六西格玛案例：家庭型轿车后排头部空间优化设计

◆ 孔祥龙 赵 毅 徐佳奕 顾世茂 孙金霞/文

六西格玛设计DFSS(IDDOV)是一种在低成本的情况下、致力于前期设计质量的、闭环的（始于客户需求、终于客户满意）、稳健的、可以满足客户对产品质量、性能期望的方法论。本项目应用DFSS（IDDOV）的方法优化设计下一代家庭型轿车后排头部空间。

1 机会识别

机会识别阶段的主要任务是确立有价值的项目机会、定义项目范围、明确项目目标、成立项目团队、制定项目计划。

1.1 选题背景

家庭型轿车已然成为汽车消费市场的主力军，下一代家庭型轿车的开发具有非常重要的战略意义。

我国家庭轿车的客户以首次购车为主、注重经济实惠及品牌质量，结合我国“4-2-1”家庭人员结构特点，家庭轿车的客户在选择车辆时更加关注乘员的空间。因此研究家庭轿车的后排空间对于满足客户需求具有重要意义。

乘员头部空间是评价乘员内部空间尺寸最为重要的指标之一，它直接影响客户对车辆的空间感受。故本课题以后排头部空间作为研究对象，研究满足顾客对于后排头部空间的需求。

1.2 项目范围及技术难题

后排头部空间尺寸影响因素复杂且各因素间存在矛盾，主要影响因素有：造型因素、空气动力学因素、H点位置（乘坐舒适性）、离地间隙、座椅舒适性、顶衬及天窗结构、成本、重量影响、安全要求、油箱结构、车门结构、振动噪声要求、车身刚度要求等。

1.3 项目交付物

项目预期目标是实现下一代家庭轿车后排乘员头部空间满意度达到4分，即乘员头部空间感非常好，头部活动完全自由、不受限制。

1.4 项目计划

在项目策划阶段，项目负责人、教练及项目发起者共同制定了项目计划(见表1)，并保证项目的各个阶段顺利进行。

表1 项目实施计划

2 定义要求

定义要求阶段的主要任务是将内部、外部客户的需求转换成可量化的工程指标。

2.1 客户呼声

正确识别客户、收集客户真实的需求，对于建立一套满足客户需求的功能指标至关重要，DFSS的精髓思想是用数据支持结论，如果项目开始定义错了客户对象或者误将少部分客户特殊的需求当成工作的目标，即使过程再严谨得到的结论也是不可信的。

项目团队首先将外部客户定义成两类：第一，潜在购车客户；第二，已经购买家庭轿车车主。考虑我国地域、收入、路况、风俗习惯、品牌认知等差异，项目团队把调研目的地有针对地选择六个城市：一线城市上海，二线城市合肥、郑州、昆明，三四线城市贵阳、晋中。从上千份反馈调研中，项目组获得对于家庭轿车后排客户的主要需求(见表2)。除了外部客户的需求，公司内部还有低风阻、座椅舒适、静音（振动噪声要求）的要求，综合上述内容获得客户呼声见表2。

2.2 卡诺模型

卡诺（Kano）模型定义了三种类型的客户需求：理所应当质量，魅力质量，一元质量。这为6西格玛改进提供了方向。如果是理所当然质量，就要保证基本质量特性符合规格（标准），实现满足顾客的基本要求，项目团队应集中在怎样降低故障出现率上；如果是一元质量，项目团队关心的就不是符合不符合规格（标准）问题，而是怎样提高规格（标准）本身，不断提高质量特性，促进顾客满意度的提升；如果是魅力质量，则需要通过满足顾客潜在需求，使产品或服务达到意想不到的新质量。

应用卡诺模型的重点是合理设计结构型问卷调查表，卡诺问卷的目的不是收集客户的呼声，而是对于已知客户的呼声进行深层次的挖掘，卡诺问卷通常分为正向问题、逆向问题及补充问题，这种问卷的结构更容易获得客户真实的想法。为此项目组设计了专门的问卷。

表2 客户呼声

2.3 质量功能展开（质量屋）

卡诺模型对于客户的呼声有了定性的分析，接下来需要把客户的需求转化成可量化的工程指标，项目团队选取质量屋(见图1)进行质量功能展开。质量屋中A房间客户呼声来源于客户调研；质量屋中B房间直接应用外部客户调研数据；质量屋中C房间、D房间组织专家团队为每个客户呼声识别2到4条可以量化的工程指标，并且对于关系矩阵的每个单元作相关程度的判断；质量屋中E房间需要对B房间的车型进行测量；质量屋中F房间表达两个工程指标间的关系。

根据质量屋(见图2)得到影响客户呼声的关键参数为:H47-2（后排最小头部间隙），H61-2（后排有效头部空间），W27-2（后排侧向头部空间），H30-2（后排坐高）。

2.4 关键参数尺寸客户损失函数的建立

质量功能展开确立了关键参数，接下来需要定义关键参数H47-2、H61-2、W27-2、H30-2的客户损失函数（及关键参数和客户不满意度之间的函数关系），以W27-2为例简要介绍分析过程（其他参数定义省略）。

根据前期调研结果，得到W27-2的客户满意值符合均值μ=52mm、标准差σ=8.46mm的正态分布，由正态分布概率密度函数公式：

得到W27-2客户可接受的概率密度函数，将概率密度函数积分，可以得到W27-2客户不可接受的累积分布函数即客户损失函数（参见图3）：

3 概念开发

开发概念阶段的主要任务是运用创造方法和工具基于量化的工程指标和商务指标确定产品的设计概念，设计概念的决定是工程设计的方向性问题，至关重要。

3.1 设计方案

首先要根据设计要求寻求解决方案，有很多工具可以帮助问题的思考，例如头脑风暴、二次逆向、想法箱、类推、Triz等。对于涉及面广而杂的设计目标来说，头脑风暴易操作执行且有很强的实用价值。它能够使团队成员思维都得到最大限度的开拓，能有效激发灵感，使最终得到的方案充满创意，不受传统设计思路的限制。本项目由头脑风暴一共获得26种可能的方案，由于头脑风暴的特点是发散、无限制，通过这种方法得到的方案多而杂，因此需要通过项目的边界条件来剔除不满足要求的方案。根据设计概念应尽量涵盖所有客户需求的原则，本项目融合剩余方案建立了五个初始设计概念。

3.2 普氏概念选择和设计概念再融合

普氏概念选择法（普氏分析）是英国斯特莱斯克莱德大学Stuart Pugh博士提出的基于多维基准的定量矩阵比较决策法。普氏分析应用广泛经常被用于多种概念的排序定义，尤其在工程领域常被用于方案的决策。普氏分析矩阵分为等权重矩阵和不等权重矩阵。第一轮普氏分析常用于初始概念中优略方案的分析，因此普氏分析通常要进行两轮或以上才能获得最佳设计概念。本项目的普氏分析如下。

(1)普氏基准

普氏基准主要由定义要求阶段得的工程指标、以及项目边界条件、造型、成本、开发周期、性能等组成。

图3 客户损失函数

——基本功能指标：H47-2，H61-2，H30-2，W27-2，CD*A，NVH，Styling

——商业指标：成本，时间，风险及技术难度

（2）第一轮普氏分析

针对设计方案融合出的五个初始设计概念，进行第一轮普氏分析。

根据第一轮普氏分析的结果，把五个初始设计概念进行优劣分析，分析每个设计概念的强项和弱项，保留每个设计概念中的强项，进行混合概念设计，这样的好处是能够取长补短，去除所有弱项，得到比原来可能更好的方案。

（3）第二轮普氏分析

在确认新的混合设计概念后，进行第二轮普氏分析，充分验证其优越性。

从结果可以看出混合设计概念四剔除了大部分弱项在设计概念对比中胜出，因此将混合设计概念四作为最终确定方案。

4 优化设计

优化设计阶段的主要任务是通过对已决定设计概念的子参数优化来提高产品的性能和减少产品受干扰产生的变差，产品的性能和变差哪个方面更重要，需要由性能的特性决定。

4.1 优化模型建立

根据质量功能展开得到各个性能指标的权重系数，建立系统参数图，系统输出：后排头部空间综合指数=[H61-2]×22%+[H30-2]×32%+[H47-2]×28%+[W27]×18%

表3 控制因子及水平

4.2 控制因子和水平

根据普氏分析选择的混合设计概念四，选择A、B、C、D四个控制因子（子参数），结合项目的边界条件将各个控制因子分别设定三个水平（见表3）。

4.3 噪音因子策略

定义噪音的目的是评估系统的性能变差，以便对系统进行稳健性设计。噪音一般分为三类：外部噪音，如温度、载荷、湿度；内部噪音，如磨损、老化等；制造噪音，零件之间的尺寸变化、材料属性、表面光滑度等。本项目系统的噪音集成为两个水平：N1=引起低响应的水平；N2=引起高响应的水平。

4.4 实验设计

在本项目中共定义了四个控制因子，每个控制因子各有三个水平，因此选用L9（34）正交列表。计算得到不同噪音下的后排头部空间综合指数及各个实验的信噪比（S/N）和均值（Mean）（见表4）。

4.5 优化设计预测和确认

基于S/N图及Mean图（见图4，图5），控制因子的最优组合是：{A1,B3,C1，D1}。预测和确认的结果信噪比及Mean值误差均小于15%，结果可信。

表4 S/N和Mean值

5 验证与确认

验证和确认阶段的主要任务是通过实物样件验证产品预期的结论。

本项目验证结果：

原始设计在实物模型上验证，客户满意度平均得分3.65。

DFSS项目结论在实物模型上验证，客户满意度平均得分4.22，满足预期目标值。

（略）