基于DFSS方法的乘用车内饰灯光效果一致性提升方案

徐雯霞，张 昊

（1.同济大学，上海 201804；2.泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201）

1 研究背景

人们对于驾乘品质的要求正在日益提升。时至今日，越来越多的消费者已经不仅仅满足于车辆的动力或者外观，他们开始关注汽车内部驾驶空间的舒适性和美观性。

汽车内饰灯光，已经不再是简单的功能件，更多的已经成为了汽车造型以及整体感知品质中不可或缺的一部分。以LED为发光源的内饰灯光已经逐渐取代传统的白炽灯照明，引起各大主机厂和广大消费者的关注。消费者更喜欢什么，如何合理选择LED型号，如何设计合理的导光结构，如何提高整车内饰灯光的一致性和美观度，也已成为各大车企急需研究的重要课题。

2 汽车内饰灯光的组成分类与特点

图1为汽车内饰灯光组成。所谓的车内灯光系统，如果按照零件功能性分类，一般可以分为仪表灯光、中控台灯光、顶衬灯光、脚灯、仪表板／门板氛围灯等；如果按照区域分类，则可以分为主驾区域灯光、副驾区域灯光、其他乘客区域灯光；如果按照设计意图分类，则可以分为照明类灯光、氛围灯、功能性灯。

之所以有不同的分类，源自于各主机厂对于车内灯光要求的不同或者评审的方案不同。无论如何分类，目的只有一个，即合理地划分区域，并设立相关标准，从而为最终效果的一致性打下基础。作为整车内饰灯光一致性的评估者而言，只要能够把控住每个区域的内灯光一致性，即可基本拿捏住整车灯光的感知品质。笔者根据多年的工作经验，总结了几大类零件的基本特点如下。

图1 汽车内饰灯光组成

1）各类开关背光 这类零件在整车内所占的比例最高，发光原理也最为复杂，开关的位置不同，需制定不同的亮度和颜色标准，在做零件评估前，务必需要确认LED和零件材料的供应商，了解零件内部结构，对症下药，才能事半功倍。

2）各类仪表、显示屏 这类零件的发光特点与开关背光截然不同，其内的颜色、亮度不需要和整车背光保持完全一致，只要是同明度的色系，在各类模式下，保证不过于刺眼，也不过于昏暗，即可达到消费者的期望。

3）氛围灯带 此类零件，通常是LED通过透明介质的传递所展现，因此，LED的重要性相对于上面两种类型，更加直接地影响最终效果。如果是RGB的灯带，需要严格控制LED的选型，色坐标标准尽量控制在0.001以内。

4）脚灯、迎宾踏板等 此类零件通常属于最次要视觉区域，因此，颜色就没有那么重要了，工程方面，只需要保证此类零件的亮度即可。特别需要注意的是，迎宾踏板之类的零件，由于设计的不同需要，通常会用各种不同的介质用于灯光的传导，比如铝或钢，其对于光的颜色改变是巨大的，因此也会远超标准范围。在工程评估时，尤其需要评估师的个人经验和临场决断。

LED的最终颜色和亮度，需要考虑到经过零件盖板甚至是导光材料的影响，最终的零件颜色往往并不是LED本身的颜色，这就必然对品质控制带来巨大的困难。本文尝试使用六西格玛设计方法，在项目前期就设法改善最终的背光效果，区别于传统的评审方法，在节省时间的同时，节约物料和人力成本。

3 六西格玛设计方法案例分析

3.1 案例选取

本文选取某量产车型的顶衬前仪表板总成作为案例。在此仪表板上，一共有9个开关零部件，涉及到3家不同供应商以及10颗白色LED。目前此零件成品的背光一致性较差，各背光颜色不协调，视觉效果无法令客户满意。此零件由于子零件数目较多、子零件间距非常近、供应商数目较多、所用材料复杂、导光结构不统一、共用件与非共用件排列不一等特点，使对于这个零件的背光一致性要求很难达到。选取这个零件作为研究对象，可以最大限度地照顾到各种情况，非常适合用于六西格玛设计样本。

3.2 定义要求

用分光色度计测得该零件上各个背光开关的色坐标值。将测试结果写入标准色坐标系统中 （涉及主机厂标准，图中隐去相关数值），此颜色的标准色框范围 （以厂家常用的标准色框为基准）如图2所示。可以发现，这些零件在色坐标中的位置差异很大，有些甚至超出了厂家标准要求，这也是整个零件颜色不一致的原因之一。由此，首先想到的是：缩小厂家标准范围，使所有色坐标的要求尽量靠拢，即减小各零件色坐标的离散程度。另外一方面，要求所有开关尽量靠近标准中心位置 （即图中“X”位置）。

图2 某量产车型顶衬仪表板

3.3 基于普氏分析的方案设计

如前文提到的，影响零件背光效果的因素很多，其中雷雕会影响最终透光性能，材料颜色／透明度影响最终颜色，光源导光方式直接影响出光效果，LED颜色的选择直接影响最终颜色等，如图3所示。依据目前情况，仅有3C零件在标准的中心，其余开关的色坐标需要尽量靠近此位置。

图3 零件结构

我们采用头脑风暴的方法，可以初步找到如下多种方案组合，如表1中的第一横排为可单独运用的调整方案，左起第一竖排为方案编号，“X”表示不作调整，“√”表示作调整。

表1 设计方案

对于主机厂来说，这5个方案，基本囊括了目前现有的背光提升方法。在实际操作中，大部分主机厂的背光评审专家，都会根据个人经验，从中选择适用方案。那么，如何更科学、更迅速地找出合适的方案呢？这时候，只要运用两轮普氏分析，即可得出最合适的方案。

在第1轮普氏分析中，首先以方案0作为分析基准。左边列出所有客户呼声和相关要求。可以发现，方案3和方案4相对于其他方案较为优秀，得分也不相伯仲。

由此，进行第2轮普氏分析，即以方案3为基准，再次进行比较，可看出方案4在开发周期和开发成本方面都劣于方案3（仅仅更换材料，相对更换LED可以减少试验，缩短周期，减少成本），最终，得出方案3最为合适。即首先以CCC件以及雷达指示开关的色坐标所在的新色框为调整基准，调整其余零件雷雕工艺深度，增大透光率，使出光颜色尽量接近色坐标，若无法满足最终要求，则尝试更换零件材料。随后选取合适的材料牌号，使最终样品的色坐标，在标准范围内，最终满足视觉一致性要求。

3.4 设计优化与建立正交试验模型

事实上，在项目的实际进行、零件的实际设计中，会有各种影响因子。因此，确定方案之后，首先需要选取合适的条件，考虑所有影响因素，优化现有的方案之后，才能进入试验验证的阶段。图4为参数图，控制因子和噪音因子分别影响整个前仪表板开关系统，用最终效果的外观评估作为相应的输出物，如果最终效果没有改善或者恶化，则试验失败。

图4 参数图

参数选择方面，尽量以常见数值，参考主机厂标准，控制因子选取见表2。

表2 控制因子选取

最后，选取同一LED型号的两种bin号作为噪音因子，假设N1代表偏上限bin号的零件，N2代表偏下限bin号的零件。

评判标准以专家组的满意度打分为最终数据。试验中的满意度以3分为合格，分数越大越好。这里的满意度打分，我们邀请相关专家，按照5分为完全一致，4分为大部分一致，3分为可以接受，2分为基本不一致，1分为完全不一致的规则，最终取总分。

为了使正交试验模型的最终结果能够得到更为有效的验证，同时满足零件稳健性的要求，我们需要找到分析产品稳健性的方法或者衡量因素。

设A／B／C为3个控制因子，N1／N2为噪音因子。设β为最佳拟合线的斜率，σ代表输出相对于最佳斜率的平均方差。真正获胜的设计，必须满足以下条件。

1）应该在给定输入能量的情况下，使输出最大，并且输出变化最小。

2）需要的输出和不需要的输出之比最大。

3）更高的β以及更小的σ。

4）假设S为信号功率，N为噪音功率，S／N为信号噪音比，获胜的设计还需要有更高的S／N。

借用在电子设备测试中常用的信噪比计算方法，S／N可以近似于信号与噪声的方差之比。设β2为信号功率，σe2为噪音功率，可以发现，要想增加S／N的比，需要减少噪音引起的变化或者增加斜率。由以上内容，可总结公式如下：

以上，通过设立控制因子水平，加入试验过程中的噪音因子，优化了试验方案。接下来，将采集所有相关试验数据，填入正交试验模型，分析试验数据，验证最终结果。

3.5 正交数据分析与验证

根据上文设立的正交试验模型，分别选取不同的控制因子，排列组合设计试验方案，试验零件由供应商按照背光评审专家提供的清单进行制作，由于3个控制水平因子，实际排列组合需要34即81个试验样件，需要大量的时间和成本。但是由于有了正交试验模型，选用其中的L9表格，去除D列后，只需要进行27个零件的样件试制，得出最终表格见图5。

图5 试验结果

如前文提到，信噪比和β的均值会显示控制因子在各水平的影响，为了更直观地找到最合适的方案，将信噪比和β的数据做出点图 （图6、图7），从点图中可以获得设计因子如何影响设计变差以及影响的程度。

图6 β点图

图7 S／N点图

从点图中可以发现，控制因子A3（材料透光度17.4%）对最终结果影响明显，因此，选择A3作为最佳透光度。控制因子B1（白色色母含量4%）和C2（亮度7 nits）对最终效果影响也较为明显。这说明，在所有选定的控制因子中，A3、B1和C2相对于其他控制因子，对于最终零件稳健性的贡献最大。

由此，可以选定优化组合为A3／B1／C2，即材料透光度为17.4%，材料中的白色色母含量4%，以及开关亮度为7nits的零件为最佳零件。

由于正交试验模型的特点，剔除了一部分不会影响最终效果的试验。而A3／B1／C2的方案并不是之前设定的正交列表中的组合方案，因此，需要对该方案的信噪比和平均值进行预测和确认。在Excel的表格中，填入预测值和确认值，基于实际获益与预测获益的可加性，得到最终结果如图8所示。

图8 预测和实际获益

从图8中可以看出，优化值与预测值小于30%，试验成功。为了更准确地确认最后的结果，选用相关的材料，我们要求供应商按照A3／B1／C2的方案，重新做了最终样件。然后依然利用分光光度计设备对新样件进行取点测试后，得到新的色坐标 （图9），色坐标的离散程度完全小于之前的标准，更接近CCC件的颜色。同时经过最终专家组的最后确认，该新零件的最终背光效果，完全达到客户主观接受的一致性要求。

图9 新零件色坐标

至此，正交试验数据分析和验证全部完成。最终的提升方案是A3／B1／C2，即改进零件的材料透光度选取17.4%，白色色母含量要求4%，亮度标准为7 nits。

本次试验，在节约了大量样件成本的同时，也为项目节省了超过半年的时间，并且成功找到了最终的、而且是最优的试验方案。通过后期数据分析，最终样件试制，测试了最终零件的颜色坐标，也符合前文提到的优化标准要求。同时最终得到了专家评审小组的一致通过，最终逆向确认了试验方案的准确性。

4 总结

本文选取某项目的某个零件，通过完整的DFSS流程，从客户呼声与定义要求入手，通过普氏分析选择正确的优化方案，最后建立正交试验模型以及数据分析，得到了最优化的设计方案，并且最终通过试制样件的再确认，得到了一个符合客户要求的仪表板。而在最终方案中，A3／B1／C2的最终选定，可以看出一个结论，即零件背光的最终颜色，往往不能凭借背光工程师的主观臆断，当一个零件的背光颜色过于偏亮白时，单单减少白色色母的添加或者单单减少透光率是不够的，两者结合，可能会有更好的效果。通过本案例的验证，可以发现，运用六西格玛的方法，可以有效地在项目前期，还没有样车的情况下，处理此类零件，在满足成本和时间的条件下，有效提升最终零件的出光效果的一致性。

本文的设计方法和研究过程是系统的和完整的，可以应用到之后的相关零件的设计中，对内饰背光品质的研究具有很大意义。