摘要：本文以思維導(dǎo)圖的方式總結(jié)了精益設(shè)計(jì) 16 項(xiàng)基本原則，并詳細(xì)闡述了開精益設(shè)計(jì)工作坊的基本工 作流程。基于最少零部件數(shù)的精益設(shè)計(jì)原則，以汽車蓄電池托盤總成為例，從成本優(yōu)化角度開展精益設(shè)計(jì)，零 件數(shù)量從 74 個(gè)減少到 7 個(gè)，零件數(shù)量減少 91%，標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)量 57 個(gè)減少到 0 個(gè)，總成制造成本由原方案 163.76 元降低到 41.91 元，單件降低成本 121.85 元，成本降低 74.4%，充分體現(xiàn)了精益設(shè)計(jì)在汽車產(chǎn)品成本優(yōu)化中的 重要作用及取得的實(shí)際效果。

目前，傳統(tǒng)制造行業(yè)大部分要求在有限的周期內(nèi)完成產(chǎn)品開發(fā)，追求產(chǎn)品的開發(fā)速度，產(chǎn)品開發(fā)前期精益 設(shè)計(jì)能力不足，后期產(chǎn)品方案更改頻繁，導(dǎo)致變更成本大幅度上升，生產(chǎn)企業(yè)利潤率逐步降低。特別在汽車行 業(yè)里，整車開發(fā)過程中系統(tǒng)及零部件的設(shè)計(jì)仍舊是傳統(tǒng)粗放型的設(shè)計(jì)方法，各環(huán)節(jié)尤其是研發(fā)環(huán)節(jié)中的成本浪費(fèi)較嚴(yán)重，存在設(shè)計(jì)“過剩點(diǎn)”以及未開展面向制造與裝配的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，導(dǎo)致產(chǎn)品設(shè)計(jì)與產(chǎn)品制造嚴(yán)重脫節(jié)， 新產(chǎn)品上市后存在設(shè)計(jì)變更頻繁等問題。據(jù)美國 BDI 公司統(tǒng)計(jì)分析，在汽車行業(yè)中，初期產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案決定了 產(chǎn)品生命周期成本的 70%-80%[1][2]，因此，在汽車產(chǎn)品開發(fā)前期進(jìn)行方案的精益設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品的成本控制具有重要 的意義，避免了后續(xù)產(chǎn)品頻繁變更帶來巨大的浪費(fèi)。

產(chǎn)品的精益設(shè)計(jì)方法就是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)初期，堅(jiān)持以客戶需求為導(dǎo)向，運(yùn)用精益設(shè)計(jì)理念、方法和手段， 通過減少零部件個(gè)數(shù)、優(yōu)化功能、簡化結(jié)構(gòu)、提升質(zhì)量、減少裝配、優(yōu)化工序等方面進(jìn)行價(jià)值分析與價(jià)值挖掘， 投入盡量少的設(shè)計(jì)開發(fā)費(fèi)用和要素，嚴(yán)控和消除開發(fā)過程中的設(shè)計(jì)“過剩點(diǎn)”，在盡可能短的開發(fā)周期內(nèi)開發(fā) 出高質(zhì)量、低成本、并契合消費(fèi)者使用需求的產(chǎn)品，減少量產(chǎn)后的設(shè)計(jì)變更，從而為企業(yè)帶來盡可能多的利潤。

圖 1 精益設(shè)計(jì) 16 項(xiàng)基本原則

通過精益設(shè)計(jì)方法論在汽車產(chǎn)品成本優(yōu)化過程的實(shí)踐，總結(jié)歸納精益設(shè)計(jì) 16 項(xiàng)基本原則，并以思維導(dǎo)圖 的方式展現(xiàn)了精益設(shè)計(jì) 16 項(xiàng)基本原則，如圖 1 所示。主要包括：1）材料選擇；2）料厚確定；3）長度優(yōu)化；4）功能優(yōu)化；5）減少配置；6）減少工序；7）加工工藝性；8）表面處理選擇；9）最少零部件數(shù)量 [3] ；10） 裝配工藝性；11）減少螺紋連接[3] ；12）模塊化[3] ；13）通用化；14）標(biāo)準(zhǔn)化 [3] ；15）系列化；16）其他。在產(chǎn) 品成本優(yōu)化過程中，對(duì)照精益設(shè)計(jì)的 16 項(xiàng)基本原則，進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)檢查，逐步樹立“最初的設(shè)計(jì)永遠(yuǎn)不是最 簡單的設(shè)計(jì)”理念，對(duì)最初設(shè)計(jì)方案在保證產(chǎn)品功能、保障產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)從成本角度進(jìn)行不斷優(yōu)化，從而 實(shí)現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案階段實(shí)現(xiàn)成本最優(yōu)，減少產(chǎn)品量產(chǎn)后期的設(shè)計(jì)變更，縮短產(chǎn)品最終開發(fā)周期。

精益設(shè)計(jì)工作坊是將精益設(shè)計(jì)方法及基本原則逐步實(shí)踐化的一種有效途徑，通過不斷開展精益設(shè)計(jì)工作 坊，使得產(chǎn)品工程師逐步將精益設(shè)計(jì)的原則融入到日常的產(chǎn)品開發(fā)過程中，使得在產(chǎn)品開發(fā)初期進(jìn)行對(duì)產(chǎn)品結(jié) 構(gòu)、產(chǎn)品性能、安裝過程、制造過程等進(jìn)行充分分析，使得第一次就把產(chǎn)品做對(duì)。通過精益設(shè)計(jì)工作坊的成本 優(yōu)化實(shí)踐，總結(jié)歸納精益設(shè)計(jì)工作坊的基本工作流程如圖 2 所示：1）零部件/數(shù)模拆解分析；2）零件 BOM 創(chuàng) 建；3）分析優(yōu)化機(jī)會(huì)；4）開展再設(shè)計(jì)。

圖 2 精益設(shè)計(jì)工作坊基本流程

通過對(duì)汽車蓄電池托盤總成精益設(shè)計(jì)案例分析，說明精益設(shè)計(jì)在汽車產(chǎn)品成本優(yōu)化中的應(yīng)用。

1）拆解分析  

蓄電池托盤總成通過螺栓與車身縱梁連接，主要用于支撐蓄電池與膨脹水箱。 

（1）.部件數(shù)量：蓄電池托盤總成（包括螺栓、螺母在內(nèi)）總共 74 個(gè)零部件，其中：電瓶托盤支架體由 19 個(gè)鈑金零部件焊接而成，且零部件的厚度不完全一致； 

（2）.電瓶托盤支架材料：DX52D+Z； 

（3）.部件重量：6.713kg； 

（4）.總成工藝：采用鈑金拼焊結(jié)構(gòu)，鈑金沖壓加工后，通過焊接工藝拼焊而成； 

（5）.部件成本：163.76 元。

圖 3 電池托盤總成俯視圖 

  圖 4 電池托盤總成仰視圖

2）創(chuàng)建 EBOM

表 1 優(yōu)化前方案-蓄電池托盤總成 BOM 表

3）分析機(jī)會(huì)  

通過對(duì)利用 DFMA? 軟件對(duì)蓄電池托盤總成進(jìn)行成本分析及精益設(shè)計(jì)分析[4]，并通過開展頭腦風(fēng)暴活動(dòng)，收集蓄電 池托盤總成精益設(shè)計(jì)提案，并對(duì)提案進(jìn)行詳細(xì)分析。最終，以最少零部件數(shù)的精益設(shè)計(jì)理念角度考慮，電瓶托 盤支架 19 個(gè)鈑金件之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，只要安裝可靠，強(qiáng)度滿足要求，理論上 19 個(gè)鈑金零件可以合并為一個(gè)， 且為同一種材料。 并進(jìn)一步通過有目的性的資料搜集與對(duì)標(biāo)分析，福特金牛座蓄電池托盤材料為注塑一體成型，材料采用 PP+GF30。其中，PP+GF30 材料特性為特高耐熱，高強(qiáng)度，高剛性, 密度：1.13±0.02g/cm3，洛氏硬度≥95R， 拉伸強(qiáng)度 ≥65 Mpa；簡支梁無缺口沖擊強(qiáng)度≥40 kJ/m2；斷裂伸長率≥8％；彎曲強(qiáng)度≥80Mpa；收縮率 0.5-0.8 % 。常用于如蓄電池托架、如發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇等 。 

4）方案再設(shè)計(jì)  

利用最少零部件精益設(shè)計(jì)理論，在保證電池托盤現(xiàn)有功能的前提下，對(duì)電瓶托盤支架進(jìn)行全新設(shè)計(jì)，電瓶 托盤支架總成材料采用 PP+GF30 注塑一體成型，并將電瓶托盤支架整體注塑為 1 個(gè)零部件，采取卡接結(jié)構(gòu)與車 架相連，最終方案為蓄電池托盤總成零部件數(shù)量減少為 7 個(gè)。在零部件數(shù)量減少的同時(shí)，滿足了部件原有功能 要求，零部件成本大大減少，由于取消了標(biāo)準(zhǔn)件的固定，零部件質(zhì)量得到大幅度提升，與車身的連接采用卡扣 結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了蓄電池托盤總成的快速安裝。

圖 5 優(yōu)化方案俯視圖（PP+GF30）

6 優(yōu)化方案仰視圖（PP+GF30）

表 2 優(yōu)化后方案-蓄電池托盤總成 BOM 表

通過對(duì)蓄電池托盤總成的精益設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了零部件數(shù)量從 74 個(gè)減少到 7 個(gè)，減少零部件數(shù)量 67 個(gè)，零部 件減少率為 91%；蓄電池托盤總成的重量由 6.713kg 減少到 2.452kg，重量減少 63%；電瓶托盤支架安裝采用卡 接結(jié)構(gòu)，緊固件數(shù)量有 57 個(gè)減少到 0 個(gè)，實(shí)現(xiàn)了 100%取消緊固件數(shù)量，大大提升了部件總成質(zhì)量，質(zhì)量成本 降低 86%；蓄電池托盤總成制造成本由原方案 163.76 元降低到 41.91 元，總制造成本降低 74%。

表 3 優(yōu)化前/后-蓄電池托盤總成對(duì)比分析

通過對(duì)精益設(shè)計(jì) 16 項(xiàng)基本原則以直觀形象的思維導(dǎo)圖呈現(xiàn)，有利于在產(chǎn)品設(shè)計(jì)前期，針對(duì)精益設(shè)計(jì)基本原 則，逐項(xiàng)進(jìn)行分析，使得設(shè)計(jì)方案逐步最優(yōu)。并以蓄電池托盤總成為例，按精益設(shè)計(jì)工作坊流程進(jìn)行了拆解與 對(duì)標(biāo)分析，開展頭腦風(fēng)暴活動(dòng)，并利用 DFMA ?軟件強(qiáng)大的精益設(shè)計(jì)功能，對(duì)蓄電池托盤總成的每個(gè)零部件進(jìn)行 成本分析與再設(shè)計(jì)優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化前/后方案從零部件數(shù)量、重量、標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)量、材料成本、勞動(dòng)力成本、質(zhì) 量成本、機(jī)器成本、總制造成本等多角度直觀數(shù)據(jù)的對(duì)比分析。蓄電池托盤優(yōu)化后，零部件數(shù)量降低了 91%， 總重量減輕了 63%，消除了緊固件，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了總制造成本降低了 74%，不僅取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益，而且大 幅度提高產(chǎn)品可靠性，提升了裝配效率。因此，精益設(shè)計(jì)是汽車產(chǎn)品成本優(yōu)化與質(zhì)量提升最有效的方式之一。

參考文獻(xiàn) 

 [1] 杰弗里.布斯羅伊德，彼得.杜赫斯特.面向制造與裝配的產(chǎn)品設(shè)計(jì)【M】.北京：機(jī)械工藝出版社.2015.3

[2] Geoffrey Boothroyd ，Product Design for Manufacture 

[3] 鐘元.面向制造與裝配的產(chǎn)品設(shè)計(jì)指南【M】.北京：機(jī)械工藝出版社.2016.6

[4] DFMA? 制造與裝配的設(shè)計(jì)-實(shí)用指導(dǎo)手冊(cè).科理咨詢

注：文章轉(zhuǎn)載于《內(nèi)蒙古科技》202004期，作者：顏四平   北京汽車集團(tuán)越野車有限公司