DFSS在商用車底盤部件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

張偉，崔繼強(qiáng)，上官望義，楊銀輝

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

DFSS在商用車底盤部件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

張偉，崔繼強(qiáng)，上官望義，楊銀輝

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

本文從DFSS的基本原理、流程出發(fā)，對(duì)如何將DFSS方法應(yīng)用到汽車底盤部件設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入探討，并通過推力桿的改進(jìn)設(shè)計(jì)詳細(xì)說明了DFSS方法的應(yīng)用過程；結(jié)果表明，運(yùn)用DFSS方法不僅能從根本提升產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)能滿足市場(chǎng)客戶需求。DFSS作為一種設(shè)計(jì)思想方法，能夠有效指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的整個(gè)過程。

DFSS；汽車底盤部件；推力桿

CLC NO.: U463.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)01-89-04

前言

汽車工業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)已進(jìn)入全面競(jìng)爭(zhēng)階段，提供市場(chǎng)需求的產(chǎn)品及服務(wù)已成為占領(lǐng)市場(chǎng)的先決條件，而好的設(shè)計(jì)是汽車產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的基礎(chǔ)。實(shí)踐表明，在產(chǎn)品生命周期內(nèi)至少80%的產(chǎn)品質(zhì)量是在早期設(shè)計(jì)階段決定[1]。

六西格瑪設(shè)計(jì)（Design for Six Sigma，DFSS）就是按照合理的流程，運(yùn)用科學(xué)的方法準(zhǔn)確理解和把握顧客需求，對(duì)新產(chǎn)品／新流程進(jìn)行健壯設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品／流程在低成本下實(shí)現(xiàn)六西格瑪質(zhì)量水平[2]；同時(shí)，使產(chǎn)品／流程本身具有抵抗各種干擾的能力，即使使用環(huán)境惡劣或操作不當(dāng)，產(chǎn)品仍能滿足顧客的需求[3]。六西格瑪設(shè)計(jì)就是幫助你實(shí)現(xiàn)在提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的同時(shí)，降低成本和縮短研制周期的有效方法，具有很高的實(shí)用價(jià)值。每個(gè)新產(chǎn)品都是根據(jù)市場(chǎng)的需求而開發(fā)的，作為DFSS，公司首先是把市場(chǎng)需求轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品信息（性能、外觀、成本等），然后轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)研發(fā)信息（功能、外觀和零部件等）。但是設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品還必須具有可生產(chǎn)性，因而設(shè)計(jì)的信息將由工程部轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)信息（如生產(chǎn)工藝等），最后生產(chǎn)出來的產(chǎn)品是由相關(guān)部門進(jìn)行質(zhì)量控制，也就是需要有質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)[4]。設(shè)計(jì)六西格瑪方法可以為研發(fā)人員理清思路、科學(xué)決策并有針對(duì)性地進(jìn)行產(chǎn)品優(yōu)化，因此被國(guó)內(nèi)、外企業(yè)研發(fā)設(shè)計(jì)人員普遍采用。

1、DFSS流程

六西格瑪設(shè)計(jì)則是從客戶需求出發(fā)，按照合理的流程，運(yùn)用適合的工具，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，尋找最優(yōu)的方案設(shè)計(jì)方法；通過創(chuàng)成式的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法提高產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性。DFSS是在設(shè)計(jì)階段提升產(chǎn)品質(zhì)量水平，減少產(chǎn)品在定型后發(fā)生更改帶來的損失，降低產(chǎn)品后續(xù)控制風(fēng)險(xiǎn)。

DFSS流程目前還沒有固定模式，至今已提出的DFSS模式包括：DMADV（即定義、測(cè)量、分析、設(shè)計(jì)、驗(yàn)證）、DIDOV（即定義、識(shí)別、設(shè)計(jì)、優(yōu)化、驗(yàn)證）等。這些流程模式在階段區(qū)分上雖有差異，但所運(yùn)用的工具、方法、過程大同小異；設(shè)計(jì)方法論兩種方法（DMADV、DIDOV）及改進(jìn)方法輪（DMAIC）三者之間的關(guān)系及過程如下圖1所示：

本文主要運(yùn)用DMADV流程進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)改進(jìn)應(yīng)用，流程中各階段的工作內(nèi)容及需要解決的問題如表1所示。

表1 DMADV流程各階段

2、DFSS應(yīng)用

2.1 定義階段

2.1.1 關(guān)鍵質(zhì)量特性（CTQ）

通過對(duì)市場(chǎng)上客戶報(bào)怨（客戶聲音）進(jìn)行收集，共收集客戶聲音(VOC)有三條，并對(duì)三條VOC進(jìn)行轉(zhuǎn)化明確梳理出6條客戶需求，對(duì)VOC進(jìn)行識(shí)別轉(zhuǎn)化為客戶的需求（CCR），并根據(jù)CCR識(shí)別出推力的CTQ,如圖2所示，推力桿故障率低、性能要好、可靠度要高三者呈正相關(guān)所以只需降低推力桿故障率其它兩個(gè)CTQ將同時(shí)變好，所以本項(xiàng)目主要目標(biāo)為降低推力相的故障率，也即本項(xiàng)目的Y為推力桿故障率，下文將對(duì)Y進(jìn)行更加明確的說明與定義。

2.1.2 項(xiàng)目目標(biāo)的定義

本項(xiàng)目的目的在于降低推力桿的故障率故障率（Y），要降低故障率必須減少損壞數(shù)量，要減少損壞數(shù)量必須對(duì)故障模式其故障模式進(jìn)行控制，經(jīng)過對(duì)售后數(shù)據(jù)的收集與分析推力桿故障模式主要有斷裂、損壞、異常磨損、開裂，且四者已占到總故障模式的87.7%，所以可將Y分解為y1（斷裂）、y2（損壞）、y3（磨損）、y4（開裂），通過對(duì)目標(biāo)件的歷史數(shù)據(jù)分析，故障率降低50%為項(xiàng)目的目標(biāo)。

2.2 測(cè)量階段

2.2.1 識(shí)別關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)（X因子識(shí)別）

對(duì)在定義階段找出的4種故障模(y因子）式及6種表現(xiàn)形式進(jìn)行分析，尋找與之相關(guān)的X因子，通過質(zhì)量功能展開（QFD）分析，見表2所示。

表2 QFD分析

從表中可看出影響Y的X因子有6個(gè)，分別為球銷座應(yīng)力（X1）、球銷應(yīng)力（X2）、推力桿安裝間隙（X3）、推力桿連接方式（X4）、球銷柄厚（X5）、桿身直徑（X6）；

2.2.2 FMEA分析

上面分析6個(gè)X因子，通過測(cè)量系統(tǒng)分析及過程能力分析，說明測(cè)量系統(tǒng)可靠，而過程能力仍有較大的改善空間，但X因子對(duì)推力桿整個(gè)系統(tǒng)影響的重要程度還不明了，下面通過FMEA分析對(duì)X因子進(jìn)行篩選，同時(shí)尋找即時(shí)改善項(xiàng)目。

通過FMEA分析、篩選，共有7項(xiàng)因子對(duì)Y產(chǎn)生重要影響，對(duì)7項(xiàng)影響因子通過RPN值進(jìn)行排序見表3，對(duì)大于125的項(xiàng)目采取措施，第6項(xiàng)及第7項(xiàng)可采取快贏措施進(jìn)行更改，第5項(xiàng)RPN值小于100可暫時(shí)不考慮，其余項(xiàng)目需要更進(jìn)一步的分析、設(shè)計(jì)。

表3 FMAE分析及因子篩選

2.3 分析階段

2.3.1 球銷座及球銷應(yīng)力分析

用有限元建模分析后，發(fā)現(xiàn)推力桿的最大受力點(diǎn)的位置和市場(chǎng)退回的實(shí)物斷裂位置相同，致使推力桿球銷殼、球銷座根部、球銷柄根部成為推力桿上的最薄弱點(diǎn)之一；經(jīng)CAE分析，殼體仿竹節(jié)部位應(yīng)力為305Mpa，殼體柄部應(yīng)力為319.9MP，球銷柄部應(yīng)力為308MPa（桿身方向施加135KN的力，垂直于桿身方向尾部施加5KN的力，該力是推力桿在極限扭轉(zhuǎn)角15°情況下根據(jù)球銷的扭轉(zhuǎn)特性曲線扭轉(zhuǎn)15°所需力矩?fù)Q算而來），如圖3所示。通過分析發(fā)現(xiàn)，要減小應(yīng)力作用需增大殼體柄部圓弧過渡圓弧、殼體仿竹節(jié)部位過渡圓弧及球銷柄部過渡圓弧，確保其安全系數(shù)大于2。

2.3.2 推力桿安裝間隙

為了適應(yīng)懸架系統(tǒng)在行車過程中的扭轉(zhuǎn)與擺動(dòng)，推力桿的安裝必須有一定的活動(dòng)間隙，理論上桿頭和支座還有0.5-1.5mm的間隙。由于球銷座為鍛造、托架為鑄件，所以外形尺寸公差，個(gè)體形差大；實(shí)車發(fā)現(xiàn)托架與球銷座的配合間隙過小、甚至已經(jīng)發(fā)生干涉，故增加其配合間隙可有效防止干涉。

2.4 設(shè)計(jì)階段

2.4.1 各部件詳細(xì)設(shè)計(jì)

根據(jù)分析階段的分析結(jié)果，需對(duì)球銷座及球銷進(jìn)行重新設(shè)計(jì)、改進(jìn)，減小應(yīng)力的影響，對(duì)球銷、球銷座進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化、重新設(shè)計(jì)，進(jìn)而減小應(yīng)力集中；對(duì)球銷座桿從竹節(jié)式改為波浪式、增加加強(qiáng)筋及過渡圓弧以消除應(yīng)力；對(duì)球銷從結(jié)構(gòu)上消除尖角，增加涂層與金屬粘結(jié)面積，增大凸臺(tái)圓角，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.4.2 推力桿安裝間隙設(shè)計(jì)

要增加推力桿的安裝間隙需要從兩個(gè)方面入手，第一，更改托架尺寸，經(jīng)過小組討論，安裝孔高度更改會(huì)影響模具變化較大，因此對(duì)底座部分進(jìn)行更改，減小托架底部安裝尺寸，增加安裝間隙，如圖所示；第二，減小球銷座尺寸，進(jìn)一步增加間隙，球銷座尺寸由85減小到78，如圖5所示。

2.4.3 設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)分析

通過以上的設(shè)計(jì)更改，設(shè)計(jì)思想的實(shí)現(xiàn)，會(huì)對(duì)產(chǎn)品、工藝、供應(yīng)商等產(chǎn)生一系列的影響，所以需要對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)的驗(yàn)證上。

2.5 驗(yàn)證階段

2.5.1 技術(shù)可靠性驗(yàn)證計(jì)劃

本項(xiàng)目對(duì)產(chǎn)品的驗(yàn)證進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證、小批量驗(yàn)證及后市場(chǎng)驗(yàn)證三個(gè)階段；設(shè)計(jì)驗(yàn)證過程采用CAE分析對(duì)設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證；市場(chǎng)驗(yàn)證為產(chǎn)品從小批量到批量過程的驗(yàn)證；后市場(chǎng)驗(yàn)證為產(chǎn)品批量投放到市場(chǎng)后，市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量反映。

2.5.2 設(shè)計(jì)驗(yàn)證結(jié)果

要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證，必須了解懸架系統(tǒng)的真實(shí)受力情況，所以需對(duì)懸架系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，根據(jù)標(biāo)定的結(jié)果確定輸入條件；經(jīng)過對(duì)球銷座及球銷進(jìn)行CAE分析，結(jié)果顯示，球銷座加強(qiáng)筋部位最大應(yīng)力為151.5MPa；探測(cè)球銷座桿處最大應(yīng)力為184.8MPa，球銷探測(cè)最大應(yīng)力為168MPa，如圖6所示，其設(shè)計(jì)安全系數(shù)大于2，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

安裝間隙通過理論安裝間隙達(dá)到4mm，如圖7所示。有效的避免了推力桿安裝后干涉問題。

2.5.3 小批量驗(yàn)證

通過設(shè)計(jì)驗(yàn)證證明了各系統(tǒng)的設(shè)計(jì)達(dá)到了目標(biāo)，但對(duì)推力桿整個(gè)系統(tǒng)仍需進(jìn)行整車驗(yàn)證，實(shí)車驗(yàn)證可分為兩個(gè)部分；第一，通過試驗(yàn)車進(jìn)行驗(yàn)證；第二，通過客戶進(jìn)行實(shí)際工況驗(yàn)證，通過對(duì)試驗(yàn)車及客戶小批量車的跟蹤，未發(fā)現(xiàn)推力桿出現(xiàn)上面的問題，說明對(duì)推力桿的改進(jìn)效果有效。

2.5.4 后市場(chǎng)驗(yàn)證

連續(xù)收集6個(gè)月市場(chǎng)失效數(shù)據(jù)，從各月的失效數(shù)據(jù)可看出推力的故障率在不斷的下降，在第6個(gè)月時(shí)故障率下降了55.7%，改進(jìn)效果達(dá)到了項(xiàng)目的預(yù)期目標(biāo)。同時(shí)可將此項(xiàng)目的成果應(yīng)用到類似的產(chǎn)品上。

3、結(jié)論

本文介紹了DFSS在的基本方法、流程以及在底盤部件產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用，借助具體實(shí)例闡明了DFSS各階段的主要工作內(nèi)容。運(yùn)用DFSS方法不僅能從根本提升產(chǎn)品質(zhì)量同時(shí)能滿足市場(chǎng)客戶需求。DFSS作為一種設(shè)計(jì)思想方法，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中具有很強(qiáng)有指導(dǎo)作用，加以靈活運(yùn)用會(huì)取得更好好的效果。

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3.2 工況的構(gòu)建

最終完成的重型半掛牽引車典型循環(huán)工況見圖2和圖3：

4、結(jié)論

（1）利用短行程劃分法，分析了比較了14個(gè)特征參數(shù)的值，并利用主成分分析法將14個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為相互獨(dú)立的4個(gè)綜合指標(biāo)；

（2）利用聚類分析方法劃分工況種類，確立了兩種需建立的工況；

（3）于以上分類結(jié)果構(gòu)建了兩種行駛工況，分別代表高速及擁擠工況；

（4）本文未考慮坡度的影響，后期擬增加坡度與車速聯(lián)合構(gòu)建路譜，貼近真實(shí)工況。

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The application research of DFSS in the parts design of vehicle chassis

Zhang Wei, Cui Jiqiang, ShangGuan Wangyi, Yang Yinhui
(Shaanxi Heavy Duty Automobile CO. Ltd., Shaanxi Xi'an 710200)

In this paper, Starting from the basic principle and the process of DFSS; The application of DFSS are discussed in the parts of vehicle chassis。A detailed description of the application process by improving the thrust rod; The results show that, the method can not only radically improve product quality, but also meet the demand of customers. DFSS is a design approach, which can effectively guide the entire process of product design.

DFSS；Parts of commercial vehicle chassis；Thrust rod

U463.1

A

1671-7988(2015)01-89-04

張偉，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院。