基于DFMEA的汽車風噪性能開發應用

付年, 劉任權

(1.上汽通用五菱汽車股份有限公司， 廣西 柳州 545007；2.柳州鎧玥科技有限公司， 廣西 柳州 545007)

現代汽車的風噪是車輛在高速行駛時車內噪聲的主要表現，是客戶購車時體驗的一項主要感知性能。針對整車風噪，開發過程中不僅需要在前期對造型進行約束，還需要對風噪相關零部件進行結構設計。風噪性能開發中，如果將設計失效模式及后果分析(Design Failure Mode and Effects Analysis，DFMEA)作為質量預防管控工具，可在早期發現并預防潛在問題的發生，通過分析風噪性能相關產品設計要素的失效模式、后果及原因，找到降低風噪的改進措施，從而降低質量風險，避免付出更多成本。該文以某款外觀全新設計、底盤為平臺化的車型為研究對象，通過DFMEA工具的應用，對風噪性能開發過程進行閉環控制，實現整車風噪性能目標。

1 DFMEA工具在整車風噪開發中的結構

風噪性能開發中的任何疏漏都可能在不同程度上影響顧客的使用舒適性，風噪性能開發同樣強調在前期預防質量風險。

1.1 DFMEA簡介

DFMEA是一個設計概念形成之前應用的一種風險分析方法。作為風險評估工具，DFMEA是一種識別潛在影響嚴重性的方法，并為采取減輕風險的措施提供輸入，在盡可能避免失效發生的情況下實現其設計功能。

DFMEA的框架結構主要分為5個部分，分別為組織機構建立和團隊會議記錄、調研以往的失效模式、系統框圖、功能關系矩陣圖和DFMEA表格，其中DFMEA表格為核心內容(見圖1)。

圖1 DFMEA工具過程簡圖

1.2 DFMEA在整車風噪性能開發中的應用框架

整車風噪開發和整車項目開展同步。從項目啟動直到產品批量上市，一般需經歷項目立項、項目啟動、設計凍結、試生產、批量上市等重大節點。其中：項目啟動之前到造型凍結是風噪外形約束條件與造型溝通的時期，也是控制與車身外觀相關的風激噪聲的階段；之后外造型凍結，進入審核數據階段，這也是控制密封與隔音性能的階段；后續則對風噪性能進行驗證與改進。

DFMEA工具與項目開發過程的結合可歸納為規劃、實施、維護3個階段，在項目中的開展時機見圖2。

圖2 DFMEA在風噪開發中的應用簡圖

(1) 規劃階段。首先是創建團隊，完成對以往項目中失效模式的收集、原因分析和記錄，并將與造型和零部件相關的要求輸入給責任人。同時定義DFMEA分析范圍和邊界條件，完成風噪系統框圖創建和功能關系矩陣。

(2) 實施階段。該階段主要是對T2數據進行CAE分析和數據審核，體現在DFMEA表中的現有設計控制內容及探測度、失效模式分析。這部分是DFMEA的主要內容。

(3) 維護階段。 該階段保持對DFMEA的持續關注及更新，并將后續解決的實車風噪問題更新到DFMEA進行歸檔。

2 基于DFMEA的風噪閉環控制方法

目前，DFMEA已在汽車行業得到較廣泛的應用，但在整車性能開發中應用較少，主要原因是未將DFMEA和研發階段的開發流程緊密結合，沒有發揮DFMEA預防控制的作用。由于整車風噪控制牽涉到造型和較多零部件，而對風噪的要求只是其中一部分，將相關零部件按照系統框圖劃分的重要度順序依次進行分析、預防。

2.1 第一個閉環：前期規劃及要求輸入階段

DFMEA的第一個閉環活動發生在項目立項后不久，也就是T1階段A面數據的發布。因為與整車風噪相關的造型在前期都會有不同程度的體現。

這一階段的目的是保證主要失效模式能及時被識別出來，并能有效地將對造型的約束傳遞給造型設計人員，預防后續造型出現對風噪不利的重大失效模式。這個不是DFMEA表格的直接內容，卻體現在DFMEA工具第五部分的表格中的要求/規范欄里。在編寫DFMEA之前，這部分工作就是項目開發中風噪要求的輸入。在這份要求輸入的文件里，除對造型的要求外，還有對工程區域的要求，如對聲學包材料使用、密封配置及尺寸的要求。這是風噪性能開發中除性能目標文件外最重要的部分。

項目啟動后，通知與風噪相關的人員，依據對風噪影響的嚴重程度建立組織結構。這是DFMEA的第一部分內容。工作團隊里一般除主導DFMEA的NVH(噪聲、振動與聲振粗糙度)工程師外，還需合適的接口工程師，如造型管理工程師、質量工程師、產品工程師，如負責外后視鏡、車門密封條相關組件、雨刮、天線、天窗等零部件的工程師。團隊的建立便于后續工作交流和問題推進。

在DFMEA工具中，在該階段要確定分析對象，收集并學習以往項目問題的經驗及教訓，建立失效模式庫，確定潛在失效模式。這是DFMEA的第二部分內容。由于整車風噪的失效模式及原因較多，需從多個渠道收集以往的問題，如售后質量問題反饋、樣車開發階段的試驗故障記錄表和評審問題等，只要有明確的問題描述、問題分析及故障記錄，都可以列進表格(見圖3)。這其實是建立風噪問題數據庫，對以后開發車型具有借鑒意義。

圖3 風噪開發中失效模式收集示意圖

風噪系統框圖的建立，首先要確定分析范圍及對象。這是DFMEA的第三部分內容。影響風噪的零部件用白色文本框布置，對風噪影響不明顯的零部件用灰色文本框布置。在白色文本框里的零部件，依據對風噪性能影響的嚴重度編號，按照汽車結構的空間位置進行布置，同時利用DFMEA表中的約束關系進行不同文本框之間關系確定。圖4為風噪系統框圖。

圖4 風噪系統框圖

風噪DFMEA表中的功能關系矩陣圖是對系統框圖的功能細分，其零部件界面就是系統框圖中所有零部件。功能關系矩陣圖是該表中第四部分內容，其實就是整車技術規范中的風噪性能目標，包括客觀測試數據和主觀評價值。NVH工作人員需對競標車進行整車風噪分析，制定風噪性能目標。風噪性能目標一般包含在整車技術規范要求的NVH性能中，包括客觀數據要求和主觀評價要求?？陀^數據要求是對不同勻速工況的車速下車內聲壓級和語音清晰度的數據要求；主觀評價要求是在統一標準下的分數值，分數越高，風噪性能越好。這個表格也是對前期開發的風噪性能目標文件的體現。

2.2 第二個閉環：數據檢查及實施階段

項目通過VDR階段后，進入工程數據設計階段。這個階段的風噪性能開發就是DFMEA工具中的第五部分即DFMEA表，該表格是DFMEA系統的核心，也是最重要的內容。

風噪DFMEA表中零件/界面欄是第三部分系統框圖的具體展開，將白色部件逐步列出。該表的潛在失效模式欄里填寫風噪產生的原因?，F在汽車的風噪聲一般分為泄漏噪聲、風激噪聲、風鳴噪聲、風振噪聲，其中風鳴噪聲和風振噪聲是單一頻率的風噪聲，在風噪性能開發中要極力避免，因為該噪聲非常讓人厭煩，客戶的抱怨率較高。解決單一頻率風振噪聲的措施一般為封堵小孔或小腔體。但實際上DFMEA表的潛在失效模式中除泄漏是密封原因引起的外，其余大多數歸咎于汽車外形引起的風激噪聲。所以對于潛在失效模式，填寫內容為導流效果差、密封失效，其次是隔音效果差，其中導流引起的風噪聲牽涉的零件最多。潛在失效的后果欄中一般填寫客戶的主觀評價描述。

該閉環階段是項目開發中最重要的數據分析和審核階段，體現在DFMEA表中的現有設計控制預防欄中。在該欄里，需對風噪相關的全部零部件進行數據檢查，檢查內容和依據是DFMEA表中要求/規范欄中填寫的內容。在要求/規范欄里，對于外形噪聲的控制就是前期開發中對造型的要求輸入，對于泄漏噪聲的控制就是前期開發中對于工程區域的零部件密封隔音性能的要求，這些要求不僅是失效模式中的整改措施，也是整車廠開發風噪的技術經驗積累。

風噪DFMEA表中現有設計控制探測欄中的內容是針對不同零部件進行現有探測手段的實施。對于風激噪聲，一般依據CAE分析，借助聲學設備進行道路或風洞測試。不同整車廠風噪分析采用的CAE分析軟件不同，該車型采用PowerFLOW進行整車風噪仿真，對造型及T2數據進行分析，起到前期數據輔助審核的作用。道路和風洞測試需有符合要求的整車，主要在項目開發的樣車階段進行。泄漏噪聲測試也是在整車有樣車時進行，主要利用氣密性設備和超聲波設備進行整車靜態密封性檢測。

DFMEA表中有4列需填寫的數據，分別為每個潛在失效后果的嚴重度、頻度、探測度的數據評分及依據這三項分數的乘積得出的風險優先級順序數RPN，這是DFMEA工具表中風險控制的數字體現。對RPN值偏大的風險項需重點關注和控制，若RPN值大于100，說明該問題風噪性能差，客戶抱怨多，必須采取整改措施進行性能狀態糾正。

2.3 第三個閉環：實車評估及維護階段

該階段的DFMEA表是對整車風噪性能的驗證和維護。該階段是項目開發中實車試驗驗證及量產階段，主要解決產品在制造過程中出現的問題及相關售后質量問題，主要針對RPN值高于100的相關零部件。也就是在實車階段根據實車風噪測試及動態評審情況，對客戶滿意度低的風噪聲進行改進。該車在行駛速度為60～80 km/h時，駕駛員耳旁出現“簌簌”的風噪雜音，用聲學設備道路測試，數據上體現并不明顯，但駕駛員的外耳感覺明顯。采用DFMEA工具分析，其RPN值為125，必須采取措施進行更改。根據正向開發原則，首先進行CAE仿真分析，分析結果見圖5。根據仿真分析結果，經過臨時措施的實施及多組評審人員評估，決定更改外后視鏡基座，以消除60～80 km/h車速區間的雜音。改進后，DFMEA表中的RPN值更新到50。圖6(b)為量產車更改后的外后視鏡基座。

圖5 外后視鏡的CAE仿真分析結果

圖6 外后視鏡基座更改前后對比

維護階段是針對造車及售后出現的問題，如果確認是由設計所導致，則快速響應，尋找解決方法，設計更改方案，對產品進行持續改進。需特別說明的是，為保證更改的可靠性，對設計更改需重新進行前面兩個閉環的檢查和驗證，才能最終實施在產品上。同時對所有發現的新問題及問題的解決方案進行經驗教訓總結與分享，并把學習到的內容維護到DFMEA表的要求/規范及DFMEA失效模式庫中，以積累風噪性能開發工程經驗。

3 結語

目前，DFMEA工具已在國內汽車行業得到較廣泛的應用，尤其是在產品開發中使用較多，但在整車性能開發中應用較少。在風噪開發過程中對造型和零部件的要求及使用、項目要求的各類交付物均可結合DFMEA工具進行，這樣不僅能在設計前期階段有效識別和防御質量風險，也能系統地融合風噪性能正向開發進行風噪性能質量控制。其優勢主要體現在：1) 可將以往的失效模式和解決措施應用到造型及設計前期，真正起到DFMEA預防風險的作用，有效控制風噪性能；2) 可系統地收集和整理以往發生的風噪失效問題，進行工程數據及經驗積累；3) 可結合項目開發過程，有效管理風噪性能的開發，對各階段的交付物和質量把控做到全局風險最小，起到系統的閉環管理作用。