六西格瑪設(shè)計(jì)在汽車門飾板拉脫剛度設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

劉學(xué)雷 周成國(guó) 張高順 董新文 李念

摘要：文中介紹了運(yùn)用六西格瑪設(shè)計(jì)（DFSS）的田口法試驗(yàn)設(shè)計(jì)工具，結(jié)合CAE（計(jì)算機(jī)輔助分析）工具，來解決汽車門飾板拉脫剛度問題。針對(duì)汽車門飾板的拉脫剛度問題，運(yùn)用六西格瑪設(shè)計(jì)的田口法試驗(yàn)工具策劃試驗(yàn)，通過CAE軟件的進(jìn)行剛度試驗(yàn)驗(yàn)證，再用田口分析工具對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行信噪比和均值計(jì)算，依據(jù)信噪比和均值選擇控制因子及其水平，可解決門飾板拉脫力剛度問題，并減少試驗(yàn)次數(shù)、試驗(yàn)周期，從而節(jié)約試驗(yàn)成本。

關(guān)鍵詞：門飾板;拉脫剛度;六西格瑪設(shè)計(jì);CAE分析;田口法;試驗(yàn)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U466? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）11-0194-03

0? 引言

乘用車內(nèi)飾的門飾板是裝配在車門內(nèi)部的零件，根據(jù)用戶的應(yīng)用場(chǎng)景，其上端（Beltline）位置（如圖1所示）有拉脫剛度要求。拉脫剛度影響著用戶關(guān)于門飾板是否結(jié)實(shí)牢固的感知質(zhì)量，也防止用戶在關(guān)門時(shí)的識(shí)操作，誤用手拉門飾板上端位置關(guān)門時(shí)，把門飾板拉變形甚至脫落，從而影響顧客滿意度。因此在門飾板設(shè)計(jì)時(shí)，門飾板上端位置的拉脫剛度都需要進(jìn)行CAE分析驗(yàn)證和實(shí)車驗(yàn)證，來確認(rèn)是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

六西格瑪設(shè)計(jì)（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)產(chǎn)品或流程進(jìn)行穩(wěn)健設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品或流程在低成本情況下實(shí)現(xiàn)六西格瑪質(zhì)量水平，同時(shí)產(chǎn)品或流程本身具有抗各種干擾的能力，即便使用環(huán)境惡劣或操作不當(dāng)，產(chǎn)品仍能夠滿足顧客的需求[1]。DFSS不僅是一個(gè)方法論、設(shè)計(jì)流程，還有一個(gè)龐大的工具箱，工具箱中的工具可以幫助提高工作效率、提高工作質(zhì)量、降低成本等。田口法試驗(yàn)設(shè)計(jì)就是DFSS工具箱中的工具之一，它可以提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)穩(wěn)健性，還可以減少試驗(yàn)次數(shù)，從而達(dá)到縮短研發(fā)周期、節(jié)約研發(fā)成本的目的。

本文針對(duì)汽車門飾板的拉脫剛度問題，運(yùn)用DFSS中的參數(shù)圖，初步確定控制因子、噪音因子，以及控制因子和噪音因子的各水平參數(shù)值;然后運(yùn)用DFSS的田口法試驗(yàn)工具策劃試驗(yàn);根據(jù)試驗(yàn)策劃的試驗(yàn)次數(shù)及每次試驗(yàn)的各因子水平，用CAE的進(jìn)行剛度試驗(yàn);再用田口分析對(duì)CAE試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析計(jì)算，得出信噪比和均值;根據(jù)信噪比和均值圖表以及響應(yīng)的望小特性，預(yù)測(cè)控制因子的最優(yōu)水平;根據(jù)預(yù)測(cè)方案，再進(jìn)行CAE試驗(yàn)，與最初的方案進(jìn)行對(duì)比，確認(rèn)信噪比和均值均有提高，且最終滿足設(shè)計(jì)要求。

1? 技術(shù)方案

1.1 試驗(yàn)背景和要求

某車型的門飾板在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段，造型A面和四周邊界以及安裝點(diǎn)位置已基本確定。門飾板上裝飾板和加強(qiáng)板的原材料為PP-EPDM-T20，按照門飾板子系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范要求，門飾板上端位置（Beltline）需要進(jìn)行拉脫剛度試驗(yàn)，以驗(yàn)證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方案。試驗(yàn)方法，沿正Y向用220N的拉力拉門飾板上裝飾板3個(gè)位置（如圖1紅圈所示，F(xiàn)RT、MID、RR為測(cè)量點(diǎn)名稱），用推拉力計(jì)記錄拉力值，當(dāng)拉力達(dá)到220N時(shí)用千分表記錄測(cè)量點(diǎn)處變形量（如圖2所示）。試驗(yàn)要求，門飾板上裝飾板試驗(yàn)位置處的彈性變形量小于10mm。在第一輪拉脫剛度CAE試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)RR點(diǎn)的變形量達(dá)45.1mm，拉脫剛度不合格，其余點(diǎn)合格。針對(duì)RR點(diǎn)的拉脫剛度問題，需要重新進(jìn)行門飾板結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證。

在選擇門飾板結(jié)構(gòu)方案時(shí)，又面臨著三個(gè)問題。問題一，有多個(gè)控制因子可供選，哪個(gè)控制因子是最有效的？問題二，每個(gè)控制因子又有多個(gè)水平可選，控制因子哪個(gè)水平是最優(yōu)的？問題三，如果每個(gè)控制因子的各個(gè)水平都試驗(yàn)試驗(yàn)一次，那么試驗(yàn)次數(shù)將會(huì)隨著因子數(shù)量成指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，時(shí)間和試驗(yàn)成本也將成倍增加，總的試驗(yàn)次數(shù)可不可減少？為此，需要運(yùn)用田口法試驗(yàn)設(shè)計(jì)來解決以上疑問。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)是通過對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)研究，建立參數(shù)圖，選擇控制因子和噪音因子，對(duì)控制因子進(jìn)行合理排列組合，在不影響試驗(yàn)分辨度情況下用最少的試驗(yàn)次數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)策劃。

1.2.1 參數(shù)圖設(shè)計(jì)

建立參數(shù)圖，找出系統(tǒng)的控制因子、噪音因子以及響應(yīng)和癥狀。通過對(duì)標(biāo)和設(shè)計(jì)專家團(tuán)隊(duì)評(píng)審，認(rèn)為門飾板上裝飾板的翻邊（簡(jiǎn)稱翻邊，下同）、上裝飾板的材料厚度（簡(jiǎn)稱料厚，下同）、加強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)稱加強(qiáng)版，下同），對(duì)拉脫剛度可能會(huì)有很大影響，且這個(gè)三個(gè)因子容易控制，又不影響門飾板的造型A面和周邊環(huán)境件，所以這個(gè)三個(gè)因子選擇為控制因子（見圖3）。CAE驗(yàn)證時(shí)測(cè)量點(diǎn)的位置（簡(jiǎn)稱測(cè)量位置，下同）也會(huì)影響變形量數(shù)值，實(shí)際產(chǎn)品試驗(yàn)時(shí)，測(cè)量位置也會(huì)有差異，因此，將測(cè)量位置選擇為噪音因子。響應(yīng)為改變控制因子和噪音因子時(shí)，上裝飾板的變形量。癥狀為上裝飾板變形量不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，會(huì)出現(xiàn)的牢固性差的感知問題和門飾板脫落的質(zhì)量問題。參數(shù)圖如圖4所示。

1.2.2 控制因子和水平選擇

根據(jù)參數(shù)圖選擇出來的控制因子，設(shè)置控制因子的水平。翻邊的高水平設(shè)置為有翻邊，低水平設(shè)置為沒有翻邊;料厚的高水平設(shè)置為3.0mm，低水平設(shè)置為2.5mm。加強(qiáng)板的高水平設(shè)置是加長(zhǎng)板的長(zhǎng)度為最長(zhǎng)（即，RR測(cè)量點(diǎn)位置有加強(qiáng)板），低水平設(shè)置是加長(zhǎng)板的長(zhǎng)度為最短（即，RR測(cè)量點(diǎn)位置無加強(qiáng)板），各控制水平與結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

1.2.3 噪音因子和水平選擇

由于試驗(yàn)要求測(cè)量位置的偏差在±10mm之內(nèi)，所以，噪音因子的高水平選擇試驗(yàn)要求的標(biāo)準(zhǔn)位置（離尾端110mm的位置），低水平選擇誤差范圍內(nèi)的極限位置（離門飾板尾端100mm），如表2所示。

1.2.4 正交列表編碼和解碼

根據(jù)控制因子和噪音因子的水平，對(duì)其進(jìn)行編碼和解碼。編碼就是用1、2分別代替高水平和低水平，解碼就是指控制因子在1、2水平時(shí)代表的具體參數(shù)值（如表3）。運(yùn)用Minitab軟件生成田口L4正交矩陣表（3因子2水平，忽略交互作用），對(duì)控制因子進(jìn)行排列組合，以達(dá)到用最少的試驗(yàn)次數(shù)來區(qū)分出關(guān)鍵的控制因子[2]（見表4）。根據(jù)正交列表，只需要安排4次試驗(yàn)就可以完成對(duì)2水平3因子的控制因子試驗(yàn)驗(yàn)證。

1.3 試驗(yàn)驗(yàn)證和試驗(yàn)分析

根據(jù)正交表安排CAE驗(yàn)證試驗(yàn)4次，并在分別在測(cè)量點(diǎn)不同位置上讀取變形量，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)填寫在表格里面。

由于變形量是越小越好，所以目標(biāo)響應(yīng)選擇為望小特性（smaller-the-better），采用Minitab軟件的田口分析信噪比和均值（如表5），并形成信噪比主效應(yīng)圖表（如圖5）和均值主效應(yīng)圖表（如圖6）。通過信噪比和均值圖表可以看出，控制因子翻邊A和加強(qiáng)板C的信噪比和均值圖的斜率較大，即高低水平的主效應(yīng)差值均比較明顯，為關(guān)鍵控制因子，且A1C1的信噪比大、均值小，為最優(yōu)的控制因子水平[3]。控制因子料厚B均值圖形較平坦斜率較小，高低水平的主效應(yīng)數(shù)值相差不大，即料厚B因子對(duì)減小均值的作用不大，但其信噪比高低水平差值為3dB，也即對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)健性有用，故應(yīng)該選擇B1。預(yù)測(cè)最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案應(yīng)為A1B1C1。

1.4 最優(yōu)設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證和確認(rèn)

針對(duì)預(yù)測(cè)的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案A1B1C1方案，進(jìn)行CAE分析驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果與最初的基礎(chǔ)方案A2B2C2的結(jié)果對(duì)比，信噪比提高了15.15dB，均值降低了37.4mm，且均值滿足門飾板子系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范要求：≤10mm（如表6）。

2? 總結(jié)

針對(duì)該門飾板拉脫剛度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案問題，運(yùn)用DFSS中田口法正交試驗(yàn)工具，能清晰的識(shí)別出關(guān)鍵控制因子和各控制因子的最優(yōu)水平，最終解決拉脫剛度問題。并且，田口法可將該門飾板拉脫剛度的驗(yàn)證試驗(yàn)次數(shù)由常規(guī)的8次，減少至5次（其中，基礎(chǔ)方案有1次），CAE試驗(yàn)周期也縮短了37.5%，大大的降低了時(shí)間成本和試驗(yàn)成本;同時(shí)，關(guān)于同類門飾板零件的拉脫剛度問題，根據(jù)田口分析結(jié)果可以看出翻邊和加強(qiáng)板為關(guān)鍵控制因子，需要重點(diǎn)關(guān)注。DFSS是一種方法論、一種價(jià)值觀，一種合理的工作流程，一個(gè)龐大的工具箱。掌握這種方法論，活用DFSS工具箱中的工具，可在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作中，快速找到關(guān)鍵控制因子和各因子最優(yōu)水平，從而提高設(shè)計(jì)的穩(wěn)健性，還可以節(jié)約試驗(yàn)次數(shù)、減少試驗(yàn)周期，最終達(dá)到降低成本的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國(guó)質(zhì)量協(xié)會(huì)組織編寫/何楨主編.六西格瑪管理[M].三版.中國(guó)質(zhì)量協(xié)會(huì)六西格瑪黑帶注冊(cè)考試指定輔導(dǎo)教材.北京：中國(guó)人民大學(xué)出版社，2014.

[2]馬逢時(shí)等編著.六西格瑪管理統(tǒng)計(jì)指南：MINTAB使用指導(dǎo)[M].三版.中國(guó)質(zhì)量協(xié)會(huì)六西格瑪黑帶注冊(cè)考試參考用書.北京：中國(guó)人民大學(xué)出版社，2018.

[3]葛運(yùn)朋.六西格瑪方法在汽車外觀間隙改善中的應(yīng)用[J].中小企業(yè)管理與科技（中旬刊），2021（02）：178-179.