多功能方向盤開關按鍵的六西格瑪設計

張立新，周海濱，黃慶達，范文博，張 駿

（浙江長江汽車電子有限公司，浙江 溫州 325025）

自20世紀80年代六西格瑪的質量思想從摩托羅拉誕生并經通用電氣推廣以來，其發展已經走過了很長的路程，并逐漸應用于越來越多的領域[1]。運用六西格瑪改進方法DMAIC（定義Define、測量Measurement、分析Analyze、改進Improvement、控制Control），其邏輯流程如圖1所示[2]。針對現有產品或流程的缺陷產生原因采取糾正措施，通過不斷改進，使流程趨于完美，并將改進成果固化，可以減少缺陷，達到產品的固有品質。其設計方法包含5個主要步驟[3]。

圖1 六西格瑪改進的DMAIC邏輯流程圖

1）定義階段：明確需求和目標，確定項目范圍和關鍵特性，收集客戶需求和期望，并建立項目團隊。

2）測量階段：在定義的基礎上，制定測量和采集方案，收集數據并分析，評估產品和過程的能力和穩定性。

3）分析階段：在測量的基礎上，進行數據分析，找出主要影響因素和關鍵參數，并建立模型進行優化。

4）設計階段：根據分析結果，確定產品或過程的優化方案，并進行設計和驗證。

5）驗證階段：對設計的產品或過程進行驗證和確認，確保符合客戶需求和預期。

本文在這種背景下，在產品的開發階段或業務流程的創建時期就引入以六西格瑪質量為目標的設計思路，即六西格瑪設計，其核心思想就是按照合理的流程，運用科學的方法準確理解和把握客戶需求，對產品本身進行穩健性設計，使得產品在低成本下實現六西格瑪質量水平，同時使產品本身具有抵抗各種干擾的能力，即便環境或制造波動，產品仍能在較高水平滿足客戶的需求。

1 產品開發概況

以某車企全新開發的多功能方向盤開關（圖2）為例，其新的多功能方向盤開關包含直壓式按鍵、翹板式按鍵、撥鈕、推桿、外殼、橡膠、PCB板總成、底座等零件。多功能方向盤開關在駕駛員操作后，按鍵相對于殼體移動，將力傳遞到焊接在PCB板的輕觸微動開關上，輕觸微動開關的彈片受力變形實現通斷功能；線路接通后，輸出一個功能電壓，車載主機接收到電壓信號后完成識別并實現功能。

圖2 多功能方向盤開關

多功能方向盤開關由于生產過程受注塑參數、零件一致性、使用環境（低溫）、輔料（油脂）等因素的共同影響，在售后市場時有用戶抱怨開關按鍵卡滯。因此，本文主要針對相關因素，確定合適的模型和控制因子，使得新的設計方案能夠具備容差能力和耐環境變化能力，減少甚至消除客戶的抱怨問題，同時又能兼顧產品的成本。

2 參數設計和定義

參數設計要求為：操作任意按鍵、撥鈕時能達到設定的功能，撤除外力后按鍵能夠自動、完全復位。按鍵、撥鈕在按動和復位過程中有良好的手感，無阻、滯、澀的感覺，按壓按鍵邊緣任何位置亦可正常操作。按鍵和撥鈕的結構設計，要考慮到用戶手感的舒適性和良好的力度反饋，且擋位設計清晰，不允許出現雜音和異響。產品設計輸入參數為：按鍵操作力4N±1.5N，行程0.7mm±0.15mm，手感值50%±15%。

本文僅討論按鍵的控制因子，因撥鈕的原理一樣，故不再贅述。按照功能框圖的思考方法，找到輸入、輸出、控制因子和失效模式，并建立功能框圖，如圖3所示。

圖3 功能框圖

開關按鍵能夠實現上升功能的前提是：F動＞F阻=f摩+G。當輕觸微動開關提供的輸出回彈力不足以克服系統阻力+重力的時候，便會產生卡滯問題。

方向盤多功能開關產生升降緩慢、卡滯問題，對組成按鍵回彈阻力（圖4）的各個零部件Z向特性進行識別。

圖4 開關回彈阻力分析

基于圖4，對其各個因素進一步解釋說明。①摩擦力：摩擦力=接觸壓力×摩擦系數，摩擦力和接觸壓力是正相關，即接觸壓力越大，摩擦力越大；②接觸壓力和筋槽的過盈量正相關，即過盈量越大，壓力越大；③筋槽間隙為設計間隙0.07mm/0.11mm，實際配合間隙為局部過盈。詳細原因分析有以下3點。

1）筋槽變形：外殼導向槽和內殼導向筋理論上是粗糙度0.1的2個平行平面，實際上，在注塑過程中，存在冷卻不均衡、保壓壓力不均勻、脫模時拉傷等原因導致導向槽變形。外殼導向槽在和導向筋配合時出現局部過盈的現象。

2）筋槽配合距離長：由于需要保證按鈕的晃動量，導向距離設計為按鈕長度的1/2～1/3。在導向的配合距離內可能存在多處過盈位置。

3）接觸面積：圓筋，導向筋和導向槽在導向方向的有效配合近似一條線（不一定連續），配合面積相對小，可能存在的過盈點也少；方筋，導向筋和導向槽在導向方向的有效配合近似長方向小平面（不一定連續），配合面積相對大，可能存在的過盈點也較多，見圖5。

圖5 圓筋/方筋示意圖

所以，接觸壓力相關的控制因子為：圓筋/方筋、設計間隙（0.07mm/0.11mm）。

摩擦力和摩擦系數是正相關，即摩擦系數越大，摩擦力越大；潤滑油摩擦系數和潤滑油的粘稠度成反比。1302兼容PC+ABS和PC材料，粘度較高，擴散性低，低溫時油脂粘度增加；1502兼容PC+ABS和PC材料，粘度低，擴散性較高，低溫時油脂粘度增加較少。低溫使用環境的影響：-40℃時，油脂趨向于由液態向固態變化。油脂低溫時油脂粘度增加，摩擦系數變大；摩擦系數和材料的自潤滑性反比，PC和PC+ABS自潤滑性都比較差。所以，摩擦系數相關的控制因子為：油脂1302和油脂1502；基材PC和PC+ABS。

按鈕重力為2g，微動開關復位力為4N±1.5N。

基于卡滯原因的分析，確定了關鍵控制因子有4個，每個因子2種水平，詳見表1。

表1 控制因子

3 設計優化

控制試驗次數采用田口式試驗計劃法，試驗設計詳見表2。

表2 試驗設計

4 驗證

使用MATLAB軟件，按田口式試驗計劃并測試結果。分析因子設計得到控制因子的效應正態分布圖和效應的柏拉圖，如圖6和圖7所示。由圖可知，對卡滯影響最顯著的因子是間隙，其余因子都不顯著。

圖6 控制因子效應正態分布圖

圖7 控制因子效應的柏拉圖

間隙大小的影響效果對比見圖8和表3。如圖表所示，設計間隙0.11mm時，操作力更小，低溫時，卡滯的風險更小。

表3 間隙選型

圖8 回彈力交互作用圖

油脂選型見表5。如圖8和表4所示，使用1502油脂時按鍵操作力更小，低溫時卡滯的風險更小。

表4 油脂選型

表5 導向筋選型

導向筋選型見表5。如圖8和表5所示，使用圓筋時按鍵操作力更小，低溫時卡滯的風險更小。

材料選型見表6。如圖8和表6所示，使用PC+ABS材料時按鍵操作力更小，低溫時卡滯的風險更小。

表6 材料選型

最優匹配方案為：筋槽間隙0.11mm、油脂1502、圓筋、PC+ABS。設計要求4N±1.5N，實驗結果3.9N。

5 結論

本文應用六西格瑪設計方法，對多個控制因素進行排列組合，對每種可能的情形進行試驗驗證，并找到最佳的組合方式，即筋槽間隙0.11mm、油脂1502、圓筋、PC+ABS，該組合方式能有效減少按鍵卡滯的風險。產品量產后，按鍵無卡滯現象。

本研究使用六西格瑪設計方法對方向盤多功能開關的按鍵進行了改進和優化，通過明確需求和目標、制定測量和采集方案、分析關鍵特性和參數、優化設計方案以及驗證確認等6個步驟，成功提高了方向盤開關按鍵的品質和性能，達到了預期效果。實踐證明，六西格瑪設計方法對于汽車零部件的品質管理非常有效，可以幫助設計團隊更好地了解客戶需求和期望，優化設計和制造過程，提高產品的品質和性能，降低成本和風險。因此，建議類似的汽車制造企業在設計汽車零部件時，采用六西格瑪設計方法，以提高產品品質和市場競爭力。

再者，方向盤多功能開關按鍵的六西格瑪設計是一種品質管理方法，用于確保按鍵的穩定和可靠性。優勢在于，其強調從一開始就考慮品質和性能，不斷優化設計和過程，盡量消除缺陷和浪費，提高效率和品質水平。通過六西格瑪設計方法，可以有效提高產品的品質和性能，降低成本和風險，提高客戶滿意度和市場競爭力。