項目背景

中國南方某汽車公司一直努力完成具有自主知識產權的某型號汽車研制項目 , 然而自動檔變速箱的許多核心技術一直掌握在國外公司手中。尤其是關鍵部件扭矩轉換器的焊接技術,一直是難以攻克的難題。

扭矩轉換器是一種液體耦合器,它能讓引擎和變速箱各自獨立旋轉。如果汽車在等紅燈發動機怠速,引擎的轉速很低,它輸入扭矩轉換器的扭力就很小,只要輕踩煞車就可以讓汽車保持靜止,可見它在自動檔變速箱中起到非常重要的作用。

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扭矩轉換器示意圖

面臨的挑戰

傳統的等離子焊接工藝會帶來大量的扭矩器內部濺射物堆積,影響內部流體的液力傳遞,從而降低變矩的效率和精度。因此對于該企業的研發團隊來說面臨以下幾個方面的技術挑戰:

( 1 )焊接關鍵因素的確定和水平選擇:找到影響焊接過程濺射物堆積的關鍵因素是進行建模、實驗和優化分析的前提條件。與此同時,對確定的參數設置合理的水平,對于最后的實驗數據的代表性有很大影響。

( 2 )確定各因素之間的交互影響關系:由于等離子體流速和電流之間、電流與焊接時間之間等都存在著交互作用的影響,必須把交互作用作為實驗分析的因素之一,來進行方案的設計。

( 3 )優先方案的確定和驗證:通過試驗的數據分析確定一個最佳的優選方案,這個方案必須通過損失函數來量化評價改進后的方案所帶來的價值。

質量設計平臺的應用

通過應用 PERA.Q 質量設計平臺的質量功能展開( QFD )、正交試驗設計( DOE )、 穩健性設計( RobustDesign ) 等技術,可以從容應對以上 3 方面的技術挑戰。

質量功能展開( QFD ): QFD 系統通過多層次的策劃、分析和評估,把顧客對產品的需求轉化為對產品的設計要求、零部件特性、工藝要求、生產要求等指標,它的基本原理就是用 “ 質量屋 ” ( Quality House )的形式,量化分析顧客需求與工程措施間的關系度,經數據分析處理后找出對滿足顧客需求貢獻最大的工程措施和設計路徑,從而指導設計人員抓住主要矛盾,開展穩健性設計,有效保障設計質量。

首先利用質量功能展開技術( QFD )對該工序的質量特性進行了分析,對影響焊接質量的等離子體流速、焊嘴距離、電流、焊接時間、焊炬角度等多個因素建立質量屋分析視圖,通過權重、相關性和重要性的評價,確定了關鍵的因素。對關鍵因素通過預備實驗,確定了每個因素兩個水平的實驗方案,保證其盡可能的經濟合理。

正交試驗設計( DOE ): DOE 系統 幫助用戶定義產品因素及水平,根據因素及組合特征安排試驗方案。系統內置幾十種正交表,根據因素水平,快速形成設計實驗方案。對試驗結果進行極差分析,畫出因素效應趨勢圖,從而得出最佳條件。系統支持方差分析,判斷因素的影響顯著性。

把 A 、 C 和 C 、 D 兩個因素的交互作用作為第 6 和第 7 個因素,一起參與實驗方案設計,并通過后面的正交實驗設計( DOE )分析出了交互作用影響的顯著性。

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焊接工藝參數水平設計

穩健性設計( RobustDesign ): RobustDesign 系統可應用于產品設計、工藝設計和技術開發階段,從而可提高產品的穩定性與設計質量,降低成本,縮短研制開發周期。系統主要包含正交試驗設計、參數設計、信噪比計算和方差分析。

該企業致力于通過以上關鍵技術實現以下目標:在不增加成本的情況下,保證產品(扭矩轉換器)的性能和工序(焊接工藝)對干擾因素不敏感,并驅使產品性能指標向目標值靠攏。

在確定了五個關鍵工藝參數的基礎上,應用穩健性參數設計技術 ( RobustDesign ) ,對焊接工藝進行了優化,并提出了滿足優化模型的設計方案。

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實驗方案設計

采用信噪比( SN )來評估因素水平組合對波動的影響,畫出因素效應趨勢圖,從而確定每個因素的顯著性和優化操作條件。通過對焊接直徑質量損失函數的建立,推算出了改進前后的增益。從而進一步明確了改進方案的有效性。

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因素 SN 比趨勢分析

應用效果

應用 PERA. Quality 質量設計平臺對扭矩轉換器等離子焊接工藝參數進行分析,能夠很快給出最合理的實驗方案,并通過建模和實驗數據分析,確定每個參數水平對性能的影響程度,進而找到影響焊接質量的關鍵因素,最終敲定改進工藝質量的優選方案。

扭矩轉換器焊接工藝質量優化設計在提高質量的同時,降低了生產的成本,按照年產量 10 萬件計算,此項優選方案每年為該企業帶來效益達到近 200 多萬元。從而對提高該企業產品的市場競爭力奠定了堅實的基礎。

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最優設計方案及顯著性分析

結束語

國內大多數企業往往都是在產品工藝和制造的后期才通過各種技術和管理手段檢驗產品質量是否符合要求,反而對產品研發設計的質量缺乏足夠的重視。其實,研發設計是產品質量標準形成最為關鍵的階段。設計一旦完成,產品固有質量也就隨之確定,做好產品研發設計階段的質量管理,對企業來說至關重要。

通過 扭矩轉換器焊接工藝質量優化設計的案例分析 , PERA. Quality 質量設計體系對企業的 價值體現在于:

• 提高設計質量水平

引入經典的質量設計和可靠性分析工具,以及質量設計方法,幫助設計師提高設計能力,提高產品設計質量;

• 明晰設計目標,進行重點保證

通過綜合質量展開確定各設計階段的關鍵需求、關鍵技術路徑和關鍵質量特性,集中優勢資源重點進行質量保證,增強顧客滿意;

• 降低產品固有成本

質量設計是在考慮經濟性和保證產品最終使用性能的前提下,通過設計方案的價值替換和參數的優化組合,用更簡化的產品結構、工藝方法以及低質量要求的元器件,設計出高性能的整機。