精益设计在汽车蓄电池托盘成本优化中的应用

摘要：本文以思维导图的方式总结了精益设计 16 项基本原则，并详细阐述了开精益设计工作坊的基本工 作流程。基于最少零部件数的精益设计原则，以汽车蓄电池托盘总成为例，从成本优化角度开展精益设计，零 件数量从 74 个减少到 7 个，零件数量减少 91%，标准件数量 57 个减少到 0 个，总成制造成本由原方案 163.76 元降低到 41.91 元，单件降低成本 121.85 元，成本降低 74.4%，充分体现了精益设计在汽车产品成本优化中的 重要作用及取得的实际效果。

目前，传统制造行业大部分要求在有限的周期内完成产品开发，追求产品的开发速度，产品开发前期精益 设计能力不足，后期产品方案更改频繁，导致变更成本大幅度上升，生产企业利润率逐步降低。特别在汽车行 业里，整车开发过程中系统及零部件的设计仍旧是传统粗放型的设计方法，各环节尤其是研发环节中的成本浪费较严重，存在设计“过剩点”以及未开展面向制造与装配的产品设计，导致产品设计与产品制造严重脱节， 新产品上市后存在设计变更频繁等问题。据美国 BDI 公司统计分析，在汽车行业中，初期产品设计方案决定了 产品生命周期成本的 70%-80%[1][2]，因此，在汽车产品开发前期进行方案的精益设计对产品的成本控制具有重要 的意义，避免了后续产品频繁变更带来巨大的浪费。

产品的精益设计方法就是在产品设计开发初期，坚持以客户需求为导向，运用精益设计理念、方法和手段， 通过减少零部件个数、优化功能、简化结构、提升质量、减少装配、优化工序等方面进行价值分析与价值挖掘， 投入尽量少的设计开发费用和要素，严控和消除开发过程中的设计“过剩点”，在尽可能短的开发周期内开发 出高质量、低成本、并契合消费者使用需求的产品，减少量产后的设计变更，从而为企业带来尽可能多的利润。

图 1 精益设计 16 项基本原则

通过精益设计方法论在汽车产品成本优化过程的实践，总结归纳精益设计 16 项基本原则，并以思维导图 的方式展现了精益设计 16 项基本原则，如图 1 所示。主要包括：1）材料选择；2）料厚确定；3）长度优化；4）功能优化；5）减少配置；6）减少工序；7）加工工艺性；8）表面处理选择；9）最少零部件数量 [3] ；10） 装配工艺性；11）减少螺纹连接[3] ；12）模块化[3] ；13）通用化；14）标准化 [3] ；15）系列化；16）其他。在产 品成本优化过程中，对照精益设计的 16 项基本原则，进行产品设计检查，逐步树立“最初的设计永远不是最 简单的设计”理念，对最初设计方案在保证产品功能、保障产品质量的同时从成本角度进行不断优化，从而 实现在产品设计方案阶段实现成本最优，减少产品量产后期的设计变更，缩短产品最终开发周期。

精益设计工作坊是将精益设计方法及基本原则逐步实践化的一种有效途径，通过不断开展精益设计工作 坊，使得产品工程师逐步将精益设计的原则融入到日常的产品开发过程中，使得在产品开发初期进行对产品结 构、产品性能、安装过程、制造过程等进行充分分析，使得第一次就把产品做对。通过精益设计工作坊的成本 优化实践，总结归纳精益设计工作坊的基本工作流程如图 2 所示：1）零部件/数模拆解分析；2）零件 BOM 创 建；3）分析优化机会；4）开展再设计。

图 2 精益设计工作坊基本流程

通过对汽车蓄电池托盘总成精益设计案例分析，说明精益设计在汽车产品成本优化中的应用。

1）拆解分析  

蓄电池托盘总成通过螺栓与车身纵梁连接，主要用于支撑蓄电池与膨胀水箱。 

（1）.部件数量：蓄电池托盘总成（包括螺栓、螺母在内）总共 74 个零部件，其中：电瓶托盘支架体由 19 个钣金零部件焊接而成，且零部件的厚度不完全一致； 

（2）.电瓶托盘支架材料：DX52D+Z； 

（3）.部件重量：6.713kg； 

（4）.总成工艺：采用钣金拼焊结构，钣金冲压加工后，通过焊接工艺拼焊而成； 

（5）.部件成本：163.76 元。

2）创建 EBOM

表 1 优化前方案-蓄电池托盘总成 BOM 表

3）分析机会  

通过对利用 DFMA® 软件对蓄电池托盘总成进行成本分析及精益设计分析[4]，并通过开展头脑风暴活动，收集蓄电 池托盘总成精益设计提案，并对提案进行详细分析。最终，以最少零部件数的精益设计理念角度考虑，电瓶托 盘支架 19 个钣金件之间没有相对运动，只要安装可靠，强度满足要求，理论上 19 个钣金零件可以合并为一个， 且为同一种材料。 并进一步通过有目的性的资料搜集与对标分析，福特金牛座蓄电池托盘材料为注塑一体成型，材料采用 PP+GF30。其中，PP+GF30 材料特性为特高耐热，高强度，高刚性, 密度：1.13±0.02g/cm3，洛氏硬度≥95R， 拉伸强度 ≥65 Mpa；简支梁无缺口冲击强度≥40 kJ/m2；断裂伸长率≥8％；弯曲强度≥80Mpa；收缩率 0.5-0.8 % 。常用于如蓄电池托架、如发动机冷却风扇等 。 

4）方案再设计  

利用最少零部件精益设计理论，在保证电池托盘现有功能的前提下，对电瓶托盘支架进行全新设计，电瓶 托盘支架总成材料采用 PP+GF30 注塑一体成型，并将电瓶托盘支架整体注塑为 1 个零部件，采取卡接结构与车 架相连，最终方案为蓄电池托盘总成零部件数量减少为 7 个。在零部件数量减少的同时，满足了部件原有功能 要求，零部件成本大大减少，由于取消了标准件的固定，零部件质量得到大幅度提升，与车身的连接采用卡扣 结构，实现了蓄电池托盘总成的快速安装。

通过对蓄电池托盘总成的精益设计，实现了零部件数量从 74 个减少到 7 个，减少零部件数量 67 个，零部 件减少率为 91%；蓄电池托盘总成的重量由 6.713kg 减少到 2.452kg，重量减少 63%；电瓶托盘支架安装采用卡 接结构，紧固件数量有 57 个减少到 0 个，实现了 100%取消紧固件数量，大大提升了部件总成质量，质量成本 降低 86%；蓄电池托盘总成制造成本由原方案 163.76 元降低到 41.91 元，总制造成本降低 74%。

通过对精益设计 16 项基本原则以直观形象的思维导图呈现，有利于在产品设计前期，针对精益设计基本原 则，逐项进行分析，使得设计方案逐步最优。并以蓄电池托盘总成为例，按精益设计工作坊流程进行了拆解与 对标分析，开展头脑风暴活动，并利用 DFMA ®软件强大的精益设计功能，对蓄电池托盘总成的每个零部件进行 成本分析与再设计优化，并对优化前/后方案从零部件数量、重量、标准件数量、材料成本、劳动力成本、质 量成本、机器成本、总制造成本等多角度直观数据的对比分析。蓄电池托盘优化后，零部件数量降低了 91%， 总重量减轻了 63%，消除了紧固件，同时实现了总制造成本降低了 74%，不仅取得了明显的经济效益，而且大 幅度提高产品可靠性，提升了装配效率。因此，精益设计是汽车产品成本优化与质量提升最有效的方式之一。

参考文献 

 [1] 杰弗里.布斯罗伊德，彼得.杜赫斯特.面向制造与装配的产品设计【M】.北京：机械工艺出版社.2015.3

[2] Geoffrey Boothroyd ，Product Design for Manufacture 

[3] 钟元.面向制造与装配的产品设计指南【M】.北京：机械工艺出版社.2016.6

[4] DFMA® 制造与装配的设计-实用指导手册.科理咨询

注：文章转载于《内蒙古科技》202004期，作者：颜四平   北京汽车集团越野车有限公司