基于DFSS商用车卧铺系统隔热性能优化设计

孙厚为，周菊红，许晶

（东风商用车有限公司技术中心车身开发部，湖北武汉430056）

卧铺系统是长途运输中为司机提供休息的组件，舒适宽大的卧铺能大大缓解长时间驾驶的舟车劳顿，成为司机们衡量商用车舒适性的一大重要标杆。这就要求卧铺系统必须具备空间宽敞、舒适性好、隔热性好、可靠性好、价格低等特点。某商用车卧铺系统的空间、可靠性等得到用户的广泛认可。但夏天温度较高时，发动机的热量通过地板传递至卧铺系统，即便驾驶室内空调正常开启，用户依然感觉不适。因此为了消除用户的抱怨，亟需对卧铺系统进行优化改善。

六西格玛设计方法DFSS（Design For Six Sigma）核心思想是按照合理的流程，运用科学的方法，通过准确地理解和把握顾客需求，对产品进行健壮无缺陷设计，使产品在低成本下实现六西格玛质量水平。同时使产品本身具有抵抗各种干扰的能力，即使环境与制造发生波动，产品仍能以较高水平满足客户的需求[1]。

DFSS的应用流程主要有IDOV、DCOV、IDDOV等，不同公司根据产品开发需要确定的产品开发流程。目前东风商用车采用的是IDOV流程，包括识别（Identify）、设计（Design）、优化（Optimize）、验证（Verify）4个阶段。识别阶段的目的是确认客户需求，并将客户需求转换为可测量的商品特性，并定义出目标值、规格界限等；设计阶段的目的是利用六西格玛设计工具获得设计概念，并从设计概念中选择可行的设计方案，以达成产品的商品特性；优化阶段的目的是由高阶设计方案展开至更细部的参数设计和公差设计，通过试验设计等手段确定并优化设计方案；验证阶段的目的是验证新产品商品特性达成情况、可靠性及生产过程能力，以满足客户及市场的需求。

本文中基于DFSS方法按照IDOV流程，对某商用车卧铺系统的隔热性能进行分析与优化。台架试验和实车试验结果表明：改进方案在不增加成本的同时，不仅解决了卧铺系统隔热性差的问题，而且降低了系统30%的重量。

1 卧铺系统设计现状

卧铺系统主要功能是为用户提供休息，包括卧铺板、卧铺垫、隔热垫等。通过运用六西格玛设计方法中的VOC（Voice of the Customer，即顾客明确或是潜在的客户需要或需求）调查、Kano（卡诺）分析[2]、AHP方法（Analytic Hierarchy Process，即分层过程分析法，将复杂的问题系统化，由不同的层面给予层级分解，并通过量化的判断，觅得脉络后加以综合评估，以提供决策者选择适合方案的充分信息，同时减少决策失误的风险性）等工具分析得知，商用车卧铺系统的客户需求与重要性排序见表1。

表1 卧铺系统客户需求重要性排序

将卧铺系统的客户需求输入到质量功能展开QFD[3]工具中，得到卧铺系统的QFD分析结果，如图1所示，卧铺系统目前的卖点为空间宽敞、可靠性好，在竞争产品中极具优势。但用户对卧铺的休息舒适性仍存在较大抱怨，焦点集中在夏天卧铺隔热性差，如果能改善这项性能，可以成为产品的蛙跳机会。

通过QFD输出结果可知，改善卧铺隔热性主要的设计指标为发动机舱温度、卧铺下隔热垫隔热能力、地板隔热能力和卧铺系统隔热能力。通过客户调查分析结合竞品分析，确定改善的总体目标值为当室外环温32°时，驾驶室内空调全开状态下卧铺垫上表面的温度低于28°。

图1 卧铺系统的QFD分析结果

2 改善方案概念选择

在DFSS设计阶段有一项重要方法论为创新问题解决理论TRIZ，是一种系统化的发明工程方法论，它总结了40条创造性问题的解决原则，与各种系统冲突模式分别对应，直接指导创造者对新设计方案的开发[4]。

卧铺系统的改善方案主要围绕提高卧铺系统的隔热性展开，改善卧铺系统的隔热性主要从改善发动机舱温度、卧铺下隔热垫的隔热能力、地板隔热能力和卧铺系统隔热能力4个设计指标入手。通过运用创新问题解决理论中的最终理想解（IFR）、物质—场分析法[4]、5Why分析法和技术矛盾理论TRIZ等方法，得到了多种改善方案。综合考虑方案的可行性、可制造性、开发周期、可靠性和成本等因素，运用PUSH方案选择矩阵[5]，从各种改善方案中选择了9种可行的改善方案，改善方案示意图见图2，改善详细方案说明见表2。

图2 改善方案概念选择

表2 卧铺改善方案

3 参数设计

按照能量思考方法，发动机舱的热量通过地板下隔热垫传递至地板钣金，地板钣金再将热量通过卧铺系统传递至人体，参数图如图3所示。

图3 卧铺系统热传递参数图

根据热传递能量原理，建立输出与输入之间的关系：

式中：Tbody为卧铺垫上表面温度，即人体所能感受到的温度值（望小）；Tengine发动机舱温度值（望小）；Tdown为地板下隔热垫的隔热温降（望大）；Tfloor为地板钣金的隔热温降（望大）；Tsleeper为卧铺系统的隔热温降（望大）。

实际计算中，考虑到系统的复杂性、改善方案的可行性以及测试数据的易获得性，结合所确定的改善方案，设置9个控制因子都为两水平，详细水平设置情况见表3。表3中，控制因子A表示“卧铺隔热垫材料”；B表示“卧铺隔热垫尺寸”；C表示“卧铺板材质”；D表示“地板下表面防振胶厚度”；E表示“地板密封孔”；F表示“地板下隔热垫面密度”；G表示“地板下隔热垫与钣金之间间隙”；H表示“发动机舱后挡板开孔面积”；I表示“是否取消发动机舱左后挡板”。

由于噪声因子即驾驶室的热辐射对热传递的每个传递路径都有影响，且目前缺少可行的测试手段，暂没有考虑对其进行优化改善控制。

表3 卧铺系统的控制因子与水平设置

4 设计优化

按照DOE中正交全因子试验方法，分别对4个改善指标进行转鼓台架试验，测试出不同因子水平下的温度T值，试验结果见表4。

表4 卧铺系统DOE试验结果

根据Minitab输出结果可知，各改善指标的传递函数为

式（2）中拟合优度R-squared值为0.974，式（3）中R-squared值为0.743，式（4）中R-squared值为0.967，式（5）中R-squared值为0.827。将式（2）～（5）代入式（1），可得总传递函数为

式（6）中综合拟合优度R-squared值为0.711。

根据Minitab输出结果得到各改善指标的主效应图，如图4所示，分析可知各控制因子对各改善指标的贡献大小。利用Minitab软件DOE因子分析响应优化器，设置4个试验质量改善指标的权重与重要度都为1，在改善方案成本不增加的前提下，设置Tengine望小、Tdown望大、Tfloor望大和Tsleeper望大为改善目标方向，优化各控制因子的参数，优化结果如表5所示。

图4 各改善指标主效应图

表5 优化控制因子结果

5 试制验证

根据总传递函数，原设计方案卧铺垫上表面温度为

优化后设计：

由于各控制因子水平不涉及公差水平设置，没有根据控制因子的公差范围得到卧铺垫上表面温度Tbody理论置信区间CI；但结合多轮实车转鼓试验结果，分析可知卧铺垫上表面温度Tbody的置信区间CI为20.3～22.1℃。

由于该计算过程中未考虑噪声因子驾驶室热辐射的影响因素，实车效果卧铺垫上表面温度无法达到21.2℃。为验证实车实况效果，2014年10月将改善方案换装在一辆广州—新疆的长途牵引车上，测得改善后的卧铺垫上表面平均温度为27℃（室外平均温度在31℃左右）；另一辆未进行改善的车辆相同工况下卧铺平均温度为32℃；可见优化后的改善方案比原设计方案改善了5℃，达到改善方案前设定的卧铺垫上表面温度值低于28℃目标值。经测试新方案的刚性、强度、耐久等性能，满足可靠性需求，且改进前后成本基本相当。

6 结论

运用DFSS方法对卧铺系统的隔热性进行了细致研究，并对不同改进方案对隔热性的影响进行了详尽分析。结论如下：

1）通过实验设计确立了卧铺隔热性与各控制因子之间的数学关系;

2）利用DOE 试验设计中的正交全因子试验方法分析了各设计参数对设计指标的影响大小；可知地板下隔热垫面密度、发动机舱左后挡板、卧铺板材质等对卧铺系统隔热性有较大影响，而地板隔热胶对卧铺系统隔热性影响不大；

3）本项目通过合理优化各控制因子的参数水平，显著改善了原卧铺方案隔热性差的问题，并确认了新方案的可靠性。

改进产品已于2014年11月份上市，经过用户体验，早期质量调研反馈客户抱怨率为2%～3%，较于此前该车型的用户调查数据有很大的提升，对提高用户满意度及市场占有率有很大的贡献。DFSS设计方法对提升设计质量有较高的利用价值，可在企业和行业内推广应用。

[1]刘瑞民.六西格玛设计流程研究[J].专题研究，2001（7）：130-131.

[2]科杰尔·麦格纳森，克劳斯里德，伯格曼.六西格玛通向卓越质量的务实之路[M].刘伟，石海峰，译.北京：中国标准出版社，2001：20-21.

[3]邵家骏.质量功能展开[M].北京：机械工业出版社，2004：1-5.

[4]赵敏，史晓凌，段海波，等.TRIZ入门及实践[M].北京：科学出版社，2009：1-4，181-184.

[5]杰夫·坦南特.六西格玛设计[M].北京：电子工业出版社，2002：190-192.