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1.電池系統(tǒng)介紹

電池的性能直接關(guān)系到各種電器能否正常工作，性能不好也會(huì)導(dǎo)致相關(guān)機(jī)構(gòu)失效。電池在車輛上的安裝必須牢固可靠，否則會(huì)因顛簸震動(dòng)或其他外力等因素導(dǎo)致電池脫落或損壞。

電池支撐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由電池、固定掛鉤、托盤和支架組成。電池通過掛鉤固定在托盤上，托盤通過螺栓與支架連接，支架焊接在前縱梁上。作為整車系統(tǒng)的重要子系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的合理設(shè)計(jì)可以保證電池及其附屬電子元件的正常工作，對(duì)整車行駛過程中的舒適性和安全性起著重要的作用。

2.項(xiàng)目識(shí)別和定義

工程指標(biāo)是從客戶需求轉(zhuǎn)化而來的工程或系統(tǒng)級(jí)測(cè)量，可用于定量或定性測(cè)試或測(cè)量產(chǎn)品的性能水平。客戶的聲音并不總是那么清晰。我們可以使用S.M.A.R.T規(guī)則來幫助選擇和評(píng)估功能需求，并使用QFD和其他方法來完成轉(zhuǎn)換。

通過對(duì)內(nèi)部客戶、外部客戶和國家法律法規(guī)的調(diào)查研究，采用功能分解和QFD的方法確定電池系統(tǒng)的主要問題和參數(shù)，以矩陣形式構(gòu)建質(zhì)量屋，表示用戶需求、產(chǎn)品功能及其關(guān)系，從而識(shí)別和定義電池支撐系統(tǒng)的產(chǎn)品需求，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為質(zhì)量、成本指標(biāo)和工程需求。

綜合考慮生產(chǎn)、維護(hù)、性能等相關(guān)要求，從11個(gè)方面對(duì)電池支架的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，定義為支撐系統(tǒng)不同布局方案和設(shè)計(jì)方案的選擇和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。這11項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)包括:重量、價(jià)格、結(jié)構(gòu)剛度、振動(dòng)、安全性、耐用性、布局可能性、可制造性、易安裝性、開發(fā)時(shí)間、售后維護(hù)便利性。

3.項(xiàng)目概念方案設(shè)計(jì)和評(píng)估

(1)支撐系統(tǒng)布置方案

根據(jù)前艙系統(tǒng)的空間限制和電池系統(tǒng)的特點(diǎn)，通過對(duì)各種車型的調(diào)查研究，制定了四種電池支持系統(tǒng)布置方案，其中方案1(圖2)為前后方向布置，方案2(圖3)為內(nèi)對(duì)角線布置，方案3(圖4)為外對(duì)角線布置，方案4(圖5)為左右方向水平布置。

六西格瑪設(shè)計(jì)應(yīng)用于轎車蓄電池支撐系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)

本文以11個(gè)性能方面作為參考標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)這四個(gè)方案進(jìn)行比較評(píng)價(jià)，并采用Pugh選擇法，最終選出適合企業(yè)制造的最優(yōu)布局方案。普氏概念選擇的方法是從以往討論中收集的概念和思想中整理出一組概念，并針對(duì)這些初始概念尋求強(qiáng)化這組概念的優(yōu)點(diǎn)，根除或改進(jìn)缺點(diǎn)。其常用方法是通過選擇一個(gè)基準(zhǔn)來比較其他概念。首先以方案1為基準(zhǔn)，將其他三個(gè)方案分別與方案1進(jìn)行對(duì)比。比較結(jié)果見圖6。

六西格瑪設(shè)計(jì)應(yīng)用于轎車蓄電池支撐系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)

由于方案1和方案4中電池伸出縱梁的長度較長，相應(yīng)的支架尺寸也要較大，如圖2- 5所示，所以方案1和方案4的重量高于方案2和方案3；方案4類似于方案1，但略小于方案1。因此，在價(jià)格上，后三種方案由于材料成本相同，但支架尺寸不一致，優(yōu)于方案一。由于方案2和方案3中電池的質(zhì)心落在縱梁上，且電池與縱梁的相交面較大，如圖2- 5所示，因此方案2和方案3的整體結(jié)構(gòu)剛度優(yōu)于方案1和方案4。由于方案1中電池的質(zhì)心懸浮在縱梁外，支撐系統(tǒng)有繞縱梁旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，所以方案1的振動(dòng)性能比其他三種方案差。正面碰撞時(shí)，方案1的電池會(huì)沿X軸串起來，可能會(huì)撞到左輪罩，而方案3的電池會(huì)沿外對(duì)角線方向串起來，然后撞到左輪罩，所以從安全性上來說，方案2和方案4更優(yōu)越，方案3最差。耐久性的四種方案是相似的；方案2和3比方案1和方案4占用更多空間；因?yàn)榉桨?和方案3的電池相對(duì)于縱梁有一定的旋轉(zhuǎn)角度，導(dǎo)致支架有一定的拔模角，工藝性相對(duì)較差。四種方案在安裝方便性、開發(fā)時(shí)間、售后維護(hù)等方面都差不多。

綜合來看，方案2和方案4各有優(yōu)勢(shì)，所以對(duì)兩者進(jìn)行第二次比較。以方案2為基準(zhǔn)的比較結(jié)果如圖7所示。

從圖7可以看出，結(jié)構(gòu)剛度、振動(dòng)和耐久性是方案4的弱項(xiàng)，但經(jīng)過核算，方案4的性能指標(biāo)可以滿足規(guī)范和工程要求。但由于支架相對(duì)簡單，模具簡單，所以方案4在價(jià)格上的優(yōu)勢(shì)符合低成本的策略。方案4的安全指標(biāo)更受客戶關(guān)注，對(duì)于非常昂貴的前艙布局，方案4在布局可能性和可安裝性上更有優(yōu)勢(shì)。因此，最終布局方案為4。

(2)電池支持系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

根據(jù)各類電池系統(tǒng)的對(duì)標(biāo)研究，在布局方案4的基礎(chǔ)上，開發(fā)了四種電池支撐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。如圖8，方案1由鐵支架和大塑料托盤組成，方案2由鐵支架和鐵托盤組成，方案3由鐵支架、塑料托盤和鐵加強(qiáng)托盤組成，方案4由鐵支架和半個(gè)鐵托盤組成。

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仍然有11個(gè)指標(biāo)來評(píng)價(jià)這四個(gè)方案的優(yōu)劣。

以方案1為基準(zhǔn)，其他三個(gè)方案分別與方案1進(jìn)行比較。比較結(jié)果如圖9所示。由于方案2的支撐系統(tǒng)全部由鐵制成，其重量比其他三個(gè)方案都要重。因?yàn)樗芰系某杀颈容^貴，所以方案1的成本沒有優(yōu)勢(shì)；由于塑料件較多，方案1的整體剛度和振動(dòng)性能不如其他方案。在耐久性方面，方案2和方案4均為鋼支撐體系，優(yōu)于其他兩個(gè)方案。方案3零件數(shù)量比較多，所以開發(fā)時(shí)間比較長。綜合來看，后三種方案差不多，但都優(yōu)于方案一，所以第二輪比較后三種方案，結(jié)果如圖10所示。

六西格瑪設(shè)計(jì)應(yīng)用于轎車蓄電池支撐系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)

方案3和方案4比方案2的支撐系統(tǒng)輕；因?yàn)楹兴芰霞苑桨?的價(jià)格略貴，方案4的重量比方案2略輕，所以價(jià)格比方案2低。所以綜合來看，方案4更有優(yōu)勢(shì)，所以最終選擇了方案4。

本文以DFSS理論為基礎(chǔ)，分別從電池組件的布置和支撐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)的概念設(shè)計(jì)，然后根據(jù)性能指標(biāo)采用普氏概念選擇法對(duì)這些方案的優(yōu)劣進(jìn)行了比較和評(píng)價(jià)。從客戶和企業(yè)自身需求的角度出發(fā)，綜合權(quán)衡各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，確定最終的布局方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，對(duì)其他機(jī)械工程開發(fā)也具有指導(dǎo)意義。