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        基于6sigma 的減速器效率提升

        2021-06-26 07:23:06陳小龍盧國(guó)成杜長(zhǎng)虹孫生吳紹軍
        汽車實(shí)用技術(shù) 2021年11期
        關(guān)鍵詞:樣機(jī)減速器扭矩

        陳小龍,盧國(guó)成,杜長(zhǎng)虹,孫生,吳紹軍

        (長(zhǎng)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(dòng)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(jìn)行流程的設(shè)計(jì)和改善,有效識(shí)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(jì)的標(biāo)尺,追求持續(xù)進(jìn)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(jì)開發(fā)運(yùn)用DFSS的過程進(jìn)行流程的設(shè)計(jì)和改善[1]。本文基于6sigma DFSS 的IDOV 流程對(duì)減速器效率關(guān)鍵影響因子進(jìn)行研究。

        1 I 階段Identify

        產(chǎn)品設(shè)計(jì)希望得到理想的市場(chǎng)輸入和用戶需求,這對(duì)產(chǎn)品系統(tǒng)開發(fā)至關(guān)重要。成功的企業(yè)強(qiáng)調(diào)顧客期待事項(xiàng)、研究顧客要求,按顧客標(biāo)準(zhǔn)管理、測(cè)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(gè)步驟(圖1):步驟1:確認(rèn)客戶之聲的收集對(duì)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(xiàng)開發(fā)高性能減速器用于純電動(dòng)汽車后驅(qū)布置,整車NEDC 續(xù)航里程設(shè)計(jì)600kM。根據(jù)整車重量、風(fēng)阻系數(shù)、滾阻系數(shù)等計(jì)算分解減速器NEDC 效率目標(biāo)≥95.5%。減速器A0 樣機(jī)效率測(cè)試(圖2)距設(shè)計(jì)目標(biāo)值差3.07%。按6Sigma DFSS 客戶需求分析的3 個(gè)步驟識(shí)別。步驟1:確定企業(yè)內(nèi)部性能總師、外部市場(chǎng)用戶為客戶之聲的收集對(duì)象;步驟2:聆聽客戶之聲,內(nèi)部性能總師之聲達(dá)到目標(biāo)要求,市場(chǎng)用戶之聲是續(xù)航里程長(zhǎng)、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(jī)效率Map

        2 D 階段Develop

        2.1 功能分析

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

        圖3 減速器傳動(dòng)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(dòng)結(jié)構(gòu),建立減速器傳動(dòng)效率函數(shù)[2]:

        圖4 減速器傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

        式中:

        Tdi——輸入扭矩;Tdo——輸出扭矩;

        i1——1 級(jí)傳比;i2——2 級(jí)傳比;

        ΔT1——輸入軸扭矩?fù)p失;ΔT2——中間軸扭矩?fù)p失;

        ΔT3——輸出軸扭矩?fù)p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(jìn)行敏感度分析,分析結(jié)果“相同扭矩?fù)p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(duì)效率最敏感。

        對(duì)引起扭矩?fù)p失ΔT1、ΔT2的影響因素進(jìn)行分析,根據(jù)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)可控制、低成本原則,識(shí)別出影響ΔT1、ΔT2的4 個(gè)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(qiáng)度、潤(rùn)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(duì)CAE 模型進(jìn)行標(biāo)定,CAE 仿真精度98.3%,滿足CAE 評(píng)價(jià)要求。

        圖5 減速器效率CAE 模型

        2.3.1 DOE 設(shè)計(jì)

        根據(jù)4 項(xiàng)關(guān)鍵影響因子,提出4 因子2 水平,3 個(gè)中心點(diǎn)采用全因子試驗(yàn)設(shè)計(jì),通過Minitab 生成DOE 試驗(yàn)組合,并通過減速器效率CAE 模型計(jì)算出響應(yīng)量變化Y(見表2)[4]。

        表2 DOE 試驗(yàn)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(jiǎn)化模型,消除非顯著項(xiàng)目。借助因子效應(yīng)柏拉圖,從P 值最大的最高階項(xiàng)開始,逐步刪除P 值大于0.05 的項(xiàng),重新進(jìn)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(jìn)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(gè)參數(shù)隨機(jī)生成正態(tài)分布的2000個(gè)數(shù)據(jù),進(jìn)行蒙特卡洛分析評(píng)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(jì)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(cè)量系統(tǒng)“測(cè)試臺(tái)架精度±0.5‰,2020/4/15 校準(zhǔn),有效期2 年”評(píng)估滿足效率測(cè)試要求。按O 階段分析結(jié)果和公差制作樣機(jī),樣機(jī)狀態(tài)確認(rèn)(表3)無問題后開展減速器效率測(cè)試。

        表3 測(cè)試樣機(jī)參數(shù)表

        對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)整理成效率Map 圖(圖10),基于目標(biāo)車型進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果NEDC 效率96%,達(dá)成Y≥95.5%目標(biāo)要求。

        圖10 優(yōu)化后的效率測(cè)試Map 圖

        5 結(jié)論

        本文基于6sigma DFSS 的設(shè)計(jì)IDOV 流程對(duì)減速器效率影響因素進(jìn)行研究,通過DOE 設(shè)計(jì)與分析,結(jié)合CAE 效率模型仿真,優(yōu)化試驗(yàn)組合,快速識(shí)別出效率影響顯著因子,減少了試驗(yàn)次數(shù)和費(fèi)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(duì)公差設(shè)計(jì)的過程能進(jìn)行了分析,設(shè)置了合理公差。按優(yōu)化的結(jié)果制作樣機(jī)效率測(cè)試驗(yàn)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(shí)也為減速器效率提升提供了理論基礎(chǔ)和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

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