基于六西格瑪設計（DFSS）的純電動敞篷車軟頂系統(tǒng)研發(fā)

劉華官

上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007

1 引言

進入21世紀以來中國汽車制造業(yè)增勢迅猛，中國于2011年汽車銷量，達1850萬輛，超越美國成為全球最大的汽車市場。經過幾十年的發(fā)展，中國汽車市場日漸成熟，已經進入較為成熟的消費時代。Z世代汽車消費者，開始追求個性、自由、時尚和無窮的駕駛樂趣等。一款高性價比的敞篷車成為了Z世代汽車消費追求最好選擇，2021年上海車展五菱宏光MINI敞篷概念車的火爆場面，無疑證明了這一點。

2013年開始，各大國外廠商的敞篷車紛紛登陸中國市場，搶占中國市場。2013 年開始，國外汽車廠商的敞篷車紛紛登陸中國市場，搶占中國市場。如寶馬、奧迪和奔馳等品牌，車輛價格從數(shù)百萬元逐漸覆蓋至幾十萬元，由奢侈逐漸向平民化轉變，市場規(guī)模也越來越大。市場的火爆需求對中國自主品牌汽車廠商來說是一個巨大的機遇，然而國內自主品牌還未有量產的軟頂敞篷車，主要原因是敞篷技術被外資牢牢掌控，若采用進口外資技術，敞篷軟頂系統(tǒng)成本將無法下降，會使整車成本失去競爭優(yōu)勢。如何設計和開發(fā)出一款成本可控、擁有自主產權且滿足用戶需求的敞篷軟頂系統(tǒng)，將是每一個想做敞篷汽車的車企面臨的難題。

本文采用六西格瑪設計（DFSS）方法論，按照IDDOV的流程，進行敞篷車軟頂系統(tǒng)的整體設計和開發(fā)，既要滿足用戶的需求，也要掌握自主知識產權和實現(xiàn)低成本目標。

2 項目設計開發(fā)流程和方案

2.1 識別階段（I）

識別階段主要確定研究對象，以及確定目標值。

采用樹圖工具，確定研究對象（如圖1）。從整車開始往下分解。由于該車型的軟頂系統(tǒng)為該市場的贏點和消費者的興奮型需求，且為四新零件（新零件、新材料、新工藝、新供應商），故將該項目的項目范圍確定在軟頂系統(tǒng)，包含篷布系統(tǒng)、多連桿系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、內飾裝飾系統(tǒng)、鎖系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)以及控制傳感器系統(tǒng)等零件。

圖1 確定研究對象

該項目目標主要為降低零部件成本。

采用DCD（設計概念描述）和標桿分析，確認目標值。按目前的概念方案，對零部件成本進行工程分析，并對行業(yè)標桿車進行工程成本分析。將目前方案成本與行業(yè)對標車成本進行對比，發(fā)現(xiàn)成本有很大的優(yōu)化空間。 將E敞篷車與標桿成本均值差值A的50%再加上對標車的均值，定義為降本目標值（如圖2，目標值=對標均值+0.5A）。從圖2可以看出，降本目標值為成本降低31%以上。

圖2 定義成本目標

2.2 定義階段（D）

定義階段主要是用戶需求，并轉化為功能需求和關鍵技術參數(shù)指標。

首先全面系統(tǒng)的收集客戶。分別從外部客戶、內部客戶、政府制度三大方面把客戶進行分類。其中外部客戶主要指消費者；內部客戶主要包括產品工程師、采購工程師、造型色彩工程師、制造工程師、售后工程師等。政府制度主要客戶包括政府法規(guī)要求。

接著收集不同類型客戶的聲音。這三類客戶中內部客戶和政府制度類最容易收集，內部客戶采用技術接口單（ICD）和制造要求單（MR）等內部流程方式收集；政府法規(guī)類主要是滿足汽車行業(yè)相關法規(guī)即可；而消費者的客戶聲音最難系統(tǒng)收集。為此，建立用戶場景體系，從購車到車輛報廢全生命周期，從走近車輛、用車、停車、停放充電等全場景，從晴天到雨天、下雪天等全氣候，從洗車、改裝到維修等全服務場景等，進行系統(tǒng)分析調研和收集用戶的聲音（如圖3）。

圖3 消費者用戶的場景體系

通過質量屋工具，將用戶需求轉化為軟頂系統(tǒng)的功能。先在質量屋的左墻寫用戶需求并給重要度打分（按1、2、3、4、5分打分，分值越高重要度越高），再在天花板上對產品的功能進行展開，接著在房間按關聯(lián)度打分（1、3、5、7、9，分值越高關聯(lián)性越強），然后計算各功能特性的總得分并排序（功能得分計算方法，每項用戶需求重要度乘以關聯(lián)度，再將各項乘積相加求和），最后將在屋頂填寫各功能的相關性。通過質量屋可以得到，各功能的重要性排序（如圖4），并可得出，用戶關注的前五位功能為成本要求、耐久可靠性、感知質量要求、防水性能和外觀造型，這五大功能為重點關注項。

圖4 質量屋轉換

通過質量屋工具，將用戶需求的系統(tǒng)功能轉化為軟頂系統(tǒng)的關鍵技術參數(shù)。先在質量屋的左墻寫系統(tǒng)并給重要度打分（按1、2、3、4、5分打分，功能排序按五檔進行劃分，排在前20%檔位的功能重要度定義為5分，后序檔位依次定義為4、3、2、1分）。再在天花板上對系統(tǒng)的參數(shù)進行展開，接著在房間按關聯(lián)度打分（1、3、5、7、9，分值越高關聯(lián)性越強），然后計算各參數(shù)的總得分并排序（功能得分計算方法，每項用戶需求重要度乘以關聯(lián)度，再將各項乘積相加求和），最后將在屋頂填寫各功能的相關性。通過參數(shù)排序可以發(fā)現(xiàn)，用戶關注的前五位功能為工程成本、品質質量、整車評審得分（SUSA）、軟頂操作耐久和路試耐久，這五大功能為重點關注項（如圖5）。針對這5項重點關注項，制定不低于競品車的技術指標值。

圖5 質量屋轉換

2.3 開發(fā)階段（D）

通過TRIZ的功能分析工具找出技術系統(tǒng)的改進機會，通過成本分析找到技術系統(tǒng)的降本重點研究對象，根據這些改進機會和研究對象生成概念方案。采用普氏工具分析，找到最優(yōu)的整體開發(fā)技術方案。

通過系統(tǒng)框圖分析，確定軟頂系統(tǒng)的具體研究對象和整個系統(tǒng)邊界。先將多連桿系統(tǒng)、篷布系統(tǒng)、集水盒、后擋玻璃、線束、控制模塊、防滾架總成等定義為技術系統(tǒng)，為研究對象。然后將與軟頂系統(tǒng)有關聯(lián)的定義為超系統(tǒng)組件，如：車頂前端、頂蓋上飾板、頂蓋前橫梁、前橫梁密封條、A柱上飾板、側門玻璃、玻璃密封條、B柱接角、頂襯支架側飾板、B柱下飾板、地毯、后地板、左側圍、右側圍、陽光、水、風、冰雹、砂石、灰塵等（如圖6）。

圖6 系統(tǒng)圖

將找到的所有組件進行相互作用分析，找到組件之間的相互關系。先所有組件按行和列分別列成表格，在行和列交叉的格子里面填寫二者的關系，“+”代表二者之間有接觸、有相互作用，“-”代表二者之間無相互接觸、無相互作用（如圖7）。

圖7 相互作用分析

按照相互作用分析得出來的結果，針對標”+”號的組件進行功能分析。并將功能按有用-充分、有用-不足、有用-過度和有害功能進行分類，后三種功能為重點關注對象。從功能分析可以發(fā)現(xiàn)，頂蓋前橫梁對鎖系統(tǒng)的定位功能為有用-不足功能，驅動系統(tǒng)與多連桿系統(tǒng)的移動功能有用-不足功能，控制傳感器系統(tǒng)與驅動系統(tǒng)傳遞電流（信號）功能與車身控制模塊與驅動系統(tǒng)傳遞電流（信號）重復，為有用-過度功能（如圖8）。與這些不足和過度功能相關的零部件，即為重點研究對象：頂蓋前橫梁、鎖系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、多連桿系統(tǒng)、車身控制模塊和控制傳感器系統(tǒng)。

圖8 功能分析

按目前設計方案、項目規(guī)劃的總產量以及供應鏈的初步報價，對軟頂系統(tǒng)的零件單車成本進行分類，并按百分比進行排序。從圖9可看出占80%成本的類別為知識產權費、物料費用和工裝模具費，這類成本為重點研究對象。

圖9 成本類別排序

按零件的成本占比進行排序。從圖10可以看出，多連桿系統(tǒng)、篷布系統(tǒng)和驅動系統(tǒng)的成本之和占比超過80%，也是重點研究對象。

圖10 成本按零件排序

從功能分析和成本分析中確定研究對象，生成以降本為目標的技術概念方案。根據2.3.3中的前頂前橫梁對鎖系統(tǒng)的定位功能不足問題生成了方案1和方案2：分別通過更改鎖頭定位結構和鎖扣形式，還增加容差能力，降低對制造和多連桿系統(tǒng)剛度的要求；通過驅動系統(tǒng)對多連桿系統(tǒng)移動功能不足問題，生成了方案3：更改多連桿運動受力位置，降低對驅動系統(tǒng)負載壓力值，從而降低對驅動系統(tǒng)的要求；針對2.3.3中分析出來的控制傳感器系統(tǒng)和車身控制模塊對傳遞電流的功能過度問題，生成了方案4：將控制系統(tǒng)的功能集成在車身控制模塊上，減少零部件從而降低成本；根據2.3.4成本分析確定的知識產權費用占比大問題，生成了方案5：自主設計開發(fā)軟頂系統(tǒng)，分析研究專利并規(guī)避專利的開發(fā)策略；針對物料成本問題，生成了方案6：采用原材料替你策略，尋找各零部件材質替換方案；針對工裝成本問題，生產了方案7：工裝夾具按小批量壽命要求，尋找材質替換文案 ；針對篷布系統(tǒng)成本問題，采用國產化策略方案。各方案匯總如圖11所示。

圖11 概念方案

對生成的概念方案進行整理，可發(fā)現(xiàn)方案5和方案8為策略方案，其余為技術方案。由于方案5在成本類別中為對成本的影響排在第一位，方案8在成本按零件排序中占比在80%以內，故首先選定。其余技術方案通過普氏分析工具進行評價（如圖12）。將方案1作為基礎方案，其余方案作為被評價方案。將2.2.3識別出來的關鍵技術參數(shù)指標作為評價指標，對各方案進行比較評價。與基礎方案相同的標示“S”，比基礎方案差的評價項標示“-”，比基礎方案好的項目標示“+”。從結果可以發(fā)現(xiàn)，各方案工程成本都有優(yōu)勢，但均有不同的缺點。這些標“-”的缺點需要重點關注，詳細設計和DFMEA分析時要有對應的對策。

圖12 普氏分析

最終，基于成本目標考慮，這些概念方案生成了方案9（即：方案9=方案1+方案2+方案3+方案4+方案5+方案6+方案7+方案8）。

2.4 優(yōu)化階段（O）

對詳細的系統(tǒng)方案，進行CAE分析，以驗證技術方案是否滿足2.2.3識別出來的關鍵技術參數(shù)指標。

最終驗證，技術指標均達標，如圖13針對剛度的CAE分析結果。

圖13 CAE分析結果

2.5 驗證階段（V）

在驗證階段，主要工作是對OTS零件進行生產驗證、功能驗證、可靠性驗證以及整車的耐久道路測試，目前均已達標。

最后，計算此軟頂系統(tǒng)的成本，與最初定義的目標成本是否達標。從圖14可知，實際成本值已低于目標值，降低了37.5%，目標（≥31%）達成。

圖14 最終成本達成情況

3 結語

針對敞篷車軟頂系統(tǒng)的降本問題，首先運用DFSS的用戶分析工具，系統(tǒng)的識別用戶需求并轉化功能需求和關鍵技術參數(shù)。再用TRIZ工具的功能分析，系統(tǒng)的識別出軟頂系統(tǒng)中的降本機會，從而產生降本的概念方案。最后用關鍵技術參數(shù)作為評價指標，采用普氏分析工具，對降本概念方案進行篩選，確認最優(yōu)技術方案。運用DFSS的方法論能系統(tǒng)的產生最優(yōu)成本技術方案，為行業(yè)內敞篷汽車的開發(fā)提供參考。