基于DFSS的副車架襯套壓出力優(yōu)化設(shè)計(jì)

梅英豪，孫厚勇，閻礁

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201)

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基于DFSS的副車架襯套壓出力優(yōu)化設(shè)計(jì)

梅英豪，孫厚勇，閻礁

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201)

摘要：副車架襯套是連接副車架到車身的彈性元件，其壓出力為關(guān)鍵性能之一。在某新車型副車架襯套的開發(fā)過(guò)程中，借助DFSS方法，考慮制造過(guò)程中噪聲因素，優(yōu)化設(shè)計(jì)副車架襯套和副車架套筒，并做壓出力實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該優(yōu)化設(shè)計(jì)滿足壓出力要求，并且有質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性收益。通過(guò)DFSS分析，還提取了對(duì)副車架襯套壓出力有影響的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)今后副車架襯套壓出力調(diào)試具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：DFSS方法；副車架襯套；壓出力；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0引言

副車架襯套是連接副車架到車身的彈性元件，其主要功能是傳遞吸收懸架和動(dòng)力總成懸置載荷，減小路面激勵(lì)和發(fā)動(dòng)機(jī)震動(dòng)到車身的傳入，提供車身下部的附加噪聲隔離等。因此根據(jù)整車NVH和車輛動(dòng)力學(xué)調(diào)試，副車架襯套需要滿足各個(gè)方向的動(dòng)剛度、靜剛度和阻尼角等要求。

圖1是典型副車架和車身連接示意圖，副車架套筒和車身之間即為副車架襯套。典型的副車架襯套一般為三層結(jié)構(gòu)：內(nèi)芯為鋁芯或者鐵芯，用于支持螺栓；中級(jí)為橡膠，部分高端車型使用液壓襯套，以滿足更高的NVH和操作穩(wěn)定性能；外殼為塑料或者金屬。

圖1　副車架和車身連接典型結(jié)構(gòu)

副車架襯套和副車架套筒一般靠過(guò)盈配合連接，副車架襯套壓入副車架套筒。副車架襯套要在客戶的任何使用工況下，都始終保持在副車架套筒內(nèi)，否則將不能實(shí)現(xiàn)傳遞載荷和隔絕振動(dòng)的功能，會(huì)產(chǎn)生異響，車輛NVH和操作穩(wěn)定性能下降等，導(dǎo)致客戶抱怨等售后投訴，影響車輛品牌形象。副車架襯套始終保持在副車架套筒內(nèi)，轉(zhuǎn)化到工程要求即為副車架襯套的壓出力要滿足一定數(shù)值。襯套壓出力的要求定義是否合理，以及滿足該要求的方案是否滿足要求，解決方案是否具備較好的經(jīng)濟(jì)性等，需要在開發(fā)過(guò)程中全面考慮。

作者在某新車型副車架襯套的開發(fā)過(guò)程中，借助DFSS方法，以壓出力為目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)副車架襯套和副車架套筒。

1DFSS概述

產(chǎn)品的質(zhì)量提高、設(shè)計(jì)創(chuàng)新和成本節(jié)約，90%是在設(shè)計(jì)開發(fā)階段決定的，而DFSS(Design for Six Sigma，即六西格瑪設(shè)計(jì))可以在開發(fā)階段實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的最優(yōu)化[1]。DFSS按照合理的流程，運(yùn)用科學(xué)的方法準(zhǔn)確地理解和把握顧客呼聲，對(duì)新產(chǎn)品等進(jìn)行穩(wěn)健設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品在低成本的情況下，對(duì)造成變化的因素(制造環(huán)境或用戶環(huán)境)的敏感度最小化，從而實(shí)現(xiàn)六西格瑪質(zhì)量水平。DFSS從設(shè)計(jì)初始就關(guān)注質(zhì)量與成本，制定質(zhì)量和成本目標(biāo)，并在設(shè)計(jì)過(guò)程中不斷優(yōu)化，確保產(chǎn)品質(zhì)量在設(shè)計(jì)階段得到改進(jìn)和保證，同時(shí)降低成本[2]。DFSS在提高產(chǎn)

品質(zhì)量和可靠性的同時(shí)，可以大幅降低成本及縮短開發(fā)周期，具有很高的實(shí)用價(jià)值，因此在國(guó)內(nèi)外汽車企業(yè)逐漸推廣[3-8]。

典型的DFSS流程為IDDOV流程，即識(shí)別(Identify)、定義要求(Define Requirements)、開發(fā)概念(Develop Concept)、優(yōu)化設(shè)計(jì)(Optimize Design)、確認(rèn)和實(shí)施(Verify)[2-3]。

DFSS的核心原則是基于證據(jù)做決策，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、CAE報(bào)告等都可以當(dāng)作做決策的證據(jù)；而決策不能基于猜想或者簡(jiǎn)單的推論。在IDDOV的各個(gè)階段都要貫徹這個(gè)原則。

2DFSS方法的實(shí)施

基于上述DFSS方法流程，以下詳細(xì)闡明DFSS在副車架襯套壓入力優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

2.1識(shí)別

識(shí)別是為保證任務(wù)完成而開發(fā)計(jì)劃。在識(shí)別階段，主要內(nèi)容包括確定目標(biāo)、制定項(xiàng)目開發(fā)計(jì)劃、組建團(tuán)隊(duì)等。

在前言中已經(jīng)闡明，要求在任何工況下，副車架襯套都要保持在副車架套筒中，因此襯套壓出力為襯套的一個(gè)關(guān)鍵性能。而在之前的一些項(xiàng)目開發(fā)中，襯套的壓入壓出開發(fā)出現(xiàn)了一些問(wèn)題，如某項(xiàng)目發(fā)現(xiàn)襯套壓出力過(guò)大出現(xiàn)壓入困難問(wèn)題，需要更改襯套設(shè)計(jì); 另外某項(xiàng)目襯套則由于達(dá)不到壓出力要求，需要在襯套表面額外涂膠。這些都增加了項(xiàng)目成本。因此副車架襯套壓出力設(shè)計(jì)是該新項(xiàng)目開發(fā)中遇到的問(wèn)題。DFSS的實(shí)施計(jì)劃隨整車項(xiàng)目開發(fā)進(jìn)行。

2.2定義要求

定義要求是建立一套使客戶滿意、合理的功能指標(biāo)。需要明確內(nèi)外部客戶，將客戶要求轉(zhuǎn)換成工程指標(biāo)。

內(nèi)外部客戶對(duì)副車架襯套的要求滿足NVH和車輛動(dòng)力學(xué)性能，襯套始終保持在副車架套筒內(nèi)；襯套壓裝順利，壓裝過(guò)程中襯套外殼不開裂。這兩條客戶呼聲轉(zhuǎn)化為工程要求即為設(shè)定合適的壓出力目標(biāo)，且經(jīng)過(guò)一定的環(huán)境循環(huán)后，滿足該要求；同時(shí)壓出力不宜過(guò)大。壓出力過(guò)大導(dǎo)致較大的壓入力，從而導(dǎo)致壓裝困難。

使用ADAMS建立車輛模型，并計(jì)算副車架襯套處在各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工況下的載荷。若襯套壓出力大于各個(gè)工況載荷且有一定的安全系數(shù)，即可保證襯套始終在套筒之內(nèi)。根據(jù)以往車型開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定此安全系數(shù)為3，因此得到壓出力的目標(biāo)值大于9 000 N。

根據(jù)量產(chǎn)車型副車架襯套的壓裝經(jīng)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)了實(shí)際最大壓入力和實(shí)際最大壓出力的關(guān)系，得到了壓入力和壓出力之間的比例關(guān)系。并根據(jù)工廠壓機(jī)能力，設(shè)定該新車型副車架襯套壓出力目標(biāo)值小于16 000 N。至此，分別設(shè)定了壓出力上限值和下限值。壓出力大于下限值，保證了襯套始終保持在套筒內(nèi)；壓出力小于上限值，保證了襯套在工廠的壓裝順利。

2.3開發(fā)概念

開發(fā)概念是建立最好的設(shè)計(jì)方案以滿足定義要求階段所確定的功能，同時(shí)滿足其他業(yè)務(wù)目標(biāo)。在此階段，普氏概念選擇、頭腦風(fēng)暴等工具可以協(xié)助更好地完成方案制定。

DFSS小組成員通過(guò)研究某公司和競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手車型的副車架襯套和套筒設(shè)計(jì)特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)頭腦風(fēng)暴，得到以下概念設(shè)計(jì)：外殼涂膠，金屬外殼，鋸齒型外殼，光滑外殼且上端帶卡扣，上下兩層襯套，以及襯套和套筒中加銷釘固定等方案。最優(yōu)方案將在以上方案或者以上方案的組合中選出。

在方案選擇過(guò)程中，采用普氏概念選擇方法，如圖2所示。首先確定開發(fā)方案選擇的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，主要的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為成本、對(duì)副車架性能影響、質(zhì)量、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單性，以及售后維護(hù)更換方便等。

圖2　普氏選擇過(guò)程

普氏選擇共進(jìn)行兩輪，第一輪普氏選擇的優(yōu)勝方案要作為第二輪普氏選擇的基準(zhǔn)方案。而其他備選方案也要根據(jù)第一輪普氏選擇的分析，進(jìn)行取長(zhǎng)補(bǔ)短形成新方案，并參與第二輪普氏選擇。經(jīng)過(guò)兩輪普氏選擇，方案二為最優(yōu)方案，并作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

2.4優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)是確定最優(yōu)方案的設(shè)計(jì)參數(shù)，以確保在各種生產(chǎn)條件下性能滿足要求。穩(wěn)健評(píng)估和穩(wěn)健優(yōu)化是此階段的重點(diǎn)。穩(wěn)健評(píng)估的目的是快速比較設(shè)計(jì)方案，穩(wěn)健優(yōu)化則是通過(guò)測(cè)試一系列的設(shè)計(jì)參數(shù)(控制因子)組合來(lái)決定它們對(duì)信噪比和斜率的影響，從而進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。此階段使用的工具主要是正交列表和參數(shù)設(shè)計(jì)。

優(yōu)化設(shè)計(jì)階段，需要考慮控制因子和噪聲因子對(duì)響應(yīng)(襯套壓出力)的影響，其系統(tǒng)響應(yīng)圖見圖3，顯示了噪聲因子、控制因子、響應(yīng)和癥狀之間的關(guān)系。優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的是選擇最佳的控制因子組合，同時(shí)降低噪聲因子對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)健性的影響。

根據(jù)副車架襯套套筒系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，此DFSS項(xiàng)目中設(shè)定了4 個(gè)控制因子和1 個(gè)噪聲因子。每個(gè)控制因子和噪聲因子的水平的設(shè)定依據(jù)以往車型或者設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，確保因子水平的設(shè)定具有代表性，且滿足基本性能要求。此DFSS的控制因子和噪聲因子設(shè)定如表1所示。

圖3　副車架襯套套筒系統(tǒng)響應(yīng)圖

因子水平1水平2控制因子一:匹配間隙-1.5mm-2.5mm控制因子二:襯套外殼厚度2.55mm3mm控制因子三:副車架套筒材料HR500HR340控制因子四:套筒材料厚度2mm2.5mm噪聲因子:套筒圓柱度0mm2mm

確定了控制因子、噪聲因子及其水平后，需要制定試驗(yàn)計(jì)劃以獲取響應(yīng)數(shù)據(jù)?？梢杂脤?shí)物實(shí)驗(yàn)，也可以使用CAE計(jì)算結(jié)果。此DFSS使用Abaqus分析軟件模擬副車架襯套在套筒的壓入壓出過(guò)程，并分別輸出壓入力曲線和壓出力曲線(圖4)，從而獲取實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖4　CAE 計(jì)算襯套壓入和壓出過(guò)程

此DFSS的4個(gè)控制因子各有2個(gè)水平，適用于L8正交列表進(jìn)行正交試驗(yàn)。L8正交列表最多可以支持7個(gè)控制因子各2個(gè)水平的正交試驗(yàn)，為了避免L8正交列表中各個(gè)因子之間出現(xiàn)交互影響，取L8正交列表的A、B、D、G分別依次代表控制因子一、二、三、四，其余3項(xiàng)因子C、E、F留空即可。在不同的控制因子水平和不同的噪聲因子水平下，得到副車架襯套的壓出力值，結(jié)果見表2。

表2　壓入力正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表2數(shù)據(jù)可以做出信噪比響應(yīng)圖和平均值響應(yīng)圖，如圖5和圖6。采用信噪比和平均值來(lái)確定最優(yōu)因子設(shè)計(jì)水平，信噪比和平均值最高時(shí)方案最優(yōu)。

圖5　響應(yīng)信噪比分析圖

圖6　響應(yīng)平均值分析圖

由信噪比和平均值分析可得：該車型副車架襯套的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)為匹配間隙-2.5 mm、外殼厚度3 mm、套筒材料HR340、套筒厚度2.5 mm。但是由圖5、圖6可以看到壓出力對(duì)套筒厚度不敏感。因此從輕量化角度出發(fā)，最終方案選擇為套筒厚度2 mm。

由以上分析，還可以得到影響壓出力的關(guān)鍵參數(shù)權(quán)重順序。對(duì)壓出力影響程度大的設(shè)計(jì)參數(shù)依次為匹配間隙、外殼厚度、套筒材料，而套管厚度的影響可以忽略。

2.5確認(rèn)

確認(rèn)是在產(chǎn)品中確認(rèn)項(xiàng)目是否達(dá)到目標(biāo)。確認(rèn)最佳設(shè)計(jì)參數(shù)之后，經(jīng)計(jì)算得到預(yù)測(cè)信噪比與CAE計(jì)算信噪比，如表3所示。

表3　最優(yōu)方案收益

進(jìn)行了副車架襯套的壓出力實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)曲線見圖7，壓出力在13 000 N左右。

圖7　壓出力實(shí)驗(yàn)曲線

CAE計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用DFSS設(shè)計(jì)的副車架襯套和套筒滿足要求，且相對(duì)于最初方案，其壓出力中值有超過(guò)50%的提升，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)健性。

3總結(jié)

(1)分析了DFSS在汽車零部件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，以副車架襯套壓出力設(shè)計(jì)參數(shù)為研究對(duì)象，運(yùn)用正交試驗(yàn)等工具進(jìn)行DFSS優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(2)DFSS結(jié)果表明：應(yīng)用DFSS可以準(zhǔn)確完成從客戶呼聲到工程指標(biāo)的轉(zhuǎn)化，在開發(fā)過(guò)程中全面考慮各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)和噪聲，以提升穩(wěn)健性為目標(biāo)優(yōu)化副車架襯套設(shè)計(jì)參數(shù)，而且減輕了系統(tǒng)質(zhì)量，減少了后續(xù)裝配工藝的復(fù)雜程度。

(3)通過(guò)DFSS分析，得到了對(duì)副車架襯套壓出力影響的關(guān)鍵因素，對(duì)今后副車架襯套壓出力調(diào)試具有重要的指導(dǎo)意義。

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Optimization for Structure Design of Cradle Mount Push-out Force Based on DFSS

MEI Yinghao，SUN Houyong，YAN Jiao

(Pan Asia Technical Automotive Center Co.,Ltd.,Shanghai 201201,China)

Abstract:Cradle mount connects cradle to body, and the push-out force is one of its key performances. In the development of the cradle mount of a new vehicle, the design for six sigma(DFSS)method was employed, and the noise in manufacture process was taken into consideration, then optimization for structure design of cradle mount was performed. Test results show that the design meets the requirement and has advantages in weight and cost. The main design parameters which affect push-out force, are illustrated based on DFSS analysis.It has instructivemeaning to future cradle mount development and debugging.

Keywords:DFSS method；Cradle mount；Push-out force;Optimization design

收稿日期：2015-10-12

作者簡(jiǎn)介：梅英豪，男，工學(xué)碩士，從事副車架和副車架襯套開發(fā)和路譜處理等工作。E-mail：yinghao_mei@patac.com.cn。

中圖分類號(hào):U463.32

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-1986(2016)01-016-04