基于六西格瑪設(shè)計的汽車前照燈霧氣優(yōu)化設(shè)計

沈金燕

（上海汽車集團股份有限公司技術(shù)中心）

對于在夜間或者惡劣氣候條件下行駛的車輛來說，汽車燈具是保證汽車安全行駛必不可少的功能件和安全件。從售后反饋的情況來看，目前汽車前照燈出現(xiàn)質(zhì)量問題的主要原因是進水和起霧。燈內(nèi)進水或起霧不僅影響車燈的使用壽命和外觀，而且使得照明效果大打折扣，進而影響行車安全，因此對霧氣問題進行分析并找出改善措施非常必要。文章提出基于六西格瑪設(shè)計（Design For Six Sigma，DFSS）理論來優(yōu)化前照燈防霧氣設(shè)計的方法，經(jīng)過驗證，達到預(yù)期效果。

1 車燈起霧概述

1.1 霧氣產(chǎn)生機理

當水蒸汽與低于其飽和溫度的表面接觸時，根據(jù)材料表面性質(zhì)的不同，有2種不同的凝結(jié)形式。如果凝結(jié)液體能很好地濕潤壁面，它就在壁面上鋪展成膜，這種凝結(jié)形式稱為膜狀凝結(jié)；而當凝結(jié)液體不能很好地濕潤壁面時，凝結(jié)液體會在壁面上形成一個個小液珠，這種凝結(jié)形式稱為珠狀凝結(jié)。車燈外配光鏡的材料多為聚碳酸酯，是一種水所不能浸潤的材料，在其表面發(fā)生的凝結(jié)是珠狀凝結(jié)，也就是說，霧氣現(xiàn)象是水蒸汽在前照燈配光鏡上的珠狀凝結(jié)，它會影響汽車車燈的照明和行車安全。

對于滿足密封性要求的半封閉式前照燈（指燈絲燈泡可拆卸更換燈光組的燈具），當燈內(nèi)壓力與外界不一致時，會產(chǎn)生空氣的交流，當燈體內(nèi)溫度高于外界，且外界濕度較大時，待燈具冷卻后，在燈具內(nèi)部會有冷凝水存在，該現(xiàn)象屬于正常的物理現(xiàn)象。

目前汽車上普遍采用組合式前照燈，大燈燈體上都有通氣孔，用來平衡因開大燈后燈內(nèi)空氣膨脹而產(chǎn)生的壓力，所以，即使在大燈密封完好的情況下，空氣中的濕氣仍可通過通氣孔進入燈內(nèi)。在反射式大燈上，配光鏡表面因有光線經(jīng)過而被加熱，濕氣不易附著。霧氣會主要集中在燈具熱場分布溫度比較低的區(qū)域，如位置燈或轉(zhuǎn)向燈區(qū)域、造型的邊角位置等[1]。為追求更好的照明效果，現(xiàn)代汽車的前照燈大多都采用PES透鏡單元，這種燈式光線集中，大燈配光鏡只有小區(qū)域被加熱，霧氣也就易于聚集在燈光區(qū)外側(cè)的鏡面上。

1.2 車燈起霧的基本條件

根據(jù)霧氣產(chǎn)生的機理，結(jié)合車燈的結(jié)構(gòu)，可以推斷出車燈起霧需要具備3個條件。

1）車內(nèi)的空氣含有足夠的水蒸汽。從車燈結(jié)構(gòu)上分析，車燈內(nèi)部和外部存在空氣交流，特別是在下雨或洗車后，車燈內(nèi)部含有足夠的濕空氣；還有可能是由于車燈不密封、車燈工況變化或環(huán)境變化，導(dǎo)致外部的水分進入車燈內(nèi)部。

2）燈體內(nèi)部存在凝結(jié)核心。由于車燈內(nèi)空氣與外界環(huán)境交換會導(dǎo)致空氣中塵埃進入燈體內(nèi)，且前照燈配光鏡通常為PC塑料，表面張力較小，表面凹凸不平為水蒸汽提供了凝結(jié)核心。

3）較大的溫差。a.結(jié)構(gòu)設(shè)計導(dǎo)致：為滿足美觀及功能要求，車燈結(jié)構(gòu)上存在對流和輻射死角，配光鏡各個部位溫度差異較大，當某些區(qū)域的溫度低于車燈內(nèi)部飽和溫度時就會起霧。b.車燈的使用工況變化：比如車燈點亮時，光源附近空氣溫度較高，高溫空氣交換到其他低溫區(qū)域時會起霧；燈內(nèi)溫度隨著點燈升高時，外界環(huán)境溫度驟降，導(dǎo)致配光鏡表面溫度急劇下降，從而在內(nèi)部起霧；車燈熄滅后，表面溫度和車內(nèi)溫度存在較大溫差時也會起霧。

以上這些起霧條件是現(xiàn)實存在的，所以車燈起霧經(jīng)常會發(fā)生。

1.3 車燈起霧的評價和判斷標準

車燈起霧后通常在一定時間內(nèi)可以自然消散，然而在實踐中如何判斷車燈霧氣的嚴重程度以及確認是否可以接受，目前還沒有相應(yīng)的國標對應(yīng)。通常各個汽車廠商設(shè)定有相應(yīng)的企業(yè)標準，調(diào)查顯示，普遍能接受的標準是霧氣在60 min內(nèi)消散。

2 基于六西格瑪設(shè)計（DFSS）的前照燈霧氣優(yōu)化設(shè)計

DFSS是用于工程設(shè)計開發(fā)領(lǐng)域的系統(tǒng)性工具及方法論[2]。它分為 I，D，O，V 4 個階段：在 I（Identify，識別）階段，主要通過 VOC（客戶聲音）、AHP（層次分析法）、QFD（質(zhì)量功能展開）、計分卡等工具，確認顧客的聲音以及判斷該開發(fā)專案是否適合進行；在D（Design，設(shè)計）階段，主要通過 IFR（最終理想解）、5 Why、TRIZ（創(chuàng)新問題解決理論）工具，從不同的角度產(chǎn)生并篩選出概念設(shè)計方案；在O（Optimize，優(yōu)化）階段，主要通過DOE（試驗設(shè)計）工具，利用2K因子、RSM、田口設(shè)計等方法，找出設(shè)計參數(shù)的最佳設(shè)定值；在V（Validation，驗證）階段，主要從可靠度的角度入手，驗證設(shè)計是否可行。

文章結(jié)合一款車型的前照燈，運用DFSS工具對霧氣問題進行優(yōu)化設(shè)計。

2.1 識別客戶需求與設(shè)計弱點

在DFSS的I階段，首先通過對內(nèi)外部客戶的調(diào)研，了解客戶對前照燈的要求，通過QFD工具轉(zhuǎn)化為明確的工程參數(shù)，通過計算權(quán)重找到CTQ（關(guān)鍵質(zhì)量特性），并從市場上競爭車型的對標中找出設(shè)計改善的重點。表1示出新車前照燈的客戶調(diào)研及測試結(jié)果對比。從表1可以看出，此研究車型的車燈霧氣消散方面仍存在進一步優(yōu)化的空間。

表1 新車前照燈的客戶調(diào)研及測試結(jié)果對比

通過QFD分析，確定前照燈的造型滿意度、燈光亮度、成本和霧氣消散時間的權(quán)重值分別為28%，26%，19%，18%，如圖1所示，位列前4名，由此確定這4個關(guān)鍵質(zhì)量特性。但是造型滿意度和燈光亮度已經(jīng)是賣點，而成本又和設(shè)計硬點沖突，故該DFSS項目把霧氣消散時間作為設(shè)計改進的重點。

圖1 汽車前照燈優(yōu)化質(zhì)量屋1

2.2 產(chǎn)生概念設(shè)計

圖2示出汽車前照燈優(yōu)化質(zhì)量屋2。從圖2中屋頂處可以找到2組負相關(guān)項，按照TRIZ理論，這2組矛盾正是進行設(shè)計優(yōu)化的突破口。根據(jù)TIRZ矛盾矩陣表，從面積和溫度的矛盾，可以找到變化物理或化學狀態(tài)、使用強氧化劑這2個原則；從形狀和溫度的矛盾，可以找到曲率、將害處轉(zhuǎn)成益處、周期性動作及改變顏色這4個原則。

圖2 汽車前照燈優(yōu)化質(zhì)量屋2

通過頭腦風暴發(fā)現(xiàn)，可以從變化物理或化學狀態(tài)、曲率這2個原則的思路出發(fā)，得到設(shè)計概念。利用變化物理或化學狀態(tài)原理，改變配光鏡分子結(jié)構(gòu)，在配光鏡表面增加防霧涂層；利用曲率原理，將配光鏡的曲率做大，以平代曲。

同時結(jié)合IFR、維度資源和5 Why等方法，得出更改飾圈或燈體材料，增加干燥劑、風扇，調(diào)整通氣孔形式、位置及數(shù)量，改變光源等方案。最終通過Pugh方法來確定概念設(shè)計方案：1）更改通氣孔形式：選用通氣量大的通氣結(jié)構(gòu)（比如橡膠管、白蓋子）以便于流通；2）更改通氣孔位置和數(shù)量：在可能起霧區(qū)域預(yù)留多個通氣結(jié)構(gòu)，按試驗確認最終位置及數(shù)量。圖3示出汽車前照燈霧氣優(yōu)化概念設(shè)計方案。

圖3 汽車前照燈霧氣優(yōu)化概念設(shè)計方案

2.3 優(yōu)化參數(shù)設(shè)計與公差設(shè)計

針對調(diào)整通氣孔的概念設(shè)計方案，采用因子設(shè)計進行優(yōu)化設(shè)計。由于試驗資源有限，選用7因子2水平設(shè)計試驗，如表2所示，共需進行12次試驗。根據(jù)表2中的各種工況進行試驗，并將試驗結(jié)果填入相應(yīng)的單元格中。

表2 汽車前照燈通氣孔方案的因子設(shè)計表

由于霧氣消散時間是越短越好，故該項目的質(zhì)量特性是望小特性。根據(jù)Minitab的計算結(jié)果，對于霧氣消散時間而言，A，B，C，D，F(xiàn) 是顯著的，E，G 是非顯著的。圖4和圖5分別示出汽車前照燈霧氣消散響應(yīng)的優(yōu)化設(shè)置及優(yōu)化結(jié)果。根據(jù)圖4和圖5得出最優(yōu)解：A=1，B=2，C=2，D=1，F(xiàn)=1，即通氣管 2 和通氣管 3 打開，其余閉合。理論霧氣消散時間為18 min，滿足設(shè)計要求（30 min內(nèi)）。

圖4 汽車前照燈霧氣消散響應(yīng)優(yōu)化設(shè)置顯示界面

圖5 汽車前照燈霧氣消散響應(yīng)優(yōu)化結(jié)果顯示界面

2.4 設(shè)計驗證與可靠性驗證

通過因子設(shè)計分析結(jié)果可知，E（通氣管5）和G（通氣蓋2）這2個因子不顯著。本著降成本的原則，在按照最佳設(shè)計參數(shù)組合（A1B2C2D1F1）的基礎(chǔ)上，閉合E和G，再次進行霧氣試驗。試驗結(jié)果顯示，最終的霧氣消散時間為20 min，雖然比最佳設(shè)計參數(shù)組合的結(jié)果多了2 min，但仍然大幅度提升了此項性能。

3 結(jié)論

由于車燈內(nèi)溫度場、流動場、水蒸汽的濕度分布和車燈材料表面性質(zhì)等都是影響結(jié)霧的主要因素，目前為止還沒有有效的手段來模擬霧氣現(xiàn)象，而通常采取的方案不外乎增加防霧涂層、干燥劑或調(diào)整通氣孔布置。前兩者的成本比較高昂，而后者又常常因排列組合多而耗費大量的試驗資源，對經(jīng)濟效益不利。通過使用DFSS中的各種工具，有助于從各種技術(shù)及物理矛盾創(chuàng)造性地發(fā)現(xiàn)問題和尋找解決方案，科學系統(tǒng)化地設(shè)計試驗，有效減少試驗次數(shù)，從而縮短試驗周期及減少費用，達到降本增效的目的。