基于DFSS方法论的全景天窗挡风网优化设计

成淑仪

摘 要：某乘用车全景天窗总成漏水问题影响车间检测线合格率，返修成本高，极大影响了客户的满意度，本文章通过研究全景天窗从前顶灯处漏水的产生机理，并通过应用六西格玛设计（DFSS）系统工具，针对全景天窗挡风网的结构提出优化解决方案，降低了挡风网异常折叠而导致的漏水故障率，验证结果说明解决方案可靠有效，研究结果对全景天窗总成的设计开发具有理论指导作用。

关键词：全景天窗 挡风网 漏水 六西格玛设计

1 前言

全景天窗是汽车重要的功能零件，其具有通风换气、开阔视野、采光等重要功能，随着人们对汽车品质要求的提高，天窗几乎成为了标配，而全景天窗漏水是市场上故障率比较高的问题之一。

某乘用车试验阶段发现全景天窗从前顶灯处漏水问题，影响车间检测线合格率，增加了返修成本，造成客户抱怨，因此对漏水问题进行分析并提出相应的解决方案非常必要。本文基于六西格玛方法论，优化了全景天窗挡风网的结构设计，对全景天窗总成的设计开发具有理论指导作用，提高了客户满意度。

2 全景天窗总成的组成

全景天窗主要由密封系统、传动系统、框架系统和排水系统四大机构组成。

密封系统主要由玻璃、玻璃包边及其密封条组成，传动系统主要由控制单元、电机、拉索、连杆机械组、玻璃支架等组成，框架系统主要由两侧导轨及前后注塑件组成，排水系统主要由导水槽、排水口和排水管组成。其他为全景天窗总成其他功能附件，实现降噪、遮丑、遮阳等功能。

3 天窗漏水产生机理

由于天窗系统难以实现对水的完全隔绝，会有部分水量从密封系统进入车内，所以天窗设计自带排水机构，当少量水流进入车内后通过排水机构排出除外，实现防水隔水的功能要求. 常见漏水问题主要由密封系统、排水系统引起，根据密封及排水原理进行分析，结合台架试验、路试试验以及售后的历史故障反馈，一般天窗漏水潜在原因主要有以下几点：

3.1 外在原因导致密封失效

天窗密封面被树枝、玩具等异物进入，导致密封系统无法有效密封，引起进水量过大，超出排水机构的承载能力而出现漏水。

3.2 外在原因导致排水失效

天窗排水口被树叶、纸巾等异物堵住，导致排水系统无法有效排水，引起水量过多储存，超出天窗的承载能力而出现漏水。

3.3 设计不合理导致的密封失效

天窗密封面要对总水量实现97%以上的密封，因此密封面的过盈量，密封接角的变过盈设计，车身密封面的公差要求等都比较关键，会直接导致密封系统无法有效密封，引起进水量过大，超出排水机构的承载能力而出现漏水。

3.4 设计不合理导致的排水失效

天窗排水系统要实现极限工况进水量下的10倍排水能力，因此排水口的角度布置，大小设计，排水口和排水管的匹配设计，排水管的平顺度布置等都比较关键，会直接导致排水系统无法失效设计排水能力，引起排水不畅水量过多，超出天窗的承载能力而出现漏水。

3.5 设计不合理导致排水路径和设计路径偏离

天窗密封系统和排水系统在物理空间上存在一定距离，水流通过密封系统后由重力自由落体进入排水系统，因此各种工况下水流自由落体的路径模拟，以及路径上的零件是否会出现导水进入车内都比较关键，会导致水流进入设计路径以外的区域导致漏水。

3.6 其他零件质量原因

天窗零部件本身存在质量问题，可能导致出现密封系统、排水系统等环节失效，引起异常漏水，一般导轨与前后座驾卡接处需要密封胶密封，而此处密封胶大多通过人工完成，质量一致性较差是导致漏水的高发区；另外由于天窗密封条与顶盖装配不良或者粘接不良，天窗位置与车身顶盖位置间隙段差大，天窗密封条与玻璃包边的干涉量不符合设计要求等也是导致漏水的主要原因。

以上原因中2.1和2.2一般不具备发生共性，大部分表现为个例等少量投诉，出现批量问题重点考虑2.3-2.6，而其中又以2.5最为典型，大部分导致漏水案例均为这部分导致。

4 基于DFSS方法论的全景天窗挡风网设计优化

4.1 识别客户之声

某车型总装车间及路试车均反馈全景天窗漏水问题，经现场初步确认，该项目全景天窗从前灯处漏水故障率57%，车内观察到前顶灯处漏水，顶灯处附近顶棚湿痕但无水滴，经过实车淋雨分析顶灯处滴水量较少，在极限工况下约27秒滴一滴水，没有发现其他位置的滴水进水情况。

该问题影响了整车生产效率，增加了整车维修成本及零件报废成本，造成客户抱怨，需要将全景天窗漏水问题故障率降低至0。同时，以六西格玛方法论为基础，最大程度提高设计效率，缩短试验周期及费用，达到降本增效的目的。

4.2 识别客户需求

QFD体现了以市场为导向，以客户需求为产品开发唯一依据的指导思想，将客户需求进行多层次的演绎分析，转化为产品的设计要求、零部件特性、工艺要求、产品要求来指导产品的设计。

首先进行内部客户及外部客户的调研，识别客户需求，再通过质量屋确定关键技术指标，如图2所示，隔热性、成本、玻璃性能和淋雨要求位列前四。其中隔热性和玻璃性能的竞争性已经达到开发目标，淋雨性能是目前结构需要优化的。

4.3 原因分析

由于5台路试车均存在漏水问题，属于批量问题，因此排除2.1和2.2类别的外部原因。

针对2.3可能存在的密封失效，经对2台故障车进行淋雨测试，天窗排水量小于总雨量的3%（包含顶灯处的漏水水量），因此判断天窗密封系统正常。

针对2.4可能存在的排水失效，经对2台故障车进行灌水测试，将一定水量直接倒入天窗排水槽，故障车可以快速地将水量排到车外，因此判断天窗排水系统正常。

针对2.5可能存在排水路径偏离，目前比较有效的排查办法有两个，一是使用内窥镜直接观察，发现排水路径的差异点，二是做完淋雨试验后通过湿痕检查，如图2所示，正常水流会沿着排水系统的湿区排出车外，如果发现干区出现水痕，那水痕附近就是主要的异常点。本次分析我们采用第二种方案，实车分析發现图3所示的干区出现水痕，并且挡风网上也出现水痕。

挡风网，顾名思义有着挡风降噪的作用，避免风流大量灌入车内，产生噪音影响驾乘体验。挡风网下侧设置有弹簧，全景天窗打开状态下，挡风网升起弹出，全景天窗关闭时，挡风网收缩下压，在正常工况下，利用X向距离差和角度，挡风网在上弹和下压的运动过程中，绕着挡风网底座旋转，可以正常折叠落在干区内。

分析发现试验车挡风网没有正常折叠，存在异常被夹带入湿区，导致水流下滴过程中碰到挡风网，沿着挡风网进入干区而出现漏水。挡风网布为软质网布，有可能被夹在运动玻璃与天窗密封条之间，也会导致漏水量增加。

通过进一步分析，试验车挡风网在无风状态下，没有发现网布被夹的现象。因此初步锁定出现该问题和路试车的工况有关，经过模拟路试车的工况进行分析，发现挡风网只有在户外风速3级以上状态下，风由车后往前，天窗关闭过程中，网布无法完全收缩在干区，挡风网布被夹在玻璃和天窗密封条之间，造成玻璃和天窗密封条之间有异常缝隙，且网布有明显折痕。进行数据模拟分析，在挡风网布极限拉伸情况下，也可以复现折痕发生在移动玻璃关闭时与天窗密封条的干涉点。

通过以上论证可以得出，该全景天窗结构未考虑外界因素对挡风网布的影响，玻璃关闭时挡风网布收缩的状态不满足设计要求，是导致车辆漏水的关键原因。

针对2.6可能存在的失效，经对3台故障车进行储雨测试，堵住天窗排水口使水里存贮在天窗排水系统，经实验没有发现漏水现象，因此判断天窗本身没有零部件质量问题导致漏水。

4.4 因果分析

随机抽取试验样车5台，静态工况下使用都没有漏水问题，动态在也没有验证出問题，但通过人为地从车后往车前风吹挡风网，5台车均出现漏水故障，出现漏水故障后重新给故障车更换新挡风网，5台车漏水故障消除；因此确认问题直接原因为挡风网异常折叠后，导致水流下滴过程中碰到挡风网，沿着挡风网进入干区而出现漏水到顶灯处。图4为因果分析结果。

4.5 产生概念设计

经过因果链分析，天窗从前顶灯处漏水问题的影响因子共7个，强关联项有天窗前座驾、挡风网结构、挡风网布。最终得出以下概念设计方案：1）优化前座驾干区密封能力；2）优化挡风网正常折叠能力；3）设计自动卷收的挡风网；4）优化挡风网底座旋转点，增加极限包络的安全间隙；5）降低挡风网高度；6）优化前座驾X向容差；7）减小挡风网变形。

其中方案5及方案7受造型及材料限制无法实施，方案3及方案6受成本及周期限制不建议采用，通过普氏矩阵进行最优方案确认，方案4、方案2及方案1为最终选择方案。

5 优化结构设计

5.1 优化参数设计

针对挡风网结构概念设计方案，采用因子设计进行参数设计，根据挡风网结构，优化前座驾干区密封能力可以快速改善，将天窗前座架干区上的孔堵上，导轨与前座架搭接处增加密封胶密封。

识别出的关键因子有3个，分别是挡风网增加高度、挡风网增加角度、挡风网布优化方式。选用3因子2水平设计试验，为研究组间差异，将挡风网弹簧力作为区组化。根据表1进行试验，在挡风网下压过程中同时受负X方向的力时挡风网的变形量，并将试验结果填入相应的单元格中。

根据Minitab的计算结果，对于挡风网的变形量，因子X1、X2、X3均是显著的，图5为响应优化结果，当挡风网增加高度为5.5mm，挡风网增加角度为7度，挡风网优化方式为增加内折痕时，理论上挡风网的变形量为29mm，满足设计要求小于30mm。

5.2 关键参数确认

根据因子设计分析结果，本车型全景天窗设计优化最优方案如下：将天窗前座驾干湿壁加高，挡风网增加5.5mm高度，增加角度为7度，更改天窗挡风网缝纫方式，网布增加预变形的内折痕使得挡风网布收缩时完全落在干区（如图6所示）。

按照最优方案进行多次试验验证，结果显示挡风网变形量均值为28.5mm。实车验证在户外风速7级以下风速干扰下，新状态的天窗挡风网在玻璃关闭时不会被夹住。进行天窗耐久试验及天窗振动异响试验后，天窗操作过程平稳无异响，检查挡风网与玻璃距离，均满足设计要求。

措施断点后总装车间没有再发现挡风网漏水问题，降低了整车维修成本及零件报废成本，全景天窗漏水问题故障率降低至0。

6 结束语

在全景天窗挡风网设计时，需要对挡风网运动过程进行模拟分析，充分考虑极限工况下的安全间隙及排水路径设计，在造车阶段需要检查挡风网布是否会受到外围环境因素的影响导致失效，规避漏水问题的发生。

本文确认了天窗挡风网结构的关键影响因子，系统化地解决天窗漏水问题，对全景天窗总成的设计开发有理论指导意义。