基于六西格玛设计（DFSS）的纯电动敞篷车软顶系统研发_北京转创国际管理咨询有限公司广东分公司

1 引言

进入21世纪以来中国汽车制造业增势迅猛，中国于2011年汽车销量，达1850万辆，超越美国成为全球最大的汽车市场[1]。经过几十年的发展，中国汽车市场日渐成熟，已经进入较为成熟的消费时代。Z世代汽车消费者，开始追求个性、自由、时尚和无穷的驾驶乐趣等。一款高性价比的敞篷车成为了Z世代汽车消费追求最好选择，2021年上海车展五菱宏光MINI敞篷概念车的火爆场面，无疑证明了这一点。

2013年开始，各大国外厂商的敞篷车纷纷登陆中国市场，抢占中国市场。2013 年开始，国外汽车厂商的敞篷车纷纷登陆中国市场，抢占中国市场。如宝马、奥迪和奔驰等品牌，车辆价格从数百万元逐渐覆盖至几十万元，由奢侈逐渐向平民化转变，市场规模也越来越大。市场的火爆需求对中国自主品牌汽车厂商来说是一个巨大的机遇，然而国内自主品牌还未有量产的软顶敞篷车，主要原因是敞篷技术被外资牢牢掌控，若采用进口外资技术，敞篷软顶系统成本将无法下降，会使整车成本失去竞争优势。如何设计和开发出一款成本可控、拥有自主产权且满足用户需求的敞篷软顶系统，将是每一个想做敞篷汽车的车企面临的难题。

本文采用六西格玛设计（DFSS）方法论，按照IDDOV的流程[2]，进行敞篷车软顶系统的整体设计和开发，既要满足用户的需求，也要掌握自主知识产权和实现低成本目标。

2 项目设计开发流程和方案

2.1 识别阶段（I）

识别阶段主要确定研究对象，以及确定目标值。

2.1.1 确定研究对象

采用树图工具，确定研究对象（如图1）。从整车开始往下分解。由于该车型的软顶系统为该市场的赢点和消费者的兴奋型需求，且为四新零件（新零件、新材料、新工艺、新供应商），故将该项目的项目范围确定在软顶系统，包含篷布系统、多连杆系统、密封系统、内饰装饰系统、锁系统、驱动系统以及控制传感器系统等零件。

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图1 确定研究对象

2.1.2 确定项目目标

该项目目标主要为降低零部件成本。

采用DCD（设计概念描述）和标杆分析，确认目标值。按目前的概念方案，对零部件成本进行工程分析，并对行业标杆车进行工程成本分析。将目前方案成本与行业对标车成本进行对比，发现成本有很大的优化空间。将E敞篷车与标杆成本均值差值A的50%再加上对标车的均值，定义为降本目标值（如图2，目标值=对标均值+0.5A）。从图2可以看出，降本目标值为成本降低31%以上。

图2 定义成本目标

2.2 定义阶段（D）

定义阶段主要是用户需求，并转化为功能需求和关键技术参数指标。

2.2.1 确认用户需求

首先全面系统的收集客户。分别从外部客户、内部客户、政府制度三大方面把客户进行分类。其中外部客户主要指消费者；内部客户主要包括产品工程师、采购工程师、造型色彩工程师、制造工程师、售后工程师等。政府制度主要客户包括政府法规要求。

接着收集不同类型客户的声音。这三类客户中内部客户和政府制度类最容易收集，内部客户采用技术接口单（ICD）和制造要求单（MR）等内部流程方式收集；政府法规类主要是满足汽车行业相关法规即可；而消费者的客户声音最难系统收集。为此，建立用户场景体系，从购车到车辆报废全生命周期，从走近车辆、用车、停车、停放充电等全场景，从晴天到雨天、下雪天等全气候，从洗车、改装到维修等全服务场景等，进行系统分析调研和收集用户的声音（如图3）。

图3 消费者用户的场景体系

2.2.2 用户需求转化为功能定义

通过质量屋工具，将用户需求转化为软顶系统的功能。先在质量屋的左墙写用户需求并给重要度打分（按1、2、3、4、5分打分，分值越高重要度越高），再在天花板上对产品的功能进行展开，接着在房间按关联度打分（1、3、5、7、9，分值越高关联性越强），然后计算各功能特性的总得分并排序（功能得分计算方法，每项用户需求重要度乘以关联度，再将各项乘积相加求和），最后将在屋顶填写各功能的相关性。通过质量屋可以得到，各功能的重要性排序（如图4），并可得出，用户关注的前五位功能为成本要求、耐久可靠性、感知质量要求、防水性能和外观造型，这五大功能为重点关注项。

图4 质量屋转换

2.2.3 将功能转化为系统关键技术参数

通过质量屋工具，将用户需求的系统功能转化为软顶系统的关键技术参数。先在质量屋的左墙写系统并给重要度打分（按1、2、3、4、5分打分，功能排序按五档进行划分，排在前20%档位的功能重要度定义为5分，后序档位依次定义为4、3、2、1分）。再在天花板上对系统的参数进行展开，接着在房间按关联度打分（1、3、5、7、9，分值越高关联性越强），然后计算各参数的总得分并排序（功能得分计算方法，每项用户需求重要度乘以关联度，再将各项乘积相加求和），最后将在屋顶填写各功能的相关性。通过参数排序可以发现，用户关注的前五位功能为工程成本、品质质量、整车评审得分（SUSA）、软顶操作耐久和路试耐久，这五大功能为重点关注项（如图5）。针对这5项重点关注项，制定不低于竞品车的技术指标值。

图5 质量屋转换

2.3 开发阶段（D）

通过TRIZ的功能分析工具找出技术系统的改进机会，通过成本分析找到技术系统的降本重点研究对象，根据这些改进机会和研究对象生成概念方案。采用普氏工具分析，找到最优的整体开发技术方案。

2.3.1 组件分析

通过系统框图分析，确定软顶系统的具体研究对象和整个系统边界[3]。先将多连杆系统、篷布系统、集水盒、后挡玻璃、线束、控制模块、防滚架总成等定义为技术系统，为研究对象。然后将与软顶系统有关联的定义为超系统组件，如：车顶前端、顶盖上饰板、顶盖前横梁、前横梁密封条、A柱上饰板、侧门玻璃、玻璃密封条、B柱接角、顶衬支架侧饰板、B柱下饰板、地毯、后地板、左侧围、右侧围、阳光、水、风、冰雹、砂石、灰尘等（如图6）。

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图6 系统图

2.3.2 相互作用分析

将找到的所有组件进行相互作用分析，找到组件之间的相互关系。先所有组件按行和列分别列成表格，在行和列交叉的格子里面填写二者的关系，“+”代表二者之间有接触、有相互作用，“-”代表二者之间无相互接触、无相互作用（如图7）。

图7 相互作用分析

2.3.3 功能分析

按照相互作用分析得出来的结果，针对标”+”号的组件进行功能分析。并将功能按有用-充分、有用-不足、有用-过度和有害功能进行分类，后三种功能为重点关注对象。从功能分析可以发现，顶盖前横梁对锁系统的定位功能为有用-不足功能，驱动系统与多连杆系统的移动功能有用-不足功能，控制传感器系统与驱动系统传递电流（信号）功能与车身控制模块与驱动系统传递电流（信号）重复，为有用-过度功能（如图8）。与这些不足和过度功能相关的零部件，即为重点研究对象：顶盖前横梁、锁系统、驱动系统、多连杆系统、车身控制模块和控制传感器系统。

图8 功能分析

2.3.4 成本分析

按目前设计方案、项目规划的总产量以及供应链的初步报价，对软顶系统的零件单车成本进行分类，并按百分比进行排序。从图9可看出占80%成本的类别为知识产权费、物料费用和工装模具费，这类成本为重点研究对象。

图9 成本类别排序

按零件的成本占比进行排序。从图10可以看出，多连杆系统、篷布系统和驱动系统的成本之和占比超过80%，也是重点研究对象。

图10 成本按零件排序

2.3.5 生成概念方案

从功能分析和成本分析中确定研究对象，生成以降本为目标的技术概念方案。根据2.3.3中的前顶前横梁对锁系统的定位功能不足问题生成了方案1和方案2：分别通过更改锁头定位结构和锁扣形式，还增加容差能力，降低对制造和多连杆系统刚度的要求；通过驱动系统对多连杆系统移动功能不足问题，生成了方案3：更改多连杆运动受力位置，降低对驱动系统负载压力值，从而降低对驱动系统的要求；针对2.3.3中分析出来的控制传感器系统和车身控制模块对传递电流的功能过度问题，生成了方案4：将控制系统的功能集成在车身控制模块上，减少零部件从而降低成本；根据2.3.4成本分析确定的知识产权费用占比大问题，生成了方案5：自主设计开发软顶系统，分析研究专利并规避专利的开发策略；针对物料成本问题，生成了方案6：采用原材料替你策略，寻找各零部件材质替换方案；针对工装成本问题，生产了方案7：工装夹具按小批量寿命要求，寻找材质替换文案；针对篷布系统成本问题，采用国产化策略方案。各方案汇总如图11所示。

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图11 概念方案

2.3.6 确认最优技术概念方案

对生成的概念方案进行整理，可发现方案5和方案8为策略方案，其余为技术方案。由于方案5在成本类别中为对成本的影响排在第一位，方案8在成本按零件排序中占比在80%以内，故首先选定。其余技术方案通过普氏分析工具进行评价（如图12）。将方案1作为基础方案，其余方案作为被评价方案。将2.2.3识别出来的关键技术参数指标作为评价指标，对各方案进行比较评价。与基础方案相同的标示“S”，比基础方案差的评价项标示“-”，比基础方案好的项目标示“+”。从结果可以发现，各方案工程成本都有优势，但均有不同的缺点。这些标“-”的缺点需要重点关注，详细设计和DFMEA分析时要有对应的对策。

图12 普氏分析

最终，基于成本目标考虑，这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 优化阶段（O）

对详细的系统方案，进行CAE分析，以验证技术方案是否满足2.2.3识别出来的关键技术参数指标。

最终验证，技术指标均达标，如图13针对刚度的CAE分析结果。

图13 CAE分析结果

2.5 验证阶段（V）

在验证阶段，主要工作是对OTS零件进行生产验证、功能验证、可靠性验证以及整车的耐久道路测试，目前均已达标。

最后，计算此软顶系统的成本，与最初定义的目标成本是否达标。从图14可知，实际成本值已低于目标值，降低了37.5%，目标（≥31%）达成。

图14 最终成本达成情况

3 结语

针对敞篷车软顶系统的降本问题，首先运用DFSS的用户分析工具，系统的识别用户需求并转化功能需求和关键技术参数。再用TRIZ工具的功能分析，系统的识别出软顶系统中的降本机会，从而产生降本的概念方案。最后用关键技术参数作为评价指标，采用普氏分析工具，对降本概念方案进行筛选，确认最优技术方案。运用DFSS的方法论能系统的产生最优成本技术方案，为行业内敞篷汽车的开发提供参考。