基于六西格瑪設計（DFSS）的純電動敞篷車軟頂系統研發

劉華官

摘 要：文中介紹使用六西格瑪設計（DFSS）方法來生成純電動敞篷車軟頂系統的低成本設計方案。根據六西格瑪設計方法論，確定用戶，建立用戶場景體系，系統的識別用戶需求，由用戶需求轉化為功能需求，進而轉化為技術參數指標。采用功能分析工具系統的識別出技術系統中的改進機會，根據成本分析確認重點研究對象，根據改進機會和研究對象生成概念方案。用普氏分析結合技術參數指標生成最優的技術方案，達到降本目標。

關鍵詞：六西格瑪設計 敞篷車 軟頂系統 功能分析

Research and Development of Pure Electric Convertible Soft Top System based on Design for Six Sigma （DFSS）

Liu Huaguan

Abstract：This paper introduces the use of Design Six Sigma （DFSS） to generate a low-cost design scheme for a pure electric convertible soft-top system. According to the Six Sigma methodology， the study identifies users， establishes a user scenario system， systematically identifies user needs， converts user needs into functional requirements， and then converts them into technical parameter indicators. The improvement opportunities in the technical system are identified by the functional analysis tool system， the key research objects are confirmed according to the cost analysis， and the conceptual scheme is generated according to the improvement opportunities and research objects， using platts analysis combined with technical parameter indicators to generate the optimal technical solution to achieve the goal of cost reduction.

Key words：six sigma design， convertible car， soft top system， functional analysis

1 引言

進入21世紀以來中國汽車制造業增勢迅猛，中國于2011年汽車銷量，達1850萬輛，超越美國成為全球最大的汽車市場[1]。經過幾十年的發展，中國汽車市場日漸成熟，已經進入較為成熟的消費時代。Z世代汽車消費者，開始追求個性、自由、時尚和無窮的駕駛樂趣等。一款高性價比的敞篷車成為了Z世代汽車消費追求最好選擇，2021年上海車展五菱宏光MINI敞篷概念車的火爆場面，無疑證明了這一點。

2013年開始，各大國外廠商的敞篷車紛紛登陸中國市場，搶占中國市場。2013 年開始，國外汽車廠商的敞篷車紛紛登陸中國市場，搶占中國市場。如寶馬、奧迪和奔馳等品牌，車輛價格從數百萬元逐漸覆蓋至幾十萬元，由奢侈逐漸向平民化轉變，市場規模也越來越大。市場的火爆需求對中國自主品牌汽車廠商來說是一個巨大的機遇，然而國內自主品牌還未有量產的軟頂敞篷車，主要原因是敞篷技術被外資牢牢掌控，若采用進口外資技術，敞篷軟頂系統成本將無法下降，會使整車成本失去競爭優勢。如何設計和開發出一款成本可控、擁有自主產權且滿足用戶需求的敞篷軟頂系統，將是每一個想做敞篷汽車的車企面臨的難題。

本文采用六西格瑪設計（DFSS）方法論，按照IDDOV的流程[2]，進行敞篷車軟頂系統的整體設計和開發，既要滿足用戶的需求，也要掌握自主知識產權和實現低成本目標。

2 項目設計開發流程和方案

2.1 識別階段（I）

識別階段主要確定研究對象，以及確定目標值。

2.1.1 確定研究對象

采用樹圖工具，確定研究對象（如圖1）。從整車開始往下分解。由于該車型的軟頂系統為該市場的贏點和消費者的興奮型需求，且為四新零件（新零件、新材料、新工藝、新供應商），故將該項目的項目范圍確定在軟頂系統，包含篷布系統、多連桿系統、密封系統、內飾裝飾系統、鎖系統、驅動系統以及控制傳感器系統等零件。

2.1.2 確定項目目標

該項目目標主要為降低零部件成本。

采用DCD（設計概念描述）和標桿分析，確認目標值。按目前的概念方案，對零部件成本進行工程分析，并對行業標桿車進行工程成本分析。將目前方案成本與行業對標車成本進行對比，發現成本有很大的優化空間。 將E敞篷車與標桿成本均值差值A的50%再加上對標車的均值，定義為降本目標值（如圖2，目標值=對標均值+0.5A）。從圖2可以看出，降本目標值為成本降低31%以上。

2.2 定義階段（D）

定義階段主要是用戶需求，并轉化為功能需求和關鍵技術參數指標。

2.2.1 確認用戶需求

首先全面系統的收集客戶。分別從外部客戶、內部客戶、政府制度三大方面把客戶進行分類。其中外部客戶主要指消費者;內部客戶主要包括產品工程師、采購工程師、造型色彩工程師、制造工程師、售后工程師等。政府制度主要客戶包括政府法規要求。

接著收集不同類型客戶的聲音。這三類客戶中內部客戶和政府制度類最容易收集，內部客戶采用技術接口單（ICD）和制造要求單（MR）等內部流程方式收集;政府法規類主要是滿足汽車行業相關法規即可;而消費者的客戶聲音最難系統收集。為此，建立用戶場景體系，從購車到車輛報廢全生命周期，從走近車輛、用車、停車、停放充電等全場景，從晴天到雨天、下雪天等全氣候，從洗車、改裝到維修等全服務場景等，進行系統分析調研和收集用戶的聲音（如圖3）。

2.2.2 用戶需求轉化為功能定義

通過質量屋工具，將用戶需求轉化為軟頂系統的功能。先在質量屋的左墻寫用戶需求并給重要度打分（按1、2、3、4、5分打分，分值越高重要度越高），再在天花板上對產品的功能進行展開，接著在房間按關聯度打分（1、3、5、7、9，分值越高關聯性越強），然后計算各功能特性的總得分并排序（功能得分計算方法，每項用戶需求重要度乘以關聯度，再將各項乘積相加求和），最后將在屋頂填寫各功能的相關性。通過質量屋可以得到，各功能的重要性排序（如圖4），并可得出，用戶關注的前五位功能為成本要求、耐久可靠性、感知質量要求、防水性能和外觀造型，這五大功能為重點關注項。

2.2.3 將功能轉化為系統關鍵技術參數

通過質量屋工具，將用戶需求的系統功能轉化為軟頂系統的關鍵技術參數。先在質量屋的左墻寫系統并給重要度打分（按1、2、3、4、5分打分，功能排序按五檔進行劃分，排在前20%檔位的功能重要度定義為5分，后序檔位依次定義為4、3、2、1分）。再在天花板上對系統的參數進行展開，接著在房間按關聯度打分（1、3、5、7、9，分值越高關聯性越強），然后計算各參數的總得分并排序（功能得分計算方法，每項用戶需求重要度乘以關聯度，再將各項乘積相加求和），最后將在屋頂填寫各功能的相關性。通過參數排序可以發現，用戶關注的前五位功能為工程成本、品質質量、整車評審得分（SUSA）、軟頂操作耐久和路試耐久，這五大功能為重點關注項（如圖5）。針對這5項重點關注項，制定不低于競品車的技術指標值。

2.3 開發階段（D）

通過TRIZ的功能分析工具找出技術系統的改進機會，通過成本分析找到技術系統的降本重點研究對象，根據這些改進機會和研究對象生成概念方案。采用普氏工具分析，找到最優的整體開發技術方案。

2.3.1 組件分析

通過系統框圖分析，確定軟頂系統的具體研究對象和整個系統邊界[3]。先將多連桿系統、篷布系統、集水盒、后擋玻璃、線束、控制模塊、防滾架總成等定義為技術系統，為研究對象。然后將與軟頂系統有關聯的定義為超系統組件，如：車頂前端、頂蓋上飾板、頂蓋前橫梁、前橫梁密封條、A柱上飾板、側門玻璃、玻璃密封條、B柱接角、頂襯支架側飾板、B柱下飾板、地毯、后地板、左側圍、右側圍、陽光、水、風、冰雹、砂石、灰塵等（如圖6）。

2.3.2 相互作用分析

將找到的所有組件進行相互作用分析，找到組件之間的相互關系。先所有組件按行和列分別列成表格，在行和列交叉的格子里面填寫二者的關系，“+”代表二者之間有接觸、有相互作用，“-”代表二者之間無相互接觸、無相互作用（如圖7）。

2.3.3 功能分析

按照相互作用分析得出來的結果，針對標”+”號的組件進行功能分析。并將功能按有用-充分、有用-不足、有用-過度和有害功能進行分類，后三種功能為重點關注對象。從功能分析可以發現，頂蓋前橫梁對鎖系統的定位功能為有用-不足功能，驅動系統與多連桿系統的移動功能有用-不足功能，控制傳感器系統與驅動系統傳遞電流（信號）功能與車身控制模塊與驅動系統傳遞電流（信號）重復，為有用-過度功能（如圖8）。與這些不足和過度功能相關的零部件，即為重點研究對象：頂蓋前橫梁、鎖系統、驅動系統、多連桿系統、車身控制模塊和控制傳感器系統。

2.3.4 成本分析

按目前設計方案、項目規劃的總產量以及供應鏈的初步報價，對軟頂系統的零件單車成本進行分類，并按百分比進行排序。從圖9可看出占80%成本的類別為知識產權費、物料費用和工裝模具費，這類成本為重點研究對象。

按零件的成本占比進行排序。從圖10可以看出，多連桿系統、篷布系統和驅動系統的成本之和占比超過80%，也是重點研究對象。

2.3.5 生成概念方案

從功能分析和成本分析中確定研究對象，生成以降本為目標的技術概念方案。根據2.3.3中的前頂前橫梁對鎖系統的定位功能不足問題生成了方案1和方案2：分別通過更改鎖頭定位結構和鎖扣形式，還增加容差能力，降低對制造和多連桿系統剛度的要求;通過驅動系統對多連桿系統移動功能不足問題，生成了方案3：更改多連桿運動受力位置，降低對驅動系統負載壓力值，從而降低對驅動系統的要求;針對2.3.3中分析出來的控制傳感器系統和車身控制模塊對傳遞電流的功能過度問題，生成了方案4：將控制系統的功能集成在車身控制模塊上，減少零部件從而降低成本;根據2.3.4成本分析確定的知識產權費用占比大問題，生成了方案5：自主設計開發軟頂系統，分析研究專利并規避專利的開發策略;針對物料成本問題，生成了方案6：采用原材料替你策略，尋找各零部件材質替換方案;針對工裝成本問題，生產了方案7：工裝夾具按小批量壽命要求，尋找材質替換文案 ;針對篷布系統成本問題，采用國產化策略方案。各方案匯總如圖11所示。

2.3.6 確認最優技術概念方案

對生成的概念方案進行整理，可發現方案5和方案8為策略方案，其余為技術方案。由于方案5在成本類別中為對成本的影響排在第一位，方案8在成本按零件排序中占比在80%以內，故首先選定。其余技術方案通過普氏分析工具進行評價（如圖12）。將方案1作為基礎方案，其余方案作為被評價方案。將2.2.3識別出來的關鍵技術參數指標作為評價指標，對各方案進行比較評價。與基礎方案相同的標示“S”，比基礎方案差的評價項標示“-”，比基礎方案好的項目標示“+”。從結果可以發現，各方案工程成本都有優勢，但均有不同的缺點。這些標“-”的缺點需要重點關注，詳細設計和DFMEA分析時要有對應的對策。

最終，基于成本目標考慮，這些概念方案生成了方案9（即：方案9=方案1+方案2+方案3+方案4+方案5+方案6+方案7+方案8）。

2.4 優化階段（O）

對詳細的系統方案，進行CAE分析，以驗證技術方案是否滿足2.2.3識別出來的關鍵技術參數指標。

最終驗證，技術指標均達標，如圖13針對剛度的CAE分析結果。

2.5 驗證階段（V）

在驗證階段，主要工作是對OTS零件進行生產驗證、功能驗證、可靠性驗證以及整車的耐久道路測試，目前均已達標。

最后，計算此軟頂系統的成本，與最初定義的目標成本是否達標。從圖14可知，實際成本值已低于目標值，降低了37.5%，目標（≥31%）達成。

3 結語

針對敞篷車軟頂系統的降本問題，首先運用DFSS的用戶分析工具，系統的識別用戶需求并轉化功能需求和關鍵技術參數。再用TRIZ工具的功能分析，系統的識別出軟頂系統中的降本機會，從而產生降本的概念方案。最后用關鍵技術參數作為評價指標，采用普氏分析工具，對降本概念方案進行篩選，確認最優技術方案。運用DFSS的方法論能系統的產生最優成本技術方案，為行業內敞篷汽車的開發提供參考。

參考文獻：

[1]回玉梅.2012年汽車市場趨勢分析[J].市場研究，2012（05）：26-28.

[2]中國質量協會組織編寫/何楨主編，《六西格瑪管理》-3版，-北京：中國人民大學出版社，2014.6中國質量協會六西格瑪黑帶注冊考試指定輔導教材.