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一、扭力梁后橋的六西格瑪設(shè)計(jì)

下面將按照六西格瑪設(shè)計(jì)IDDOV的流程，分別描述每個(gè)階段的具體工作。

1.發(fā)現(xiàn)機(jī)會(huì)

由于上一代后輪軸的性能和耐久性問題，如后懸架在沖擊路面上的舒適性差、轉(zhuǎn)向量低、車輪支架與拖臂之間的疲勞和耐久性問題、后輪軸自重大等。上述問題需要在設(shè)計(jì)新一代車輛的后輪軸時(shí)進(jìn)行改進(jìn)，

2.定義需求

定義需求是DFSS實(shí)施的一個(gè)重要過程。這一階段的任務(wù)是識(shí)別客戶需求(VOCs)，通過適當(dāng)?shù)姆椒▽⒋罅磕：踔撩艿腣OCs轉(zhuǎn)化為工程指標(biāo)、工藝要求、生產(chǎn)要求等等。

作為后輪軸的關(guān)鍵部分，其客戶可以是外部客戶，即一級(jí)車的實(shí)際購買者，也可以是內(nèi)部客戶，如底盤調(diào)校工程師、總裝車間工人、質(zhì)量工程師甚至采購人員。他們從各自的立場上對扭力梁后橋提出了要求，比如操控性和舒適性平衡、零部件重量輕、生產(chǎn)線裝配容易、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、采購成本低等。

功能部署、質(zhì)量屋等工具是非常好的手段，可以準(zhǔn)確識(shí)別客戶需求，將客戶需求轉(zhuǎn)化為工程技術(shù)指標(biāo)。另外，很多專業(yè)的手段也是必不可少的。例如，為了準(zhǔn)確制定后輪軸的動(dòng)力性能，組織了包括競爭對手車輛在內(nèi)的同級(jí)別優(yōu)秀車輛的對比測試，包括主觀駕駛評(píng)價(jià)和客觀懸掛測試。如圖2所示，這是一個(gè)蛛網(wǎng)圖，通常用于綜合評(píng)估多個(gè)性能指標(biāo)。不同的線條表示不同車型在各項(xiàng)指標(biāo)上的表現(xiàn)。覆蓋面積越大，綜合性能越好。

某車型的扭力梁后橋應(yīng)用六西格瑪設(shè)計(jì)方法進(jìn)行全新設(shè)計(jì)

整車主觀評(píng)價(jià)是把客戶的聲音變成續(xù)駛里程指標(biāo)的第一步。接下來，需要對整車的主觀評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行參數(shù)化描述，即用客觀參數(shù)(如側(cè)傾梯度、整車轉(zhuǎn)向不足等)來描述主觀感受。).這個(gè)過程類似于客戶的喊話到工程指標(biāo)的轉(zhuǎn)換，但比質(zhì)量屋更復(fù)雜。往往需要借助底盤Sim、ADAMS等分析軟件，分析車輛性能與具體動(dòng)力學(xué)參數(shù)的關(guān)系，設(shè)定具體的動(dòng)力學(xué)目標(biāo)。最后，根據(jù)后懸架系統(tǒng)的技術(shù)要求，進(jìn)一步分解后輪軸零件的技術(shù)要求。例如，后輪軸的扭轉(zhuǎn)剛度是在后懸架的扭轉(zhuǎn)剛度的基礎(chǔ)上去除彈簧和其他因素的影響后獲得的。

類似于后輪軸車輛動(dòng)力學(xué)技術(shù)要求的獲取過程，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)、對比試驗(yàn)結(jié)果和仿真，得出NVH、耐久性、重量等指標(biāo)。可以單獨(dú)配制，其中一些如表1所示。

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3.發(fā)展理念

后輪軸在結(jié)構(gòu)上是由各種特性組成的，所以我們首先要分析組件的特性。這些特征包括:受扭梁是開梁還是閉梁；開口方向和橫截面形狀；以及車輪制動(dòng)角是否通過車輪支架安裝在后輪軸擺臂上；套管安裝角度、套管是位于內(nèi)部還是外部等。不同的功能各有利弊。概念開發(fā)階段的任務(wù)是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)、競爭對手分析、技術(shù)原理分析等手段，結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際需求和約束條件(如成本)，確定項(xiàng)目的總體設(shè)計(jì)方向。在這種情況下，最終確定了U型截面梁、下開口、無制動(dòng)角支架的設(shè)計(jì)。

根據(jù)最初的設(shè)計(jì)理念，綜合整車總布置、車輛動(dòng)力學(xué)等信息。，在初步確定后輪軸的硬點(diǎn)(即描述后輪軸運(yùn)動(dòng)關(guān)系和關(guān)鍵幾何特征的坐標(biāo)點(diǎn))后，就可以建立如圖3所示的后輪軸的初始概念數(shù)學(xué)模型。至此，后橋的概念設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)將以此數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)。

技術(shù)原理分析等手段，結(jié)合本項(xiàng)目的實(shí)際需求和約束條件(如成本)，確定符合本項(xiàng)目的總體設(shè)計(jì)方向。在這種情況下，最終確定了U型截面梁、下開口、無制動(dòng)角支架的設(shè)計(jì)。

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4.優(yōu)化設(shè)計(jì)

開發(fā)概念階段只是定義了大致的設(shè)計(jì)方向，具體的設(shè)計(jì)參數(shù)(也稱“控制因素”)還需要進(jìn)一步優(yōu)化。對于簡單的問題，可以通過線性規(guī)劃等方法實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，但對于后輪軸這樣的復(fù)雜零件，必須采用更多的技術(shù)手段。此外，還有一些影響結(jié)果但超出產(chǎn)品設(shè)計(jì)本身控制的因素(也稱“噪聲因素”)，如材料厚度公差、焊接質(zhì)量等。，也應(yīng)在優(yōu)化階段加以考慮，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健設(shè)計(jì)。具體來說，在本例中，初步設(shè)計(jì)階段更關(guān)注標(biāo)稱值，而不是過程質(zhì)量控制，因此沒有對“噪聲系數(shù)”進(jìn)行特殊處理。優(yōu)化設(shè)計(jì)過程如圖4所示。通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，建立響應(yīng)面模型，然后對響應(yīng)面模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在這個(gè)例子中，定義了17個(gè)控制因子。如圖5所示，每個(gè)因素取5個(gè)水平，用Llo5加20個(gè)正交實(shí)驗(yàn)矩陣構(gòu)造一個(gè)新的正交實(shí)驗(yàn)矩陣Llo5”，排除3列5個(gè)水平和1列20個(gè)水平，共有100個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)樣本點(diǎn)。本例中，后輪軸采用SFEConcept建立全參數(shù)化的幾何模型，根據(jù)控制因子的具體取值，生成所有有限元仿真計(jì)算樣本點(diǎn)的模型，計(jì)算后輪軸的模態(tài)、扭轉(zhuǎn)剛度和側(cè)向剛度。對17個(gè)控制因子、上述3個(gè)性能值和后輪軸的幾何剪切中心建立克里金響應(yīng)面模型。優(yōu)化約束為滿足表1設(shè)計(jì)要求的模態(tài)、扭轉(zhuǎn)剛度、側(cè)向剛度和幾何剪切中心；優(yōu)化目標(biāo)是最小化重量。在Isight軟件中用遺傳算法搜索最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。最終優(yōu)化設(shè)計(jì)方案如表2所示，滿足設(shè)計(jì)要求，重量減輕2 kg。

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5.確認(rèn)

優(yōu)化結(jié)果需要通過更詳細(xì)的計(jì)算機(jī)模擬分析、樣品加載試驗(yàn)和主觀評(píng)價(jià)來驗(yàn)證，以確認(rèn)優(yōu)化方案是否滿足設(shè)計(jì)要求。

(1)有限元模擬驗(yàn)算。

基于SFE概念全參數(shù)模型的仿真計(jì)算和基于響應(yīng)面模型的優(yōu)化都會(huì)帶來一定的誤差，因此有必要建立更為精確和精細(xì)的有限元模型對優(yōu)化方案進(jìn)行校核分析。另外，優(yōu)化設(shè)計(jì)中只考慮剛度和模態(tài)，在驗(yàn)證階段需要進(jìn)行應(yīng)力和疲勞耐久性的校核。如果出現(xiàn)問題，需要進(jìn)行局部修改來解決具體問題。最后，根據(jù)疲勞壽命結(jié)果和實(shí)際制造工藝修改后的模型如圖6所示。表3顯示了模態(tài)剛度檢查結(jié)果，表4顯示了疲勞分析結(jié)果。疲勞分析條件14和15不符合設(shè)計(jì)要求，但它們非常接近目標(biāo)值?？紤]到有限元疲勞壽命分析的誤差，將在實(shí)物樣車中進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

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(2)樣品的物理驗(yàn)證。

經(jīng)過詳細(xì)的CAE分析，后輪軸的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案滿足了確定需求階段設(shè)定的目標(biāo)，根據(jù)優(yōu)化方案制作的軟樣品在部件臺(tái)架試驗(yàn)和樣品加載評(píng)價(jià)中表現(xiàn)良好(見圖7)。

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二、關(guān)于六西格瑪設(shè)計(jì)的一些想法

筆者參與了六西格瑪設(shè)計(jì)方法的推廣和應(yīng)用，并結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目，有如下思考:

(1) 六西格瑪設(shè)計(jì)體現(xiàn)了一種工程思想。最終目的是準(zhǔn)確把握客戶的需求，在一定的約束條件下設(shè)計(jì)出穩(wěn)健的產(chǎn)品，并做出正確的決策。

(2) 六西格瑪質(zhì)量水平表達(dá)了一種質(zhì)量理想。在實(shí)際應(yīng)用中，主要關(guān)心的是設(shè)定合理科學(xué)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，而不是數(shù)學(xué)層面上百萬分之幾的故障率。

(3)概念選擇需要建立在充分的理論知識(shí)、工程經(jīng)驗(yàn)和競爭對手分析的基礎(chǔ)上，這樣才能通過定性分析選擇設(shè)計(jì)的大方向，而不能通過定量計(jì)算使問題復(fù)雜化。

(4)使用更科學(xué)的優(yōu)化工具或方法，可以有效提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。數(shù)學(xué)和工程充分結(jié)合，優(yōu)化才有意義。

(5)正確處理噪聲因素(即對結(jié)果有影響但不受控制的因素或參數(shù))，保證系統(tǒng)的穩(wěn)健性是六西格瑪設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。雖然這個(gè)例子沒有更多地討論噪聲管理，但是它對于某些類型的項(xiàng)目是非常重要的。

三.基于六西格瑪設(shè)計(jì)扭力梁后橋的開發(fā)結(jié)論

介紹了六西格瑪設(shè)計(jì)方法在實(shí)際項(xiàng)目中的應(yīng)用實(shí)例，說明了六西格瑪設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，提出了針對具體部位或系統(tǒng)的有效的六西格瑪設(shè)計(jì)方法，并對六西格瑪設(shè)計(jì)方法在實(shí)際工作中的應(yīng)用發(fā)表了個(gè)人見解。六西格瑪設(shè)計(jì)更多的體現(xiàn)了一種工程思想，靈活運(yùn)用可以取得更大的成果。