張偉，崔繼強，上官望義，楊銀輝

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

DFSS在商用車底盤部件設計中的應用研究

張偉，崔繼強，上官望義，楊銀輝

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

本文從DFSS的基本原理、流程出發(fā)，對如何將DFSS方法應用到汽車底盤部件設計進行了深入探討，并通過推力桿的改進設計詳細說明了DFSS方法的應用過程；結果表明，運用DFSS方法不僅能從根本提升產(chǎn)品質(zhì)量，同時能滿足市場客戶需求。DFSS作為一種設計思想方法，能夠有效指導產(chǎn)品設計的整個過程。

DFSS；汽車底盤部件；推力桿

CLC NO.: U463.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)01-89-04

前言

汽車工業(yè)的競爭已進入全面競爭階段，提供市場需求的產(chǎn)品及服務已成為占領市場的先決條件，而好的設計是汽車產(chǎn)品市場競爭力的基礎。實踐表明，在產(chǎn)品生命周期內(nèi)至少80%的產(chǎn)品質(zhì)量是在早期設計階段決定[1]。

六西格瑪設計（Design for Six Sigma，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，對新產(chǎn)品／新流程進行健壯設計，使產(chǎn)品／流程在低成本下實現(xiàn)六西格瑪質(zhì)量水平[2]；同時，使產(chǎn)品／流程本身具有抵抗各種干擾的能力，即使使用環(huán)境惡劣或操作不當，產(chǎn)品仍能滿足顧客的需求[3]。六西格瑪設計就是幫助你實現(xiàn)在提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的同時，降低成本和縮短研制周期的有效方法，具有很高的實用價值。每個新產(chǎn)品都是根據(jù)市場的需求而開發(fā)的，作為DFSS，公司首先是把市場需求轉化為產(chǎn)品信息（性能、外觀、成本等），然后轉化為設計研發(fā)信息（功能、外觀和零部件等）。但是設計出來的產(chǎn)品還必須具有可生產(chǎn)性，因而設計的信息將由工程部轉化為生產(chǎn)信息（如生產(chǎn)工藝等），最后生產(chǎn)出來的產(chǎn)品是由相關部門進行質(zhì)量控制，也就是需要有質(zhì)量控制標準[4]。設計六西格瑪方法可以為研發(fā)人員理清思路、科學決策并有針對性地進行產(chǎn)品優(yōu)化，因此被國內(nèi)、外企業(yè)研發(fā)設計人員普遍采用。

1、DFSS流程

六西格瑪設計則是從客戶需求出發(fā)，按照合理的流程，運用適合的工具，對產(chǎn)品設計過程中的各項數(shù)據(jù)進行分析處理，尋找最優(yōu)的方案設計方法；通過創(chuàng)成式的產(chǎn)品設計方法提高產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性。DFSS是在設計階段提升產(chǎn)品質(zhì)量水平，減少產(chǎn)品在定型后發(fā)生更改帶來的損失，降低產(chǎn)品后續(xù)控制風險。

DFSS流程目前還沒有固定模式，至今已提出的DFSS模式包括：DMADV（即定義、測量、分析、設計、驗證）、DIDOV（即定義、識別、設計、優(yōu)化、驗證）等。這些流程模式在階段區(qū)分上雖有差異，但所運用的工具、方法、過程大同小異；設計方法論兩種方法（DMADV、DIDOV）及改進方法輪（DMAIC）三者之間的關系及過程如下圖1所示：

本文主要運用DMADV流程進行產(chǎn)品設計改進應用，流程中各階段的工作內(nèi)容及需要解決的問題如表1所示。

表1 DMADV流程各階段

2、DFSS應用

2.1 定義階段

2.1.1 關鍵質(zhì)量特性（CTQ）

通過對市場上客戶報怨（客戶聲音）進行收集，共收集客戶聲音(VOC)有三條，并對三條VOC進行轉化明確梳理出6條客戶需求，對VOC進行識別轉化為客戶的需求（CCR），并根據(jù)CCR識別出推力的CTQ,如圖2所示，推力桿故障率低、性能要好、可靠度要高三者呈正相關所以只需降低推力桿故障率其它兩個CTQ將同時變好，所以本項目主要目標為降低推力相的故障率，也即本項目的Y為推力桿故障率，下文將對Y進行更加明確的說明與定義。

2.1.2 項目目標的定義

本項目的目的在于降低推力桿的故障率故障率（Y），要降低故障率必須減少損壞數(shù)量，要減少損壞數(shù)量必須對故障模式其故障模式進行控制，經(jīng)過對售后數(shù)據(jù)的收集與分析推力桿故障模式主要有斷裂、損壞、異常磨損、開裂，且四者已占到總故障模式的87.7%，所以可將Y分解為y1（斷裂）、y2（損壞）、y3（磨損）、y4（開裂），通過對目標件的歷史數(shù)據(jù)分析，故障率降低50%為項目的目標。

2.2 測量階段

2.2.1 識別關鍵技術參數(shù)（X因子識別）

對在定義階段找出的4種故障模(y因子）式及6種表現(xiàn)形式進行分析，尋找與之相關的X因子，通過質(zhì)量功能展開（QFD）分析，見表2所示。

表2 QFD分析

從表中可看出影響Y的X因子有6個，分別為球銷座應力（X1）、球銷應力（X2）、推力桿安裝間隙（X3）、推力桿連接方式（X4）、球銷柄厚（X5）、桿身直徑（X6）；

2.2.2 FMEA分析

上面分析6個X因子，通過測量系統(tǒng)分析及過程能力分析，說明測量系統(tǒng)可靠，而過程能力仍有較大的改善空間，但X因子對推力桿整個系統(tǒng)影響的重要程度還不明了，下面通過FMEA分析對X因子進行篩選，同時尋找即時改善項目。

通過FMEA分析、篩選，共有7項因子對Y產(chǎn)生重要影響，對7項影響因子通過RPN值進行排序見表3，對大于125的項目采取措施，第6項及第7項可采取快贏措施進行更改，第5項RPN值小于100可暫時不考慮，其余項目需要更進一步的分析、設計。

表3 FMAE分析及因子篩選

2.3 分析階段

2.3.1 球銷座及球銷應力分析

用有限元建模分析后，發(fā)現(xiàn)推力桿的最大受力點的位置和市場退回的實物斷裂位置相同，致使推力桿球銷殼、球銷座根部、球銷柄根部成為推力桿上的最薄弱點之一；經(jīng)CAE分析，殼體仿竹節(jié)部位應力為305Mpa，殼體柄部應力為319.9MP，球銷柄部應力為308MPa（桿身方向施加135KN的力，垂直于桿身方向尾部施加5KN的力，該力是推力桿在極限扭轉角15°情況下根據(jù)球銷的扭轉特性曲線扭轉15°所需力矩換算而來），如圖3所示。通過分析發(fā)現(xiàn)，要減小應力作用需增大殼體柄部圓弧過渡圓弧、殼體仿竹節(jié)部位過渡圓弧及球銷柄部過渡圓弧，確保其安全系數(shù)大于2。

2.3.2 推力桿安裝間隙

為了適應懸架系統(tǒng)在行車過程中的扭轉與擺動，推力桿的安裝必須有一定的活動間隙，理論上桿頭和支座還有0.5-1.5mm的間隙。由于球銷座為鍛造、托架為鑄件，所以外形尺寸公差，個體形差大；實車發(fā)現(xiàn)托架與球銷座的配合間隙過小、甚至已經(jīng)發(fā)生干涉，故增加其配合間隙可有效防止干涉。

2.4 設計階段

2.4.1 各部件詳細設計

根據(jù)分析階段的分析結果，需對球銷座及球銷進行重新設計、改進，減小應力的影響，對球銷、球銷座進行結構優(yōu)化、重新設計，進而減小應力集中；對球銷座桿從竹節(jié)式改為波浪式、增加加強筋及過渡圓弧以消除應力；對球銷從結構上消除尖角，增加涂層與金屬粘結面積，增大凸臺圓角，改進后的結構如圖4所示。

2.4.2 推力桿安裝間隙設計

要增加推力桿的安裝間隙需要從兩個方面入手，第一，更改托架尺寸，經(jīng)過小組討論，安裝孔高度更改會影響模具變化較大，因此對底座部分進行更改，減小托架底部安裝尺寸，增加安裝間隙，如圖所示；第二，減小球銷座尺寸，進一步增加間隙，球銷座尺寸由85減小到78，如圖5所示。

2.4.3 設計風險分析

通過以上的設計更改，設計思想的實現(xiàn)，會對產(chǎn)品、工藝、供應商等產(chǎn)生一系列的影響，所以需要對整個設計進行系統(tǒng)的驗證上。

2.5 驗證階段

2.5.1 技術可靠性驗證計劃

本項目對產(chǎn)品的驗證進行設計驗證、小批量驗證及后市場驗證三個階段；設計驗證過程采用CAE分析對設計的結果進行驗證；市場驗證為產(chǎn)品從小批量到批量過程的驗證；后市場驗證為產(chǎn)品批量投放到市場后，市場對產(chǎn)品的質(zhì)量反映。

2.5.2 設計驗證結果

要對整個系統(tǒng)進行設計驗證，必須了解懸架系統(tǒng)的真實受力情況，所以需對懸架系統(tǒng)進行標定，根據(jù)標定的結果確定輸入條件；經(jīng)過對球銷座及球銷進行CAE分析，結果顯示，球銷座加強筋部位最大應力為151.5MPa；探測球銷座桿處最大應力為184.8MPa，球銷探測最大應力為168MPa，如圖6所示，其設計安全系數(shù)大于2，達到了設計目標。

安裝間隙通過理論安裝間隙達到4mm，如圖7所示。有效的避免了推力桿安裝后干涉問題。

2.5.3 小批量驗證

通過設計驗證證明了各系統(tǒng)的設計達到了目標，但對推力桿整個系統(tǒng)仍需進行整車驗證，實車驗證可分為兩個部分；第一，通過試驗車進行驗證；第二，通過客戶進行實際工況驗證，通過對試驗車及客戶小批量車的跟蹤，未發(fā)現(xiàn)推力桿出現(xiàn)上面的問題，說明對推力桿的改進效果有效。

2.5.4 后市場驗證

連續(xù)收集6個月市場失效數(shù)據(jù)，從各月的失效數(shù)據(jù)可看出推力的故障率在不斷的下降，在第6個月時故障率下降了55.7%，改進效果達到了項目的預期目標。同時可將此項目的成果應用到類似的產(chǎn)品上。

3、結論

本文介紹了DFSS在的基本方法、流程以及在底盤部件產(chǎn)品設計中的實際應用，借助具體實例闡明了DFSS各階段的主要工作內(nèi)容。運用DFSS方法不僅能從根本提升產(chǎn)品質(zhì)量同時能滿足市場客戶需求。DFSS作為一種設計思想方法，對產(chǎn)品設計中具有很強有指導作用，加以靈活運用會取得更好好的效果。

[1] 劉臻青. 六西格瑪在門飾板側撞吸能塊設計中的應用[J].汽車工程師.2013（3）.

[2] 王向陽, 趙永昌,史國宏.基于六西格瑪設計的扭力梁后橋開發(fā)[J].上海汽車, 2013(06):13-24.

[3] 俞斌.六西格瑪設計方法在發(fā)動機懸置系統(tǒng)開發(fā)中的應用研究[C].[碩士學位論文集]上海：上海交通大學．2009.

[4] 馬彥輝，何楨. 基于QFD、TRIZ和DOE的DFSS集成模式研究[J]. 組合機床與自動化加工技術。2007(1)：17-20.

3.2 工況的構建

最終完成的重型半掛牽引車典型循環(huán)工況見圖2和圖3：

4、結論

（1）利用短行程劃分法，分析了比較了14個特征參數(shù)的值，并利用主成分分析法將14個指標轉化為相互獨立的4個綜合指標；

（2）利用聚類分析方法劃分工況種類，確立了兩種需建立的工況；

（3）于以上分類結果構建了兩種行駛工況，分別代表高速及擁擠工況；

（4）本文未考慮坡度的影響，后期擬增加坡度與車速聯(lián)合構建路譜，貼近真實工況。

參考文獻

[1] 劉延林，鄧陽慶．自卸車循環(huán)工況研究[J].汽車工程．2009(10)：963—965．

[2] 李友文，石琴，姜平．基于馬爾科夫過程的行駛工況構建中數(shù)據(jù)處理與分析[J]．合肥工業(yè)大學學報，2010．04：18-21.

[3] 張志涌等編著．精通MATLAB6．5版[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2003．3.

[4] 馬志雄，朱西產(chǎn)．動態(tài)聚類法在車輛實際行駛工況開發(fā)中的應用[J]．武漢理工大學學報，2005．11：69-71.

The application research of DFSS in the parts design of vehicle chassis

Zhang Wei, Cui Jiqiang, ShangGuan Wangyi, Yang Yinhui
(Shaanxi Heavy Duty Automobile CO. Ltd., Shaanxi Xi'an 710200)

In this paper, Starting from the basic principle and the process of DFSS; The application of DFSS are discussed in the parts of vehicle chassis。A detailed description of the application process by improving the thrust rod; The results show that, the method can not only radically improve product quality, but also meet the demand of customers. DFSS is a design approach, which can effectively guide the entire process of product design.

DFSS；Parts of commercial vehicle chassis；Thrust rod

U463.1

A

1671-7988(2015)01-89-04

張偉，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院。