程賢福 邱浩洋 萬(wàn)麗云 王浩倫

華東交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院,南昌,330013

0 引言

在大批量定制背景下，產(chǎn)品設(shè)計(jì)不再僅針對(duì)單一的產(chǎn)品進(jìn)行，而是要考慮系列產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，即產(chǎn)品族設(shè)計(jì)[1]。產(chǎn)品族設(shè)計(jì)是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程，不僅涉及產(chǎn)品族共性與個(gè)性的協(xié)調(diào)以及系列產(chǎn)品間的關(guān)聯(lián)問(wèn)題，還涉及產(chǎn)品族內(nèi)各模塊之間可能存在的耦合關(guān)聯(lián)關(guān)系，這使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜[2-3]。設(shè)計(jì)耦合應(yīng)盡量予以避免，然而在實(shí)際的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，由于技術(shù)或其他條件的限制，要想得到無(wú)耦合設(shè)計(jì)是非常困難的，因此，產(chǎn)品設(shè)計(jì)耦合問(wèn)題已成為亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

公理設(shè)計(jì)理論中的獨(dú)立公理提供了判斷設(shè)計(jì)是否成功的基本依據(jù)以及設(shè)計(jì)的改進(jìn)方向。SU等[4]利用割裂算法重排公理設(shè)計(jì)矩陣，應(yīng)用層次分析法度量功能耦合度，通過(guò)優(yōu)化算法尋求耦合功能的最優(yōu)初始迭代順序。LEE[5]綜合考慮移除設(shè)計(jì)矩陣中非對(duì)角線元素的成本和效益，確定最小序列非對(duì)角線元素實(shí)現(xiàn)解耦。CHEN等[6]通過(guò)設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)、再設(shè)計(jì)劃分和模式選擇3個(gè)階段分析了產(chǎn)品內(nèi)部耦合關(guān)系，提出了耦合設(shè)計(jì)分解方法，以達(dá)到支持產(chǎn)品敏捷制造的快速再設(shè)計(jì)的目的。CAI等[7]提出了一種基于滿意度的解耦方法，根據(jù)滿意度和模糊獨(dú)立范圍進(jìn)行解耦設(shè)計(jì)。

鐘掘[8]針對(duì)復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)，研究了產(chǎn)品耦合設(shè)計(jì)理論和方法。顧復(fù)等[9]將參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)以各種內(nèi)聚與耦合的形式加以分類表達(dá)，提出了一種面向配置需求獲取的參數(shù)耦合網(wǎng)絡(luò)模型。YU等[10]針對(duì)具有適應(yīng)性功能的機(jī)械系統(tǒng)，基于設(shè)計(jì)變更傳播和功能-零件依賴關(guān)系分析，提出了一種功能耦合和部件重要性評(píng)價(jià)方法。H?LTT-OTTO等[11]回顧了關(guān)于耦合模塊性的測(cè)量研究，分析比較了8種具有代表性的模塊度測(cè)量方法。程賢福等[12]基于公理設(shè)計(jì)和通用設(shè)計(jì)理論提出了一種機(jī)械系統(tǒng)穩(wěn)健性分析方法，以避免后期出現(xiàn)大的返工。還有不少文獻(xiàn)針對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的間接耦合進(jìn)行了研究，主要分析變更傳播路徑、傳播預(yù)測(cè)、變更影響及過(guò)程建模等[13-14]。

以上研究主要針對(duì)單一產(chǎn)品的耦合設(shè)計(jì)，有些只考慮了設(shè)計(jì)變更傳播，或僅分析了模塊的耦合度等；還有些研究雖然針對(duì)產(chǎn)品族設(shè)計(jì)的，但主要是分析參數(shù)或變量的關(guān)聯(lián)傳遞模型，或考慮模塊的聚類與劃分。本文針對(duì)產(chǎn)品族設(shè)計(jì)在現(xiàn)有條件下無(wú)法完全解耦的問(wèn)題，考慮平臺(tái)適應(yīng)性，探討產(chǎn)品族耦合關(guān)聯(lián)特性，提出一種基于公理設(shè)計(jì)和模塊關(guān)聯(lián)矩陣的產(chǎn)品族設(shè)計(jì)耦合分析方法。

1 單一產(chǎn)品設(shè)計(jì)與產(chǎn)品族設(shè)計(jì)耦合分析比較

對(duì)于單一產(chǎn)品設(shè)計(jì)，從產(chǎn)品功能-結(jié)構(gòu)角度，其耦合問(wèn)題可以分成功能耦合和結(jié)構(gòu)耦合兩類。針對(duì)功能耦合，可以利用公理設(shè)計(jì)的獨(dú)立公理，以相鄰域之間的Z字形映射過(guò)程為指導(dǎo)，對(duì)設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行功能分解及設(shè)計(jì)矩陣的調(diào)整，并通過(guò)揭示功能要求(FRs)-設(shè)計(jì)參數(shù)(DPs)之間的交互作用來(lái)辨識(shí)獨(dú)立設(shè)計(jì)任務(wù)以及耦合設(shè)計(jì)任務(wù)集，在此基礎(chǔ)上對(duì)耦合FRs-DPs進(jìn)行解耦；針對(duì)結(jié)構(gòu)耦合，可以利用有向圖、關(guān)鍵路徑法、工程評(píng)審技術(shù)、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣(DSM)等方法進(jìn)行耦合分析處理，其中DSM方法應(yīng)用較為廣泛。單一產(chǎn)品設(shè)計(jì)耦合問(wèn)題是從微觀層面來(lái)確定模塊或參數(shù)的屬性或迭代順序，主要針對(duì)某一類具體問(wèn)題討論，可以用來(lái)定制產(chǎn)品設(shè)計(jì)，也可以進(jìn)行產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，目的是提高設(shè)計(jì)效率、降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。

產(chǎn)品族設(shè)計(jì)針對(duì)的是一族或系列產(chǎn)品，主要面向產(chǎn)品的適應(yīng)性設(shè)計(jì)，其目的是在已有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)與變型，設(shè)計(jì)新產(chǎn)品以滿足客戶的個(gè)性化需求，增強(qiáng)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。產(chǎn)品族設(shè)計(jì)耦合問(wèn)題不僅具有單一產(chǎn)品設(shè)計(jì)的特征，還包括了產(chǎn)品族內(nèi)各模塊間的耦合及族中成員之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。根據(jù)產(chǎn)品族設(shè)計(jì)的含義和特點(diǎn)，平臺(tái)模塊與定制模塊之間的耦合應(yīng)盡可能避免，平臺(tái)模塊不依賴于定制模塊，且定制模塊不影響產(chǎn)品族的基本功能要求，但如果忽略產(chǎn)品族平臺(tái)模塊與定制模塊之間的主從和關(guān)聯(lián)關(guān)系，則不能準(zhǔn)確描述問(wèn)題的本質(zhì)，從而產(chǎn)品族設(shè)計(jì)就不能令人滿意。

產(chǎn)品族設(shè)計(jì)包括產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品族成員設(shè)計(jì)兩方面內(nèi)容，產(chǎn)品平臺(tái)的設(shè)計(jì)是從宏觀層面來(lái)衡量產(chǎn)品族整體的最優(yōu)性，單一的產(chǎn)品設(shè)計(jì)相當(dāng)于產(chǎn)品族內(nèi)個(gè)體成員設(shè)計(jì)的特例，且應(yīng)在產(chǎn)品族整體目標(biāo)和約束內(nèi)，重點(diǎn)考慮以“設(shè)計(jì)參數(shù)”為單位的技術(shù)層面優(yōu)化。產(chǎn)品族設(shè)計(jì)耦合分析應(yīng)要兼顧策略層面和操作層面。從策略層面的角度，重點(diǎn)考慮市場(chǎng)分割框架下客戶需求的響應(yīng)、設(shè)計(jì)參數(shù)的映射、模塊聚類、模塊關(guān)聯(lián)矩陣的建立及平臺(tái)的適應(yīng)性規(guī)劃；從操作層面的角度，探討產(chǎn)品族關(guān)聯(lián)特性和耦合類型，分析耦合關(guān)聯(lián)路徑和模塊關(guān)聯(lián)影響度，考慮平臺(tái)的適應(yīng)性，確定模塊的實(shí)現(xiàn)順序。由此提升產(chǎn)品族設(shè)計(jì)的適應(yīng)性，減弱設(shè)計(jì)的耦合度。

2 產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)分析

在產(chǎn)品族設(shè)計(jì)的早期階段進(jìn)行需求分析是非常重要的，良好的需求建?？梢詼p弱設(shè)計(jì)的耦合性，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，增強(qiáng)產(chǎn)品族設(shè)計(jì)的穩(wěn)健性，提高產(chǎn)品族設(shè)計(jì)適應(yīng)性?？蛻粜枨罂煞譃殪o態(tài)和動(dòng)態(tài)需求，動(dòng)態(tài)需求是產(chǎn)品異質(zhì)性的驅(qū)動(dòng)力。將客戶需求特性轉(zhuǎn)化為功能需求信息，功能需求信息經(jīng)分析、準(zhǔn)確描述與表達(dá)并轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息?；诳蛻粜枨蠹爱a(chǎn)品設(shè)計(jì)適應(yīng)性分析，將功能要求分為基本功能要求、適應(yīng)性功能要求與個(gè)性化功能要求三種類型，對(duì)應(yīng)不同的客戶需求，并通過(guò)相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)和產(chǎn)品組件來(lái)實(shí)現(xiàn)?；竟δ芤笫强蛻粽J(rèn)為產(chǎn)品應(yīng)具有的基本功能，在一定的階段是比較固定的，對(duì)應(yīng)客戶的靜態(tài)需求；適應(yīng)性功能要求對(duì)應(yīng)客戶的動(dòng)態(tài)需求，使產(chǎn)品具備適應(yīng)需求變化的能力；個(gè)性化功能要求為滿足客戶多樣化的需求，一部分對(duì)應(yīng)客戶的靜態(tài)需求，另一部分對(duì)應(yīng)動(dòng)態(tài)需求。

從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成層面來(lái)看，產(chǎn)品族由公共組件、柔性組件和差異性組件構(gòu)成，其中公共組件和柔性組件實(shí)現(xiàn)客戶的共性需求，差異性組件實(shí)現(xiàn)客戶的個(gè)性化需求。產(chǎn)品組件可以通過(guò)設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)表征，根據(jù)公理設(shè)計(jì)理論，實(shí)現(xiàn)功能要求的物理結(jié)構(gòu)或關(guān)鍵特征參數(shù)可概括描述為“設(shè)計(jì)參數(shù)”。從產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)層面來(lái)看，產(chǎn)品族由公共設(shè)計(jì)參數(shù)、適應(yīng)性設(shè)計(jì)參數(shù)和定制設(shè)計(jì)參數(shù)組成。其中適應(yīng)性設(shè)計(jì)參數(shù)面向客戶的動(dòng)態(tài)需求，通過(guò)調(diào)節(jié)該參數(shù)使得平臺(tái)具有柔性。產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)及對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 適應(yīng)性產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)及對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)關(guān)系Fig.1 Typology of adaptive product family and corresponding correlation

利用公理設(shè)計(jì)進(jìn)行產(chǎn)品族規(guī)劃，分析產(chǎn)品族的功能要求并映射為設(shè)計(jì)參數(shù)，可減弱設(shè)計(jì)的耦合性。當(dāng)某個(gè)功能要求Ri因滿足客戶定制需求而發(fā)生變化時(shí)，則相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)Di也應(yīng)作出調(diào)整以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能要求，同時(shí)，非對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)Dj(j≠i)也將可能發(fā)生改變以消除Di變化的影響。Di變化與DPs總的變化的比值越大，說(shuō)明利用該設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行平臺(tái)調(diào)節(jié)對(duì)其他設(shè)計(jì)參數(shù)的影響越小，設(shè)計(jì)參數(shù)的適應(yīng)性就越好，產(chǎn)品設(shè)計(jì)的耦合性就越低。

3 產(chǎn)品族模塊關(guān)聯(lián)矩陣

產(chǎn)品族中各變型產(chǎn)品的基本功能要求相同，其物理結(jié)構(gòu)組成也相同，可用一組多元設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)描述產(chǎn)品幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系。記Dc、Dp和Dr分別為公共設(shè)計(jì)參數(shù)、適應(yīng)性設(shè)計(jì)參數(shù)和定制設(shè)計(jì)參數(shù)的集合，則D=(Dc,Dp,Dr)T。將適應(yīng)性設(shè)計(jì)參數(shù)Dp分為兩類:一類是自身變動(dòng)范圍較小且對(duì)系統(tǒng)目標(biāo)有較大影響的，記為Dp1；另一類是自身變動(dòng)范圍較大或?qū)ο到y(tǒng)目標(biāo)影響較小的，記為Dp2。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)值的不同，可得到一系列產(chǎn)品，其中Dc和Dp1對(duì)產(chǎn)品功能差異性影響較小甚至忽略不計(jì)，其取值在產(chǎn)品族內(nèi)不同變型產(chǎn)品之間基本相同或在一定規(guī)格范圍內(nèi)變化，它們構(gòu)成了產(chǎn)品族基體。

構(gòu)建DSM并將其分成兩大塊：一塊是關(guān)于公共平臺(tái)的設(shè)計(jì)參數(shù)，包括Dc和Dp1；另一塊是個(gè)性化設(shè)計(jì)參數(shù)，包括Dr和Dp2。

設(shè)計(jì)參數(shù)間關(guān)聯(lián)關(guān)系的確定需要依賴設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，通過(guò)分析設(shè)計(jì)參數(shù)連接關(guān)聯(lián)性、功能關(guān)聯(lián)性、物理關(guān)聯(lián)性等關(guān)系，根據(jù)各關(guān)聯(lián)準(zhǔn)則的重要度，計(jì)算設(shè)計(jì)參數(shù)間綜合關(guān)聯(lián)關(guān)系[15]。模塊聚類的驅(qū)動(dòng)目標(biāo)是模塊內(nèi)部具有強(qiáng)聯(lián)系，模塊之間具有弱耦合性。假設(shè)設(shè)計(jì)參數(shù)Di和Dj的綜合關(guān)聯(lián)度為r(Di,Dj)，應(yīng)用聚類算法聚類，由Dc和Dp1聚類成的模塊稱為平臺(tái)模塊，由Dr和Dp2聚類成的模塊稱為定制模塊。

DSM中如有游離在模塊外的元素則意味著模塊間有關(guān)聯(lián)，各模塊之間不完全獨(dú)立。從設(shè)計(jì)變更和耦合的角度分析，零部件之間的綜合關(guān)聯(lián)關(guān)系強(qiáng)并不意味著它們之間的設(shè)計(jì)耦合性強(qiáng)，如軸和鍵的配合，雖然兩者在連接、功能及物理關(guān)聯(lián)性上很緊密，但鍵一般是根據(jù)軸的尺寸來(lái)選擇的，也就是說(shuō)，軸的變更會(huì)引起鍵的變化，反之不然。由此，在上述DSM模塊聚類的基礎(chǔ)上，考慮模塊及零部件間的變更傳播關(guān)系，即分析一個(gè)零件的變化對(duì)另一個(gè)零件的影響程度，確定設(shè)計(jì)參數(shù)間變更傳播的耦合關(guān)聯(lián)度，建立產(chǎn)品族模塊關(guān)聯(lián)矩陣，如圖2所示。

DDc+Dp1Dp2+Dr142357689101211131415110.240.81← 模塊1(M1)20.60.813150.61← 模塊270.60.40.61 (M2)6↑0.80.418AB→0.2190.21← 模塊3(M3)100.40.61121 模塊511模塊4(M4) →0.81 (M5)13C→0.80.20.81 ↓14D→0.410.215E→0.20.61

圖2產(chǎn)品族模塊關(guān)聯(lián)矩陣

Fig.2Modularincidencematrixofproductfamily

為了減弱產(chǎn)品族設(shè)計(jì)的耦合性，使產(chǎn)品平臺(tái)具有較強(qiáng)的穩(wěn)健性，產(chǎn)品族模塊關(guān)聯(lián)矩陣應(yīng)盡可能為對(duì)角陣或三角陣，即模塊關(guān)聯(lián)性影響要小且盡可能為單向的。另外，從零部件相互作用關(guān)系考慮，個(gè)性化參數(shù)的變化不能引起公共平臺(tái)參數(shù)的擾動(dòng)，或者它們對(duì)平臺(tái)參數(shù)的反饋要盡可能小，即模塊關(guān)聯(lián)矩陣右上角不存在關(guān)聯(lián)元素或有較小的關(guān)聯(lián)度，這也是單一產(chǎn)品設(shè)計(jì)與產(chǎn)品族設(shè)計(jì)的主要區(qū)別。

在模塊關(guān)聯(lián)矩陣中，模塊之外的元素確定了模塊間的耦合關(guān)聯(lián)關(guān)系，即存在耦合性，從而影響產(chǎn)品族的適應(yīng)性設(shè)計(jì)。以關(guān)聯(lián)元素A為例，表示D4所在的模塊與D7所在模塊通過(guò)設(shè)計(jì)參數(shù)D4和D7關(guān)聯(lián)，且為前者影響后者，更具體地說(shuō)，是D4對(duì)D7的信息輸入，因此稱D4為主控關(guān)聯(lián)參數(shù)，D7為依賴關(guān)聯(lián)參數(shù)。如果D4產(chǎn)生了變化，則會(huì)引起D7產(chǎn)生相應(yīng)的變更。由模塊關(guān)聯(lián)矩陣可以確定模塊間的所有關(guān)聯(lián)元素A、B、C、D和E，對(duì)模塊間的主控關(guān)聯(lián)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，可將它們作為參數(shù)設(shè)計(jì)中的可控因素，分析其對(duì)目標(biāo)影響的重要程度并實(shí)施針對(duì)性的控制與調(diào)整，從而提高產(chǎn)品族設(shè)計(jì)的穩(wěn)健性，減弱產(chǎn)品族設(shè)計(jì)的耦合性。

在關(guān)聯(lián)參數(shù)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，首先需考慮設(shè)計(jì)模塊關(guān)聯(lián)矩陣左上角設(shè)計(jì)參數(shù)即平臺(tái)模塊中的關(guān)聯(lián)元素(如A和B)對(duì)應(yīng)的主控關(guān)聯(lián)參數(shù)的影響，尤其當(dāng)存在公共設(shè)計(jì)參數(shù)為主控關(guān)聯(lián)參數(shù)時(shí)(如A對(duì)應(yīng)的D4)，要優(yōu)先確定其對(duì)其他模塊的影響，因?yàn)樗鼈兪钱a(chǎn)品族共享的，只限定在一定規(guī)格范圍內(nèi)變動(dòng)，其異動(dòng)可能會(huì)引起產(chǎn)品族架構(gòu)的變化。其次分析模塊關(guān)聯(lián)矩陣左下角中關(guān)聯(lián)元素對(duì)應(yīng)的主控關(guān)聯(lián)參數(shù)(如C和D對(duì)應(yīng)的參數(shù))對(duì)定制參數(shù)的信息傳遞關(guān)系，以使定制參數(shù)適應(yīng)公共平臺(tái)參數(shù)的變更。最后才考慮定制模塊內(nèi)部的關(guān)聯(lián)元素(如E)對(duì)應(yīng)的主控關(guān)聯(lián)參數(shù)，因?yàn)樗鼈儾挥绊懏a(chǎn)品族架構(gòu)，只是為了滿足客戶的定制需求。

4 產(chǎn)品族設(shè)計(jì)耦合分析

產(chǎn)品族設(shè)計(jì)耦合可能會(huì)影響所有族成員的設(shè)計(jì)。因?yàn)槠脚_(tái)是共享的，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)保持不變，僅功能結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)行為和參數(shù)規(guī)格可允許一定的變異，因此要求產(chǎn)品平臺(tái)具有一定的適應(yīng)性，平臺(tái)參數(shù)與定制參數(shù)之間的耦合盡可能弱。產(chǎn)品族設(shè)計(jì)耦合主要包含兩種方式，一是單個(gè)模塊內(nèi)部的耦合，二是模塊之間的耦合。下面就這兩種耦合方式進(jìn)行分析。

4.1 模塊內(nèi)部的耦合

產(chǎn)品平臺(tái)相當(dāng)于產(chǎn)品族的基本型產(chǎn)品，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已固定(暫不考慮平臺(tái)的升級(jí)與擴(kuò)展)，功能域保持不變，但通過(guò)調(diào)節(jié)相應(yīng)的參數(shù)，功能需求強(qiáng)弱或大小可以在一定規(guī)格范圍內(nèi)變化。定制設(shè)計(jì)參數(shù)是針對(duì)產(chǎn)品族成員的，族成員就相當(dāng)于一般的單一產(chǎn)品。不同的是，在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品個(gè)性化需求時(shí)，其對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)不能影響到產(chǎn)品平臺(tái)。單個(gè)模塊作為一個(gè)結(jié)構(gòu)整體，其內(nèi)部的耦合應(yīng)從功能-結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)角度分析，與一般的產(chǎn)品設(shè)計(jì)耦合處理方法無(wú)異，因此可借鑒相關(guān)的解耦方式進(jìn)行求解。具體如下：

重新選擇設(shè)計(jì)參數(shù)或?qū)⒍鄠€(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)集成到一個(gè)物理部件上，減少設(shè)計(jì)參數(shù)之間的相互影響，以減少設(shè)計(jì)中產(chǎn)生功能耦合的可能性。這是減少耦合最有效的方法，也是首選方法。當(dāng)該方法難以實(shí)現(xiàn)時(shí)，才考慮其他解耦方法。

選擇功能需求對(duì)應(yīng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，非對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)該功能影響較小，也即功能需求對(duì)除關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)以外的設(shè)計(jì)參數(shù)不敏感。如圖3所示，帶方框的元素為功能要求對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，不一定是對(duì)角線元素。如果滿足一個(gè)功能需求只對(duì)應(yīng)一個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)Dc，且一個(gè)Dc也只對(duì)應(yīng)一個(gè)功能需求，則可以將FR-DP映射進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，重排關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)為對(duì)角線形式。對(duì)于一個(gè)n×n的耦合模塊來(lái)說(shuō)，功能需求Ri所選擇的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)Dic要滿足下面的條件[7]：

(1)

D1D2D3D4R1XXXXR2XXXXR3XXXXR4XXXX

圖3產(chǎn)品平臺(tái)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)

Fig.3Thecriticaldesignparametersofproductplatform

如果滿足式(1)，則說(shuō)明該模塊是弱耦合的，否則模塊為強(qiáng)耦合的。弱耦合情況可以被認(rèn)為是實(shí)質(zhì)解耦的，從而可以在特定的條件下先忽略這些弱耦合關(guān)系，使得設(shè)計(jì)可以在較少的交互作用情況下進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)耦合設(shè)計(jì)問(wèn)題的簡(jiǎn)化處理。

對(duì)于強(qiáng)耦合情況，可采用結(jié)構(gòu)化的耦合設(shè)計(jì)分析方法，通過(guò)解耦、重新分解和割裂等操作對(duì)耦合模塊進(jìn)行規(guī)劃以確定各功能的實(shí)現(xiàn)順序。在進(jìn)行耦合模塊規(guī)劃的時(shí)候，根據(jù)模塊關(guān)聯(lián)矩陣中耦合模塊的大小采用不同的分析方法進(jìn)行操作。

當(dāng)只有兩個(gè)FRs-DPs的耦合設(shè)計(jì)時(shí)，可通過(guò)割裂參數(shù)并分析參數(shù)間關(guān)聯(lián)依賴度和變更傳播關(guān)系，識(shí)別出主控關(guān)聯(lián)參數(shù)和依賴關(guān)聯(lián)參數(shù)。如圖2中右下角模塊，有2個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)D14和D15，它們相互關(guān)聯(lián)且假設(shè)為強(qiáng)耦合，通過(guò)耦合關(guān)聯(lián)度和變更傳播分析，判斷出主控參數(shù)為D14，依賴參數(shù)為D15，則應(yīng)先實(shí)現(xiàn)D14后實(shí)現(xiàn)D15。

當(dāng)模塊有多個(gè)DPs的耦合設(shè)計(jì)時(shí)，可先建立該模塊內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)的耦合關(guān)聯(lián)路徑，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)兩兩之間的耦合度和變更傳播關(guān)系，進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)間耦合關(guān)聯(lián)的定量判斷。進(jìn)而在耦合模塊所有設(shè)計(jì)參數(shù)中識(shí)別出第一主控參數(shù)、第二主控參數(shù)……和依賴參數(shù)，可確定各耦合功能的最佳實(shí)現(xiàn)順序。如圖4所示，帶菱形框的元素為功能要求對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，假設(shè)通過(guò)設(shè)計(jì)參數(shù)兩兩之間的耦合度和變更傳播關(guān)系分析獲得第一主控參數(shù)為D5、第二主控參數(shù)為D7、第三主控參數(shù)為D6和依賴參數(shù)為D8，則依次R5→R7→R6→R8實(shí)現(xiàn)耦合功能順序。

D5D6D7D8R5◇1XXXR6X◇3XXR7XX◇2XR8XXX◇4

圖4定制耦合模塊主控參數(shù)和依賴參數(shù)識(shí)別

Fig.4Identificationofinstigatingparameterandaffectedparameterincoupledcustomizationmodule

4.2 模塊之間的耦合

模塊之間的耦合是由產(chǎn)品族設(shè)計(jì)模塊關(guān)聯(lián)矩陣中模塊之外的關(guān)聯(lián)元素引起的，包括平臺(tái)模塊間的耦合、平臺(tái)模塊與定制模塊間的耦合及定制模塊間的耦合三種情形。模塊內(nèi)部的耦合分析是為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)參數(shù)的迭代順序，而模塊間的耦合分析則是為了評(píng)價(jià)模塊間的關(guān)聯(lián)程度、確定模塊實(shí)現(xiàn)次序及控制與調(diào)整相應(yīng)設(shè)計(jì)參數(shù)。

4.2.1平臺(tái)模塊間的耦合

平臺(tái)模塊間的耦合可以分兩種情況，一種是單向關(guān)聯(lián)，另一種是相互耦合。模塊間單向關(guān)聯(lián)就是一個(gè)模塊影響但不依賴另一個(gè)模塊，可通過(guò)一定的次序來(lái)調(diào)整參數(shù)，避免依賴參數(shù)的信息反饋，也可以重新選擇設(shè)計(jì)參數(shù)避免設(shè)計(jì)參數(shù)的關(guān)聯(lián)。這種關(guān)聯(lián)情況的耦合處理方法同第二種情形平臺(tái)模塊與定制模塊間耦合的處理方法一樣。

相互耦合是兩個(gè)模塊彼此有關(guān)聯(lián)，為了探討平臺(tái)模塊間耦合問(wèn)題的處理方法，以兩個(gè)耦合模塊之間的關(guān)系描述和分析為例，如圖5所示，圖中模塊內(nèi)非對(duì)角線的元素?cái)?shù)值表示設(shè)計(jì)參數(shù)間變更傳播的耦合關(guān)聯(lián)度。模塊之間有2個(gè)關(guān)聯(lián)元素F和G，具體為模塊1通過(guò)D2影響模塊2的D5和模塊2的D6影響模塊1的D3。變更模塊1會(huì)引起模塊2的變化，同樣，變更模塊2會(huì)影響模塊1。模塊1和模塊2之間存在交互作用，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須進(jìn)行處理，否則會(huì)使設(shè)計(jì)復(fù)雜化，引起不必要的設(shè)計(jì)迭代，甚至導(dǎo)致無(wú)法得到可行的滿意解。

D123456781120.810.3←模塊130.610.20.2←G40.6150.216↑0.410.17F0.30.510.38模塊2→0.71

圖5產(chǎn)品族平臺(tái)模塊間耦合關(guān)聯(lián)度

Fig.5Couplingincidencedegreebetweenplatformmodules

圖5對(duì)應(yīng)的耦合關(guān)聯(lián)路徑如圖6所示，由耦合關(guān)聯(lián)度很容易判斷出模塊1內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)順序?yàn)镈1→D2→D3→D4，模塊2內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)順序?yàn)镈5→D6→D7→D8，同時(shí)D3→D2、D4→D3、D7→D6和D8→D7的反饋?zhàn)饔孟鄬?duì)較弱，如圖6中的虛線所表示的關(guān)聯(lián)關(guān)系。此時(shí)根據(jù)關(guān)聯(lián)路徑確定耦合關(guān)聯(lián)參數(shù)所影響對(duì)應(yīng)模塊設(shè)計(jì)參數(shù)的耦合關(guān)聯(lián)度，判斷模塊間的相互依賴度大小，確定模塊的實(shí)現(xiàn)順序。

圖6 平臺(tái)模塊之間的耦合關(guān)聯(lián)路徑圖Fig.6 Coupling incidence path betweenplatform modules

假設(shè)模塊Ml和Mk之間存在關(guān)聯(lián)，具體為Ml中的Di影響Mk中的Dj，則Di為主控關(guān)聯(lián)參數(shù)，Dj為依賴關(guān)聯(lián)參數(shù)。可以分析Di的變更傳播影響，確定Di的變更傳播路徑。定義Di到Mk的變更傳播路徑為耦合關(guān)聯(lián)路徑Di→Mk。Di不僅影響Mk中的Dj，其變化還可能傳播給Mk中的其他設(shè)計(jì)參數(shù)。為了分析Di對(duì)Mk的影響，應(yīng)考慮Di與Mk的關(guān)聯(lián)度，記P(Di,Mk)為Di對(duì)Mk的關(guān)聯(lián)影響度。假設(shè)Di→Mk路徑上有nij(nij≤mk-nk+1)個(gè)關(guān)聯(lián)參數(shù)，則Di對(duì)模塊Mj的關(guān)聯(lián)影響度P(Di,Mk) 可表示為

(2)

式中，r′(Di,Dj)為Di(Ml中)對(duì)Dj(Mk中)的耦合關(guān)聯(lián)度;r′(p,q)為Mk中第p個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)第q個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)的耦合關(guān)聯(lián)度。

當(dāng)Di影響Mk中多個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，如Di影響Mk中Dj1和Dj2，且耦合關(guān)聯(lián)路徑Di→Mk(Dj1)和Di→Mk(Dj2)上分別有nij1和nij2個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，則Di對(duì)模塊Mj的關(guān)聯(lián)影響度為

(3)

如果模塊Ml內(nèi)有Q個(gè)與Mk關(guān)聯(lián)的主控關(guān)聯(lián)參數(shù)，則模塊Ml對(duì)模塊Mk的關(guān)聯(lián)影響度為

(4)

同理，計(jì)算出Mk對(duì)模塊Ml的關(guān)聯(lián)影響度P(Mk,Ml)，比較P(Ml,Mk)和P(Mk,Ml)。如果P(Ml,Mk)>P(Mk,Ml)，說(shuō)明Ml→Mk比Mk→Ml的影響更大，因此在設(shè)計(jì)時(shí)模塊Ml優(yōu)先于模塊Mk。

如圖5和圖6所示，D2的變化會(huì)傳播給D5，進(jìn)而引起D6、D7和D8的擾動(dòng)，因?yàn)镈5的變更傳播給D6和D7，D7的變更傳播給D8，而D7又和D6、D8存在相互作用，因此D2的變化引起模塊2的所有設(shè)計(jì)參數(shù)的擾動(dòng)，它對(duì)模塊2中關(guān)聯(lián)影響度P(D2,M2)=0.2×[1+(0.4+0.3+0.5+0.7+0.3+0.1)]=0.69。因模塊M1只有一個(gè)主控關(guān)聯(lián)參數(shù)影響M2，所以P(M1,M2)=P(D2,M2)=0.69。

同理，D6的變化會(huì)傳播給D3，D3的變更傳播給D2和D4，而D3又和D2、D4存在相互作用，但不會(huì)傳播給D1，因此D6的變化引起模塊1中除D1外其他設(shè)計(jì)參數(shù)的擾動(dòng)，其對(duì)模塊1的影響度P(M2,M1)=P(D6,M1)=0.2×[1+(0.6+0.6+0.3+0.2)]=0.54。

P(M1,M2)>P(M2,M1)，故在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)M1優(yōu)先于M2。

4.2.2平臺(tái)模塊與定制模塊間的耦合

當(dāng)模塊關(guān)聯(lián)矩陣中平臺(tái)模塊與定制模塊間存在關(guān)聯(lián)元素時(shí)，則它們之間就存在耦合關(guān)系，如圖7所示。設(shè)計(jì)參數(shù)D5～D8和Dm～Dn可以分別視為平臺(tái)模塊和定制模塊的輸入，R2和R3分別認(rèn)為是兩模塊的輸出。平臺(tái)模塊與定制模塊間的關(guān)聯(lián)一般為單向的，平臺(tái)模塊可以影響定制模塊，但后者不會(huì)影響前者，即定制模塊對(duì)平臺(tái)模塊關(guān)聯(lián)影響度為0。平臺(tái)模塊對(duì)定制模塊的關(guān)聯(lián)影響度計(jì)算方法同式(2)～式(4)。

圖7 平臺(tái)模塊與定制模塊之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系示意圖Fig.7 The association relationship between platformmodule and customization module

如圖2所示，M3為平臺(tái)模塊，M4為定制模塊。M3中的D8與M4的D13有關(guān)聯(lián)，且為單向的。由于D13在M4中僅僅為設(shè)計(jì)接收端，并無(wú)對(duì)其他設(shè)計(jì)參數(shù)的反饋，因此D8的變更只傳播給D13，不會(huì)進(jìn)一步引起其他設(shè)計(jì)參數(shù)的變化。則

P(M3,M4)=P(D8,M4)= 0.8

P(M4,M3) = 0

4.2.3定制模塊間的耦合

在前兩種耦合情況分析之后，才能考慮定制模塊間的耦合，與平臺(tái)模塊相比，定制模塊處于從屬地位，產(chǎn)品族個(gè)性化參數(shù)只影響變型產(chǎn)品的差異性。每種變型產(chǎn)品所具有的個(gè)性化參數(shù)是不同的，有些定制參數(shù)僅僅被某個(gè)產(chǎn)品擁有，有些定制參數(shù)被多個(gè)變型產(chǎn)品擁有，它們的數(shù)值也可以在較大范圍變動(dòng)。定制模塊間的耦合同樣按單向關(guān)聯(lián)和相互耦合兩種情況分析，耦合處理思路也可參照以上方法。

所不同的是，對(duì)于定制模塊間的耦合關(guān)系，要考慮它們與平臺(tái)模塊的關(guān)聯(lián)度，再分析定制模塊自身的相互依賴度，從而確定實(shí)現(xiàn)模塊功能的最佳順序。如圖8和圖9所示，假設(shè)有2個(gè)定制模塊A和模塊B，設(shè)計(jì)參數(shù)DA和DB分別為模塊A和B的輸入，RA和RB分別是兩模塊的輸出，Dc1和Dc2為平臺(tái)模塊中的設(shè)計(jì)參數(shù)。耦合關(guān)聯(lián)關(guān)系可分兩類情況：一是無(wú)平臺(tái)參數(shù)傳播的定制模塊間的耦合關(guān)系；二是有平臺(tái)參數(shù)傳播的定制模塊間的耦合關(guān)系。

(a)定制模塊間單向關(guān)聯(lián)關(guān)系

(b)定制模塊間耦合關(guān)聯(lián)關(guān)系圖8 無(wú)平臺(tái)參數(shù)關(guān)聯(lián)的定制模塊間的耦合關(guān)系示意圖Fig.8 Association relationship between customizationmodules without information input of platform modules

(a)主控模塊有平臺(tái)參數(shù)傳播的單向關(guān)聯(lián)關(guān)系

(b)其他耦合關(guān)聯(lián)關(guān)系圖9 有平臺(tái)參數(shù)關(guān)聯(lián)的定制模塊間的耦合關(guān)系示意圖Fig.9 Association relationship between customizationmodules with information input of platform modules

對(duì)于無(wú)平臺(tái)參數(shù)關(guān)聯(lián)的定制模塊間的耦合情形，不管是單向關(guān)聯(lián)還是耦合關(guān)聯(lián)，它與平臺(tái)模塊間的耦合關(guān)聯(lián)方式一樣，因此處理方式也相同。

對(duì)于有平臺(tái)參數(shù)關(guān)聯(lián)的定制模塊間的耦合，如果定制模塊只存在單向關(guān)聯(lián)關(guān)系且僅有主控模塊有平臺(tái)參數(shù)的傳遞(圖9a)，則模塊的實(shí)現(xiàn)次序顯而易見(jiàn)，只需考慮模塊內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)耦合及其與平臺(tái)參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系即可。除此之外的其他耦合關(guān)聯(lián)情況，包括2個(gè)關(guān)聯(lián)模塊依賴于同一個(gè)或幾個(gè)平臺(tái)參數(shù)、1個(gè)模塊依賴于平臺(tái)參數(shù)和另1個(gè)模塊、2個(gè)模塊依賴于不同的平臺(tái)參數(shù)等，可用圖9b表示其一般性，不僅要考慮定制模塊間的耦合關(guān)聯(lián)關(guān)系，還要考慮平臺(tái)參數(shù)傳播影響。由于平臺(tái)參數(shù)先于個(gè)性化參數(shù)確定下來(lái)，故它的變化會(huì)傳播給關(guān)聯(lián)元素所在的模塊，從而引起其他與之關(guān)聯(lián)模塊的擾動(dòng)。

假設(shè)圖9b 所對(duì)應(yīng)的耦合關(guān)聯(lián)路徑如圖10所示，Dc1→MA耦合關(guān)聯(lián)路徑上的設(shè)計(jì)參數(shù)有DA2、DA3和DA4，Dc1的變化會(huì)引起路徑上相關(guān)參數(shù)的變更；模塊MA通過(guò)DA3影響模塊MB，因此DA3是主控關(guān)聯(lián)參數(shù)，DA3→MB耦合關(guān)聯(lián)路徑上的設(shè)計(jì)參數(shù)有DB6、DB7和DB8，DA3的變更會(huì)導(dǎo)致路徑上對(duì)應(yīng)參數(shù)的擾動(dòng)。因此，定制模塊間的關(guān)聯(lián)關(guān)系分析要綜合考慮模塊間本身的耦合關(guān)系以及模塊與平臺(tái)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

圖10 定制模塊之間的耦合關(guān)聯(lián)路徑圖Fig.10 Coupling incidence path betweencustomization modules

假設(shè)Dc1和Dc2分別為定制模塊MA和MB對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)的平臺(tái)參數(shù)，耦合關(guān)聯(lián)路徑Dc1→MA上有ncA個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)；DAi為模塊MA對(duì)MB的某個(gè)主控關(guān)聯(lián)參數(shù)，耦合關(guān)聯(lián)路徑Dc1→MA上有nAi個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，則Dc1→MA和DAi→MB的關(guān)聯(lián)影響度分別為

(5)

P(DAi,MB)=

(6)

如果模塊MA內(nèi)有R個(gè)對(duì)模塊MB關(guān)聯(lián)的主控參數(shù)，則模塊MA對(duì)MB的關(guān)聯(lián)影響度為

P(MA,MB)=P(Dc1,MA)+P(DA,MB)

(7)

(8)

同理，計(jì)算出MB對(duì)MA的關(guān)聯(lián)影響度P(MB,MA)，比較P(MA,MB)和P(MB,MA)，確定定制模塊的實(shí)現(xiàn)順序。

5 實(shí)例分析

本文以廣泛應(yīng)用于大型裝卸機(jī)械的電力液壓盤式制動(dòng)器產(chǎn)品族為例，對(duì)耦合設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。當(dāng)制動(dòng)力矩或制動(dòng)盤的直徑發(fā)生改變時(shí)，要求所開發(fā)的制動(dòng)器具有一定的適應(yīng)性，同時(shí)不同客戶對(duì)制動(dòng)器的性能以及品質(zhì)需求具有一定的差異性。

首先進(jìn)行電力液壓盤式制動(dòng)器的功能要求-設(shè)計(jì)參數(shù)映射。從功能需求角度，電力液壓盤式制動(dòng)器的基本功能為上閘和松閘，對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)分別為上閘裝置和松閘器；其次應(yīng)具備力矩和退距調(diào)整功能，以響應(yīng)客戶的動(dòng)態(tài)需求，對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)為調(diào)整裝置；然后還需具有一定的力矩和信號(hào)顯示功能，對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)為顯示裝置。根據(jù)電力液壓盤式制動(dòng)器功能要求和設(shè)計(jì)參數(shù)之間的關(guān)系，建立設(shè)計(jì)矩陣，如圖11所示。

D1D2D3D4R11R211R3111R41111

圖11電力液壓盤式制動(dòng)器的主要設(shè)計(jì)矩陣

Fig.11Maindesignmatrixofelectro-hydraulicdiscbrake

由圖11可知，功能要求之間不存在耦合但有關(guān)聯(lián)，這是一種準(zhǔn)耦合設(shè)計(jì)，需按一定的次序進(jìn)行設(shè)計(jì)展開。每一層級(jí)可以繼續(xù)展開，直到所有設(shè)計(jì)參數(shù)列出為止。電力液壓盤式制動(dòng)器的主要零部件(設(shè)計(jì)參數(shù))清單如表1所示。表1中未列出連接兩零件的開口銷、帶孔銷、螺栓、螺母、墊圈等，因?yàn)樵谀K聚類中，兩個(gè)零件的關(guān)聯(lián)度已經(jīng)考慮了其幾何和連接關(guān)系。此外，各種限位開關(guān)如閉合限位開關(guān)等因其主要是針對(duì)位置控制而不影響制動(dòng)器結(jié)構(gòu)，也未列出。由于是針對(duì)產(chǎn)品族耦合設(shè)計(jì)，因此在電力液壓盤式制動(dòng)器功能要求-設(shè)計(jì)參數(shù)映射時(shí)無(wú)需細(xì)化到具體參數(shù)值。

表1中，通過(guò)分析可確定D1～D7為Dc，D8～D20為Dp1，D21～D28為Dp2，其余的為Dr。建立電力液壓盤式制動(dòng)器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣，考慮各設(shè)計(jì)參數(shù)間的功能關(guān)聯(lián)性、連接關(guān)聯(lián)性、物理關(guān)聯(lián)性等關(guān)系，這3個(gè)關(guān)聯(lián)性準(zhǔn)則均采用0、0.25、0.50、0.75和1.00表示，設(shè)計(jì)參數(shù)間的綜合關(guān)聯(lián)關(guān)系采用平均加權(quán)，然后重構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣，再進(jìn)行聚類，最終得到7個(gè)平臺(tái)模塊和5個(gè)定制模塊，如圖12所示。然后從設(shè)計(jì)變更和耦合的角度，分析零部件之間的變更傳播影響，建立模塊關(guān)聯(lián)矩陣，如圖13所示。

表1 電力液壓盤式制動(dòng)器的主要零部件清單

該矩陣有12個(gè)關(guān)聯(lián)元素，其中平臺(tái)模塊與定制模塊之間的關(guān)聯(lián)元素有2個(gè)，其余均為平臺(tái)模塊之間的關(guān)聯(lián)元素。只有模塊1內(nèi)部存在耦合，其他模塊內(nèi)部?jī)H僅單向關(guān)聯(lián)。下面就這幾個(gè)耦合關(guān)聯(lián)因素逐一進(jìn)行分析。

模塊1是制動(dòng)器的基本構(gòu)架。由圖13可以看出，模塊1的變更會(huì)傳播給多個(gè)其他模塊，但其不依賴于其他模塊，因此設(shè)計(jì)時(shí)首先實(shí)現(xiàn)模塊1。

模塊1中的左制動(dòng)臂D2和右制動(dòng)臂D3存在耦合關(guān)系，且相互關(guān)聯(lián)度是一樣的，因?yàn)閮烧咴诮Y(jié)構(gòu)上是對(duì)稱的，作用完全相同，從功能上可視作一體，因此在設(shè)計(jì)制動(dòng)臂時(shí)只需考慮一側(cè)即可。制動(dòng)拉桿D6和杠桿組件D7也存在耦合關(guān)系，前者對(duì)后者的變更傳播影響更大，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)先考慮D6，再確定D7與之匹配。

1237614411…13…15161721222324…343536110.416 70.416 70.083 320.510.583 30.416 70.416 70.166 70.2530.50.583 310.416 70.416 770.50.510.250.166 760.50.50.2510.166 7140.583 3140.2510.50.166 7110.7510.083 3………130.083 30.166 710.166 7………150.333 310.583 30.333 3160.7510.5170.50.666 71210.166 70.083 310.416 70.166 70.333 3220.416 710.333 3230.250.333 310.166 7240.250.416 70.166 71…………340.333 310.25350.333 31361

圖12 電力液壓盤式制動(dòng)器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣

圖13電力液壓盤式制動(dòng)器模塊關(guān)聯(lián)矩陣

Fig.13Modularincidencematrixoftheelectro-hydraulicdiscbrake

模塊1中的左制動(dòng)臂D2會(huì)影響模塊2中的左制動(dòng)瓦D4，主要體現(xiàn)在制動(dòng)瓦擺動(dòng)鉸點(diǎn)位置，因此其影響比較小。一旦鉸點(diǎn)位置確定，制動(dòng)瓦本身尺寸幾乎不受影響。同理，模塊1和模塊3的關(guān)聯(lián)也相同。

模塊1中杠桿組件D7的變化會(huì)影響模塊4中一次制動(dòng)彈簧組件D8所產(chǎn)生的制動(dòng)力矩，也會(huì)影響模塊5(D13)所提供的松閘力矩。

模塊1中制動(dòng)拉桿D6的變化會(huì)引起模塊6中調(diào)節(jié)螺釘D15的位置變化，也會(huì)引起模塊7中內(nèi)套D15的尺寸變化。為了減少這種影響，制動(dòng)拉桿各段可以不同直徑，這樣內(nèi)套就不會(huì)因制動(dòng)拉桿的改變而產(chǎn)生變化，體現(xiàn)了其設(shè)計(jì)適應(yīng)性。

模塊2和模塊3存在耦合關(guān)系，相互影響。模塊2的D4影響的模塊3的D5，繼而變更傳播給D12，同時(shí)也反饋到D4自身。P(M2,M3)=P(D4,M3)=0.75×(1+0.75)=1.312 5，P(M3,M2)=P(D5,M2)=0.75×(1+0.75)=1.312 5，P(M2,M3)=P(M3,M2)。由于結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱性及作用的等同性，從功能上也可視作一體，因此在設(shè)計(jì)時(shí)只需考慮其中之一即可。

模塊4和模塊5間存在耦合關(guān)系，推動(dòng)器D13在工作時(shí)需克服模塊4中的制動(dòng)彈簧組件D8的作用。P(M4,M5)=P(D8,M5)=0.75，P(M5,M4)=0.25×(1+0.5+0.25)=0.437 5，P(M4,M5)>P(M5,M4)。因此，模塊4優(yōu)先于模塊5。針對(duì)每個(gè)規(guī)格的制動(dòng)彈簧，都需要相應(yīng)的推動(dòng)器，所以應(yīng)合理匹配制動(dòng)彈簧和推動(dòng)器。

定制模塊間不存在耦合，平臺(tái)模塊4和5分別影響定制模塊10和11。D8的變化會(huì)傳播給D29，繼而傳播給D30，但不會(huì)影響到模塊10的其他參數(shù)。D13的變化會(huì)傳播給D34，繼而傳播給D35，但影響較弱，可以忽略。

6 結(jié)論

(1)分析比較了單一產(chǎn)品設(shè)計(jì)與產(chǎn)品族設(shè)計(jì)耦合的異同之處，提出了產(chǎn)品族設(shè)計(jì)的耦合關(guān)聯(lián)分析模型。

(2)以公理設(shè)計(jì)為指導(dǎo)，分析了產(chǎn)品族客戶需求、功能要求、設(shè)計(jì)參數(shù)和模塊之間的對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)關(guān)系，定義了適應(yīng)性產(chǎn)品族拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

(3)考慮設(shè)計(jì)參數(shù)的適應(yīng)性，探討了設(shè)計(jì)參數(shù)間的變更傳播關(guān)系，分析模塊及零部件間的變更傳播影響度，建立了產(chǎn)品族模塊關(guān)聯(lián)矩陣，從策略層面減弱了產(chǎn)品族設(shè)計(jì)的耦合性。

(4)針對(duì)產(chǎn)品族設(shè)計(jì)的耦合關(guān)聯(lián)問(wèn)題，分析耦合機(jī)理和關(guān)聯(lián)特性，計(jì)算模塊關(guān)聯(lián)影響度，提出了耦合處理方法，從操作層面的角度減弱了產(chǎn)品族設(shè)計(jì)的耦合性。

(5)以電力液壓盤式制動(dòng)器產(chǎn)品族設(shè)計(jì)為例，對(duì)其耦合關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行了分析，可提高制動(dòng)器產(chǎn)品快速響應(yīng)客戶需求的能力，也為產(chǎn)品族設(shè)計(jì)提供了一種新的研究思路。