基于六西格瑪設計的外后視鏡抖動問題品質(zhì)提升設計

關鍵詞：六西格瑪設計；外后視鏡；田口法；CAE 分析；試驗分析

0 引言

隨著乘用汽車逐漸普及，人們對汽車的需求已經(jīng)不僅僅局限于傳統(tǒng)的出行、乘坐需求。隨著人們對汽車的不斷深入理解：好開、好玩、好用和好看，以及好品質(zhì)、有品味的全方位汽車更能打動消費者。因而人們對汽車的品質(zhì)提出了越來越高甚至說是苛刻極致的需求，整車的質(zhì)量品質(zhì)提升也越來也迫切。某車型上市后，其外后視鏡在120 km/h 高速行駛過程中，鏡片抖動導致后方視野不清晰。該問題出現(xiàn)比較普遍，在售后不易解決，因此引起了客戶的抱怨，抱怨率達17%。

該問題反饋到整車廠家后，廠家組織項目團隊對該問題進行分析。項目團隊通過采用美國供應商學會總裁喬杜里先生的六西格瑪設計流程（IDDOV，即識別、定義、設計、優(yōu)化和驗證），運用六西格瑪設計工具箱中的客戶需求收集法、VOC 親和圖、質(zhì)量屋、決策矩陣、普氏分析、參數(shù)圖、正交設計、信噪分析和CAE分析等工具，對汽車外后視鏡抖動問題品質(zhì)提升設計優(yōu)化[1]。通過運用六西格瑪設計工具，系統(tǒng)識別與分析外后視鏡抖動問題，從而尋求解決外后視鏡抖動措施方案，使外后視鏡行駛過程中更穩(wěn)健側(cè)，后方視野成像更清晰，并形成設計指導技術規(guī)范。

1 六西格瑪設計概述

六西格瑪設計（Design For Six Sigma，簡稱DFSS）就是按照合理的流程，系統(tǒng)化、條理化的分析，運用科學的方法精確地剖析理解和全方位把握顧客需求，對產(chǎn)品零部件、流程進行穩(wěn)健性設計[2]。其目的就是使產(chǎn)品或流程在低成本情況下實現(xiàn)六西格瑪質(zhì)量水平，同時產(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，產(chǎn)品仍能滿足顧客的需求[3]。

六西格瑪設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：項目定義樹、項目收益圖、客戶需求搜集法、VOC 親和圖、T- 方法、魚骨圖、頭腦風暴、質(zhì)量屋、四盒模型、假設檢驗、卡諾模型、普氏分析、數(shù)學建模、決策矩陣、參數(shù)圖、萃智、正交設計、試驗設計、信噪比、響應圖、CAE 分析以及驗證等。利用這些工具，在產(chǎn)品設計時可以使決策更科學、設計更穩(wěn)健、設計效率更高。

2 項目設計開發(fā)流程和方案

2.1 識別階段（Ⅰ）

識別階段主要通過運用“項目任務書、項目范圍、項目收益樹和項目計劃”來識別研究對象的范圍，以及確認外后視鏡品質(zhì)提升目標：降低鏡片抖動問題客戶抱怨率。

2.1.1 確定研究對象范圍

通過對正在開發(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”原則，選定了某平臺車型的外后視鏡產(chǎn)品作為研究對象。外后視鏡的子零件數(shù)量眾多，常用結(jié)構(gòu)零部件共有18 個。經(jīng)爆炸圖分析（圖1），造成外后視鏡鏡片高速抖動問題最可能的原因，主要在連接機構(gòu)的子零件上。研究對象范圍可以進一步縮小。

2.1.2 連接機構(gòu)分析

通過對外后視鏡結(jié)構(gòu)拆解分析發(fā)現(xiàn)，其連接結(jié)構(gòu)主要集中在這幾類的結(jié)構(gòu)零件上：安裝座、安裝支架、折疊器、轉(zhuǎn)向器、鏡片架和鏡片阻尼片。通過目前結(jié)構(gòu)及模態(tài)分析，最終研究對象集中在折疊器、轉(zhuǎn)向器和鏡片阻尼片上。

經(jīng)過測試分析， 該車型外后視鏡的折疊器型號為293/529-1 款，折疊承載力＜ 900 g ；轉(zhuǎn)向器型號為980 系列，承載鏡片能力＜ 150 g。折疊器和轉(zhuǎn)向器均存在承載能力小、振動穩(wěn)定性差的問題。鏡片阻尼片為塑料材質(zhì)，存在阻尼穩(wěn)定性差、鏡片抖動的問題。此外，外后視鏡模態(tài)標準要求：單外后視鏡模態(tài)≥ 50 Hz，裝置在車門上模態(tài)要求≥ 45 Hz[4]。無論是與標準要求還是與對標車型相比，故障車型的外后視鏡還存在模態(tài)較小的問題（圖2）。而且，外后視鏡3 安裝點間距也小于標準值（要求：安裝間距＞ 50.0 mm）。

2.2 定義階段（D）

定義階段首先收集顧客聲音（VOC），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。由造型工程師、感知質(zhì)量工程師、車身工程師、NVH 工程師、CAE 工程師、生產(chǎn)制造工程師、市場售后工程師以及采購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外后視鏡抖動項目有關聯(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、裝配制造和法規(guī)等方面。

2.2.2 分析工程指標

運用質(zhì)量屋工具，將顧客聲音轉(zhuǎn)化為工程技術指標要求。把識別出的各項工程技術指標，逐一列出，并明確目標設定驗證方式，然后通過運用質(zhì)量屋客戶VOC 轉(zhuǎn)化成工程參數(shù)指標（表1）。

2.3 開發(fā)階段（D）

開發(fā)階段主要工作是開發(fā)各種設計概念方案，通過頭腦風暴，初步選出與外后視鏡抖動相關的一些設計因素：重量、價格、結(jié)構(gòu)剛度、振動穩(wěn)定性、外觀感知、鏡片穩(wěn)定性、耐久性、可靠性和高速顯像清晰度等。然后通過運用普氏分析工具，選定最佳的設計更改概念方案。

2.3.1 普氏分析

將9 個可選的概念方向進行組合，形成6 個概念設計更改方案（圖3）。

方案0 ：某基礎車型設計方案。

方案1 ：轉(zhuǎn)向器及折疊器選型更改：選用更穩(wěn)定的529-5 型折疊器和300 系列轉(zhuǎn)向器。

方案2 ：鏡片支架結(jié)構(gòu)卡接干涉量增加，牢靠度增加。

方案3 ：鏡片阻尼片由塑料變成金屬片。

方案4 ：增加安裝支架的筋條，提升剛度模態(tài)。

方案5 ；鏡體的壁厚減薄。

方案6 ：外后視鏡連接布局3 個安裝點布置間距＞ 50.0 mm，且外后視鏡的質(zhì)心在安裝的三角區(qū)域內(nèi)。

運用普氏分析對概念設計更改方案進行對比優(yōu)化，方案0 為基礎設計方案，方案1 ～方案6 分別與基礎設計方案對比，工程指標為評價項目，比基礎方案“好”、“差”和“相同”分別標記為“+”、“-”與“S”。從普氏分析結(jié)構(gòu)來看，方案1 和方案3 在各個方面因素都有優(yōu)勢，特別是在穩(wěn)定性、可靠性、耐久性和高速顯像清晰度都是很好的提升。由此分析可得出，方案1 和方案3 綜合來看是最合適的方案。

2.3.2 確定設計更改方案

通過普氏分析最終可以確定外后視鏡品質(zhì)提升的概念設計更改方案：選用更穩(wěn)健型的折疊器，型號為529-5，其折疊承載力＜ 1 500 g ；選用型號為300 系列的轉(zhuǎn)向器，其承載鏡片能力＜ 280 g ；同時阻尼片由塑料改為不銹鋼（SUS304 材質(zhì)）。對選定的概念設計更改方案初步分析可知，更改后外后視鏡整體模態(tài)值有所提升，同時振動穩(wěn)定性增強能達到提升的目標。

2.4 優(yōu)化階段（O）

2.4.1 建立參數(shù)圖

根據(jù)選定的概念設計更改方案，繪制參數(shù)圖，并找出系統(tǒng)的控制因子、噪聲因子以及響應和癥狀。通過對標和設計專家團隊評審，認為轉(zhuǎn)向器承載力和手動調(diào)節(jié)力矩、折疊器承載力和手動調(diào)節(jié)力矩、鏡片阻尼材料、安裝座/ 支架加強筋厚度以及鏡片厚度，這些因子可能會對外后視鏡抖動有很大影響，且這些控制因子易于設計控制。其中鏡片曲率偏差值S 以及鏡片寬度偏差值H，作為噪聲因子。外后視鏡響應為：鏡片后方視野清晰（振動頻率在20 ～ 200 Hz 時的扭轉(zhuǎn)角應小于8′）[5]。當其指標不達標時，會出現(xiàn)振動異響噪聲、質(zhì)量增加等癥狀（圖4）。

2.4.2 控制因子和水平的選擇

影響外后視鏡鏡片后方視野清晰（振動頻率在20 ～ 200 Hz時的扭轉(zhuǎn)角應小于8′）的共有5 個控制因子，每個控制因子均有2 個水平。各控制因子與外后視鏡結(jié)構(gòu)關系如圖5 所示。

2.4.3 噪聲因子和水平的選擇

噪聲因子的設定及其組合設定如下。

鏡片曲率偏差值S ：S1（15.0），S2（25.0）；理論偏差R=±60。

鏡片寬度偏差值H ：H1（0.5），H2（1.0）；理論公差±0.5。

根據(jù)其噪聲因子特性對產(chǎn)品的影響，選取2 組噪聲因子：第一組N1（S2 與H1 組合）；第二組N2（S1 與H2 組合）。

2.4.4 正交列表編碼和解碼

根據(jù)控制因子和噪聲因子的水平，對其進行編碼和解碼。編碼就是用1、2 分別代替兩個等級水平，解碼就是指控制因子在1、2 水平時代表的具體參數(shù)。運用Minitab 軟件生成田口L8 正交矩陣表（5 因子2 水平，忽略交互作用），對控制因子進行排列組合，以達到用最少的試驗次數(shù)來區(qū)分出關鍵的控制因子（圖6）。根據(jù)正交列表，只需要安排8 次試驗就可以完成對2 水平5 因子的控制因子試驗驗證。

3 驗證階段（V）

3.1 試驗驗證

根據(jù)正交表安排CAE 驗證試驗8 次，并在不同的概念設計參數(shù)方案上讀取鏡片扭轉(zhuǎn)角度的變化量，將試驗數(shù)據(jù)填寫在表格里面。由于鏡片扭轉(zhuǎn)角度變化量是越小越好，所以目標響應選擇為望小特性（smaller-the-better），即需求鏡片扭轉(zhuǎn)角＜ 8′，試驗結(jié)果望小。采用Minitab 軟件的田口分析信噪比和均值（圖7），并形成信噪比主效應圖表和均值主效應圖表（圖8 和圖9）。

3.2 試驗分析

A2、B1、C1 對扭轉(zhuǎn)角度減小響應效果最為顯著，D1、E1對得分的提升也有效果；并且實際試驗驗證信噪比提升4.27，滿足預期設計需求，故根據(jù)分析選擇A2+B1+C1+D1+E1 組合方案。

3.3 確認結(jié)果

按照正交列表試驗驗證分析測算的優(yōu)化組合方案，能夠滿足品質(zhì)設計提升要求。根據(jù)優(yōu)化方案進行試制、驗證，即外后視鏡轉(zhuǎn)向器選用300 系列，折疊器型號采用529-5，阻尼片材料選用SUS304 不銹鋼，安裝座加強筋厚度選擇3.0 mm，鏡片厚度選擇2.0 mm。最優(yōu)的設計提升及確認方案對應關系如圖10 所示。最終試制的外后視鏡剛度模態(tài)滿足指標要求，并且裝車后達成項目目標需求。

此外，本次外后視鏡品質(zhì)提升設計過程形成了外后視鏡的設計規(guī)范指導書，對后續(xù)車型外后視鏡設計具有一定的指導意義。

4 結(jié)束語

本研究通過運用六西格瑪設計方法，在確保性能的情況下實現(xiàn)外后視鏡抖動問題的解決和設計品質(zhì)的提升，達成預期目標。并在完成這個項目優(yōu)化后形成外后視鏡設計規(guī)范指導書，為以后外后視鏡設計提供設計指導。在解決外后視鏡行駛中抖動問題的過程中，采用了六西格瑪設計中的田口法正交試驗工具，能清晰地識別出關鍵控制因子和各控制因子的最優(yōu)水平。而且該方法快速且精確，效率高，大大降低了時間成本和試驗成本。

六西格瑪設計是一種方法論、一種價值觀，同時也是一種合理的工作流程、一個龐大的工具箱。掌握這種方法論，活用DFSS 工具箱中的工具，不僅能在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設計工作中，快速找到關鍵控制因子和各因子最優(yōu)水平，提高設計的穩(wěn)健性，還可以節(jié)約試驗次數(shù)、減少試驗周期，最終達到降本增效的目的。