基于DFMEA的汽车风噪性能开发应用

付年, 刘任权

(1.上汽通用五菱汽车股份有限公司， 广西 柳州 545007；2.柳州铠玥科技有限公司， 广西 柳州 545007)

现代汽车的风噪是车辆在高速行驶时车内噪声的主要表现，是客户购车时体验的一项主要感知性能。针对整车风噪，开发过程中不仅需要在前期对造型进行约束，还需要对风噪相关零部件进行结构设计。风噪性能开发中，如果将设计失效模式及后果分析(Design Failure Mode and Effects Analysis，DFMEA)作为质量预防管控工具，可在早期发现并预防潜在问题的发生，通过分析风噪性能相关产品设计要素的失效模式、后果及原因，找到降低风噪的改进措施，从而降低质量风险，避免付出更多成本。该文以某款外观全新设计、底盘为平台化的车型为研究对象，通过DFMEA工具的应用，对风噪性能开发过程进行闭环控制，实现整车风噪性能目标。

1 DFMEA工具在整车风噪开发中的结构

风噪性能开发中的任何疏漏都可能在不同程度上影响顾客的使用舒适性，风噪性能开发同样强调在前期预防质量风险。

1.1 DFMEA简介

DFMEA是一个设计概念形成之前应用的一种风险分析方法。作为风险评估工具，DFMEA是一种识别潜在影响严重性的方法，并为采取减轻风险的措施提供输入，在尽可能避免失效发生的情况下实现其设计功能。

DFMEA的框架结构主要分为5个部分，分别为组织机构建立和团队会议记录、调研以往的失效模式、系统框图、功能关系矩阵图和DFMEA表格，其中DFMEA表格为核心内容(见图1)。

图1 DFMEA工具过程简图

1.2 DFMEA在整车风噪性能开发中的应用框架

整车风噪开发和整车项目开展同步。从项目启动直到产品批量上市，一般需经历项目立项、项目启动、设计冻结、试生产、批量上市等重大节点。其中：项目启动之前到造型冻结是风噪外形约束条件与造型沟通的时期，也是控制与车身外观相关的风激噪声的阶段；之后外造型冻结，进入审核数据阶段，这也是控制密封与隔音性能的阶段；后续则对风噪性能进行验证与改进。

DFMEA工具与项目开发过程的结合可归纳为规划、实施、维护3个阶段，在项目中的开展时机见图2。

图2 DFMEA在风噪开发中的应用简图

(1) 规划阶段。首先是创建团队，完成对以往项目中失效模式的收集、原因分析和记录，并将与造型和零部件相关的要求输入给责任人。同时定义DFMEA分析范围和边界条件，完成风噪系统框图创建和功能关系矩阵。

(2) 实施阶段。该阶段主要是对T2数据进行CAE分析和数据审核，体现在DFMEA表中的现有设计控制内容及探测度、失效模式分析。这部分是DFMEA的主要内容。

(3) 维护阶段。 该阶段保持对DFMEA的持续关注及更新，并将后续解决的实车风噪问题更新到DFMEA进行归档。

2 基于DFMEA的风噪闭环控制方法

目前，DFMEA已在汽车行业得到较广泛的应用，但在整车性能开发中应用较少，主要原因是未将DFMEA和研发阶段的开发流程紧密结合，没有发挥DFMEA预防控制的作用。由于整车风噪控制牵涉到造型和较多零部件，而对风噪的要求只是其中一部分，将相关零部件按照系统框图划分的重要度顺序依次进行分析、预防。

2.1 第一个闭环：前期规划及要求输入阶段

DFMEA的第一个闭环活动发生在项目立项后不久，也就是T1阶段A面数据的发布。因为与整车风噪相关的造型在前期都会有不同程度的体现。

这一阶段的目的是保证主要失效模式能及时被识别出来，并能有效地将对造型的约束传递给造型设计人员，预防后续造型出现对风噪不利的重大失效模式。这个不是DFMEA表格的直接内容，却体现在DFMEA工具第五部分的表格中的要求/规范栏里。在编写DFMEA之前，这部分工作就是项目开发中风噪要求的输入。在这份要求输入的文件里，除对造型的要求外，还有对工程区域的要求，如对声学包材料使用、密封配置及尺寸的要求。这是风噪性能开发中除性能目标文件外最重要的部分。

项目启动后，通知与风噪相关的人员，依据对风噪影响的严重程度建立组织结构。这是DFMEA的第一部分内容。工作团队里一般除主导DFMEA的NVH(噪声、振动与声振粗糙度)工程师外，还需合适的接口工程师，如造型管理工程师、质量工程师、产品工程师，如负责外后视镜、车门密封条相关组件、雨刮、天线、天窗等零部件的工程师。团队的建立便于后续工作交流和问题推进。

在DFMEA工具中，在该阶段要确定分析对象，收集并学习以往项目问题的经验及教训，建立失效模式库，确定潜在失效模式。这是DFMEA的第二部分内容。由于整车风噪的失效模式及原因较多，需从多个渠道收集以往的问题，如售后质量问题反馈、样车开发阶段的试验故障记录表和评审问题等，只要有明确的问题描述、问题分析及故障记录，都可以列进表格(见图3)。这其实是建立风噪问题数据库，对以后开发车型具有借鉴意义。

图3 风噪开发中失效模式收集示意图

风噪系统框图的建立，首先要确定分析范围及对象。这是DFMEA的第三部分内容。影响风噪的零部件用白色文本框布置，对风噪影响不明显的零部件用灰色文本框布置。在白色文本框里的零部件，依据对风噪性能影响的严重度编号，按照汽车结构的空间位置进行布置，同时利用DFMEA表中的约束关系进行不同文本框之间关系确定。图4为风噪系统框图。

图4 风噪系统框图

风噪DFMEA表中的功能关系矩阵图是对系统框图的功能细分，其零部件界面就是系统框图中所有零部件。功能关系矩阵图是该表中第四部分内容，其实就是整车技术规范中的风噪性能目标，包括客观测试数据和主观评价值。NVH工作人员需对竞标车进行整车风噪分析，制定风噪性能目标。风噪性能目标一般包含在整车技术规范要求的NVH性能中，包括客观数据要求和主观评价要求。客观数据要求是对不同匀速工况的车速下车内声压级和语音清晰度的数据要求；主观评价要求是在统一标准下的分数值，分数越高，风噪性能越好。这个表格也是对前期开发的风噪性能目标文件的体现。

2.2 第二个闭环：数据检查及实施阶段

项目通过VDR阶段后，进入工程数据设计阶段。这个阶段的风噪性能开发就是DFMEA工具中的第五部分即DFMEA表，该表格是DFMEA系统的核心，也是最重要的内容。

风噪DFMEA表中零件/界面栏是第三部分系统框图的具体展开，将白色部件逐步列出。该表的潜在失效模式栏里填写风噪产生的原因。现在汽车的风噪声一般分为泄漏噪声、风激噪声、风鸣噪声、风振噪声，其中风鸣噪声和风振噪声是单一频率的风噪声，在风噪性能开发中要极力避免，因为该噪声非常让人厌烦，客户的抱怨率较高。解决单一频率风振噪声的措施一般为封堵小孔或小腔体。但实际上DFMEA表的潜在失效模式中除泄漏是密封原因引起的外，其余大多数归咎于汽车外形引起的风激噪声。所以对于潜在失效模式，填写内容为导流效果差、密封失效，其次是隔音效果差，其中导流引起的风噪声牵涉的零件最多。潜在失效的后果栏中一般填写客户的主观评价描述。

该闭环阶段是项目开发中最重要的数据分析和审核阶段，体现在DFMEA表中的现有设计控制预防栏中。在该栏里，需对风噪相关的全部零部件进行数据检查，检查内容和依据是DFMEA表中要求/规范栏中填写的内容。在要求/规范栏里，对于外形噪声的控制就是前期开发中对造型的要求输入，对于泄漏噪声的控制就是前期开发中对于工程区域的零部件密封隔音性能的要求，这些要求不仅是失效模式中的整改措施，也是整车厂开发风噪的技术经验积累。

风噪DFMEA表中现有设计控制探测栏中的内容是针对不同零部件进行现有探测手段的实施。对于风激噪声，一般依据CAE分析，借助声学设备进行道路或风洞测试。不同整车厂风噪分析采用的CAE分析软件不同，该车型采用PowerFLOW进行整车风噪仿真，对造型及T2数据进行分析，起到前期数据辅助审核的作用。道路和风洞测试需有符合要求的整车，主要在项目开发的样车阶段进行。泄漏噪声测试也是在整车有样车时进行，主要利用气密性设备和超声波设备进行整车静态密封性检测。

DFMEA表中有4列需填写的数据，分别为每个潜在失效后果的严重度、频度、探测度的数据评分及依据这三项分数的乘积得出的风险优先级顺序数RPN，这是DFMEA工具表中风险控制的数字体现。对RPN值偏大的风险项需重点关注和控制，若RPN值大于100，说明该问题风噪性能差，客户抱怨多，必须采取整改措施进行性能状态纠正。

2.3 第三个闭环：实车评估及维护阶段

该阶段的DFMEA表是对整车风噪性能的验证和维护。该阶段是项目开发中实车试验验证及量产阶段，主要解决产品在制造过程中出现的问题及相关售后质量问题，主要针对RPN值高于100的相关零部件。也就是在实车阶段根据实车风噪测试及动态评审情况，对客户满意度低的风噪声进行改进。该车在行驶速度为60～80 km/h时，驾驶员耳旁出现“簌簌”的风噪杂音，用声学设备道路测试，数据上体现并不明显，但驾驶员的外耳感觉明显。采用DFMEA工具分析，其RPN值为125，必须采取措施进行更改。根据正向开发原则，首先进行CAE仿真分析，分析结果见图5。根据仿真分析结果，经过临时措施的实施及多组评审人员评估，决定更改外后视镜基座，以消除60～80 km/h车速区间的杂音。改进后，DFMEA表中的RPN值更新到50。图6(b)为量产车更改后的外后视镜基座。

图5 外后视镜的CAE仿真分析结果

图6 外后视镜基座更改前后对比

维护阶段是针对造车及售后出现的问题，如果确认是由设计所导致，则快速响应，寻找解决方法，设计更改方案，对产品进行持续改进。需特别说明的是，为保证更改的可靠性，对设计更改需重新进行前面两个闭环的检查和验证，才能最终实施在产品上。同时对所有发现的新问题及问题的解决方案进行经验教训总结与分享，并把学习到的内容维护到DFMEA表的要求/规范及DFMEA失效模式库中，以积累风噪性能开发工程经验。

3 结语

目前，DFMEA工具已在国内汽车行业得到较广泛的应用，尤其是在产品开发中使用较多，但在整车性能开发中应用较少。在风噪开发过程中对造型和零部件的要求及使用、项目要求的各类交付物均可结合DFMEA工具进行，这样不仅能在设计前期阶段有效识别和防御质量风险，也能系统地融合风噪性能正向开发进行风噪性能质量控制。其优势主要体现在：1) 可将以往的失效模式和解决措施应用到造型及设计前期，真正起到DFMEA预防风险的作用，有效控制风噪性能；2) 可系统地收集和整理以往发生的风噪失效问题，进行工程数据及经验积累；3) 可结合项目开发过程，有效管理风噪性能的开发，对各阶段的交付物和质量把控做到全局风险最小，起到系统的闭环管理作用。