多功能方向盤開(kāi)關(guān)按鍵的六西格瑪設(shè)計(jì)

張立新，周海濱，黃慶達(dá)，范文博，張 駿

（浙江長(zhǎng)江汽車電子有限公司，浙江 溫州 325025）

自20世紀(jì)80年代六西格瑪?shù)馁|(zhì)量思想從摩托羅拉誕生并經(jīng)通用電氣推廣以來(lái)，其發(fā)展已經(jīng)走過(guò)了很長(zhǎng)的路程，并逐漸應(yīng)用于越來(lái)越多的領(lǐng)域[1]。運(yùn)用六西格瑪改進(jìn)方法DMAIC（定義Define、測(cè)量Measurement、分析Analyze、改進(jìn)Improvement、控制Control），其邏輯流程如圖1所示[2]。針對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品或流程的缺陷產(chǎn)生原因采取糾正措施，通過(guò)不斷改進(jìn)，使流程趨于完美，并將改進(jìn)成果固化，可以減少缺陷，達(dá)到產(chǎn)品的固有品質(zhì)。其設(shè)計(jì)方法包含5個(gè)主要步驟[3]。

圖1 六西格瑪改進(jìn)的DMAIC邏輯流程圖

1）定義階段：明確需求和目標(biāo)，確定項(xiàng)目范圍和關(guān)鍵特性，收集客戶需求和期望，并建立項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)。

2）測(cè)量階段：在定義的基礎(chǔ)上，制定測(cè)量和采集方案，收集數(shù)據(jù)并分析，評(píng)估產(chǎn)品和過(guò)程的能力和穩(wěn)定性。

3）分析階段：在測(cè)量的基礎(chǔ)上，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，找出主要影響因素和關(guān)鍵參數(shù)，并建立模型進(jìn)行優(yōu)化。

4）設(shè)計(jì)階段：根據(jù)分析結(jié)果，確定產(chǎn)品或過(guò)程的優(yōu)化方案，并進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。

5）驗(yàn)證階段：對(duì)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品或過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證和確認(rèn)，確保符合客戶需求和預(yù)期。

本文在這種背景下，在產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)階段或業(yè)務(wù)流程的創(chuàng)建時(shí)期就引入以六西格瑪質(zhì)量為目標(biāo)的設(shè)計(jì)思路，即六西格瑪設(shè)計(jì)，其核心思想就是按照合理的流程，運(yùn)用科學(xué)的方法準(zhǔn)確理解和把握客戶需求，對(duì)產(chǎn)品本身進(jìn)行穩(wěn)健性設(shè)計(jì)，使得產(chǎn)品在低成本下實(shí)現(xiàn)六西格瑪質(zhì)量水平，同時(shí)使產(chǎn)品本身具有抵抗各種干擾的能力，即便環(huán)境或制造波動(dòng)，產(chǎn)品仍能在較高水平滿足客戶的需求。

1 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)概況

以某車企全新開(kāi)發(fā)的多功能方向盤開(kāi)關(guān)（圖2）為例，其新的多功能方向盤開(kāi)關(guān)包含直壓式按鍵、翹板式按鍵、撥鈕、推桿、外殼、橡膠、PCB板總成、底座等零件。多功能方向盤開(kāi)關(guān)在駕駛員操作后，按鍵相對(duì)于殼體移動(dòng)，將力傳遞到焊接在PCB板的輕觸微動(dòng)開(kāi)關(guān)上，輕觸微動(dòng)開(kāi)關(guān)的彈片受力變形實(shí)現(xiàn)通斷功能；線路接通后，輸出一個(gè)功能電壓，車載主機(jī)接收到電壓信號(hào)后完成識(shí)別并實(shí)現(xiàn)功能。

圖2 多功能方向盤開(kāi)關(guān)

多功能方向盤開(kāi)關(guān)由于生產(chǎn)過(guò)程受注塑參數(shù)、零件一致性、使用環(huán)境（低溫）、輔料（油脂）等因素的共同影響，在售后市場(chǎng)時(shí)有用戶抱怨開(kāi)關(guān)按鍵卡滯。因此，本文主要針對(duì)相關(guān)因素，確定合適的模型和控制因子，使得新的設(shè)計(jì)方案能夠具備容差能力和耐環(huán)境變化能力，減少甚至消除客戶的抱怨問(wèn)題，同時(shí)又能兼顧產(chǎn)品的成本。

2 參數(shù)設(shè)計(jì)和定義

參數(shù)設(shè)計(jì)要求為：操作任意按鍵、撥鈕時(shí)能達(dá)到設(shè)定的功能，撤除外力后按鍵能夠自動(dòng)、完全復(fù)位。按鍵、撥鈕在按動(dòng)和復(fù)位過(guò)程中有良好的手感，無(wú)阻、滯、澀的感覺(jué)，按壓按鍵邊緣任何位置亦可正常操作。按鍵和撥鈕的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要考慮到用戶手感的舒適性和良好的力度反饋，且擋位設(shè)計(jì)清晰，不允許出現(xiàn)雜音和異響。產(chǎn)品設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)為：按鍵操作力4N±1.5N，行程0.7mm±0.15mm，手感值50%±15%。

本文僅討論按鍵的控制因子，因撥鈕的原理一樣，故不再贅述。按照功能框圖的思考方法，找到輸入、輸出、控制因子和失效模式，并建立功能框圖，如圖3所示。

圖3 功能框圖

開(kāi)關(guān)按鍵能夠?qū)崿F(xiàn)上升功能的前提是：F動(dòng)＞F阻=f摩+G。當(dāng)輕觸微動(dòng)開(kāi)關(guān)提供的輸出回彈力不足以克服系統(tǒng)阻力+重力的時(shí)候，便會(huì)產(chǎn)生卡滯問(wèn)題。

方向盤多功能開(kāi)關(guān)產(chǎn)生升降緩慢、卡滯問(wèn)題，對(duì)組成按鍵回彈阻力（圖4）的各個(gè)零部件Z向特性進(jìn)行識(shí)別。

圖4 開(kāi)關(guān)回彈阻力分析

基于圖4，對(duì)其各個(gè)因素進(jìn)一步解釋說(shuō)明。①摩擦力：摩擦力=接觸壓力×摩擦系數(shù)，摩擦力和接觸壓力是正相關(guān)，即接觸壓力越大，摩擦力越大；②接觸壓力和筋槽的過(guò)盈量正相關(guān)，即過(guò)盈量越大，壓力越大；③筋槽間隙為設(shè)計(jì)間隙0.07mm/0.11mm，實(shí)際配合間隙為局部過(guò)盈。詳細(xì)原因分析有以下3點(diǎn)。

1）筋槽變形：外殼導(dǎo)向槽和內(nèi)殼導(dǎo)向筋理論上是粗糙度0.1的2個(gè)平行平面，實(shí)際上，在注塑過(guò)程中，存在冷卻不均衡、保壓壓力不均勻、脫模時(shí)拉傷等原因?qū)е聦?dǎo)向槽變形。外殼導(dǎo)向槽在和導(dǎo)向筋配合時(shí)出現(xiàn)局部過(guò)盈的現(xiàn)象。

2）筋槽配合距離長(zhǎng)：由于需要保證按鈕的晃動(dòng)量，導(dǎo)向距離設(shè)計(jì)為按鈕長(zhǎng)度的1/2～1/3。在導(dǎo)向的配合距離內(nèi)可能存在多處過(guò)盈位置。

3）接觸面積：圓筋，導(dǎo)向筋和導(dǎo)向槽在導(dǎo)向方向的有效配合近似一條線（不一定連續(xù)），配合面積相對(duì)小，可能存在的過(guò)盈點(diǎn)也少；方筋，導(dǎo)向筋和導(dǎo)向槽在導(dǎo)向方向的有效配合近似長(zhǎng)方向小平面（不一定連續(xù)），配合面積相對(duì)大，可能存在的過(guò)盈點(diǎn)也較多，見(jiàn)圖5。

圖5 圓筋/方筋示意圖

所以，接觸壓力相關(guān)的控制因子為：圓筋/方筋、設(shè)計(jì)間隙（0.07mm/0.11mm）。

摩擦力和摩擦系數(shù)是正相關(guān)，即摩擦系數(shù)越大，摩擦力越大；潤(rùn)滑油摩擦系數(shù)和潤(rùn)滑油的粘稠度成反比。1302兼容PC+ABS和PC材料，粘度較高，擴(kuò)散性低，低溫時(shí)油脂粘度增加；1502兼容PC+ABS和PC材料，粘度低，擴(kuò)散性較高，低溫時(shí)油脂粘度增加較少。低溫使用環(huán)境的影響：-40℃時(shí)，油脂趨向于由液態(tài)向固態(tài)變化。油脂低溫時(shí)油脂粘度增加，摩擦系數(shù)變大；摩擦系數(shù)和材料的自潤(rùn)滑性反比，PC和PC+ABS自潤(rùn)滑性都比較差。所以，摩擦系數(shù)相關(guān)的控制因子為：油脂1302和油脂1502；基材PC和PC+ABS。

按鈕重力為2g，微動(dòng)開(kāi)關(guān)復(fù)位力為4N±1.5N。

基于卡滯原因的分析，確定了關(guān)鍵控制因子有4個(gè)，每個(gè)因子2種水平，詳見(jiàn)表1。

表1 控制因子

3 設(shè)計(jì)優(yōu)化

控制試驗(yàn)次數(shù)采用田口式試驗(yàn)計(jì)劃法，試驗(yàn)設(shè)計(jì)詳見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

4 驗(yàn)證

使用MATLAB軟件，按田口式試驗(yàn)計(jì)劃并測(cè)試結(jié)果。分析因子設(shè)計(jì)得到控制因子的效應(yīng)正態(tài)分布圖和效應(yīng)的柏拉圖，如圖6和圖7所示。由圖可知，對(duì)卡滯影響最顯著的因子是間隙，其余因子都不顯著。

圖6 控制因子效應(yīng)正態(tài)分布圖

圖7 控制因子效應(yīng)的柏拉圖

間隙大小的影響效果對(duì)比見(jiàn)圖8和表3。如圖表所示，設(shè)計(jì)間隙0.11mm時(shí)，操作力更小，低溫時(shí)，卡滯的風(fēng)險(xiǎn)更小。

表3 間隙選型

圖8 回彈力交互作用圖

油脂選型見(jiàn)表5。如圖8和表4所示，使用1502油脂時(shí)按鍵操作力更小，低溫時(shí)卡滯的風(fēng)險(xiǎn)更小。

表4 油脂選型

表5 導(dǎo)向筋選型

導(dǎo)向筋選型見(jiàn)表5。如圖8和表5所示，使用圓筋時(shí)按鍵操作力更小，低溫時(shí)卡滯的風(fēng)險(xiǎn)更小。

材料選型見(jiàn)表6。如圖8和表6所示，使用PC+ABS材料時(shí)按鍵操作力更小，低溫時(shí)卡滯的風(fēng)險(xiǎn)更小。

表6 材料選型

最優(yōu)匹配方案為：筋槽間隙0.11mm、油脂1502、圓筋、PC+ABS。設(shè)計(jì)要求4N±1.5N，實(shí)驗(yàn)結(jié)果3.9N。

5 結(jié)論

本文應(yīng)用六西格瑪設(shè)計(jì)方法，對(duì)多個(gè)控制因素進(jìn)行排列組合，對(duì)每種可能的情形進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，并找到最佳的組合方式，即筋槽間隙0.11mm、油脂1502、圓筋、PC+ABS，該組合方式能有效減少按鍵卡滯的風(fēng)險(xiǎn)。產(chǎn)品量產(chǎn)后，按鍵無(wú)卡滯現(xiàn)象。

本研究使用六西格瑪設(shè)計(jì)方法對(duì)方向盤多功能開(kāi)關(guān)的按鍵進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，通過(guò)明確需求和目標(biāo)、制定測(cè)量和采集方案、分析關(guān)鍵特性和參數(shù)、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案以及驗(yàn)證確認(rèn)等6個(gè)步驟，成功提高了方向盤開(kāi)關(guān)按鍵的品質(zhì)和性能，達(dá)到了預(yù)期效果。實(shí)踐證明，六西格瑪設(shè)計(jì)方法對(duì)于汽車零部件的品質(zhì)管理非常有效，可以幫助設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)更好地了解客戶需求和期望，優(yōu)化設(shè)計(jì)和制造過(guò)程，提高產(chǎn)品的品質(zhì)和性能，降低成本和風(fēng)險(xiǎn)。因此，建議類似的汽車制造企業(yè)在設(shè)計(jì)汽車零部件時(shí)，采用六西格瑪設(shè)計(jì)方法，以提高產(chǎn)品品質(zhì)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

再者，方向盤多功能開(kāi)關(guān)按鍵的六西格瑪設(shè)計(jì)是一種品質(zhì)管理方法，用于確保按鍵的穩(wěn)定和可靠性。優(yōu)勢(shì)在于，其強(qiáng)調(diào)從一開(kāi)始就考慮品質(zhì)和性能，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)和過(guò)程，盡量消除缺陷和浪費(fèi)，提高效率和品質(zhì)水平。通過(guò)六西格瑪設(shè)計(jì)方法，可以有效提高產(chǎn)品的品質(zhì)和性能，降低成本和風(fēng)險(xiǎn)，提高客戶滿意度和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。