陳小龍，盧國成，杜長虹，孫生，吳紹軍

（長安新能源汽車科技有限公司，重慶 401120）

前言

效率是減速器的關(guān)鍵性能指標(biāo)，減速器效率的高低直接影響電動汽車的里程。然而影響減速器效率的因子較多，因此需要一套科學(xué)的工具和管理方法進行流程的設(shè)計和改善，有效識別關(guān)鍵因子，提升減速器效率。6sigma 是以顧客為主體來確定產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計的標(biāo)尺，追求持續(xù)進步的一種管理哲學(xué)，并提供一套科學(xué)的工具和管理方法；設(shè)計開發(fā)運用DFSS的過程進行流程的設(shè)計和改善[1]。本文基于6sigma DFSS 的IDOV 流程對減速器效率關(guān)鍵影響因子進行研究。

1 I 階段Identify

產(chǎn)品設(shè)計希望得到理想的市場輸入和用戶需求，這對產(chǎn)品系統(tǒng)開發(fā)至關(guān)重要。成功的企業(yè)強調(diào)顧客期待事項、研究顧客要求，按顧客標(biāo)準(zhǔn)管理、測定品質(zhì)和建立品質(zhì)管理。6sigma DFSS 明確了客戶需求分析分為3 個步驟（圖1）：步驟1：確認客戶之聲的收集對象；步驟2：聆聽客戶之聲（VOC）；步驟3：把顧客之聲轉(zhuǎn)換成關(guān)鍵客戶需求（IR-RS）。

圖1 客戶需求分析步驟

企業(yè)立項開發(fā)高性能減速器用于純電動汽車后驅(qū)布置，整車NEDC 續(xù)航里程設(shè)計600kM。根據(jù)整車重量、風(fēng)阻系數(shù)、滾阻系數(shù)等計算分解減速器NEDC 效率目標(biāo)≥95.5%。減速器A0 樣機效率測試（圖2）距設(shè)計目標(biāo)值差3.07%。按6Sigma DFSS 客戶需求分析的3 個步驟識別。步驟1：確定企業(yè)內(nèi)部性能總師、外部市場用戶為客戶之聲的收集對象；步驟2：聆聽客戶之聲，內(nèi)部性能總師之聲達到目標(biāo)要求，市場用戶之聲是續(xù)航里程長、省電；步驟3：顧客之聲轉(zhuǎn)換成關(guān)鍵客戶需求為減速器NEDC 效率≥95.5%。因此將內(nèi)部和外部客戶需求轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品需求規(guī)格：減速器NEDC 效率≥95.5%。

圖2 減速器A0 樣機效率Map

2 D 階段Develop

2.1 功能分析

顧客購買的產(chǎn)品的動力是對產(chǎn)品各種功能的需求。因此，產(chǎn)品功能開發(fā)與設(shè)計是首選考慮，也是產(chǎn)品設(shè)計的核心。減速器的功能是將電機動力通過齒輪組減速增扭后傳遞至半軸驅(qū)動車輛行駛，同時克服動力傳遞過程中的阻力損失（圖3）。

圖3 減速器傳動路線

2.2 確定影響因子

依據(jù)效率理論，結(jié)合減速器傳動結(jié)構(gòu)，建立減速器傳動效率函數(shù)[2]：

圖4 減速器傳動結(jié)構(gòu)

式中：

Tdi——輸入扭矩；Tdo——輸出扭矩；

i1——1 級傳比；i2——2 級傳比；

ΔT1——輸入軸扭矩損失；ΔT2——中間軸扭矩損失；

ΔT3——輸出軸扭矩損失。

減速器參數(shù)Tdi、i1、i2由整車性能匹配為常數(shù)，通過減速器效率函數(shù)進行敏感度分析，分析結(jié)果“相同扭矩損失條件下，ΔT1、ΔT2、ΔT3效率損失比值為i1×i2：i2：1”。由此可見ΔT1、ΔT2對效率最敏感。

對引起扭矩損失ΔT1、ΔT2的影響因素進行分析，根據(jù)設(shè)計、生產(chǎn)可控制、低成本原則，識別出影響ΔT1、ΔT2的4 個關(guān)鍵因子（見表1）。

表1 減速器效率影響關(guān)鍵因子

2.3 關(guān)鍵參數(shù)相關(guān)性分析

滿足油封密封、軸承壽命[3]、齒輪強度、潤滑的條件下，確定影響因子X 的水平范圍，建立減速器效率仿真的CAE模型（圖5），依據(jù)ISO 14179 標(biāo)準(zhǔn)對CAE 模型進行標(biāo)定，CAE 仿真精度98.3%，滿足CAE 評價要求。

圖5 減速器效率CAE 模型

2.3.1 DOE 設(shè)計

根據(jù)4 項關(guān)鍵影響因子，提出4 因子2 水平，3 個中心點采用全因子試驗設(shè)計，通過Minitab 生成DOE 試驗組合，并通過減速器效率CAE 模型計算出響應(yīng)量變化Y（見表2）[4]。

表2 DOE 試驗仿真結(jié)果

2.3.2 DOE 分析

根據(jù)分析結(jié)果P 值＞0.05，需要簡化模型，消除非顯著項目。借助因子效應(yīng)柏拉圖，從P 值最大的最高階項開始，逐步刪除P 值大于0.05 的項，重新進行分析（圖6）得到以下結(jié)論：①P＜0.05，回歸方程有意義；②X 2、X3、X4 為顯著因子；③三因子之間沒有顯著的交互作用。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)的正態(tài)圖

殘差圖（圖7）呈正態(tài)分析，模型可用，回歸方程Y=1.03-4.4*10-5*X2-3.55*10-4*X3-1.54*10-3*X4有效。

圖7 殘差圖

3 O 階段Optimize

減速器效希望越高越好，為望大特性；目標(biāo)選擇為最大化；基于Mintab 響應(yīng)優(yōu)化器進行最優(yōu)解求解（圖8）。

圖8 響應(yīng)優(yōu)化器求解

選取X2、X4兩個參數(shù)隨機生成正態(tài)分布的2000個數(shù)據(jù)，進行蒙特卡洛分析評估過程能力。調(diào)整公差范圍直至1.67＜PPK＜2（圖9），避免出現(xiàn)過度設(shè)計和過程能力不足。

圖9 蒙特卡洛分析過程

4 V 階段Verify

效率測量系統(tǒng)“測試臺架精度±0.5‰，2020/4/15 校準(zhǔn)，有效期2 年”評估滿足效率測試要求。按O 階段分析結(jié)果和公差制作樣機，樣機狀態(tài)確認（表3）無問題后開展減速器效率測試。

表3 測試樣機參數(shù)表

對測試數(shù)據(jù)整理成效率Map 圖（圖10），基于目標(biāo)車型進行計算，計算結(jié)果NEDC 效率96%，達成Y≥95.5%目標(biāo)要求。

圖10 優(yōu)化后的效率測試Map 圖

5 結(jié)論

本文基于6sigma DFSS 的設(shè)計IDOV 流程對減速器效率影響因素進行研究，通過DOE 設(shè)計與分析，結(jié)合CAE 效率模型仿真，優(yōu)化試驗組合，快速識別出效率影響顯著因子，減少了試驗次數(shù)和費用；建立了效率Y 與顯著因子X 關(guān)系的回歸方程；利用響應(yīng)優(yōu)化器求得減速器效率顯著因子的最優(yōu)解，并通過蒙特卡洛方法對公差設(shè)計的過程能進行了分析，設(shè)置了合理公差。按優(yōu)化的結(jié)果制作樣機效率測試驗證，NEDC 效率提升3.57%。

按6sigam DFSS IDOV 流程展示了基于減速器效率提升完整過程，為產(chǎn)品開發(fā)過程的性能提升提供了一套高效的分析方法，同時也為減速器效率提升提供了理論基礎(chǔ)和工程實踐經(jīng)驗。