蘇曉勤

摘 要：文章針對一款空調系統(tǒng)工程開發(fā)過程中出現(xiàn)的除霜風門抖動問題，通過理論分析、設計改善及試驗驗證，結合實際工藝進行問題解析整改，進一步明確工程開發(fā)過程中零件結構設計驗證、工藝驗證的重要性，以及開發(fā)前期充分運用CATIA運動仿真DMU驗證的必要性，進而從根本上縮短產品開發(fā)周期和產品上市時間。

關鍵詞：工程開發(fā);風門抖動;問題解析;設計驗證;工藝驗證

中圖分類號：U462.1? 文獻標識碼：B? 文章編號：1671-7988（2020）13-106-04

A Section Air-Conditioning System Air Throttle Vibration Question Analysis

Su Xiaoqin

（Dongfeng Automobile Co.， Ltd， Hubei Wuhan 430057）

Abstract： Targeting at the vibration of defroster damper in the engineering development of a microbus air conditioning system， this paper， based on theoretical analysis， design improvement and test verification， analyzes the problem in consideration to the actual process for rectification， further determines the significance of verification of design of part structure and process during engineering development， as well as the necessity to maximize the utilization of the CATIA motion simulation DMU in the early stage of development， so as to shorten the cycle of product development and accelerate the entry to market radically.

Keywords： Engineering development;Vibration of defroster damper;Question parsing;Design verification ; Process verification

CLC NO.： U462.1? Document Code： B? Article ID： 1671-7988（2020）13-106-04

前言

近年來，世界經濟全球化進程大大加快，各國汽車企業(yè)競爭越來越激烈，用戶對整車質量要求越來越高。如何才能在最短的時間內開發(fā)出一款成功的新車型，是各個企業(yè)傾心研究的重要課題。

微客市場從2009年呈爆發(fā)式增長，增長率達到83.3%，全年銷售195萬輛。從微客細分市場的用途來看，其功能相對集中，適用于載客、載貨和家庭日常使用。用戶對微客關注度最高的仍是價格、品牌、質量、安全、尺寸五大項，同時對微客整體滿意度較低的方面包括：經濟性、減震性能、車內噪聲和維修費用等。

從國內汽車行業(yè)的總體發(fā)展趨勢和用戶不斷提高的需求來看，國內微客逐步升級，向低油耗、高配置、高可靠性和高駕乘舒適性方向發(fā)展。

該車型作為一款構建在全新微型車平臺基礎上的微型客車，保留了市場上現(xiàn)有微客車型主流配置，吸收采用轎車部分配置，提高微客的駕乘舒適性、安全性和車載娛樂功能。并且搭載高性能自主品牌發(fā)動機，通過優(yōu)化匹配傳動比將整車工況油耗降低至7L/100km以下，有廣闊的發(fā)展前景。

1 項目概況

該車型是公司全面進軍微型客車市場，拓展公司事業(yè)新構架的全新微客產品。該車型搭載兩款自主品牌發(fā)動機，開發(fā)全新白車身、采用整體式側圍，除具有市場同類車型已有的中控遙控、電動窗、頂置空調、鋁合金車輪、MP3+收音機配置外，首次在國內微客領域匹配電子助力轉向、ABS+EBD、MP5、倒車影音夜視系統(tǒng)配置。整車可靠性高、造型新穎大氣、舒適性好、油耗低、配置好，性價比高，有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

該項目首次在國內的微型車中采用中置式組合儀表，并在組合儀表上增加瞬時燃油消耗顯示功能，便于用戶實時了解車輛油耗。中控臺上配備有5.0寸16：9液晶屏的影音娛樂系統(tǒng)，具有影音娛樂、導航、夜視及倒車可視等功能，極大地改善了微型車駕乘的娛樂性和安全性，緊跟目前市場電子化潮流，滿足年輕購車者對車載娛樂系統(tǒng)的需求。

通過改進汽油發(fā)動機總成實現(xiàn)了橫置改為縱置，同時采用高充氣效率塑料進氣歧管、DIS直接點火系統(tǒng)、 VVT和無聲鏈條組合技術、配氣機構進行輕量化改進設計。并開發(fā)了節(jié)能潤滑油，整車油耗降低4%，整車100km油耗值明顯低于其它國內主要微車。

該車身采用整體式側圍，從結構上保證了整車外觀品質和車身模態(tài)。采用了大容量高性能的免維護蓄電池，改善了微型車的冷啟動性能，保證了車輛在高寒地區(qū)的使用可靠性。手剎增加防扭機構，改善國內微車因拉索調節(jié)螺母預緊力過大而產生的拉索形變，提高了拉索的使用壽命。并且采用二級配電系統(tǒng)，有效防止了汽車自燃。整車在經濟性、安全性、舒適性上表現(xiàn)突出，有廣闊的發(fā)展前景。

2 空調系統(tǒng)工程開發(fā)

2.1 整車空調系統(tǒng)制冷量設計目標計算確定

2.1.1 按汽車空調熱負荷的構成計算

據(jù)《空調系統(tǒng)熱負荷邊界條件》，選取夏季設計計算條件：

車內設計參數(shù)：溫度26℃，相對濕度50%;車外設計參數(shù)：溫度38℃，相對濕度65%;太陽輻射強度：1000 W/m2，車速：40km/h;汽車空調熱負荷的構成如下：

QO=k（QB+QG+QP+QA+QE+QF+QS）? ? ? ? ? ? （1）

式中：

QO：汽車空調設計制冷量，單位為W;

QB：通過車體圍護結構傳入的熱量，單位為W;

QG：通過各玻璃表面以對流方式傳入的熱量，單位為W;

QP：乘員散發(fā)的熱量，單位為W;

QA：由通風和密封性泄露進入車內的熱量，單位為W;

QE：發(fā)動機室傳入的熱量，單位為W;

QF：通風系統(tǒng)中傳入的熱量，單位為W;

QS：車內電器散發(fā)的熱量，單位為W;

k：修正系數(shù)，可取k=1.05～1.15，這里取k=1.1。

QO=4499W

考慮到整車的舒適性需求，整車空調系統(tǒng)制冷量確定為QT=5000W，前后蒸發(fā)器的能力分配為2.33。

2.1.2 整車制熱量設計計算

Qe = Q車身+ Q玻璃+Q新風? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

Q=a*Qe? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中：

a：儲備系數(shù)，取a=1.2;

Qe：車身總熱負荷;

Q車身：車體傳出的熱量;

Q玻璃：玻璃傳出的熱量;

Q新風：新風熱

依據(jù)設計計算，整車空調系統(tǒng)制熱量確定為Q=4800W。

2.2 該車型整車空調暖風系統(tǒng)設計方案確定

（1）依據(jù)整車制熱量需求為4800W，暖風芯體選用平行流式暖風芯體，芯體尺寸為225×186×32，單芯體設計目標為在360m3/h風量條件下，制熱量為5400W。

（2）依據(jù)整車前蒸制冷量需求為3500W，前蒸發(fā)器芯體選用平行流式結構，芯體尺寸為222×260×41，芯體設計目標為420m3/h風量條件下，制冷量為4000W。

（3）依據(jù)設計計算，后蒸制冷量需求為1500W，后蒸選用管片式結構，芯體設計目標為220m3/h風量條件下，制冷量為1500W。

（4）依據(jù)整車制冷量需求為5000W，冷凝器的散熱量一般設計等于整車需求制冷量的1.5倍，Qc=m Qe（m為符合系統(tǒng)，取1.5）。冷凝器需求制冷量為7500W，冷凝器選用平行流結構，設計尺寸為570×353×16，芯體設計目標為2.5m/s風速條件下，換熱量為8000W。

（5）壓縮機選用渦旋式結構，排氣量為86cm3/r，通過查取壓縮機性能曲線，該壓縮機轉速為2200r/min時，制冷量為5100W。傳動比選用1：1.35在發(fā)動機轉速為1600r/min時，壓縮機制冷量可以滿足整車需求。

（6）膨脹閥選用現(xiàn)在常用的H型膨脹閥，依據(jù)前蒸制冷量為3500W，選用1.5RT膨脹閥，后蒸制冷量為1500W，選用0.8RT膨脹閥。（1RT=3516.7W），一般膨脹閥制冷量選用不小于系統(tǒng)制冷量的1.2倍。

（7）系統(tǒng)管路采用適用于R134a的空調膠管，空調硬管采用目前已批量使用的通用規(guī)格產品，高壓管壓縮機至冷凝器部分選用φ11規(guī)格，冷凝器至蒸發(fā)器部分選用φ8.2規(guī)格，蒸發(fā)器至冷凝器部分選用φ16規(guī)格。

2.3 該車型空調系統(tǒng)過程開發(fā)

2.3.1 過程開發(fā)生產準備計劃

依據(jù)該車型整車項目開發(fā)計劃，制訂空調系統(tǒng)過程開發(fā)生產準備計劃，分為5個階段：（1）計劃和項目確定;（2）產品設計與驗證（S-lot）;（3）過程設計與驗證（ET）;（4）產品和過程確認（工藝正規(guī)化PT）;（5）持續(xù)改進（對應SOP后）。

2.3.2 過程開發(fā)中各階段主要工作內容

（1）計劃和項目確定：成立APQP小組、制訂APQP計劃。

（2）產品設計與驗證（S-lot）：零件總成BOM清單、DFMEA、可裝配和可制造性分析、產品圖樣設計（3D/2D）、關鍵特性確定、材料標準確定、設計評審、產品驗證-樣件試制、樣件檢驗與試驗、S-lot裝車驗證與改進。

（3）過程設計與驗證（ET）：工藝方案設計及評審、工藝流程圖、關鍵/重要特性清單、控制計劃、工序控制明細表、分供方清單、PFMEA、作業(yè)指導書、包裝規(guī)范、工裝設計/制造、檢具設計/制造、生產準備進度（新增設備/模夾具/量檢具/試驗計劃）、物流包裝方案、樣件ET裝車驗證。

（4）產品和過程確認（工藝正規(guī)化PT）：產品/模具改進、工裝完善、檢具改進、工位器具設計/制造/評審/改進/確認、PT裝車驗證。

（5）持續(xù)改進（SOP）：批量生產控制（SOP）、產品/過程的持續(xù)改進。

3 開發(fā)中問題整改實例（風門抖動）

3.1 空調除霜風門抖動現(xiàn)象

問題來源：該車型在ET試制階段，裝車中發(fā)現(xiàn)除霜風門在最大風量下，由除霜模式調節(jié)至除霜吹腳模式時（風門處于半開狀態(tài)），除霜風門發(fā)生節(jié)律性振動而產生噠噠噠異響的故障現(xiàn)象。

3.2 除霜風門抖動問題原因解析

（1）在除霜吹腳模式下，除霜連桿運動方向與聯(lián)動板滑槽運動方向約30度夾角，從而導致?lián)u臂受力在聯(lián)動板運動方向上有較大分力，容易帶動聯(lián)動板的運動。

（2）風門材料為PP，質輕，剛性較差，在受力情況下容易發(fā)生形變。風門結構為弧形板面，且面積較大。因結構板面面積大，受力面積及力矩會增大，受氣流沖擊時易產生受力不平衡。

（3）初期使用的鼓風機轉速為2900RPM，風機轉速高風速大，對風門的沖擊力很大，導致風門抖動。為減小風門所受的氣流作用力，需要適度降低鼓風機轉速，通過試驗驗證滿足空調性能要求即可。

（4）除霜連桿/聯(lián)動板/風門軸/殼體之間各零部件的配合間隙過大，會直接導致除霜風門的抖動。除霜連桿與滑槽配合間隙過大，會導致風門在模式止點仍然有轉動空間。風門軸與殼體配合間隙過大，會導致風門軸的徑向串動。除霜連桿與風門軸的配合間隙過大，會導致風門軸的轉動。聯(lián)動板與殼體配合間隙過大，會導致聯(lián)動板的晃動，進而直接影響到聯(lián)動機構的穩(wěn)定性。另外，拉絲環(huán)與聯(lián)動板配合間隙過大，會造成聯(lián)動板在模式止點有較大轉動余量，導致聯(lián)動板帶動風門的運動空間增加。

綜上所述，引起除霜風門抖動的主要因素可以概括為：產品設計因素（聯(lián)動板/風門/鼓風機轉速高）和工藝因素（各零部件配合間隙過大）。

3.3 問題整改方案的具體實施及驗證

3.3.1 聯(lián)動板的結構設計整改

聯(lián)動板的結構重新設計，更改設計軌跡，風門角度不變。

已知條件有：

（1）操縱機構模式的行程

（2）聯(lián)動板的轉動角度（已知聯(lián)動板的轉動半徑為33.5mm）

（3）吹臉風門轉動的角度

（4）除霜風門轉動的角度

由以上已知條件，即可確定搖臂的旋轉角度，進而可以確定搖臂聯(lián)動柱在各個模式狀態(tài)時的位置點，從而得到搖臂聯(lián)動柱的設計軌跡。

依據(jù)設計軌跡，即可在聯(lián)動板上作出導向槽，就確定了聯(lián)動板上的聯(lián)動槽了。

設計軌跡結果，如圖所示：

對設計軌跡進行CATIA運動仿真DMU驗證，通過模擬控制面板控制整個模式行程，經過吹臉、吹臉&吹腳、吹腳、吹腳&除霜、除霜五個行程。DMU驗證的結果為：

聯(lián)動板結構變更前后的零件實物對比：

為適應新結構的聯(lián)動板，搖臂狀態(tài)相應變更如下表7：

3.3.2 風門的結構設計整改

為了抵消氣流對風門的沖擊力，在現(xiàn)有基礎上對風門進行局部更改，在除霜風門上增加筋位，起擾流平衡作用。

3.3.3 鼓風機轉速降低

為減小風門所受的氣流作用力，適度降低鼓風機轉速，將鼓風機轉速由2900RPM降到2400RPM，通過試驗驗證滿足空調性能要求即可。

為驗證鼓風機轉速降低后的空調性能變化情況，依據(jù)GB/T 21361-2008進行CV03雙蒸發(fā)器系統(tǒng)試驗（風量降低對比）。（試驗條件：蒸發(fā)器A/C室空氣側進口干球溫度：27℃，濕球溫度：19.5℃;前蒸/后蒸風壓：0Pa;前蒸/后蒸風機電壓：13.5V;冷凝器室干球溫度：35℃;壓縮機轉速：1000rpm、2500rpm;冷凝器風速：4.5m/s。）

經試驗驗證，空調性能滿足設計要求。

3.3.4 各零部件的配合間隙尺寸公差優(yōu)化

鑒于塑膠件的尺寸涉及模具、工藝、材料等諸多因素以及測量誤差等原因，前期測量雖不能完全反映真實狀態(tài)，但足以說明各零部件的配合間隙過大確實存在發(fā)生。需要調整配合尺寸公差，修整模具。

經過一系列的模具修整及工藝優(yōu)化調整，再次隨機抽測檢驗各零部件的配合尺寸結果，公差優(yōu)化后配合間隙有很大改善。

3.3.5 整改方案實施后的效果驗證

經過以上聯(lián)動板、除霜搖臂和除霜風門的結構改善，以及各零部件之間的配合尺寸公差優(yōu)化，對除霜風門抖動現(xiàn)象再次進行相關組裝驗證。經核實，以上方案改善有效，抖動現(xiàn)象沒有再現(xiàn)。

4 結論

通過對除霜風門抖動問題的解析整改及驗證，充分說明空調系統(tǒng)開發(fā)過程中零件結構設計驗證、工藝驗證的重要性，以及開發(fā)前期充分運用CATIA運動仿真DMU驗證的必要性。在整車開發(fā)過程中，要關注各零部件的配合尺寸公差，將關鍵配合尺寸列入產品關鍵特性進行管控，從根本上縮短產品開發(fā)周期和產品上市時間。

參考文獻

[1] GB/T 21361-2008《汽車用空調》的要求著錄.