六西格玛设计应用于轿车蓄电池支撑系统的概念设计

本文利用六西格玛设计的理论对汽车电池支撑系统进行概念设计。通过前期研究，明确了客户需求，确定了电池的主要问题和参数作为概念设计的客观条件，同时将其转化为工程指标作为评价标准。最后，根据普氏的概念选择方法，从众多的概念方案中选出最可行的最优方案。实践证明，该方法能有效提高电池保障系统的整体性能指标，具有良好的工程参考价值。

1.电池系统介绍

电池的性能直接关系到各种电器能否正常工作，性能不好也会导致相关机构失效。电池在车辆上的安装必须牢固可靠，否则会因颠簸震动或其他外力等因素导致电池脱落或损坏。

电池支撑系统的结构如图1所示，主要由电池、固定挂钩、托盘和支架组成。电池通过挂钩固定在托盘上，托盘通过螺栓与支架连接，支架焊接在前纵梁上。作为整车系统的重要子系统，其结构和强度的合理设计可以保证电池及其附属电子元件的正常工作，对整车行驶过程中的舒适性和安全性起着重要的作用。

2.项目识别和定义

工程指标是从客户需求转化而来的工程或系统级测量，可用于定量或定性测试或测量产品的性能水平。客户的声音并不总是那么清晰。我们可以使用S.M.A.R.T规则来帮助选择和评估功能需求，并使用QFD和其他方法来完成转换。

通过对内部客户、外部客户和国家法律法规的调查研究，采用功能分解和QFD的方法确定电池系统的主要问题和参数，以矩阵形式构建质量屋，表示用户需求、产品功能及其关系，从而识别和定义电池支撑系统的产品需求，进而转化为质量、成本指标和工程需求。

综合考虑生产、维护、性能等相关要求，从11个方面对电池支架的性能进行评价，定义为支撑系统不同布局方案和设计方案的选择和评价标准。这11项标准包括:重量、价格、结构刚度、振动、安全性、耐用性、布局可能性、可制造性、易安装性、开发时间、售后维护便利性。

3.项目概念方案设计和评估

(1)支撑系统布置方案

根据前舱系统的空间限制和电池系统的特点，通过对各种车型的调查研究，制定了四种电池支持系统布置方案，其中方案1(图2)为前后方向布置，方案2(图3)为内对角线布置，方案3(图4)为外对角线布置，方案4(图5)为左右方向水平布置。

本文以11个性能方面作为参考标准，对这四个方案进行比较评价，并采用Pugh选择法，最终选出适合企业制造的最优布局方案。普氏概念选择的方法是从以往讨论中收集的概念和思想中整理出一组概念，并针对这些初始概念寻求强化这组概念的优点，根除或改进缺点。其常用方法是通过选择一个基准来比较其他概念。首先以方案1为基准，将其他三个方案分别与方案1进行对比。比较结果见图6。

由于方案1和方案4中电池伸出纵梁的长度较长，相应的支架尺寸也要较大，如图2- 5所示，所以方案1和方案4的重量高于方案2和方案3；方案4类似于方案1，但略小于方案1。因此，在价格上，后三种方案由于材料成本相同，但支架尺寸不一致，优于方案一。由于方案2和方案3中电池的质心落在纵梁上，且电池与纵梁的相交面较大，如图2- 5所示，因此方案2和方案3的整体结构刚度优于方案1和方案4。由于方案1中电池的质心悬浮在纵梁外，支撑系统有绕纵梁旋转的趋势，所以方案1的振动性能比其他三种方案差。正面碰撞时，方案1的电池会沿X轴串起来，可能会撞到左轮罩，而方案3的电池会沿外对角线方向串起来，然后撞到左轮罩，所以从安全性上来说，方案2和方案4更优越，方案3最差。耐久性的四种方案是相似的；方案2和3比方案1和方案4占用更多空间；因为方案2和方案3的电池相对于纵梁有一定的旋转角度，导致支架有一定的拔模角，工艺性相对较差。四种方案在安装方便性、开发时间、售后维护等方面都差不多。

综合来看，方案2和方案4各有优势，所以对两者进行第二次比较。以方案2为基准的比较结果如图7所示。

从图7可以看出，结构刚度、振动和耐久性是方案4的弱项，但经过核算，方案4的性能指标可以满足规范和工程要求。但由于支架相对简单，模具简单，所以方案4在价格上的优势符合低成本的策略。方案4的安全指标更受客户关注，对于非常昂贵的前舱布局，方案4在布局可能性和可安装性上更有优势。因此，最终布局方案为4。

(2)电池支持系统的设计方案

根据各类电池系统的对标研究，在布局方案4的基础上，开发了四种电池支撑系统的结构设计方案。如图8，方案1由铁支架和大塑料托盘组成，方案2由铁支架和铁托盘组成，方案3由铁支架、塑料托盘和铁加强托盘组成，方案4由铁支架和半个铁托盘组成。

仍然有11个指标来评价这四个方案的优劣。

以方案1为基准，其他三个方案分别与方案1进行比较。比较结果如图9所示。由于方案2的支撑系统全部由铁制成，其重量比其他三个方案都要重。因为塑料的成本比较贵，所以方案1的成本没有优势；由于塑料件较多，方案1的整体刚度和振动性能不如其他方案。在耐久性方面，方案2和方案4均为钢支撑体系，优于其他两个方案。方案3零件数量比较多，所以开发时间比较长。综合来看，后三种方案差不多，但都优于方案一，所以第二轮比较后三种方案，结果如图10所示。

方案3和方案4比方案2的支撑系统轻；因为含有塑料件，所以方案3的价格略贵，方案4的重量比方案2略轻，所以价格比方案2低。所以综合来看，方案4更有优势，所以最终选择了方案4。

本文以DFSS理论为基础，分别从电池组件的布置和支撑系统的结构进行了相关的概念设计，然后根据性能指标采用普氏概念选择法对这些方案的优劣进行了比较和评价。从客户和企业自身需求的角度出发，综合权衡各种方案的优缺点，确定最终的布局方案和结构设计方案，对其他机械工程开发也具有指导意义。