基于DFSS方法論的全景天窗擋風網優化設計

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生機理，并通過應用六西格瑪設計（DFSS）系統工具，針對全景天窗擋風網的結構提出優化解決方案，降低了擋風網異常折疊而導致的漏水故障率，驗證結果說明解決方案可靠有效，研究結果對全景天窗總成的設計開發具有理論指導作用。

關鍵詞：全景天窗 擋風網 漏水 六西格瑪設計

1 前言

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

某乘用車試驗階段發現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，因此對漏水問題進行分析并提出相應的解決方案非常必要。本文基于六西格瑪方法論，優化了全景天窗擋風網的結構設計，對全景天窗總成的設計開發具有理論指導作用，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、傳動系統、框架系統和排水系統四大機構組成。

密封系統主要由玻璃、玻璃包邊及其密封條組成，傳動系統主要由控制單元、電機、拉索、連桿機械組、玻璃支架等組成，框架系統主要由兩側導軌及前后注塑件組成，排水系統主要由導水槽、排水口和排水管組成。其他為全景天窗總成其他功能附件，實現降噪、遮丑、遮陽等功能。

3 天窗漏水產生機理

由于天窗系統難以實現對水的完全隔絕，會有部分水量從密封系統進入車內，所以天窗設計自帶排水機構，當少量水流進入車內后通過排水機構排出除外，實現防水隔水的功能要求. 常見漏水問題主要由密封系統、排水系統引起，根據密封及排水原理進行分析，結合臺架試驗、路試試驗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：

3.1 外在原因導致密封失效

天窗密封面被樹枝、玩具等異物進入，導致密封系統無法有效密封，引起進水量過大，超出排水機構的承載能力而出現漏水。

3.2 外在原因導致排水失效

天窗排水口被樹葉、紙巾等異物堵住，導致排水系統無法有效排水，引起水量過多儲存，超出天窗的承載能力而出現漏水。

3.3 設計不合理導致的密封失效

天窗密封面要對總水量實現97%以上的密封，因此密封面的過盈量，密封接角的變過盈設計，車身密封面的公差要求等都比較關鍵，會直接導致密封系統無法有效密封，引起進水量過大，超出排水機構的承載能力而出現漏水。

3.4 設計不合理導致的排水失效

天窗排水系統要實現極限工況進水量下的10倍排水能力，因此排水口的角度布置，大小設計，排水口和排水管的匹配設計，排水管的平順度布置等都比較關鍵，會直接導致排水系統無法失效設計排水能力，引起排水不暢水量過多，超出天窗的承載能力而出現漏水。

3.5 設計不合理導致排水路徑和設計路徑偏離

天窗密封系統和排水系統在物理空間上存在一定距離，水流通過密封系統后由重力自由落體進入排水系統，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出現導水進入車內都比較關鍵，會導致水流進入設計路徑以外的區域導致漏水。

3.6 其他零件質量原因

天窗零部件本身存在質量問題，可能導致出現密封系統、排水系統等環節失效，引起異常漏水，一般導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，質量一致性較差是導致漏水的高發區；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計要求等也是導致漏水的主要原因。

以上原因中2.1和2.2一般不具備發生共性，大部分表現為個例等少量投訴，出現批量問題重點考慮2.3-2.6，而其中又以2.5最為典型，大部分導致漏水案例均為這部分導致。

4 基于DFSS方法論的全景天窗擋風網設計優化

4.1 識別客戶之聲

某車型總裝車間及路試車均反饋全景天窗漏水問題，經現場初步確認，該項目全景天窗從前燈處漏水故障率57%，車內觀察到前頂燈處漏水，頂燈處附近頂棚濕痕但無水滴，經過實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，沒有發現其他位置的滴水進水情況。

該問題影響了整車生產效率，增加了整車維修成本及零件報廢成本，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，以六西格瑪方法論為基礎，最大程度提高設計效率，縮短試驗周期及費用，達到降本增效的目的。

4.2 識別客戶需求

QFD體現了以市場為導向，以客戶需求為產品開發唯一依據的指導思想，將客戶需求進行多層次的演繹分析，轉化為產品的設計要求、零部件特性、工藝要求、產品要求來指導產品的設計。

首先進行內部客戶及外部客戶的調研，識別客戶需求，再通過質量屋確定關鍵技術指標，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達到開發目標，淋雨性能是目前結構需要優化的。

4.3 原因分析

由于5臺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，經對2臺故障車進行淋雨測試，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正常。

針對2.4可能存在的排水失效，經對2臺故障車進行灌水測試，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，一是使用內窺鏡直接觀察，發現排水路徑的差異點，二是做完淋雨試驗后通過濕痕檢查，如圖2所示，正常水流會沿著排水系統的濕區排出車外，如果發現干區出現水痕，那水痕附近就是主要的異常點。本次分析我們采用第二種方案，實車分析發現圖3所示的干區出現水痕，并且擋風網上也出現水痕。

擋風網，顧名思義有著擋風降噪的作用，避免風流大量灌入車內，產生噪音影響駕乘體驗。擋風網下側設置有彈簧，全景天窗打開狀態下，擋風網升起彈出，全景天窗關閉時，擋風網收縮下壓，在正常工況下，利用X向距離差和角度，擋風網在上彈和下壓的運動過程中，繞著擋風網底座旋轉，可以正常折疊落在干區內。

分析發現試驗車擋風網沒有正常折疊，存在異常被夾帶入濕區，導致水流下滴過程中碰到擋風網，沿著擋風網進入干區而出現漏水。擋風網布為軟質網布，有可能被夾在運動玻璃與天窗密封條之間，也會導致漏水量增加。

通過進一步分析，試驗車擋風網在無風狀態下，沒有發現網布被夾的現象。因此初步鎖定出現該問題和路試車的工況有關，經過模擬路試車的工況進行分析，發現擋風網只有在戶外風速3級以上狀態下，風由車后往前，天窗關閉過程中，網布無法完全收縮在干區，擋風網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?？p隙，且網布有明顯折痕。進行數據模擬分析，在擋風網布極限拉伸情況下，也可以復現折痕發生在移動玻璃關閉時與天窗密封條的干涉點。

通過以上論證可以得出，該全景天窗結構未考慮外界因素對擋風網布的影響，玻璃關閉時擋風網布收縮的狀態不滿足設計要求，是導致車輛漏水的關鍵原因。

針對2.6可能存在的失效，經對3臺故障車進行儲雨測試，堵住天窗排水口使水里存貯在天窗排水系統，經實驗沒有發現漏水現象，因此判斷天窗本身沒有零部件質量問題導致漏水。

4.4 因果分析

隨機抽取試驗樣車5臺，靜態工況下使用都沒有漏水問題，動態在也沒有驗證出問題，但通過人為地從車后往車前風吹擋風網，5臺車均出現漏水故障，出現漏水故障后重新給故障車更換新擋風網，5臺車漏水故障消除；因此確認問題直接原因為擋風網異常折疊后，導致水流下滴過程中碰到擋風網，沿著擋風網進入干區而出現漏水到頂燈處。圖4為因果分析結果。

4.5 產生概念設計

經過因果鏈分析，天窗從前頂燈處漏水問題的影響因子共7個，強關聯項有天窗前座駕、擋風網結構、擋風網布。最終得出以下概念設計方案：1）優化前座駕干區密封能力；2）優化擋風網正常折疊能力；3）設計自動卷收的擋風網；4）優化擋風網底座旋轉點，增加極限包絡的安全間隙；5）降低擋風網高度；6）優化前座駕X向容差；7）減小擋風網變形。

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

5 優化結構設計

5.1 優化參數設計

針對擋風網結構概念設計方案，采用因子設計進行參數設計，根據擋風網結構，優化前座駕干區密封能力可以快速改善，將天窗前座架干區上的孔堵上，導軌與前座架搭接處增加密封膠密封。

識別出的關鍵因子有3個，分別是擋風網增加高度、擋風網增加角度、擋風網布優化方式。選用3因子2水平設計試驗，為研究組間差異，將擋風網彈簧力作為區組化。根據表1進行試驗，在擋風網下壓過程中同時受負X方向的力時擋風網的變形量，并將試驗結果填入相應的單元格中。

根據Minitab的計算結果，對于擋風網的變形量，因子X1、X2、X3均是顯著的，圖5為響應優化結果，當擋風網增加高度為5.5mm，擋風網增加角度為7度，擋風網優化方式為增加內折痕時，理論上擋風網的變形量為29mm，滿足設計要求小于30mm。

5.2 關鍵參數確認

根據因子設計分析結果，本車型全景天窗設計優化最優方案如下：將天窗前座駕干濕壁加高，擋風網增加5.5mm高度，增加角度為7度，更改天窗擋風網縫紉方式，網布增加預變形的內折痕使得擋風網布收縮時完全落在干區（如圖6所示）。

按照最優方案進行多次試驗驗證，結果顯示擋風網變形量均值為28.5mm。實車驗證在戶外風速7級以下風速干擾下，新狀態的天窗擋風網在玻璃關閉時不會被夾住。進行天窗耐久試驗及天窗振動異響試驗后，天窗操作過程平穩無異響，檢查擋風網與玻璃距離，均滿足設計要求。

措施斷點后總裝車間沒有再發現擋風網漏水問題，降低了整車維修成本及零件報廢成本，全景天窗漏水問題故障率降低至0。

6 結束語

在全景天窗擋風網設計時，需要對擋風網運動過程進行模擬分析，充分考慮極限工況下的安全間隙及排水路徑設計，在造車階段需要檢查擋風網布是否會受到外圍環境因素的影響導致失效，規避漏水問題的發生。

本文確認了天窗擋風網結構的關鍵影響因子，系統化地解決天窗漏水問題，對全景天窗總成的設計開發有理論指導意義。