基于DFSS方法的乘用車內飾燈光效果一致性提升方案

徐雯霞，張 昊

（1.同濟大學，上海 201804；2.泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201）

1 研究背景

人們對于駕乘品質的要求正在日益提升。時至今日，越來越多的消費者已經不僅僅滿足于車輛的動力或者外觀，他們開始關注汽車內部駕駛空間的舒適性和美觀性。

汽車內飾燈光，已經不再是簡單的功能件，更多的已經成為了汽車造型以及整體感知品質中不可或缺的一部分。以LED為發光源的內飾燈光已經逐漸取代傳統的白熾燈照明，引起各大主機廠和廣大消費者的關注。消費者更喜歡什么，如何合理選擇LED型號，如何設計合理的導光結構，如何提高整車內飾燈光的一致性和美觀度，也已成為各大車企急需研究的重要課題。

2 汽車內飾燈光的組成分類與特點

圖1為汽車內飾燈光組成。所謂的車內燈光系統，如果按照零件功能性分類，一般可以分為儀表燈光、中控臺燈光、頂襯燈光、腳燈、儀表板／門板氛圍燈等；如果按照區域分類，則可以分為主駕區域燈光、副駕區域燈光、其他乘客區域燈光；如果按照設計意圖分類，則可以分為照明類燈光、氛圍燈、功能性燈。

之所以有不同的分類，源自于各主機廠對于車內燈光要求的不同或者評審的方案不同。無論如何分類，目的只有一個，即合理地劃分區域，并設立相關標準，從而為最終效果的一致性打下基礎。作為整車內飾燈光一致性的評估者而言，只要能夠把控住每個區域的內燈光一致性，即可基本拿捏住整車燈光的感知品質。筆者根據多年的工作經驗，總結了幾大類零件的基本特點如下。

圖1 汽車內飾燈光組成

1）各類開關背光 這類零件在整車內所占的比例最高，發光原理也最為復雜，開關的位置不同，需制定不同的亮度和顏色標準，在做零件評估前，務必需要確認LED和零件材料的供應商，了解零件內部結構，對癥下藥，才能事半功倍。

2）各類儀表、顯示屏 這類零件的發光特點與開關背光截然不同，其內的顏色、亮度不需要和整車背光保持完全一致，只要是同明度的色系，在各類模式下，保證不過于刺眼，也不過于昏暗，即可達到消費者的期望。

3）氛圍燈帶 此類零件，通常是LED通過透明介質的傳遞所展現，因此，LED的重要性相對于上面兩種類型，更加直接地影響最終效果。如果是RGB的燈帶，需要嚴格控制LED的選型，色坐標標準盡量控制在0.001以內。

4）腳燈、迎賓踏板等 此類零件通常屬于最次要視覺區域，因此，顏色就沒有那么重要了，工程方面，只需要保證此類零件的亮度即可。特別需要注意的是，迎賓踏板之類的零件，由于設計的不同需要，通常會用各種不同的介質用于燈光的傳導，比如鋁或鋼，其對于光的顏色改變是巨大的，因此也會遠超標準范圍。在工程評估時，尤其需要評估師的個人經驗和臨場決斷。

LED的最終顏色和亮度，需要考慮到經過零件蓋板甚至是導光材料的影響，最終的零件顏色往往并不是LED本身的顏色，這就必然對品質控制帶來巨大的困難。本文嘗試使用六西格瑪設計方法，在項目前期就設法改善最終的背光效果，區別于傳統的評審方法，在節省時間的同時，節約物料和人力成本。

3 六西格瑪設計方法案例分析

3.1 案例選取

本文選取某量產車型的頂襯前儀表板總成作為案例。在此儀表板上，一共有9個開關零部件，涉及到3家不同供應商以及10顆白色LED。目前此零件成品的背光一致性較差，各背光顏色不協調，視覺效果無法令客戶滿意。此零件由于子零件數目較多、子零件間距非常近、供應商數目較多、所用材料復雜、導光結構不統一、共用件與非共用件排列不一等特點，使對于這個零件的背光一致性要求很難達到。選取這個零件作為研究對象，可以最大限度地照顧到各種情況，非常適合用于六西格瑪設計樣本。

3.2 定義要求

用分光色度計測得該零件上各個背光開關的色坐標值。將測試結果寫入標準色坐標系統中 （涉及主機廠標準，圖中隱去相關數值），此顏色的標準色框范圍 （以廠家常用的標準色框為基準）如圖2所示。可以發現，這些零件在色坐標中的位置差異很大，有些甚至超出了廠家標準要求，這也是整個零件顏色不一致的原因之一。由此，首先想到的是：縮小廠家標準范圍，使所有色坐標的要求盡量靠攏，即減小各零件色坐標的離散程度。另外一方面，要求所有開關盡量靠近標準中心位置 （即圖中“X”位置）。

圖2 某量產車型頂襯儀表板

3.3 基于普氏分析的方案設計

如前文提到的，影響零件背光效果的因素很多，其中雷雕會影響最終透光性能，材料顏色／透明度影響最終顏色，光源導光方式直接影響出光效果，LED顏色的選擇直接影響最終顏色等，如圖3所示。依據目前情況，僅有3C零件在標準的中心，其余開關的色坐標需要盡量靠近此位置。

圖3 零件結構

我們采用頭腦風暴的方法，可以初步找到如下多種方案組合，如表1中的第一橫排為可單獨運用的調整方案，左起第一豎排為方案編號，“X”表示不作調整，“√”表示作調整。

表1 設計方案

對于主機廠來說，這5個方案，基本囊括了目前現有的背光提升方法。在實際操作中，大部分主機廠的背光評審專家，都會根據個人經驗，從中選擇適用方案。那么，如何更科學、更迅速地找出合適的方案呢？這時候，只要運用兩輪普氏分析，即可得出最合適的方案。

在第1輪普氏分析中，首先以方案0作為分析基準。左邊列出所有客戶呼聲和相關要求。可以發現，方案3和方案4相對于其他方案較為優秀，得分也不相伯仲。

由此，進行第2輪普氏分析，即以方案3為基準，再次進行比較，可看出方案4在開發周期和開發成本方面都劣于方案3（僅僅更換材料，相對更換LED可以減少試驗，縮短周期，減少成本），最終，得出方案3最為合適。即首先以CCC件以及雷達指示開關的色坐標所在的新色框為調整基準，調整其余零件雷雕工藝深度，增大透光率，使出光顏色盡量接近色坐標，若無法滿足最終要求，則嘗試更換零件材料。隨后選取合適的材料牌號，使最終樣品的色坐標，在標準范圍內，最終滿足視覺一致性要求。

3.4 設計優化與建立正交試驗模型

事實上，在項目的實際進行、零件的實際設計中，會有各種影響因子。因此，確定方案之后，首先需要選取合適的條件，考慮所有影響因素，優化現有的方案之后，才能進入試驗驗證的階段。圖4為參數圖，控制因子和噪音因子分別影響整個前儀表板開關系統，用最終效果的外觀評估作為相應的輸出物，如果最終效果沒有改善或者惡化，則試驗失敗。

圖4 參數圖

參數選擇方面，盡量以常見數值，參考主機廠標準，控制因子選取見表2。

表2 控制因子選取

最后，選取同一LED型號的兩種bin號作為噪音因子，假設N1代表偏上限bin號的零件，N2代表偏下限bin號的零件。

評判標準以專家組的滿意度打分為最終數據。試驗中的滿意度以3分為合格，分數越大越好。這里的滿意度打分，我們邀請相關專家，按照5分為完全一致，4分為大部分一致，3分為可以接受，2分為基本不一致，1分為完全不一致的規則，最終取總分。

為了使正交試驗模型的最終結果能夠得到更為有效的驗證，同時滿足零件穩健性的要求，我們需要找到分析產品穩健性的方法或者衡量因素。

設A／B／C為3個控制因子，N1／N2為噪音因子。設β為最佳擬合線的斜率，σ代表輸出相對于最佳斜率的平均方差。真正獲勝的設計，必須滿足以下條件。

1）應該在給定輸入能量的情況下，使輸出最大，并且輸出變化最小。

2）需要的輸出和不需要的輸出之比最大。

3）更高的β以及更小的σ。

4）假設S為信號功率，N為噪音功率，S／N為信號噪音比，獲勝的設計還需要有更高的S／N。

借用在電子設備測試中常用的信噪比計算方法，S／N可以近似于信號與噪聲的方差之比。設β2為信號功率，σe2為噪音功率，可以發現，要想增加S／N的比，需要減少噪音引起的變化或者增加斜率。由以上內容，可總結公式如下：

以上，通過設立控制因子水平，加入試驗過程中的噪音因子，優化了試驗方案。接下來，將采集所有相關試驗數據，填入正交試驗模型，分析試驗數據，驗證最終結果。

3.5 正交數據分析與驗證

根據上文設立的正交試驗模型，分別選取不同的控制因子，排列組合設計試驗方案，試驗零件由供應商按照背光評審專家提供的清單進行制作，由于3個控制水平因子，實際排列組合需要34即81個試驗樣件，需要大量的時間和成本。但是由于有了正交試驗模型，選用其中的L9表格，去除D列后，只需要進行27個零件的樣件試制，得出最終表格見圖5。

圖5 試驗結果

如前文提到，信噪比和β的均值會顯示控制因子在各水平的影響，為了更直觀地找到最合適的方案，將信噪比和β的數據做出點圖 （圖6、圖7），從點圖中可以獲得設計因子如何影響設計變差以及影響的程度。

圖6 β點圖

圖7 S／N點圖

從點圖中可以發現，控制因子A3（材料透光度17.4%）對最終結果影響明顯，因此，選擇A3作為最佳透光度。控制因子B1（白色色母含量4%）和C2（亮度7 nits）對最終效果影響也較為明顯。這說明，在所有選定的控制因子中，A3、B1和C2相對于其他控制因子，對于最終零件穩健性的貢獻最大。

由此，可以選定優化組合為A3／B1／C2，即材料透光度為17.4%，材料中的白色色母含量4%，以及開關亮度為7nits的零件為最佳零件。

由于正交試驗模型的特點，剔除了一部分不會影響最終效果的試驗。而A3／B1／C2的方案并不是之前設定的正交列表中的組合方案，因此，需要對該方案的信噪比和平均值進行預測和確認。在Excel的表格中，填入預測值和確認值，基于實際獲益與預測獲益的可加性，得到最終結果如圖8所示。

圖8 預測和實際獲益

從圖8中可以看出，優化值與預測值小于30%，試驗成功。為了更準確地確認最后的結果，選用相關的材料，我們要求供應商按照A3／B1／C2的方案，重新做了最終樣件。然后依然利用分光光度計設備對新樣件進行取點測試后，得到新的色坐標 （圖9），色坐標的離散程度完全小于之前的標準，更接近CCC件的顏色。同時經過最終專家組的最后確認，該新零件的最終背光效果，完全達到客戶主觀接受的一致性要求。

圖9 新零件色坐標

至此，正交試驗數據分析和驗證全部完成。最終的提升方案是A3／B1／C2，即改進零件的材料透光度選取17.4%，白色色母含量要求4%，亮度標準為7 nits。

本次試驗，在節約了大量樣件成本的同時，也為項目節省了超過半年的時間，并且成功找到了最終的、而且是最優的試驗方案。通過后期數據分析，最終樣件試制，測試了最終零件的顏色坐標，也符合前文提到的優化標準要求。同時最終得到了專家評審小組的一致通過，最終逆向確認了試驗方案的準確性。

4 總結

本文選取某項目的某個零件，通過完整的DFSS流程，從客戶呼聲與定義要求入手，通過普氏分析選擇正確的優化方案，最后建立正交試驗模型以及數據分析，得到了最優化的設計方案，并且最終通過試制樣件的再確認，得到了一個符合客戶要求的儀表板。而在最終方案中，A3／B1／C2的最終選定，可以看出一個結論，即零件背光的最終顏色，往往不能憑借背光工程師的主觀臆斷，當一個零件的背光顏色過于偏亮白時，單單減少白色色母的添加或者單單減少透光率是不夠的，兩者結合，可能會有更好的效果。通過本案例的驗證，可以發現，運用六西格瑪的方法，可以有效地在項目前期，還沒有樣車的情況下，處理此類零件，在滿足成本和時間的條件下，有效提升最終零件的出光效果的一致性。

本文的設計方法和研究過程是系統的和完整的，可以應用到之后的相關零件的設計中，對內飾背光品質的研究具有很大意義。