基于六西格瑪設(shè)計的汽車門飾板輕量化設(shè)計

劉學雷 劉華官 姜彬彬 董新文 李念

關(guān)鍵詞：六西格瑪設(shè)計;內(nèi)飾件;輕量化;評價標準;門飾板

0 引言

近年來，隨著我國汽車工業(yè)的快速發(fā)展，汽車保有量持續(xù)增加，由此帶來能源緊張問題日趨突出，并且?guī)硖寂欧怒h(huán)境問題。為應(yīng)對能源與環(huán)境問題，政府制定了越來越嚴格的燃料消耗量標準法規(guī)。歐、美、日等汽車工業(yè)發(fā)達地區(qū)和國家，在新能源汽車還未完全普及之時，都采用新技術(shù)提高燃油車的燃油經(jīng)濟性。其中，輕量化是降低油耗的重要技術(shù)方向之一。

1 六西格瑪設(shè)計的概念

六西格瑪設(shè)計（Design For Six Sigma，簡稱DFSS） 就是按照合理的流程，運用科學的方法準確理解和把握顧客需求，對產(chǎn)品和流程進行穩(wěn)健設(shè)計[1]。六西格瑪設(shè)計不僅僅是一個合理的流程，其本身還是一個龐大的工具箱。工具箱中常見工具如：定義樹、客戶聲音搜集法、親和圖、魚骨圖、頭腦風暴、質(zhì)量屋、四盒模型、假設(shè)檢驗、卡諾模型、普氏分析、數(shù)學建模、決策矩陣、參數(shù)圖、萃智、正交設(shè)計及CAE 分析等。利用這些工具，在產(chǎn)品設(shè)計時可以使決策更科學、設(shè)計效率更高。

本文介紹了實際工作中的一個項目案例，通過采用美國供應(yīng)商學會總裁喬杜里先生的六西格瑪設(shè)計流程（IDDOV，即識別、定義、研發(fā)、優(yōu)化和驗證），運用六西格瑪設(shè)計工具箱中的二八定律、決策矩陣、質(zhì)量屋、魚骨圖、普氏分析、數(shù)學建模以及參數(shù)圖等工具，對汽車內(nèi)飾門飾板進行輕量化設(shè)計。

2 項目設(shè)計開發(fā)流程和方案

2.1 識別階段（I）

識別階段主要通過運用“二八定律”縮小研究對象的范圍，以及開發(fā)“面密度”指標確定減重目標值。

2.1.1 確定研究對象

對正在開發(fā)項目進行篩選，根據(jù)“結(jié)構(gòu)典型、工藝多樣以及方案可推廣至其他零件”的原則，選定了某平臺車型的門飾板產(chǎn)品作為研究對象。門飾板下級子零件數(shù)量眾多，共有35 個，需要進一步縮小研究對象范圍。根據(jù)“二八定律”，推斷出“20%的子零件質(zhì)量將占總成質(zhì)量的80%”。因此將子零件分類14 個子類，按質(zhì)量由低到高進行排序。選取占總成質(zhì)量82% 的前6 名子類零件作為研究對象（圖1），研究對象的數(shù)量由35 個縮小至6 個：左前門扶手、左前門內(nèi)開拉手框蓋板、左前門中飾板、左前門上飾板、左前門雜物盒和左前門下飾板。

2.1.2 確定評價標準

通過相同零件行業(yè)對標分析發(fā)現(xiàn)，不同車型的門飾板總成質(zhì)量存在巨大差異。但由于存在配置、零件尺寸、材質(zhì)、型面和結(jié)構(gòu)等干擾因素，需要確定一個評價指標來評價各門飾板輕量化水平高與低。通過頭腦風暴工具，產(chǎn)生了材質(zhì)密度、面密度等新的評價指標。運用決策矩陣工具（表1），對3 種評價指標進行打分評價，篩選出最優(yōu)評價指標。

權(quán)重和權(quán)值均按5 擋：1 分（非常不重要/ 劣）、3 分（不重要/ 差）、5 分（一般/ 中）、7 分（重要/ 好）和9 分（非常重要/ 優(yōu)），分值為權(quán)重與權(quán)值之積，各評價指標的得分總分為各評價項分值之和。按總分排序，面密度（336 分）最大，材質(zhì)密度（318分）居中，總質(zhì)量（288 分）最小，面密度指標得分為最高，即為評價指標選定為面密度。

按選定的面密度指標將對標車進行重新評價，通過數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)產(chǎn)車型的門飾板質(zhì)量與行業(yè)存在差異。按行業(yè)平均值，設(shè)定該項目的目標，即面密度目標值≤ 1.8 kg/m2（表2）。

2.2 定義階段（D）

定義階段首先收集顧客聲音，然后將顧客聲音進行分類，將分類后的顧客聲音轉(zhuǎn)化為具體的工程技術(shù)指標。

2.2.1 收集顧客聲音

從外部客戶、內(nèi)部客戶以及政府法規(guī)三方面收集針對此產(chǎn)品的顧客聲音。由產(chǎn)品工程師、市場工程師、采購工程師、標準工程師、色彩工程師以及產(chǎn)品規(guī)劃工程師等組成專家評審團隊。由專家評審團隊整理篩選出與輕量化項目有關(guān)聯(lián)的顧客聲音。顧客聲音主要集中在外觀、成本、開發(fā)周期、耐用和法規(guī)等方面。

2.2.2 制定工程技術(shù)要求

運用質(zhì)量屋工具，將顧客聲音轉(zhuǎn)化為工程技術(shù)要求。將顧客的聲音列在質(zhì)量屋的左墻，由專家團隊針對顧客聲音權(quán)重進行打分，按5 分制打分，數(shù)值越高越重要。然后采用多重投票法對分值進行投票，得票最多的分值，為最終分值。

列出門飾板零件的完整工程技術(shù)要求，并將其分類整理，列在天花板上。將顧客聲音和技術(shù)特性關(guān)聯(lián)性也按5 分制打分，數(shù)值越高關(guān)聯(lián)性越強，分值填寫在房間里。在地下室標出本產(chǎn)品和對標車的技術(shù)競爭性能;在天花板上識別出技術(shù)特性之間的正相關(guān)還是負相關(guān)。根據(jù)重要度與關(guān)聯(lián)性之積排序，識別出該項目重要的技術(shù)指標為開發(fā)周期、模具更改量和原材料收縮率，并將重要的技術(shù)指標設(shè)計目標達到最好，其余技術(shù)指標達到行業(yè)平均水平（圖2）。

通過天花板可以看出，開發(fā)周期和與模具更改量、原材料收縮率存在正相關(guān)。原材料收縮率為非常重要的技術(shù)指標，對零件重量、開發(fā)周期、模具更改量、原材料彎曲模量、可靠性要求和剛度要求等存在正相關(guān)，需要重點關(guān)注。

把識別出的工程技術(shù)指標，一一列出并明確驗證方式（表3）。

2.3 開發(fā)階段（D）

開發(fā)階段主要工作是開發(fā)各種概念方案，并通過運用普氏分析工具，優(yōu)化和選定概念方案。

2.3.1 分析影響零件質(zhì)量的因素

運用魚骨圖從“人、機、料、法、環(huán)、測”6 方面對影響零件質(zhì)量的因素進行分析（圖3），模具和原材料為影響零件質(zhì)量的主要因素，操作工、工藝參數(shù)、環(huán)境及測量工具等對產(chǎn)品的影響為次要因素，次要因素不做研究。模具主要影響產(chǎn)品的體積V，原材料決定了產(chǎn)品的密度ρ，而零件的質(zhì)量M 等于體積V 與密度之乘積。因此，質(zhì)量的研究參數(shù)集中在體積V 和密度ρ 這兩個方面。

2.3.2 對原材料排序

將識別附件選定的研究對象進行拆分至原材料級別，按質(zhì)量量占比將原材料排序。由于改性PP 類原材料占總質(zhì)量的78.9%，接近80%，按二八定律，將研究對象進一步縮小為改性PP 類原材料（圖4）。

2.3.3 優(yōu)化的概念方向分析

通過2.3.1 分析，可建立數(shù)學模型：

M=V×ρ

式中 M——原材料的質(zhì)量

V——產(chǎn)品的體積

ρ——產(chǎn)品的密度

對上述模型分析，存在5 種優(yōu)化的概念方案：降低體積、降低密度、同時降低體積和密度、大幅度降低密度和小幅度提升體積以及小幅度提升密度和大幅度降低體積。針對5 種概念方案進行細化分析，篩選出目前可執(zhí)行的4 個概念方向：搭接結(jié)構(gòu)、筋條、料厚和礦物含量（圖5）。

2.3.4 對概念方案優(yōu)化

將4 個可選的概念方向進行組合，形成3 個概念方案。方案1，減小體積方案， 即減小搭接結(jié)構(gòu)、降低料厚和減少筋條;方案2，降低原材料密度方案，即降低礦物含量;方案3，方案1 和方案2 的組合。運用普氏分析對概念方案進行對比優(yōu)化，方案1 為基礎(chǔ)方案，方案2 和3 分別與基礎(chǔ)方案對比，工程指標為評價項目，比基礎(chǔ)方案“好”、“差”和“相同”的分別標記為“+”、“-”和“S”（圖6）。

由于方案1 和方案3 都需要修改模具或重新開模來達到減小零件體積，而方案2 無需更改模具，所以方案2 與方案1 和方案3 相比，在模具成本和時間兩方面有優(yōu)勢，也即在該項目限制條件下，方案2 的“好”項最多，為最合適的方案。另外，在其他新項目開發(fā)時，由于模具本來就需要重新制造，減小產(chǎn)品體積方案無需新增模具成本，那么，方案3 將會是最優(yōu)方案。

2.4 優(yōu)化階段（O）

2.4.1 建立參數(shù)圖

根據(jù)選定的概念方案，繪制參數(shù)圖（圖7），控制因子為礦物含量。由于現(xiàn)有成熟原材料的礦物含量總共有5 個水平，利用現(xiàn)有材料，控制水平選擇5 個，礦物含量分別為20%（A1）、15%（A2）、10%（A3）、5%（A4）和0%（A5）。響應(yīng)為原材料的彎曲模量、原材料密度和原材料收縮率。當這些響應(yīng)指標不達標時，會出現(xiàn)外觀等級不達標、間隙面差不合格、質(zhì)量不達標以及剛度和可靠性不符合技術(shù)要求等癥狀。

2.4.2 建立數(shù)模模型

根據(jù)參數(shù)圖，建立數(shù)模模型（圖8）[2]。目標是要密度ρ 最小，限制條件為原材料彎曲模量F 和原材料收縮率C。由定義階段識別出的工程指標可知，原材料彎曲模量F 要求≥ 1 500 MPa，原材料收縮率C 要與現(xiàn)在的模具收縮率0.9% 相同，即C=0.9%。

2.4.3 繪制控制因子水平選擇圖

根據(jù)不同控制因子水平的原材料特性，繪制圖表（圖9）。按照數(shù)學模型進行選擇，在滿足彎曲模量F ≥ 1 500 MPa 可選區(qū)域之內(nèi)的原材料控制因子水平有A1、A2、A3 和A4，收縮率范圍與收縮率0.9%直線相交的原材料控制因子為A1、A2 和A3。因此，同時滿足彎曲模量和收縮率兩個條件的原材料控制因子為A1、A2 和A3。這3 種原材料的密度ρ 最小的為A3，故目前條件下原材料的礦物含量控制因子水平選擇為A3 水平，也即礦物含量最優(yōu)選擇為10%。

2.5 確認階段（V）

將最終選定的A3 原材料方案進行試制、驗證，確認的方案驗證結(jié)果、項目達成情況以及總結(jié)和其他研究。

2.5.1 驗證優(yōu)化方案

按照優(yōu)化階段選定的原材料進行試制、驗證，產(chǎn)品最終減重0.23 kg，面密度達到目標值1.8 kg/m2， 其余性能也滿足工程指標要求（圖10）。

2.5.2 項目之外的研究：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化

如2.3.4 所述，由于目前項目的條件所限，選擇了概念方案2 進行實施。但如果是全新設(shè)計項目，那么概念方案3 才為最優(yōu)方案，也即除了上述在原材料密度優(yōu)化之外，還需要在產(chǎn)品體積上進行優(yōu)化。為此，在項目結(jié)束之后 ，也在該產(chǎn)品上從減少產(chǎn)品體積方面進行設(shè)計研究，以確認技術(shù)可行性。

例如，地圖袋通過優(yōu)化搭接結(jié)構(gòu)，質(zhì)量減輕0.04 kg，CAE 驗證分析剛度，滿足產(chǎn)品工程技術(shù)要求。通過這種減少產(chǎn)品體積方案（減少零件搭接結(jié)構(gòu)寬度、減少筋條以及優(yōu)化產(chǎn)品壁厚）加上CAE 分析驗證的優(yōu)化方法，又在門下飾板、門中飾板和門上飾板等零件進行體積優(yōu)化，使門飾板整體減重0.15 kg，技術(shù)上可行。

3 結(jié)束語

針對汽車零部件輕量化設(shè)計問題，結(jié)合DFSS 理論，采用IDDOV 流程分階段分析解決問題，并運用DFSS 工具箱解決各階段具體問題。其中，識別階段運用二八定律選定研究對象，采用決策矩陣確定評價指標;定義階段運用質(zhì)量屋將顧客聲音轉(zhuǎn)化為工程指標;開發(fā)階段采用魚骨圖識別出影響重量的關(guān)鍵因素，運用數(shù)學模型分析、普低分析開發(fā)概念方案;優(yōu)化階段采用參數(shù)圖、數(shù)學建模等工具選定最優(yōu)參數(shù)控制水平;驗證階段針對最終產(chǎn)品進行工程驗證，完成該門飾板產(chǎn)品的減重目標，提高顧客滿意度。此IDDOV 的分階段工作流程步驟以及開發(fā)階段形成的概念方案，可為其他零部件輕量化設(shè)計提供參考。