基于六西格瑪 DMAIC 的制造 NVH分析優(yōu)化

1　項(xiàng)目定義

Define 階段需明確要解決的電機(jī)制造NVH 問題，一般將影響制造產(chǎn)線 NVH 合格率較大的問題點(diǎn)定義為項(xiàng)目目標(biāo)。此外，還需要定義項(xiàng)目的背景、時(shí)間計(jì)劃、預(yù)期經(jīng)濟(jì)效益以及項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)。由于 NVH 與電機(jī)定轉(zhuǎn)子、機(jī)殼等的來料和裝配過程都密切相關(guān)，因此 NVH 作為一個(gè)系統(tǒng)問題，需要成立一個(gè)多專業(yè)方向、跨部門的項(xiàng)目組，一般由公司領(lǐng)導(dǎo)層牽頭，同時(shí)質(zhì)量部門、工藝部門、生產(chǎn)部門、技術(shù)部門的同事一起組織成立一個(gè)六西格瑪小組，并由六西格瑪黑帶大師負(fù)責(zé)具體指導(dǎo)。

2　測(cè)量分析

Measure 測(cè)量主要包含 MSA(MeasuringSystem Analysis) 測(cè)量系統(tǒng)分析和尺寸測(cè)量。在尺寸測(cè)量之前，首先需要保證測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得的結(jié)果具有較好的一致性，并且可以準(zhǔn)確地測(cè)量定轉(zhuǎn)子同軸度、疊片高度、垂直度等尺寸，以及電機(jī)的振動(dòng)、電流、轉(zhuǎn)速等物理量。MSA 主要是對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和一致性做分析的。制造產(chǎn)線的測(cè)量系統(tǒng)包含了 NVH EOL(End of Line)下線檢測(cè)臺(tái)架、轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡測(cè)量?jī)x、電機(jī)軸承壓裝力的測(cè)量傳感器、電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸的三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x等。

為了保證出廠的電機(jī)產(chǎn)品 NVH 性能是合格的，不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)噪音較大的情況，需要建立 NVH EOL 下線檢測(cè)臺(tái)架，對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的電機(jī)做 NVH 下線測(cè)試，進(jìn)行時(shí)域上的幅值分析，頻域上的頻譜分析、階次分析，統(tǒng)計(jì)出振動(dòng)的限值標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合整車 NVH 測(cè)試的反饋，來設(shè)置 NVH 的出廠檢測(cè)判定標(biāo)準(zhǔn)?；诖藰?biāo)準(zhǔn)，對(duì)振動(dòng)值較大的電機(jī)做攔截防止不合格品流出，同時(shí)對(duì)不合格品做故障診斷分析優(yōu)化，并將改善點(diǎn)加入產(chǎn)線 NVH 控制計(jì)劃來加以管控。由于實(shí)際生產(chǎn)線所處的環(huán)境并非安靜的半消聲室，產(chǎn)線的環(huán)境噪音對(duì)NVH EOL 臺(tái)架的聲學(xué)測(cè)量結(jié)果干擾較大，因此產(chǎn)線上一般用振動(dòng)代替聲音來檢測(cè)下線電機(jī)的 NVH 性能，并且需要對(duì) NVH EOL測(cè)試臺(tái)架做 MSA 分析。此外，從制造過程中來說，轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡工藝是影響電機(jī) NVH 的重要工藝，為了保證轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡測(cè)量是準(zhǔn)確的，需要做轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡測(cè)量?jī)x的 MSA 分析。一般用 P/T 值 ( 即 Precision/Tolerance，即精度/ 公差 ) 來衡量測(cè)量系統(tǒng)的一致性，可以用公式表示為

NVH 的 MSA P/T=Precision/Tolerance=6*σms/公差 　　　　 （1）

式（1）中的 σms 為 NVH 測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)差，公差為測(cè)量系統(tǒng)的公差。一般來說，NVH 相關(guān)的 P/T 值不大于 10% 能保證較好的測(cè)量準(zhǔn)確性和一致性，P/T 值在 10% 到30% 之間是屬于有條件接受的范圍，給出相關(guān)的合理分析即可接受，超過 30% 一般不可接受。

車用電機(jī)的振動(dòng)主要分為低頻機(jī)械振動(dòng)和電磁力激發(fā)的高頻電磁振動(dòng)，當(dāng)電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速升高時(shí)，機(jī)械振動(dòng)和電磁振動(dòng)的頻率也隨之升高。振動(dòng)頻率與振動(dòng)階次、電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)速 (rpm) 之間關(guān)系為

振動(dòng)頻率 (Hz)= 振動(dòng)階次 * 電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)速 (rpm)/60 　　　　　 （2）

例如，當(dāng)電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)速為 6000rpm 時(shí)，機(jī)械轉(zhuǎn)頻為 100 Hz，1 階振動(dòng)為 100Hz，1 階振動(dòng)一般代表的是與電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡相關(guān)的振動(dòng)。對(duì)于新能源汽車行業(yè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)常用的 8 極 48 槽永磁同步電機(jī)，主要的電磁振動(dòng)階次為 8 階、24 階、48 階和 96 階。為了使電機(jī) NVH EOL 臺(tái)架的測(cè)量系統(tǒng)具有較好的一致性，本研究?jī)?yōu)化了臺(tái)架減振和接地方式、以及電機(jī)在臺(tái)架上的安裝方式。優(yōu)化后的 NVH EOL 臺(tái)架測(cè)得的機(jī)械和電磁階次振動(dòng)值 MSA 分析結(jié)果如表 1 所示。

3　問題分析

在保證測(cè)量系統(tǒng) MSA 一致性的基礎(chǔ)上，需要找出影響電機(jī) NVH 的相關(guān)尺寸，再 對(duì) 這 些 尺 寸 進(jìn) 行 測(cè) 量。一 般 可 以 采 用FTA(Fault Tree Analysis) 故障樹分析工具來獲得影響 NVH 的相關(guān)尺寸。FTA 分析依據(jù)物理學(xué)公式，逐一層級(jí)地分解問題，從樹干（頂端事件）到樹枝（中間事件），再到樹葉（基本特征），并對(duì)這些基本特征調(diào)查分析，從而得到相關(guān)特征。上述 NVH 相關(guān)振動(dòng)計(jì)算公式為

式（2）中的 a 為電機(jī)振動(dòng)加速度，可以直接由 NVH EOL 臺(tái)架的振動(dòng)加速度傳感器直接測(cè)量電機(jī)殼體表面的振動(dòng)加速度得到，并可通過傅里葉算法分解得到低頻機(jī)械階次和高頻電磁階次的振動(dòng)加速度。

F0 為電機(jī)所受合力的幅值，k 為電機(jī)的剛度，c 為電機(jī)的阻尼，其他參數(shù)不易受制程影響，所以設(shè)定為常量?？梢娛剑?）描述的是電機(jī)振動(dòng)加速度與電機(jī)所受合力、剛度和阻尼之間的關(guān)系。一般在制造過程中，電機(jī)所受合力、電機(jī)剛度和電機(jī)阻尼會(huì)受制程、裝配和來料的影響。根據(jù)此公式關(guān)系可以得到故障樹的第一層樹干展開為圖 2所示，類似地，下一層級(jí)故障樹的樹枝和樹葉可參考圖 2 展開。

電機(jī)所受的力主要包括電磁力和機(jī)械力。與電磁力相關(guān)的因素有轉(zhuǎn)子鐵心外圓的圓度、定轉(zhuǎn)子的同軸度和垂直度等尺寸。與機(jī)械力相關(guān)的因素有轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡工藝、電機(jī)軸承的合裝工藝等。電機(jī)的剛度與定子剛度、轉(zhuǎn)子剛度和機(jī)殼端蓋的結(jié)構(gòu)剛度等有關(guān)。電機(jī)的阻尼與絕緣浸漬漆的材料屬性、槽內(nèi)掛漆量和分布等因素有關(guān)。電 機(jī) 的 剛 度 阻 尼 可 以 利 用 西 門 子 LMS Test Lab NVH 分析設(shè)備和軟件，通過模態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)得。針對(duì)要分析的目標(biāo)問題，分別選取振動(dòng)相對(duì)較大的一組電機(jī)（至少 3 臺(tái)），振動(dòng)相對(duì)較小的一組電機(jī)（至少 3 臺(tái)），對(duì) FTA 分析得到的相關(guān)尺寸進(jìn)行測(cè)量，記錄第 n 個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)為 Xn。對(duì)于某些結(jié)構(gòu)件具有較多尺寸的情況，為了縮小分析規(guī)模并聚焦關(guān)鍵尺寸，本文采用相關(guān)性分析和顯著性檢驗(yàn)，找出相關(guān)性較高的 X 并做取舍，其中相關(guān)性系數(shù) R的計(jì)算公式如下：

其中，X、Y 分別為要做相關(guān)性分析的兩個(gè)變量，R 為相關(guān)系數(shù)，取值范圍為 -1 ～ 1，當(dāng) R 越接近 1 時(shí)為“正”相關(guān)性越強(qiáng)，R 越接近 -1 時(shí)為“負(fù)”相關(guān)性越強(qiáng)，R 越接近 0時(shí)相關(guān)性越弱。對(duì)于某零件的各 X 因子（X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X15、X18、X19）進(jìn)行相關(guān)性分析，并結(jié)合顯著性檢驗(yàn)P 值（即當(dāng) P 值小于 0.05，代表兩個(gè)變量之間存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的相關(guān)性，并非偶然因素導(dǎo)致的），可分析得到：X5 和 X6、X8、X9，X6 和 X8、X9，X8 和 X9，X19 和 X20的相關(guān)性較高，所以在后續(xù)分析中，保留 X5和 X19，不考慮 X6、X8、X9 和 X20 的影響，以便降低分析規(guī)模。

基于聚焦的關(guān)鍵變量，采用最佳子集回歸法來分析關(guān)心的振動(dòng)響應(yīng) Z 與各個(gè)變量 X 之間的回歸擬合度或貢獻(xiàn)度。通過分析可以得知：?jiǎn)蝹€(gè)因子分析結(jié)果是 X5 的貢獻(xiàn)量最大，與 Z 的擬合度為 65.6，因此相關(guān)性分析得出與 X5 相關(guān)的 X6、X8、X9 的貢獻(xiàn)也較大。從組合效果分析得知，X3、X5、X7 組合的貢獻(xiàn)也較大，與 Z 的擬合度為 80.0。綜上，X3、X5、X7 是影響振動(dòng) Z 的重要組合，其中 X5 是關(guān)鍵變量，需要重點(diǎn)改善。

4　改善控制

Improve 改善階段，結(jié)合以上的產(chǎn)品尺寸對(duì)振動(dòng)的貢獻(xiàn)度分析、改善成本和性價(jià)比這三個(gè)方面，選擇 X5 作為重點(diǎn)改善對(duì)象。針對(duì) X5 尺寸超差的可能原因，從零部件來料和制造過程兩大方面，按照制程順序進(jìn)行了詳細(xì)的分析和排查：（1）項(xiàng)目組的供應(yīng)商來料質(zhì)量成員實(shí)地考察分析供應(yīng)商的零件加工過程，（2）從供應(yīng)商發(fā)出后的運(yùn)輸環(huán)節(jié)，（3）零部件倉儲(chǔ)環(huán)節(jié)，（4）零部件上線環(huán)節(jié)，（5）電機(jī)定子熱套過程，（6）電機(jī)整機(jī)裝配過程，（7）NVH EOL 檢測(cè)過程是否存在誤判風(fēng)險(xiǎn)，測(cè)量系統(tǒng)的一致性如何（8）拆解分析過程是否存在再損壞風(fēng)險(xiǎn)，（9）零部件尺寸測(cè)量是否存在誤判風(fēng)險(xiǎn)等。通過對(duì)上述問題點(diǎn)的逐個(gè)分析，最終確定在供應(yīng)商的零件加工過程中出現(xiàn)的問題。

項(xiàng)目組內(nèi)的供應(yīng)商來料質(zhì)量成員將加工過程中出現(xiàn)的問題反饋給供應(yīng)商，雙方經(jīng)討論分析：在不影響生產(chǎn)節(jié)拍的情況下，得到可行的改善措施并進(jìn)行及時(shí)整改。將改善后的來料（至少 3 件）進(jìn)行測(cè)量，確認(rèn)合格后，裝入振動(dòng)較大的電機(jī)并替換出 X5 尺寸超差的零件，經(jīng) NVH EOL 測(cè)量確認(rèn)：振動(dòng)較大的問題得到了改善。Control 控制階段，將 X5 同時(shí)列入供應(yīng)商端和本項(xiàng)目組的電機(jī)產(chǎn)線 NVH 控制計(jì)劃。來料質(zhì)量成員加大對(duì) X5 尺寸的抽樣比例，并進(jìn)行至少一個(gè)月以上的監(jiān)測(cè)，以便重點(diǎn)管控。制造產(chǎn)線的 NVH 控制計(jì)劃應(yīng)該包含：（1）需要重點(diǎn)控制的過程名稱，（2）相關(guān)設(shè)備、工裝或夾具（3）相關(guān)零部件或材料，（4）產(chǎn)品特性，（5）特殊特性分類，（6）控制過程描述，（7）測(cè)量方法，（8）取樣的樣本容量和頻率，（9）控制方法，（10）反應(yīng)計(jì)劃等。按照上述各個(gè)控制點(diǎn)，制定了 X5 相關(guān)的產(chǎn)線 NVH 控制計(jì)劃，并通過一個(gè)月以上的監(jiān)測(cè)，X5 尺寸和相關(guān)的電機(jī)振動(dòng)較大問題都得到了有效的改善和控制，電機(jī) NVH 合格率達(dá)成并穩(wěn)定在目標(biāo)值以上。

結(jié)論：通 過 六 西 格 瑪 DMAIC 方 法 結(jié) 合 制 造NVH 的實(shí)施，進(jìn)行了制造產(chǎn)線 NVH 的 MSA測(cè)量系統(tǒng)分析和 FTA 故障樹分析。通過對(duì)尺寸的相關(guān)性分析，縮小了分析規(guī)模并聚焦關(guān)鍵尺寸。利用最佳子集回歸法，分析了影響電機(jī) NVH 問題的關(guān)鍵變量，優(yōu)化并將改善點(diǎn)加入了產(chǎn)線 NVH 控制計(jì)劃。本研究對(duì)于提升驅(qū)動(dòng)電機(jī)的量產(chǎn)制造質(zhì)量水平及建立量產(chǎn)制造層面的車用電機(jī) NVH 開發(fā)體系具有重要的意義。