摘要：本文以思維導圖的方式總結了精益設計 16 項基本原則，并詳細闡述了開精益設計工作坊的基本工 作流程?；谧钌倭悴考?shù)的精益設計原則，以汽車蓄電池托盤總成為例，從成本優(yōu)化角度開展精益設計，零 件數(shù)量從 74 個減少到 7 個，零件數(shù)量減少 91%，標準件數(shù)量 57 個減少到 0 個，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)了精益設計在汽車產品成本優(yōu)化中的 重要作用及取得的實際效果。

目前，傳統(tǒng)制造行業(yè)大部分要求在有限的周期內完成產品開發(fā)，追求產品的開發(fā)速度，產品開發(fā)前期精益 設計能力不足，后期產品方案更改頻繁，導致變更成本大幅度上升，生產企業(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)及零部件的設計仍舊是傳統(tǒng)粗放型的設計方法，各環(huán)節(jié)尤其是研發(fā)環(huán)節(jié)中的成本浪費較嚴重，存在設計“過剩點”以及未開展面向制造與裝配的產品設計，導致產品設計與產品制造嚴重脫節(jié)， 新產品上市后存在設計變更頻繁等問題。據(jù)美國 BDI 公司統(tǒng)計分析，在汽車行業(yè)中，初期產品設計方案決定了 產品生命周期成本的 70%-80%[1][2]，因此，在汽車產品開發(fā)前期進行方案的精益設計對產品的成本控制具有重要 的意義，避免了后續(xù)產品頻繁變更帶來巨大的浪費。

產品的精益設計方法就是在產品設計開發(fā)初期，堅持以客戶需求為導向，運用精益設計理念、方法和手段， 通過減少零部件個數(shù)、優(yōu)化功能、簡化結構、提升質量、減少裝配、優(yōu)化工序等方面進行價值分析與價值挖掘， 投入盡量少的設計開發(fā)費用和要素，嚴控和消除開發(fā)過程中的設計“過剩點”，在盡可能短的開發(fā)周期內開發(fā) 出高質量、低成本、并契合消費者使用需求的產品，減少量產后的設計變更，從而為企業(yè)帶來盡可能多的利潤。

圖 1 精益設計 16 項基本原則

通過精益設計方法論在汽車產品成本優(yōu)化過程的實踐，總結歸納精益設計 16 項基本原則，并以思維導圖 的方式展現(xiàn)了精益設計 16 項基本原則，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）標準化 [3] ；15）系列化；16）其他。在產 品成本優(yōu)化過程中，對照精益設計的 16 項基本原則，進行產品設計檢查，逐步樹立“最初的設計永遠不是最 簡單的設計”理念，對最初設計方案在保證產品功能、保障產品質量的同時從成本角度進行不斷優(yōu)化，從而 實現(xiàn)在產品設計方案階段實現(xiàn)成本最優(yōu)，減少產品量產后期的設計變更，縮短產品最終開發(fā)周期。

精益設計工作坊是將精益設計方法及基本原則逐步實踐化的一種有效途徑，通過不斷開展精益設計工作 坊，使得產品工程師逐步將精益設計的原則融入到日常的產品開發(fā)過程中，使得在產品開發(fā)初期進行對產品結 構、產品性能、安裝過程、制造過程等進行充分分析，使得第一次就把產品做對。通過精益設計工作坊的成本 優(yōu)化實踐，總結歸納精益設計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)化機會；4）開展再設計。

圖 2 精益設計工作坊基本流程

通過對汽車蓄電池托盤總成精益設計案例分析，說明精益設計在汽車產品成本優(yōu)化中的應用。

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）總共 74 個零部件，其中：電瓶托盤支架體由 19 個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：采用鈑金拼焊結構，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）分析機會  

通過對利用 DFMA? 軟件對蓄電池托盤總成進行成本分析及精益設計分析[4]，并通過開展頭腦風暴活動，收集蓄電 池托盤總成精益設計提案，并對提案進行詳細分析。最終，以最少零部件數(shù)的精益設計理念角度考慮，電瓶托 盤支架 19 個鈑金件之間沒有相對運動，只要安裝可靠，強度滿足要求，理論上 19 個鈑金零件可以合并為一個， 且為同一種材料。 并進一步通過有目的性的資料搜集與對標分析，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，高強度，高剛性, 密度：1.13±0.02g/cm3，洛氏硬度≥95R， 拉伸強度 ≥65 Mpa；簡支梁無缺口沖擊強度≥40 kJ/m2；斷裂伸長率≥8％；彎曲強度≥80Mpa；收縮率 0.5-0.8 % 。常用于如蓄電池托架、如發(fā)動機冷卻風扇等 。 

4）方案再設計  

利用最少零部件精益設計理論，在保證電池托盤現(xiàn)有功能的前提下，對電瓶托盤支架進行全新設計，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 個零部件，采取卡接結構與車 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。在零部件數(shù)量減少的同時，滿足了部件原有功能 要求，零部件成本大大減少，由于取消了標準件的固定，零部件質量得到大幅度提升，與車身的連接采用卡扣 結構，實現(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

通過對蓄電池托盤總成的精益設計，實現(xiàn)了零部件數(shù)量從 74 個減少到 7 個，減少零部件數(shù)量 67 個，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 接結構，緊固件數(shù)量有 57 個減少到 0 個，實現(xiàn)了 100%取消緊固件數(shù)量，大大提升了部件總成質量，質量成本 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-蓄電池托盤總成對比分析

通過對精益設計 16 項基本原則以直觀形象的思維導圖呈現(xiàn)，有利于在產品設計前期，針對精益設計基本原 則，逐項進行分析，使得設計方案逐步最優(yōu)。并以蓄電池托盤總成為例，按精益設計工作坊流程進行了拆解與 對標分析，開展頭腦風暴活動，并利用 DFMA ?軟件強大的精益設計功能，對蓄電池托盤總成的每個零部件進行 成本分析與再設計優(yōu)化，并對優(yōu)化前/后方案從零部件數(shù)量、重量、標準件數(shù)量、材料成本、勞動力成本、質 量成本、機器成本、總制造成本等多角度直觀數(shù)據(jù)的對比分析。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，同時實現(xiàn)了總制造成本降低了 74%，不僅取得了明顯的經濟效益，而且大 幅度提高產品可靠性，提升了裝配效率。因此，精益設計是汽車產品成本優(yōu)化與質量提升最有效的方式之一。

參考文獻 

 [1] 杰弗里.布斯羅伊德，彼得.杜赫斯特.面向制造與裝配的產品設計【M】.北京：機械工藝出版社.2015.3

[2] Geoffrey Boothroyd ，Product Design for Manufacture 

[3] 鐘元.面向制造與裝配的產品設計指南【M】.北京：機械工藝出版社.2016.6

[4] DFMA? 制造與裝配的設計-實用指導手冊.科理咨詢

注：文章轉載于《內蒙古科技》202004期，作者：顏四平   北京汽車集團越野車有限公司