基于DFSS的副车架衬套压出力优化设计

梅英豪，孙厚勇，阎礁

(泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201)



基于DFSS的副车架衬套压出力优化设计

梅英豪，孙厚勇，阎礁

(泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201)

摘要：副车架衬套是连接副车架到车身的弹性元件，其压出力为关键性能之一。在某新车型副车架衬套的开发过程中，借助DFSS方法，考虑制造过程中噪声因素，优化设计副车架衬套和副车架套筒，并做压出力实验。实验结果表明：该优化设计满足压出力要求，并且有质量和经济性收益。通过DFSS分析，还提取了对副车架衬套压出力有影响的关键设计参数，对今后副车架衬套压出力调试具有重要的指导意义。

关键词：DFSS方法；副车架衬套；压出力；优化设计

0引言

副车架衬套是连接副车架到车身的弹性元件，其主要功能是传递吸收悬架和动力总成悬置载荷，减小路面激励和发动机震动到车身的传入，提供车身下部的附加噪声隔离等。因此根据整车NVH和车辆动力学调试，副车架衬套需要满足各个方向的动刚度、静刚度和阻尼角等要求。

图1是典型副车架和车身连接示意图，副车架套筒和车身之间即为副车架衬套。典型的副车架衬套一般为三层结构：内芯为铝芯或者铁芯，用于支持螺栓；中级为橡胶，部分高端车型使用液压衬套，以满足更高的NVH和操作稳定性能；外壳为塑料或者金属。

图1　副车架和车身连接典型结构

副车架衬套和副车架套筒一般靠过盈配合连接，副车架衬套压入副车架套筒。副车架衬套要在客户的任何使用工况下，都始终保持在副车架套筒内，否则将不能实现传递载荷和隔绝振动的功能，会产生异响，车辆NVH和操作稳定性能下降等，导致客户抱怨等售后投诉，影响车辆品牌形象。副车架衬套始终保持在副车架套筒内，转化到工程要求即为副车架衬套的压出力要满足一定数值。衬套压出力的要求定义是否合理，以及满足该要求的方案是否满足要求，解决方案是否具备较好的经济性等，需要在开发过程中全面考虑。

作者在某新车型副车架衬套的开发过程中，借助DFSS方法，以压出力为目标优化设计副车架衬套和副车架套筒。

1DFSS概述

产品的质量提高、设计创新和成本节约，90%是在设计开发阶段决定的，而DFSS(Design for Six Sigma，即六西格玛设计)可以在开发阶段实现上述目标的最优化[1]。DFSS按照合理的流程，运用科学的方法准确地理解和把握顾客呼声，对新产品等进行稳健设计，使产品在低成本的情况下，对造成变化的因素(制造环境或用户环境)的敏感度最小化，从而实现六西格玛质量水平。DFSS从设计初始就关注质量与成本，制定质量和成本目标，并在设计过程中不断优化，确保产品质量在设计阶段得到改进和保证，同时降低成本[2]。DFSS在提高产

品质量和可靠性的同时，可以大幅降低成本及缩短开发周期，具有很高的实用价值，因此在国内外汽车企业逐渐推广[3-8]。

典型的DFSS流程为IDDOV流程，即识别(Identify)、定义要求(Define Requirements)、开发概念(Develop Concept)、优化设计(Optimize Design)、确认和实施(Verify)[2-3]。

DFSS的核心原则是基于证据做决策，实验数据、CAE报告等都可以当作做决策的证据；而决策不能基于猜想或者简单的推论。在IDDOV的各个阶段都要贯彻这个原则。

2DFSS方法的实施

基于上述DFSS方法流程，以下详细阐明DFSS在副车架衬套压入力优化设计中的应用。

2.1识别

识别是为保证任务完成而开发计划。在识别阶段，主要内容包括确定目标、制定项目开发计划、组建团队等。

在前言中已经阐明，要求在任何工况下，副车架衬套都要保持在副车架套筒中，因此衬套压出力为衬套的一个关键性能。而在之前的一些项目开发中，衬套的压入压出开发出现了一些问题，如某项目发现衬套压出力过大出现压入困难问题，需要更改衬套设计; 另外某项目衬套则由于达不到压出力要求，需要在衬套表面额外涂胶。这些都增加了项目成本。因此副车架衬套压出力设计是该新项目开发中遇到的问题。DFSS的实施计划随整车项目开发进行。

2.2定义要求

定义要求是建立一套使客户满意、合理的功能指标。需要明确内外部客户，将客户要求转换成工程指标。

内外部客户对副车架衬套的要求满足NVH和车辆动力学性能，衬套始终保持在副车架套筒内；衬套压装顺利，压装过程中衬套外壳不开裂。这两条客户呼声转化为工程要求即为设定合适的压出力目标，且经过一定的环境循环后，满足该要求；同时压出力不宜过大。压出力过大导致较大的压入力，从而导致压装困难。

使用ADAMS建立车辆模型，并计算副车架衬套处在各个标准工况下的载荷。若衬套压出力大于各个工况载荷且有一定的安全系数，即可保证衬套始终在套筒之内。根据以往车型开发经验，设定此安全系数为3，因此得到压出力的目标值大于9 000 N。

根据量产车型副车架衬套的压装经验，统计了实际最大压入力和实际最大压出力的关系，得到了压入力和压出力之间的比例关系。并根据工厂压机能力，设定该新车型副车架衬套压出力目标值小于16 000 N。至此，分别设定了压出力上限值和下限值。压出力大于下限值，保证了衬套始终保持在套筒内；压出力小于上限值，保证了衬套在工厂的压装顺利。

2.3开发概念

开发概念是建立最好的设计方案以满足定义要求阶段所确定的功能，同时满足其他业务目标。在此阶段，普氏概念选择、头脑风暴等工具可以协助更好地完成方案制定。

DFSS小组成员通过研究某公司和竞争对手车型的副车架衬套和套筒设计特点，经过头脑风暴，得到以下概念设计：外壳涂胶，金属外壳，锯齿型外壳，光滑外壳且上端带卡扣，上下两层衬套，以及衬套和套筒中加销钉固定等方案。最优方案将在以上方案或者以上方案的组合中选出。

在方案选择过程中，采用普氏概念选择方法，如图2所示。首先确定开发方案选择的评价标准，主要的评价标准为成本、对副车架性能影响、质量、结构简单性，以及售后维护更换方便等。

图2　普氏选择过程

普氏选择共进行两轮，第一轮普氏选择的优胜方案要作为第二轮普氏选择的基准方案。而其他备选方案也要根据第一轮普氏选择的分析，进行取长补短形成新方案，并参与第二轮普氏选择。经过两轮普氏选择，方案二为最优方案，并作为优化设计的基础。

2.4优化设计

优化设计是确定最优方案的设计参数，以确保在各种生产条件下性能满足要求。稳健评估和稳健优化是此阶段的重点。稳健评估的目的是快速比较设计方案，稳健优化则是通过测试一系列的设计参数(控制因子)组合来决定它们对信噪比和斜率的影响，从而进行优化设计。此阶段使用的工具主要是正交列表和参数设计。

优化设计阶段，需要考虑控制因子和噪声因子对响应(衬套压出力)的影响，其系统响应图见图3，显示了噪声因子、控制因子、响应和症状之间的关系。优化设计的目的是选择最佳的控制因子组合，同时降低噪声因子对系统稳健性的影响。

根据副车架衬套套筒系统的主要设计参数，此DFSS项目中设定了4 个控制因子和1 个噪声因子。每个控制因子和噪声因子的水平的设定依据以往车型或者设计经验，确保因子水平的设定具有代表性，且满足基本性能要求。此DFSS的控制因子和噪声因子设定如表1所示。

图3　副车架衬套套筒系统响应图

因子水平1水平2控制因子一:匹配间隙-1.5mm-2.5mm控制因子二:衬套外壳厚度2.55mm3mm控制因子三:副车架套筒材料HR500HR340控制因子四:套筒材料厚度2mm2.5mm噪声因子:套筒圆柱度0mm2mm

确定了控制因子、噪声因子及其水平后，需要制定试验计划以获取响应数据。可以用实物实验，也可以使用CAE计算结果。此DFSS使用Abaqus分析软件模拟副车架衬套在套筒的压入压出过程，并分别输出压入力曲线和压出力曲线(图4)，从而获取实验结果。

图4　CAE 计算衬套压入和压出过程

此DFSS的4个控制因子各有2个水平，适用于L8正交列表进行正交试验。L8正交列表最多可以支持7个控制因子各2个水平的正交试验，为了避免L8正交列表中各个因子之间出现交互影响，取L8正交列表的A、B、D、G分别依次代表控制因子一、二、三、四，其余3项因子C、E、F留空即可。在不同的控制因子水平和不同的噪声因子水平下，得到副车架衬套的压出力值，结果见表2。

表2　压入力正交实验结果

根据表2数据可以做出信噪比响应图和平均值响应图，如图5和图6。采用信噪比和平均值来确定最优因子设计水平，信噪比和平均值最高时方案最优。

图5　响应信噪比分析图

图6　响应平均值分析图

由信噪比和平均值分析可得：该车型副车架衬套的最优设计参数为匹配间隙-2.5 mm、外壳厚度3 mm、套筒材料HR340、套筒厚度2.5 mm。但是由图5、图6可以看到压出力对套筒厚度不敏感。因此从轻量化角度出发，最终方案选择为套筒厚度2 mm。

由以上分析，还可以得到影响压出力的关键参数权重顺序。对压出力影响程度大的设计参数依次为匹配间隙、外壳厚度、套筒材料，而套管厚度的影响可以忽略。

2.5确认

确认是在产品中确认项目是否达到目标。确认最佳设计参数之后，经计算得到预测信噪比与CAE计算信噪比，如表3所示。

表3　最优方案收益

进行了副车架衬套的压出力实验，实验曲线见图7，压出力在13 000 N左右。

图7　压出力实验曲线

CAE计算和实验结果表明：采用DFSS设计的副车架衬套和套筒满足要求，且相对于最初方案，其压出力中值有超过50%的提升，提高了系统的稳健性。

3总结

(1)分析了DFSS在汽车零部件设计中的应用，以副车架衬套压出力设计参数为研究对象，运用正交试验等工具进行DFSS优化设计。

(2)DFSS结果表明：应用DFSS可以准确完成从客户呼声到工程指标的转化，在开发过程中全面考虑各个设计参数和噪声，以提升稳健性为目标优化副车架衬套设计参数，而且减轻了系统质量，减少了后续装配工艺的复杂程度。

(3)通过DFSS分析，得到了对副车架衬套压出力影响的关键因素，对今后副车架衬套压出力调试具有重要的指导意义。

参考文献:

【1】余秀慧，谢骋，孙丽丽．六西格玛设计在汽车产品开发中的应用[J]．上海汽车，2010(3)：20-23.

【2】CHOWDHURY S.六西格玛的力量[M].郭仁松,朱健峰,译.北京：电子工业出版社,2002.

【3】王文水，田峰，王月华．基于DFSS的扭杆弹簧分析及优化设计[J]．汽车零部件，2014(6)：38-41.

【4】HONG S,OH B,KIM Y,et al．Optimization of Intake Manifold Design using DFSS(Design for Six Sigma)[R]．SAE，2007.

【5】FIORAVANTI A,KAMINSKI PC．Design for Six Sigma(DFSS):A Technical and Economical Analysis of Its Application in the Vehicle Development Process[R]．SAE，2004.

【6】郭峰．6 Sigma设计在汽车设计中的应用[J]．汽车工程，2006，28(10)：892-896.

【7】刘臻青．六西格玛在门饰板侧撞吸能块设计中的应用[J]．汽车工程师，2013(3)：56-59.

【8】陈克智,马振海,李立,等．基于DFSS方法的尺寸公差优化设计研究[J]．汽车技术，2013(12)：56-59.

Optimization for Structure Design of Cradle Mount Push-out Force Based on DFSS

MEI Yinghao，SUN Houyong，YAN Jiao

(Pan Asia Technical Automotive Center Co.,Ltd.,Shanghai 201201,China)

Abstract:Cradle mount connects cradle to body, and the push-out force is one of its key performances. In the development of the cradle mount of a new vehicle, the design for six sigma(DFSS)method was employed, and the noise in manufacture process was taken into consideration, then optimization for structure design of cradle mount was performed. Test results show that the design meets the requirement and has advantages in weight and cost. The main design parameters which affect push-out force, are illustrated based on DFSS analysis.It has instructivemeaning to future cradle mount development and debugging.

Keywords:DFSS method；Cradle mount；Push-out force;Optimization design

收稿日期：2015-10-12

作者简介：梅英豪，男，工学硕士，从事副车架和副车架衬套开发和路谱处理等工作。E-mail：yinghao_mei@patac.com.cn。

中图分类号:U463.32

文献标志码：A

文章编号：1674-1986(2016)01-016-04