（上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州 545007）

0 引言

近年來，隨著我國(guó)汽車工業(yè)的快速發(fā)展，汽車保有量持續(xù)增加，由此帶來能源緊張問題日趨突出，并且?guī)硖寂欧怒h(huán)境問題。為應(yīng)對(duì)能源與環(huán)境問題，政府制定了越來越嚴(yán)格的燃料消耗量標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)。歐、美、日等汽車工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)和國(guó)家，在新能源汽車還未完全普及之時(shí)，都采用新技術(shù)提高燃油車的燃油經(jīng)濟(jì)性。其中，輕量化是降低油耗的重要技術(shù)方向之一。

1 六西格瑪設(shè)計(jì)的概念

六西格瑪設(shè)計(jì)（Design For Six Sigma，簡(jiǎn)稱DFSS)就是按照合理的流程，運(yùn)用科學(xué)的方法準(zhǔn)確理解和把握顧客需求，對(duì)產(chǎn)品和流程進(jìn)行穩(wěn)健設(shè)計(jì)[1]。六西格瑪設(shè)計(jì)不僅僅是一個(gè)合理的流程，其本身還是一個(gè)龐大的工具箱。工具箱中常見工具如：定義樹、客戶聲音搜集法、親和圖、魚骨圖、頭腦風(fēng)暴、質(zhì)量屋、四盒模型、假設(shè)檢驗(yàn)、卡諾模型、普氏分析、數(shù)學(xué)建模、決策矩陣、參數(shù)圖、萃智、正交設(shè)計(jì)及CAE分析等。利用這些工具，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)可以使決策更科學(xué)、設(shè)計(jì)效率更高。

本文介紹了實(shí)際工作中的一個(gè)項(xiàng)目案例，通過采用美國(guó)供應(yīng)商學(xué)會(huì)總裁喬杜里先生的六西格瑪設(shè)計(jì)流程（IDDOV，即識(shí)別、定義、研發(fā)、優(yōu)化和驗(yàn)證），運(yùn)用六西格瑪設(shè)計(jì)工具箱中的二八定律、決策矩陣、質(zhì)量屋、魚骨圖、普氏分析、數(shù)學(xué)建模以及參數(shù)圖等工具，對(duì)汽車內(nèi)飾門飾板進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

2 項(xiàng)目設(shè)計(jì)開發(fā)流程和方案

2.1 識(shí)別階段（I）

識(shí)別階段主要通過運(yùn)用“二八定律”縮小研究對(duì)象的范圍，以及開發(fā)“面密度”指標(biāo)確定減重目標(biāo)值。

2.1.1 確定研究對(duì)象

對(duì)正在開發(fā)項(xiàng)目進(jìn)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”的原則，選定了某平臺(tái)車型的門飾板產(chǎn)品作為研究對(duì)象。門飾板下級(jí)子零件數(shù)量眾多，共有35個(gè)，需要進(jìn)一步縮小研究對(duì)象范圍。根據(jù)“二八定律”，推斷出“20%的子零件質(zhì)量將占總成質(zhì)量的80%”。因此將子零件分類14個(gè)子類，按質(zhì)量由低到高進(jìn)行排序。選取占總成質(zhì)量82%的前6名子類零件作為研究對(duì)象（圖1），研究對(duì)象的數(shù)量由35個(gè)縮小至6個(gè)：左前門扶手、左前門內(nèi)開拉手框蓋板、左前門中飾板、左前門上飾板、左前門雜物盒和左前門下飾板。

圖1 零件爆炸圖和子零件重量排序

2.1.2 確定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

通過相同零件行業(yè)對(duì)標(biāo)分析發(fā)現(xiàn)，不同車型的門飾板總成質(zhì)量存在巨大差異。但由于存在配置、零件尺寸、材質(zhì)、型面和結(jié)構(gòu)等干擾因素，需要確定一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)來評(píng)價(jià)各門飾板輕量化水平高與低。通過頭腦風(fēng)暴工具，產(chǎn)生了材質(zhì)密度、面密度等新的評(píng)價(jià)指標(biāo)。運(yùn)用決策矩陣工具（表1），對(duì)3種評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行打分評(píng)價(jià)，篩選出最優(yōu)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

權(quán)重和權(quán)值均按5擋：1分（非常不重要/劣）、3分（不重要/差）、5分（一般/中）、7分（重要/好）和9分（非常重要/優(yōu)），分值為權(quán)重與權(quán)值之積，各評(píng)價(jià)指標(biāo)的得分總分為各評(píng)價(jià)項(xiàng)分值之和。按總分排序，面密度（336分）最大，材質(zhì)密度（318分）居中，總質(zhì)量（288分）最小，面密度指標(biāo)得分為最高，即為評(píng)價(jià)指標(biāo)選定為面密度。

按選定的面密度指標(biāo)將對(duì)標(biāo)車進(jìn)行重新評(píng)價(jià)，通過數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)產(chǎn)車型的門飾板質(zhì)量與行業(yè)存在差異。按行業(yè)平均值，設(shè)定該項(xiàng)目的目標(biāo)，即面密度目標(biāo)值≤1.8 kg/m2（表2）。

表1 決策矩陣

表2 項(xiàng)目目標(biāo)定義

2.2 定義階段（D）

定義階段首先收集顧客聲音，然后將顧客聲音進(jìn)行分類，將分類后的顧客聲音轉(zhuǎn)化為具體的工程技術(shù)指標(biāo)。

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(duì)此產(chǎn)品的顧客聲音。由產(chǎn)品工程師、市場(chǎng)工程師、采購(gòu)工程師、標(biāo)準(zhǔn)工程師、色彩工程師以及產(chǎn)品規(guī)劃工程師等組成專家評(píng)審團(tuán)隊(duì)。由專家評(píng)審團(tuán)隊(duì)整理篩選出與輕量化項(xiàng)目有關(guān)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、耐用和法規(guī)等方面。

2.2.2 制定工程技術(shù)要求

運(yùn)用質(zhì)量屋工具，將顧客聲音轉(zhuǎn)化為工程技術(shù)要求。將顧客的聲音列在質(zhì)量屋的左墻，由專家團(tuán)隊(duì)針對(duì)顧客聲音權(quán)重進(jìn)行打分，按5分制打分，數(shù)值越高越重要。然后采用多重投票法對(duì)分值進(jìn)行投票，得票最多的分值，為最終分值。

列出門飾板零件的完整工程技術(shù)要求，并將其分類整理，列在天花板上。將顧客聲音和技術(shù)特性關(guān)聯(lián)性也按5分制打分，數(shù)值越高關(guān)聯(lián)性越強(qiáng)，分值填寫在房間里。在地下室標(biāo)出本產(chǎn)品和對(duì)標(biāo)車的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)性能；在天花板上識(shí)別出技術(shù)特性之間的正相關(guān)還是負(fù)相關(guān)。根據(jù)重要度與關(guān)聯(lián)性之積排序，識(shí)別出該項(xiàng)目重要的技術(shù)指標(biāo)為開發(fā)周期、模具更改量和原材料收縮率，并將重要的技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)目標(biāo)達(dá)到最好，其余技術(shù)指標(biāo)達(dá)到行業(yè)平均水平（圖2）。

通過天花板可以看出，開發(fā)周期和與模具更改量、原材料收縮率存在正相關(guān)。原材料收縮率為非常重要的技術(shù)指標(biāo)，對(duì)零件重量、開發(fā)周期、模具更改量、原材料彎曲模量、可靠性要求和剛度要求等存在正相關(guān)，需要重點(diǎn)關(guān)注。

把識(shí)別出的工程技術(shù)指標(biāo)，一一列出并明確驗(yàn)證方式（表3）。

2.3 開發(fā)階段（D）

開發(fā)階段主要工作是開發(fā)各種概念方案，并通過運(yùn)用普氏分析工具，優(yōu)化和選定概念方案。

2.3.1 分析影響零件質(zhì)量的因素

圖2 質(zhì)量屋

運(yùn)用魚骨圖從“人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)”6方面對(duì)影響零件質(zhì)量的因素進(jìn)行分析（圖3），模具和原材料為影響零件質(zhì)量的主要因素，操作工、工藝參數(shù)、環(huán)境及測(cè)量工具等對(duì)產(chǎn)品的影響為次要因素，次要因素不做研究。模具主要影響產(chǎn)品的體積V，原材料決定了產(chǎn)品的密度ρ，而零件的質(zhì)量M等于體積V與密度之乘積。因此，質(zhì)量的研究參數(shù)集中在體積V和密度ρ這兩個(gè)方面。

2.3.2 對(duì)原材料排序

將識(shí)別附件選定的研究對(duì)象進(jìn)行拆分至原材料級(jí)別，按質(zhì)量量占比將原材料排序。由于改性PP類原材料占總質(zhì)量的78.9%，接近80%，按二八定律，將研究對(duì)象進(jìn)一步縮小為改性PP類原材料（圖4）。

2.3.3 優(yōu)化的概念方向分析

通過2.3.1分析，可建立數(shù)學(xué)模型：

M=V×ρ

式中 M——原材料的質(zhì)量

V——產(chǎn)品的體積

ρ——產(chǎn)品的密度

圖3 魚骨圖

圖4 各材料質(zhì)量占比餅圖

表3 工程指標(biāo)要求匯總

對(duì)上述模型分析，存在5種優(yōu)化的概念方案：降低體積、降低密度、同時(shí)降低體積和密度、大幅度降低密度和小幅度提升體積以及小幅度提升密度和大幅度降低體積。針對(duì)5種概念方案進(jìn)行細(xì)化分析，篩選出目前可執(zhí)行的4個(gè)概念方向：搭接結(jié)構(gòu)、筋條、料厚和礦物含量（圖5）。

圖5 概念方向分析圖

2.3.4 對(duì)概念方案優(yōu)化

將4個(gè)可選的概念方向進(jìn)行組合，形成3個(gè)概念方案。方案1，減小體積方案,即減小搭接結(jié)構(gòu)、降低料厚和減少筋條；方案2，降低原材料密度方案，即降低礦物含量；方案3，方案1和方案2的組合。運(yùn)用普氏分析對(duì)概念方案進(jìn)行對(duì)比優(yōu)化，方案1為基礎(chǔ)方案，方案2和3分別與基礎(chǔ)方案對(duì)比，工程指標(biāo)為評(píng)價(jià)項(xiàng)目，比基礎(chǔ)方案“好”、“差”和“相同”的分別標(biāo)記為“+”、“-”和“S”（圖6）。

圖6 普氏分析

由于方案1和方案3都需要修改模具或重新開模來達(dá)到減小零件體積，而方案2無需更改模具，所以方案2與方案1和方案3相比，在模具成本和時(shí)間兩方面有優(yōu)勢(shì)，也即在該項(xiàng)目限制條件下，方案2的“好”項(xiàng)最多，為最合適的方案。另外，在其他新項(xiàng)目開發(fā)時(shí)，由于模具本來就需要重新制造，減小產(chǎn)品體積方案無需新增模具成本，那么，方案3將會(huì)是最優(yōu)方案。

2.4 優(yōu)化階段（O）

2.4.1 建立參數(shù)圖

根據(jù)選定的概念方案，繪制參數(shù)圖（圖7），控制因子為礦物含量。由于現(xiàn)有成熟原材料的礦物含量總共有5個(gè)水平，利用現(xiàn)有材料，控制水平選擇5 個(gè)，礦物含量分別為20%（A1）、15%（A2）、10%（A3）、5%（A4）和0%（A5）。響應(yīng)為原材料的彎曲模量、原材料密度和原材料收縮率。當(dāng)這些響應(yīng)指標(biāo)不達(dá)標(biāo)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)外觀等級(jí)不達(dá)標(biāo)、間隙面差不合格、質(zhì)量不達(dá)標(biāo)以及剛度和可靠性不符合技術(shù)要求等癥狀。

圖7 參數(shù)圖

2.4.2 建立數(shù)模模型

根據(jù)參數(shù)圖，建立數(shù)模模型（圖8）[2]。目標(biāo)是要密度ρ最小，限制條件為原材料彎曲模量F和原材料收縮率C。由定義階段識(shí)別出的工程指標(biāo)可知，原材料彎曲模量F要求≥1 500 MPa，原材料收縮率C要與現(xiàn)在的模具收縮率0.9%相同，即C=0.9%。

圖8 數(shù)學(xué)模型

2.4.3 繪制控制因子水平選擇圖

根據(jù)不同控制因子水平的原材料特性，繪制圖表（圖9）。按照數(shù)學(xué)模型進(jìn)行選擇，在滿足彎曲模量F≥1 500 MPa可選區(qū)域之內(nèi)的原材料控制因子水平有A1、A2、A3和A4，收縮率范圍與收縮率0.9%直線相交的原材料控制因子為A1、A2和A3。因此，同時(shí)滿足彎曲模量和收縮率兩個(gè)條件的原材料控制因子為A1、A2和A3。這3種原材料的密度ρ最小的為A3，故目前條件下原材料的礦物含量控制因子水平選擇為A3水平，也即礦物含量最優(yōu)選擇為10%。

圖9 控制因子水平選擇圖

2.5 確認(rèn)階段（V）

將最終選定的A3原材料方案進(jìn)行試制、驗(yàn)證，確認(rèn)的方案驗(yàn)證結(jié)果、項(xiàng)目達(dá)成情況以及總結(jié)和其他研究。

2.5.1 驗(yàn)證優(yōu)化方案

按照優(yōu)化階段選定的原材料進(jìn)行試制、驗(yàn)證，產(chǎn)品最終減重0.23 kg，面密度達(dá)到目標(biāo)值1.8 kg/m2,其余性能也滿足工程指標(biāo)要求（圖10）。

圖10 驗(yàn)證結(jié)果

2.5.2 項(xiàng)目之外的研究：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化

如2.3.4所述，由于目前項(xiàng)目的條件所限，選擇了概念方案2進(jìn)行實(shí)施。但如果是全新設(shè)計(jì)項(xiàng)目，那么概念方案3才為最優(yōu)方案，也即除了上述在原材料密度優(yōu)化之外，還需要在產(chǎn)品體積上進(jìn)行優(yōu)化。為此，在項(xiàng)目結(jié)束之后，也在該產(chǎn)品上從減少產(chǎn)品體積方面進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，以確認(rèn)技術(shù)可行性。

例如，地圖袋通過優(yōu)化搭接結(jié)構(gòu)，質(zhì)量減輕0.04 kg，CAE驗(yàn)證分析剛度，滿足產(chǎn)品工程技術(shù)要求。通過這種減少產(chǎn)品體積方案（減少零件搭接結(jié)構(gòu)寬度、減少筋條以及優(yōu)化產(chǎn)品壁厚）加上CAE分析驗(yàn)證的優(yōu)化方法，又在門下飾板、門中飾板和門上飾板等零件進(jìn)行體積優(yōu)化，使門飾板整體減重0.15 kg，技術(shù)上可行。

3 結(jié)束語

針對(duì)汽車零部件輕量化設(shè)計(jì)問題，結(jié)合DFSS理論，采用IDDOV流程分階段分析解決問題，并運(yùn)用DFSS工具箱解決各階段具體問題。其中，識(shí)別階段運(yùn)用二八定律選定研究對(duì)象，采用決策矩陣確定評(píng)價(jià)指標(biāo)；定義階段運(yùn)用質(zhì)量屋將顧客聲音轉(zhuǎn)化為工程指標(biāo)；開發(fā)階段采用魚骨圖識(shí)別出影響重量的關(guān)鍵因素，運(yùn)用數(shù)學(xué)模型分析、普低分析開發(fā)概念方案；優(yōu)化階段采用參數(shù)圖、數(shù)學(xué)建模等工具選定最優(yōu)參數(shù)控制水平；驗(yàn)證階段針對(duì)最終產(chǎn)品進(jìn)行工程驗(yàn)證，完成該門飾板產(chǎn)品的減重目標(biāo)，提高顧客滿意度。此IDDOV的分階段工作流程步驟以及開發(fā)階段形成的概念方案，可為其他零部件輕量化設(shè)計(jì)提供參考。