基于六西格瑪設計的汽車前照燈霧氣優化設計

沈金燕

（上海汽車集團股份有限公司技術中心）

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質量問題的主要原因是進水和起霧。燈內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計（Design For Six Sigma，DFSS）理論來優化前照燈防霧氣設計的方法，經過驗證，達到預期效果。

1 車燈起霧概述

1.1 霧氣產生機理

當水蒸汽與低于其飽和溫度的表面接觸時，根據材料表面性質的不同，有2種不同的凝結形式。如果凝結液體能很好地濕潤壁面，它就在壁面上鋪展成膜，這種凝結形式稱為膜狀凝結；而當凝結液體不能很好地濕潤壁面時，凝結液體會在壁面上形成一個個小液珠，這種凝結形式稱為珠狀凝結。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，在其表面發生的凝結是珠狀凝結，也就是說，霧氣現象是水蒸汽在前照燈配光鏡上的珠狀凝結，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），當燈內壓力與外界不一致時，會產生空氣的交流，當燈體內溫度高于外界，且外界濕度較大時，待燈具冷卻后，在燈具內部會有冷凝水存在，該現象屬于正常的物理現象。

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空氣膨脹而產生的壓力，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。在反射式大燈上，配光鏡表面因有光線經過而被加熱，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域，如位置燈或轉向燈區域、造型的邊角位置等[1]。為追求更好的照明效果，現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域被加熱，霧氣也就易于聚集在燈光區外側的鏡面上。

1.2 車燈起霧的基本條件

根據霧氣產生的機理，結合車燈的結構，可以推斷出車燈起霧需要具備3個條件。

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

2）燈體內部存在凝結核心。由于車燈內空氣與外界環境交換會導致空氣中塵埃進入燈體內，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核心。

3）較大的溫差。a.結構設計導致：為滿足美觀及功能要求，車燈結構上存在對流和輻射死角，配光鏡各個部位溫度差異較大，當某些區域的溫度低于車燈內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域時會起霧；燈內溫度隨著點燈升高時，外界環境溫度驟降，導致配光鏡表面溫度急劇下降，從而在內部起霧；車燈熄滅后，表面溫度和車內溫度存在較大溫差時也會起霧。

以上這些起霧條件是現實存在的，所以車燈起霧經常會發生。

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，目前還沒有相應的國標對應。通常各個汽車廠商設定有相應的企業標準，調查顯示，普遍能接受的標準是霧氣在60 min內消散。

2 基于六西格瑪設計（DFSS）的前照燈霧氣優化設計

DFSS是用于工程設計開發領域的系統性工具及方法論[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專案是否適合進行；在D（Design，設計）階段，主要通過 IFR（最終理想解）、5 Why、TRIZ（創新問題解決理論）工具，從不同的角度產生并篩選出概念設計方案；在O（Optimize，優化）階段，主要通過DOE（試驗設計）工具，利用2K因子、RSM、田口設計等方法，找出設計參數的最佳設定值；在V（Validation，驗證）階段，主要從可靠度的角度入手，驗證設計是否可行。

文章結合一款車型的前照燈，運用DFSS工具對霧氣問題進行優化設計。

2.1 識別客戶需求與設計弱點

在DFSS的I階段，首先通過對內外部客戶的調研，了解客戶對前照燈的要求，通過QFD工具轉化為明確的工程參數，通過計算權重找到CTQ（關鍵質量特性），并從市場上競爭車型的對標中找出設計改善的重點。表1示出新車前照燈的客戶調研及測試結果對比。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化的空間。

表1 新車前照燈的客戶調研及測試結果對比

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個關鍵質量特性。但是造型滿意度和燈光亮度已經是賣點，而成本又和設計硬點沖突，故該DFSS項目把霧氣消散時間作為設計改進的重點。

圖1 汽車前照燈優化質量屋1

2.2 產生概念設計

圖2示出汽車前照燈優化質量屋2。從圖2中屋頂處可以找到2組負相關項，按照TRIZ理論，這2組矛盾正是進行設計優化的突破口。根據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、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 汽車前照燈優化質量屋2

通過頭腦風暴發現，可以從變化物理或化學狀態、曲率這2個原則的思路出發，得到設計概念。利用變化物理或化學狀態原理，改變配光鏡分子結構，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，調整通氣孔形式、位置及數量，改變光源等方案。最終通過Pugh方法來確定概念設計方案：1）更改通氣孔形式：選用通氣量大的通氣結構（比如橡膠管、白蓋子）以便于流通；2）更改通氣孔位置和數量：在可能起霧區域預留多個通氣結構，按試驗確認最終位置及數量。圖3示出汽車前照燈霧氣優化概念設計方案。

圖3 汽車前照燈霧氣優化概念設計方案

2.3 優化參數設計與公差設計

針對調整通氣孔的概念設計方案，采用因子設計進行優化設計。由于試驗資源有限，選用7因子2水平設計試驗，如表2所示，共需進行12次試驗。根據表2中的各種工況進行試驗，并將試驗結果填入相應的單元格中。

表2 汽車前照燈通氣孔方案的因子設計表

由于霧氣消散時間是越短越好，故該項目的質量特性是望小特性。根據Minitab的計算結果，對于霧氣消散時間而言，A，B，C，D，F 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的優化設置及優化結果。根據圖4和圖5得出最優解：A=1，B=2，C=2，D=1，F=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，滿足設計要求（30 min內）。

圖4 汽車前照燈霧氣消散響應優化設置顯示界面

圖5 汽車前照燈霧氣消散響應優化結果顯示界面

2.4 設計驗證與可靠性驗證

通過因子設計分析結果可知，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，在按照最佳設計參數組合（A1B2C2D1F1）的基礎上，閉合E和G，再次進行霧氣試驗。試驗結果顯示，最終的霧氣消散時間為20 min，雖然比最佳設計參數組合的結果多了2 min，但仍然大幅度提升了此項性能。

3 結論

由于車燈內溫度場、流動場、水蒸汽的濕度分布和車燈材料表面性質等都是影響結霧的主要因素，目前為止還沒有有效的手段來模擬霧氣現象，而通常采取的方案不外乎增加防霧涂層、干燥劑或調整通氣孔布置。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，對經濟效益不利。通過使用DFSS中的各種工具，有助于從各種技術及物理矛盾創造性地發現問題和尋找解決方案，科學系統化地設計試驗，有效減少試驗次數，從而縮短試驗周期及減少費用，達到降本增效的目的。