基于DFSS方法論的全景天窗擋風(fēng)網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

成淑儀

摘 要：某乘用車全景天窗總成漏水問題影響車間檢測線合格率，返修成本高，極大影響了客戶的滿意度，本文章通過研究全景天窗從前頂燈處漏水的產(chǎn)生機(jī)理，并通過應(yīng)用六西格瑪設(shè)計(jì)（DFSS）系統(tǒng)工具，針對全景天窗擋風(fēng)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)提出優(yōu)化解決方案，降低了擋風(fēng)網(wǎng)異常折疊而導(dǎo)致的漏水故障率，驗(yàn)證結(jié)果說明解決方案可靠有效，研究結(jié)果對全景天窗總成的設(shè)計(jì)開發(fā)具有理論指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：全景天窗 擋風(fēng)網(wǎng) 漏水 六西格瑪設(shè)計(jì)

1 前言

全景天窗是汽車重要的功能零件，其具有通風(fēng)換氣、開闊視野、采光等重要功能，隨著人們對汽車品質(zhì)要求的提高，天窗幾乎成為了標(biāo)配，而全景天窗漏水是市場上故障率比較高的問題之一。

某乘用車試驗(yàn)階段發(fā)現(xiàn)全景天窗從前頂燈處漏水問題，影響車間檢測線合格率，增加了返修成本，造成客戶抱怨，因此對漏水問題進(jìn)行分析并提出相應(yīng)的解決方案非常必要。本文基于六西格瑪方法論，優(yōu)化了全景天窗擋風(fēng)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對全景天窗總成的設(shè)計(jì)開發(fā)具有理論指導(dǎo)作用，提高了客戶滿意度。

2 全景天窗總成的組成

全景天窗主要由密封系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、框架系統(tǒng)和排水系統(tǒng)四大機(jī)構(gòu)組成。

密封系統(tǒng)主要由玻璃、玻璃包邊及其密封條組成，傳動(dòng)系統(tǒng)主要由控制單元、電機(jī)、拉索、連桿機(jī)械組、玻璃支架等組成，框架系統(tǒng)主要由兩側(cè)導(dǎo)軌及前后注塑件組成，排水系統(tǒng)主要由導(dǎo)水槽、排水口和排水管組成。其他為全景天窗總成其他功能附件，實(shí)現(xiàn)降噪、遮丑、遮陽等功能。

3 天窗漏水產(chǎn)生機(jī)理

由于天窗系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)對水的完全隔絕，會(huì)有部分水量從密封系統(tǒng)進(jìn)入車內(nèi)，所以天窗設(shè)計(jì)自帶排水機(jī)構(gòu)，當(dāng)少量水流進(jìn)入車內(nèi)后通過排水機(jī)構(gòu)排出除外，實(shí)現(xiàn)防水隔水的功能要求. 常見漏水問題主要由密封系統(tǒng)、排水系統(tǒng)引起，根據(jù)密封及排水原理進(jìn)行分析，結(jié)合臺(tái)架試驗(yàn)、路試試驗(yàn)以及售后的歷史故障反饋，一般天窗漏水潛在原因主要有以下幾點(diǎn)：

3.1 外在原因?qū)е旅芊馐?/p>

天窗密封面被樹枝、玩具等異物進(jìn)入，導(dǎo)致密封系統(tǒng)無法有效密封，引起進(jìn)水量過大，超出排水機(jī)構(gòu)的承載能力而出現(xiàn)漏水。

3.2 外在原因?qū)е屡潘?/p>

天窗排水口被樹葉、紙巾等異物堵住，導(dǎo)致排水系統(tǒng)無法有效排水，引起水量過多儲(chǔ)存，超出天窗的承載能力而出現(xiàn)漏水。

3.3 設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的密封失效

天窗密封面要對總水量實(shí)現(xiàn)97%以上的密封，因此密封面的過盈量，密封接角的變過盈設(shè)計(jì)，車身密封面的公差要求等都比較關(guān)鍵，會(huì)直接導(dǎo)致密封系統(tǒng)無法有效密封，引起進(jìn)水量過大，超出排水機(jī)構(gòu)的承載能力而出現(xiàn)漏水。

3.4 設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的排水失效

天窗排水系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)極限工況進(jìn)水量下的10倍排水能力，因此排水口的角度布置，大小設(shè)計(jì)，排水口和排水管的匹配設(shè)計(jì)，排水管的平順度布置等都比較關(guān)鍵，會(huì)直接導(dǎo)致排水系統(tǒng)無法失效設(shè)計(jì)排水能力，引起排水不暢水量過多，超出天窗的承載能力而出現(xiàn)漏水。

3.5 設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致排水路徑和設(shè)計(jì)路徑偏離

天窗密封系統(tǒng)和排水系統(tǒng)在物理空間上存在一定距離，水流通過密封系統(tǒng)后由重力自由落體進(jìn)入排水系統(tǒng)，因此各種工況下水流自由落體的路徑模擬，以及路徑上的零件是否會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)水進(jìn)入車內(nèi)都比較關(guān)鍵，會(huì)導(dǎo)致水流進(jìn)入設(shè)計(jì)路徑以外的區(qū)域?qū)е侣┧?/p>

3.6 其他零件質(zhì)量原因

天窗零部件本身存在質(zhì)量問題，可能導(dǎo)致出現(xiàn)密封系統(tǒng)、排水系統(tǒng)等環(huán)節(jié)失效，引起異常漏水，一般導(dǎo)軌與前后座駕卡接處需要密封膠密封，而此處密封膠大多通過人工完成，質(zhì)量一致性較差是導(dǎo)致漏水的高發(fā)區(qū)；另外由于天窗密封條與頂蓋裝配不良或者粘接不良，天窗位置與車身頂蓋位置間隙段差大，天窗密封條與玻璃包邊的干涉量不符合設(shè)計(jì)要求等也是導(dǎo)致漏水的主要原因。

以上原因中2.1和2.2一般不具備發(fā)生共性，大部分表現(xiàn)為個(gè)例等少量投訴，出現(xiàn)批量問題重點(diǎn)考慮2.3-2.6，而其中又以2.5最為典型，大部分導(dǎo)致漏水案例均為這部分導(dǎo)致。

4 基于DFSS方法論的全景天窗擋風(fēng)網(wǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

4.1 識(shí)別客戶之聲

某車型總裝車間及路試車均反饋全景天窗漏水問題，經(jīng)現(xiàn)場初步確認(rèn)，該項(xiàng)目全景天窗從前燈處漏水故障率57%，車內(nèi)觀察到前頂燈處漏水，頂燈處附近頂棚濕痕但無水滴，經(jīng)過實(shí)車淋雨分析頂燈處滴水量較少，在極限工況下約27秒滴一滴水，沒有發(fā)現(xiàn)其他位置的滴水進(jìn)水情況。

該問題影響了整車生產(chǎn)效率，增加了整車維修成本及零件報(bào)廢成本，造成客戶抱怨，需要將全景天窗漏水問題故障率降低至0。同時(shí)，以六西格瑪方法論為基礎(chǔ)，最大程度提高設(shè)計(jì)效率，縮短試驗(yàn)周期及費(fèi)用，達(dá)到降本增效的目的。

4.2 識(shí)別客戶需求

QFD體現(xiàn)了以市場為導(dǎo)向，以客戶需求為產(chǎn)品開發(fā)唯一依據(jù)的指導(dǎo)思想，將客戶需求進(jìn)行多層次的演繹分析，轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求、零部件特性、工藝要求、產(chǎn)品要求來指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。

首先進(jìn)行內(nèi)部客戶及外部客戶的調(diào)研，識(shí)別客戶需求，再通過質(zhì)量屋確定關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，如圖2所示，隔熱性、成本、玻璃性能和淋雨要求位列前四。其中隔熱性和玻璃性能的競爭性已經(jīng)達(dá)到開發(fā)目標(biāo)，淋雨性能是目前結(jié)構(gòu)需要優(yōu)化的。

4.3 原因分析

由于5臺(tái)路試車均存在漏水問題，屬于批量問題，因此排除2.1和2.2類別的外部原因。

針對2.3可能存在的密封失效，經(jīng)對2臺(tái)故障車進(jìn)行淋雨測試，天窗排水量小于總雨量的3%（包含頂燈處的漏水水量），因此判斷天窗密封系統(tǒng)正常。

針對2.4可能存在的排水失效，經(jīng)對2臺(tái)故障車進(jìn)行灌水測試，將一定水量直接倒入天窗排水槽，故障車可以快速地將水量排到車外，因此判斷天窗排水系統(tǒng)正常。

針對2.5可能存在排水路徑偏離，目前比較有效的排查辦法有兩個(gè)，一是使用內(nèi)窺鏡直接觀察，發(fā)現(xiàn)排水路徑的差異點(diǎn)，二是做完淋雨試驗(yàn)后通過濕痕檢查，如圖2所示，正常水流會(huì)沿著排水系統(tǒng)的濕區(qū)排出車外，如果發(fā)現(xiàn)干區(qū)出現(xiàn)水痕，那水痕附近就是主要的異常點(diǎn)。本次分析我們采用第二種方案，實(shí)車分析發(fā)現(xiàn)圖3所示的干區(qū)出現(xiàn)水痕，并且擋風(fēng)網(wǎng)上也出現(xiàn)水痕。

擋風(fēng)網(wǎng)，顧名思義有著擋風(fēng)降噪的作用，避免風(fēng)流大量灌入車內(nèi)，產(chǎn)生噪音影響駕乘體驗(yàn)。擋風(fēng)網(wǎng)下側(cè)設(shè)置有彈簧，全景天窗打開狀態(tài)下，擋風(fēng)網(wǎng)升起彈出，全景天窗關(guān)閉時(shí)，擋風(fēng)網(wǎng)收縮下壓，在正常工況下，利用X向距離差和角度，擋風(fēng)網(wǎng)在上彈和下壓的運(yùn)動(dòng)過程中，繞著擋風(fēng)網(wǎng)底座旋轉(zhuǎn)，可以正常折疊落在干區(qū)內(nèi)。

分析發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)車擋風(fēng)網(wǎng)沒有正常折疊，存在異常被夾帶入濕區(qū)，導(dǎo)致水流下滴過程中碰到擋風(fēng)網(wǎng)，沿著擋風(fēng)網(wǎng)進(jìn)入干區(qū)而出現(xiàn)漏水。擋風(fēng)網(wǎng)布為軟質(zhì)網(wǎng)布，有可能被夾在運(yùn)動(dòng)玻璃與天窗密封條之間，也會(huì)導(dǎo)致漏水量增加。

通過進(jìn)一步分析，試驗(yàn)車擋風(fēng)網(wǎng)在無風(fēng)狀態(tài)下，沒有發(fā)現(xiàn)網(wǎng)布被夾的現(xiàn)象。因此初步鎖定出現(xiàn)該問題和路試車的工況有關(guān)，經(jīng)過模擬路試車的工況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)擋風(fēng)網(wǎng)只有在戶外風(fēng)速3級(jí)以上狀態(tài)下，風(fēng)由車后往前，天窗關(guān)閉過程中，網(wǎng)布無法完全收縮在干區(qū)，擋風(fēng)網(wǎng)布被夾在玻璃和天窗密封條之間，造成玻璃和天窗密封條之間有異常縫隙，且網(wǎng)布有明顯折痕。進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬分析，在擋風(fēng)網(wǎng)布極限拉伸情況下，也可以復(fù)現(xiàn)折痕發(fā)生在移動(dòng)玻璃關(guān)閉時(shí)與天窗密封條的干涉點(diǎn)。

通過以上論證可以得出，該全景天窗結(jié)構(gòu)未考慮外界因素對擋風(fēng)網(wǎng)布的影響，玻璃關(guān)閉時(shí)擋風(fēng)網(wǎng)布收縮的狀態(tài)不滿足設(shè)計(jì)要求，是導(dǎo)致車輛漏水的關(guān)鍵原因。

針對2.6可能存在的失效，經(jīng)對3臺(tái)故障車進(jìn)行儲(chǔ)雨測試，堵住天窗排水口使水里存貯在天窗排水系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)沒有發(fā)現(xiàn)漏水現(xiàn)象，因此判斷天窗本身沒有零部件質(zhì)量問題導(dǎo)致漏水。

4.4 因果分析

隨機(jī)抽取試驗(yàn)樣車5臺(tái)，靜態(tài)工況下使用都沒有漏水問題，動(dòng)態(tài)在也沒有驗(yàn)證出問題，但通過人為地從車后往車前風(fēng)吹擋風(fēng)網(wǎng)，5臺(tái)車均出現(xiàn)漏水故障，出現(xiàn)漏水故障后重新給故障車更換新?lián)躏L(fēng)網(wǎng)，5臺(tái)車漏水故障消除；因此確認(rèn)問題直接原因?yàn)閾躏L(fēng)網(wǎng)異常折疊后，導(dǎo)致水流下滴過程中碰到擋風(fēng)網(wǎng)，沿著擋風(fēng)網(wǎng)進(jìn)入干區(qū)而出現(xiàn)漏水到頂燈處。圖4為因果分析結(jié)果。

4.5 產(chǎn)生概念設(shè)計(jì)

經(jīng)過因果鏈分析，天窗從前頂燈處漏水問題的影響因子共7個(gè)，強(qiáng)關(guān)聯(lián)項(xiàng)有天窗前座駕、擋風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)、擋風(fēng)網(wǎng)布。最終得出以下概念設(shè)計(jì)方案：1）優(yōu)化前座駕干區(qū)密封能力；2）優(yōu)化擋風(fēng)網(wǎng)正常折疊能力；3）設(shè)計(jì)自動(dòng)卷收的擋風(fēng)網(wǎng)；4）優(yōu)化擋風(fēng)網(wǎng)底座旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，增加極限包絡(luò)的安全間隙；5）降低擋風(fēng)網(wǎng)高度；6）優(yōu)化前座駕X向容差；7）減小擋風(fēng)網(wǎng)變形。

其中方案5及方案7受造型及材料限制無法實(shí)施，方案3及方案6受成本及周期限制不建議采用，通過普氏矩陣進(jìn)行最優(yōu)方案確認(rèn)，方案4、方案2及方案1為最終選擇方案。

5 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1 優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)

針對擋風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)方案，采用因子設(shè)計(jì)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，根據(jù)擋風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化前座駕干區(qū)密封能力可以快速改善，將天窗前座架干區(qū)上的孔堵上，導(dǎo)軌與前座架搭接處增加密封膠密封。

識(shí)別出的關(guān)鍵因子有3個(gè)，分別是擋風(fēng)網(wǎng)增加高度、擋風(fēng)網(wǎng)增加角度、擋風(fēng)網(wǎng)布優(yōu)化方式。選用3因子2水平設(shè)計(jì)試驗(yàn)，為研究組間差異，將擋風(fēng)網(wǎng)彈簧力作為區(qū)組化。根據(jù)表1進(jìn)行試驗(yàn)，在擋風(fēng)網(wǎng)下壓過程中同時(shí)受負(fù)X方向的力時(shí)擋風(fēng)網(wǎng)的變形量，并將試驗(yàn)結(jié)果填入相應(yīng)的單元格中。

根據(jù)Minitab的計(jì)算結(jié)果，對于擋風(fēng)網(wǎng)的變形量，因子X1、X2、X3均是顯著的，圖5為響應(yīng)優(yōu)化結(jié)果，當(dāng)擋風(fēng)網(wǎng)增加高度為5.5mm，擋風(fēng)網(wǎng)增加角度為7度，擋風(fēng)網(wǎng)優(yōu)化方式為增加內(nèi)折痕時(shí)，理論上擋風(fēng)網(wǎng)的變形量為29mm，滿足設(shè)計(jì)要求小于30mm。

5.2 關(guān)鍵參數(shù)確認(rèn)

根據(jù)因子設(shè)計(jì)分析結(jié)果，本車型全景天窗設(shè)計(jì)優(yōu)化最優(yōu)方案如下：將天窗前座駕干濕壁加高，擋風(fēng)網(wǎng)增加5.5mm高度，增加角度為7度，更改天窗擋風(fēng)網(wǎng)縫紉方式，網(wǎng)布增加預(yù)變形的內(nèi)折痕使得擋風(fēng)網(wǎng)布收縮時(shí)完全落在干區(qū)（如圖6所示）。

按照最優(yōu)方案進(jìn)行多次試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果顯示擋風(fēng)網(wǎng)變形量均值為28.5mm。實(shí)車驗(yàn)證在戶外風(fēng)速7級(jí)以下風(fēng)速干擾下，新狀態(tài)的天窗擋風(fēng)網(wǎng)在玻璃關(guān)閉時(shí)不會(huì)被夾住。進(jìn)行天窗耐久試驗(yàn)及天窗振動(dòng)異響試驗(yàn)后，天窗操作過程平穩(wěn)無異響，檢查擋風(fēng)網(wǎng)與玻璃距離，均滿足設(shè)計(jì)要求。

措施斷點(diǎn)后總裝車間沒有再發(fā)現(xiàn)擋風(fēng)網(wǎng)漏水問題，降低了整車維修成本及零件報(bào)廢成本，全景天窗漏水問題故障率降低至0。

6 結(jié)束語

在全景天窗擋風(fēng)網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要對擋風(fēng)網(wǎng)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行模擬分析，充分考慮極限工況下的安全間隙及排水路徑設(shè)計(jì)，在造車階段需要檢查擋風(fēng)網(wǎng)布是否會(huì)受到外圍環(huán)境因素的影響導(dǎo)致失效，規(guī)避漏水問題的發(fā)生。

本文確認(rèn)了天窗擋風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵影響因子，系統(tǒng)化地解決天窗漏水問題，對全景天窗總成的設(shè)計(jì)開發(fā)有理論指導(dǎo)意義。