自主开发案例分析——轿车头枕高度调节器设计

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1、自主开发案例分析轿车头枕高度调节器设计自主开发案例分析轿车头枕高度调节器设计 美国美国 丘万里丘万里 2008 年年 9 月月 16 日日 1 引言引言 关于自主开发和自主品牌的讨论旷日持久，虽然在生意场上的做法不尽相同，但各 方都肯定自主开发的重要性。随着中国汽车工业的快速发展，自主开发的紧迫感越显突 出。合资造车的路走了二十几年，厂建了，车造了，钱赚了，无数百姓的汽车梦圆了，但 多数汽车人的梦还不圆满。依笔者看，自主开发是有尊严地发展中国汽车工业的基础，是 中国汽车人梦想的依托，是脊梁。 自主开发是个大题目，是众人的梦，要由众人去圆，作者愿意用亲身经历和一己之 见与所有的追梦人共享。以下文

2、字全凭十几年前的记忆而写，其中的一些量值、一些零部 件的中文名称也不一定准，有误之处请多包涵。 2 背景信息背景信息 这里讲到的轿车头枕高度调节器设计开发，是上世纪九十年代初我刚毕业并进入美 国一家汽车主机厂后不久，在一家名牌综合零部件供应商与他们的轿车头枕高度调节器设 计组共同完成的一个项目。我当时的被安排负责有限元分析，但后来的发展和自己所作的 贡献远远超越了开始的安排，让我亲自经历了自主开发的关键性思考和实践。 3 系统简介系统简介 我所参与的项目是要改善轿车头枕高度调节器的适用性，而假设法规要求的安全性 已经达到要求。 常见的轿车头枕高度调节器系统的主要相关零部件有座椅靠背结构、钢套管

3、（焊于 椅背上）、塑料滑管（插入钢套管内）、头枕滑杆（呈倒置的 U型）和头枕。在设计 中，塑料滑管和插入其中的头枕滑杆之间有微量的尺寸干涉，头枕滑管不致自行下落。U 型头枕滑杆有一系列刻槽，与之相配的是塑料滑管的弹簧销装置。刻槽的位置决定头枕升 降的高度选择，弹簧销保证头枕的升降高度固定在所选的槽位。图 1是主要部件的示意图 （不含刻槽和弹簧销等细节）。 座椅靠背结构座椅靠背结构 钢套管（焊于椅背上）钢套管（焊于椅背上） 塑料滑管塑料滑管 头枕头枕 倒置倒置 U 型头枕滑杆型头枕滑杆 图 1 头枕高度调节器系统主要相关部件示意图 4 发现的问题发现的问题 在与合零部件供应商的设计组共同合作中我

4、观察到，每一位工程师都负责多个车型 的头枕高度调节器设计，他们个个经验十足，但大部分时间都花在应付各种质量问题，疲 于奔命，在解决问题过程中暴露出一个共同的问题，他们的经验缺乏系统性，经验没有上 升到知识程度，对问题难于做出快速准确的判断，也不利于传承。 我在思考的问题是，对于头枕高度调节器系统设计，它的知识构架应该是什么？这 一构架应如何建立？带着这些问题，我去了公司内部的汽车系统分析比较（benchmark） 中心，那里摆放着不同厂家多种车辆，以及被拆散的各种子系统总成和零部件。我使用了 所有现场车辆中的座椅头枕高度调节器，在车外调它们的高度，坐在座椅上调它们的高 度，反复揣摩顾客对不同使

5、用经验的满意程度和可能的评判标准。随后又对零部件作了横 向比较。想法慢慢出来了，构架的雏形出来了。 下面是随后的小组会上发生的一段对话： 我问：“做了这么多年的头枕高度调节器系统设计，你们对设计好坏的评判标准是 什么？满足主机厂的设计规范并不是我要寻找的答案。换句话说，你们自己想做一个 好的系统，为它制定一套设计规范，那套规范的依据和关键元素是什么？” 沉默，还是沉默。“我们还真的不知道。”经理终于打破了沉默。 “我也不知道。” 我说，“但你我既是工程人员，同时也都是终端顾客。如果我们 对不同的设计进行比较，看他们的实用性和适用性，我们一定能提炼出一些有价值的东 西。” “同意。” 5 产品开

6、发的切入点顾客需求产品开发的切入点顾客需求 小组会后，我带着大家到了我公司的汽车系统分析比较中心，要求大家各自重复了 我做过的比较性使用分析，并记录下每辆车头枕高度调节器系统设计的优点所在和不足之 处。经过对大家记录材料的综合整理和反复讨论，我们确定了以下五个设计评判方面： 一、顾客可以在驾驶时用一只手调节头枕高度（单手操作）； 二、调节头枕高度所需用力要合适（调节力）； 三、头枕高度调整时要感觉平滑； 四、手抓住头枕准备调节时头枕不要有前后左右晃动； 五、头枕高度的调节范围要照顾到顾客身材（上半身高度）的分布。 这就是我想看到的知识结构的框架高层描述。对于设计小组来说，它代表了一种全 新的视

7、角，大家对于一天中取得的进步感到兴奋。 以上的五点是什么？不是设计规范，是顾客需求，它与其他因素（如法规、安全 性、质量、可靠性、耐久性、现有产品技术水平和工艺水平及相应的制造成本等）共同构 成设计规范的基础，各种因素都要转化成工程语言，并经过综合平衡、取舍而形成特定产 品的设计规范。 6 顾客需求向工程规范的转化顾客需求向工程规范的转化 以上五点中的第一条和的第四条是原有设计规范中没有涉及到的，第三点没有量 化。接下来的一段时间，我对五条中的前四条作了一些研究，在顾客需求向工程规范的转 化的过程中走了几步。 6.1 单手操作单手操作 驾驶员坐在座椅中，在驾车的同时用一只手调整头枕的高度，这是

8、顾客使用中最具 挑战性的一种。从设计的角度讲，这种使用情形对头枕高度调节器的高度定位方式有特殊 要求。在当时，我们看到的高度定位方式主要有两类：一类是单靠滑杆摩擦力的定位设 计，另一类是用滑杆刻槽和弹簧销来实现定位的设计。而后者的刻槽又有单向滑面和双向 滑面之分（见图 2）。对于不同的设计理念我们做了如下的分析。 滑杆 滑杆 弹簧销 弹簧销 a. 单向滑面刻槽 b. 双向滑面刻槽 图 2 用滑杆刻槽和弹簧销来实现定位的设计 刻槽 刻槽 滑面 滑面 滑面 单靠滑杆摩擦力的定位设计的优点是设计简单且便宜，高度可以定在任何位置上， 可单手操作，但它有致命的缺点。通过塑料滑管和头枕滑杆之间微量的尺寸干

9、涉来实现的 摩擦阻力，对尺寸误差太敏感，用同一摩擦阻力很难兼顾两种相互冲突的要求：1、调节 高度时用力不能太大；2、为防止头枕下滑摩擦阻力不能太小。与我合作的供应商当时正 为我公司的某些车型提供这种设计，顾客有很多抱怨，有的调节高度太困难，有的头枕会 从调好的高度上在驾驶颠簸中自行下落。我们当时的结论是，此种设计不应再新的产品中 继续使用。 当时我们在汽车系统分析比较中心看到的用滑杆刻槽和弹簧销来实现定位的设计都 采用单向刻槽（图 2a）, 这种设计的优点是：1、头枕下滑被彻底杜绝；2、向上的调节可 以单手操作；3、由于头枕不会自动下滑，摩擦阻力的设计区间可以降下来，这样上调高 度时的摩擦阻力

10、会相应降低。它的缺点是：1、下调高度不能单手操作；2、与单靠滑杆摩 擦力的定位设计相比会贵一些；3、与单靠滑杆摩擦力的定位设计相比只有有限的高度选 择。在今天，这种设计是主导设计。 但我们最后的结论是采用有双向滑面的刻槽设计，头枕高度的双向调节都可以通过 单手操作实现，而两个滑面的角度可以不同。位于下方的滑面与上调高度时需要克服的弹 簧力分量有关，可以选用小角度；位于上方的滑面与防止头枕下滑的弹簧力分量有关，可 以选用稍大的角度。弹簧力在竖直方向上的分量与滑面角的正切函数值成正比，很容易根 据选定的弹簧进行定量设计。如果今天由我决定设计方向，我依然会选择有双向滑面的设 计，尽管它不是当今的主流

11、设计。 前两天到汽车系统分析比较中心故地重游，见到一辆日产的轿车，它的滑杆刻槽就 是用双向滑面的设计，大有一见如故的感觉。 6.2 调节力调节力 单手操作还引发出一个新的问题。按我的分析，调节头枕高度所需的力有四个组成 部分：头枕的重力、由塑料滑管和头枕滑杆之间微量尺寸干涉产生的摩擦阻力、弹簧力在 竖直方向上的分力、在单手操作中偏心载荷引起的附加摩擦阻力，而最后一项不是那样显 而易见，要经过特殊的分析才能深入了解。 经推演（细节省略），摩擦阻力随偏心载荷的增加趋势可以表达成一个无穷等比数 列： +K32012HW HW HWf， 其中 为摩擦系数，W 为倒置 U型头枕滑杆的宽度（两根滑杆的间距

12、），H为钢套管的高度，f0为每根滑杆的初始摩擦阻力。如果1HW，摩擦阻力数列会收敛到一个有限的值 HWf 120，终将被不断增大的偏心力所超越，结果头枕会移动。如果收敛条件被破坏，则数列发散，偏心载荷的增加无法超越摩擦阻力的增加，形成自锁，头枕不会移动。 在最开始进行使用分析比较时，我发现本公司一款中档轿车的头枕高度调节器就有自锁现 象，那是我见到W/H比值最大的一个设计。 偏心加载的摩擦阻力公式 HWf 120形式非常简单，几个关键参数对偏载下摩擦阻力的影响一目了然。一般人都会想到通过降低摩擦系数减小偏载下的摩擦阻力，而我们看 到，增加钢套管高度H这一更容易做到、又不会被顾客发觉的参数，也能

13、起到同样的效 果。另外，我们会有意识地避开W/H比值大的设计。 6.3 调整时感觉平滑调整时感觉平滑 通常人们会认为平滑的感觉是一个主观的判断，就像外观要好看一样，工程规范中 会写上一句，“（某某东西）外观要好看，最终结果要由本方人员认可。” 但对于平 滑，我认为可以在量化的方向上走几小步。 对于任何一个头枕高度调节器，我们都可以用实验方法测出一条位移和拉力的关系 曲线，曲线在横坐标上的跨度是调节器的整个高度调节范围。不同的设计测出的关系曲线 在横向跨度和幅值变化趋势方面都会有差别。如何定量比较它们的平滑程度哪？首先应该 解决的是，将曲线幅值变化的总体趋势和在总体趋势上的高频噪音分开，平滑程度

14、只与高 频噪音有关。 通常，实验曲线是一串被采集的数据点，如果对数据实施“多点移动平均值”计算 处理，就可以得到一条能够代表曲线幅值变化的总体趋势的移动平均线，这一处理会过滤 掉高频噪音。移动平均线与原曲线之间有个相位滞后，把移动平均线平移使之与原曲线对 齐（注：平移后的移动平均线可以看成是原曲线的轮廓线），再用原曲线减去移动平均 线，就能得到高频噪音曲线，而它正是研究平滑程度所要关注的对象。噪音曲线的算术偏 差平均值（即单位长度内偏差绝对值的平均值）就可作为粗糙度的衡量参数，该值越小， 平滑度越好。根据我们实验曲线的采样频率，我选用“8点移动平均值”实现轮廓线与噪 音分离处理。本段落中描述的

15、方法，就是一种实用的粗糙度量化方法，有了它我们就能对 平滑度提出量化要求。 6.4 头枕不要前后左右晃动头枕不要前后左右晃动 这里讲的头枕晃动是塑料套管和钢套管之间或头枕滑杆和塑料套管之间存在间隙的 结果，以前供应商的座椅工程规范里没有提相应的要求，这次就给补上了，并由我编写了 一个测试规范。他的内容其实很简单，将椅背固定，将头枕升到最高处，在裸露的滑杆最 上端加一个垂直于滑杆的小量值推力，并测量相应的位移；再将小量值推力调转180，并测量相应的位移。最后，将两个位移量相加，并除以滑杆裸露部分的长度，得到的是一 个相当于前后晃动角度的量值，它必须小于某个规范中标定的量。选用角度（而非位移 量）

16、作为晃动的衡量是为了使新增的测试规范有广泛的适用性。 6.5 调节范围调节范围 我没有参与调节范围和顾客身材（上半身高度）分布方面的工作，在此不做叙述。 7 自主开发要点评论自主开发要点评论 轿车头枕高度调节器设计开发是个小项目、短项目，不具有大项目的复杂性，但其 中有三点对于自主开发有借鉴作用： 1、顾客需求的确定；2、构架型思维；3、知识性产 品开发。 产品最终的目的是要满足顾客的需求，准确确定顾客的需求对产品开发的重要性不 言而喻。每个大公司都有非常科学的、严谨的方法，通过它获取顾客需求，其内容包括各 种各样的顾客调查、顾客数据采集、数据统计分析等。这类方法对很多研究对象起的作用 是不容否认的，但它们绝不是万能的。首先，它贵，太贵了。大公司也只能有选择性地 做。其次，它们在面对全新内容、全新技术应用时会显现出缺陷，顾客很难准确地想象出 一个从来没有见过的东西怎样使用、怎样满足他们的需求、在使用中会遇到什么样的问 题。自主开发的参与者应该把准确