一個或幾個能滿足設計要求的初步設計方案。隨著設計工作不斷推進，設計參數也會逐步增加。然而影響產品生命周期總成本的大部分因素都在概念設計階段確定，所以在概念設計階段，對各初步設計方案生命周期總成本的估算顯然對初步設計方案的選擇至關重要。

成本估算的方法比較多，其中人工神經網絡估算法通過對樣本數據的訓練，由神經網絡自身擬合出輸入(參數)與輸出(總成本)的關系，由此實現對生命周期總成本的估算。它可以自動發(fā)現隱藏在數據中的關系，不需要提供產品生命周期總成本與特征屬性之間的關系，大大簡化了估算的過程，并且估算的準確性比較高。因此，本文選用此方法對各設計方案總成本進行估算。

3.1 轉向機設計參數的提取及相關數據收集

通過對轉向機企業(yè)實地調研了解到齒輪齒條式電動助力轉向機產品在概念設計階段的主要設計參數包括線角傳動比、齒輪法向模數、方向盤總圈數、齒條行程、齒輪軸總長、齒輪軸齒寬、齒輪軸齒數、齒輪軸法向模數、齒輪軸螺旋角、齒條總長、齒條直徑、齒條齒數、齒條法向模數、導向座外徑、導向座高度、彈簧總圈數、彈簧節(jié)距、彈簧外徑、彈簧安裝高度、螺塞高度、鎖止螺塞高度、轉向器殼體總長、轉向器殼體總高、轉向器內徑、轉向器殼體外徑、電動機額定時間、電動機標稱輸出、電動機額定轉速、電動機額定轉矩、電動機額定電流、電動機允許最大電流、電磁離合器功耗、電磁離合器額定轉矩、電磁離合器線圈阻抗、電流傳感器額定電流、電流傳感器測量范圍、電流傳感器輸出電流等。因為生命周期成本的數據很難得到，只收集到了該公司的出售價格目錄數據，因此本文估算總成本只涉及產品售前總成本作為產品設計方案選擇的依據，數據僅供參考，說明方法的可行性。

共收集到14套完整設計方案(包括各設計參數值及售前總成本數據，由于數據太多，這里不一一列出)作為訓練樣本，最終對3套新的設計方案(僅包括各設計參數值)進行售前總成本估算，選取成本最低方案作為最終初步設計方案。訓練樣本的輸出值為(單位為人民幣):T=［2 261 2 581 2 712 2 393 2 777 2 285 2 726 2 760 2 382 2 444 2 205 2 552 2 558 2 480］。3種產品設計方案的設計參數值如表1所示。

3.2 總成本估算模型建立

通過分析，本文最終選用了3層BP神經網絡結構，有37個輸入節(jié)點，1個輸出節(jié)點作為成本的輸出值。一般為了簡化網絡結構，隱含節(jié)點不宜過多。通過多次實際試算，選擇一個訓練效果最好的共9個隱含節(jié)點的隱含層(見圖2)，目標誤差值控制在0.000 1之內。以往采用梯度下降法的BP神經網絡訓練算法收斂速度較慢，并容易陷入局部最小，因此本文采用改進的訓練算法(Levenberg—Marquardt，LM)。LM法的優(yōu)點是在網絡權值數目較少時收斂非?？欤Y合了梯度下降法和牛頓法的優(yōu)點［6］。最終建立的神經網絡估算模型流程如圖3所示。

表1 各方案設計參數值

圖2 網絡訓練結果曲線

圖3 神經網絡估算模型流程

3.3 估算結果分析

為了使程序編寫更容易，本文選擇Matlab 7.0中的神經網絡工具箱進行相關計算，最終估算結果如表2所示。

表2 新方案總成本估算結果 元

從圖3中網絡的學習曲線可以看出網絡訓練所得的誤差很小，估算結果具有較高的準確性。由于此3種方案在設計過程中已經完全滿足功能設計要求，因此從設計階段成本控制的角度來考慮，最終確定設計方案為方案3，達到了面向成本設計的目的。

4 結束語

本文通過對某汽車轉向機生產企業(yè)的實地調研，對DFC理論及汽車轉向機設計流程進行梳理整合。闡述了DFC技術對轉向機產品和工藝設計的要求，重點研究了汽車轉向機產品面向成本設計的關鍵技術——產品成本的估算，建立了汽車轉向機產品面向設計的產品估算模型，并運用模型對新設計的3種方案進行了總成本的估算，最終在滿足產品功能設計要求的前提下達到了在設計階段進行成本控制的目的，成功將面向成本設計技術融入到汽車轉向機設計中，為產品研發(fā)人員提供了面向成本的集成設計平臺，降低了整個轉向機產品成本。本研究對提高轉向機國產化設計水平、增強汽車轉向機產品的市場競爭力具有非常重要的意義。

［1］Shehab E M，Abdalla H S.Manufacturing Cost Modeling for Concurrent Product Development［J］.Robtics and Computer Integrated Manufacturing，2001，17(4)：342-352.

［2］張鋮，張博明，葉金蕊，等.復合材料結構面向成本的設計方法(DFC)［J］.材料工程學報，2009(5)：671-674.

［3］陳曉川.并行工程中面向成本的設計的理論與方法研究［M］.大連：大連理工大學出版社，2000.

［4］裘建新，王晰巍.面向成本的并行設計方法［J］.中國機械工程，2003，14：57-61.

［5］羅書強.面向成本設計技術在包裝機械設計中的應用［J］.包裝工程，2008(5)：112-114.

［6］李成貴，唐任仲.面向設計的產品成本估算方法研究［J］.機電工程，2005(5)：51-55.