一款空调系统风门抖动问题解析

摘  要：文章针对一款空调系统工程开发过程中出现的除霜风门抖动问题，通过理论分析、设计改善及试验验证，结合实际工艺进行问题解析整改，进一步明确工程开发过程中零件结构设计验证、工艺验证的重要性，以及开发前期充分运用CATIA运动仿真DMU验证的必要性，进而从根本上缩短产品开发周期和产品上市时间。

作者信息：
姓名：苏晓勤
简介：苏晓勤，高级工程师，就职于东风汽车股份有限公司，研究方向：汽车制造。

前  言

近年来，世界经济全球化进程大大加快，各国汽车企业竞争越来越激烈，用户对整车质量要求越来越高。如何才能在最短的时间内开发出一款成功的新车型，是各个企业倾心研究的重要课题。

微客市场从2009年呈爆发式增长，增长率达到83.3%，全年销售195万辆。从微客细分市场的用途来看，其功能相对集中，适用于载客、载货和家庭日常使用。用户对微客关注度最高的仍是价格、品牌、质量、安全、尺寸五大项，同时对微客整体满意度较低的方面包括：经济性、减震性能、车内噪声和维修费用等。

从国内汽车行业的总体发展趋势和用户不断提高的需求来看，国内微客逐步升级，向低油耗、高配置、高可靠性和高驾乘舒适性方向发展。

该车型作为一款构建在全新微型车平台基础上的微型客车，保留了市场上现有微客车型主流配置，吸收采用轿车部分配置，提高微客的驾乘舒适性、安全性和车载娱乐功能。并且搭载高性能自主品牌发动机，通过优化匹配传动比将整车工况油耗降低至7L/100km以下，有广阔的发展前景。

1 项目概况

该车型是公司全面进军微型客车市场，拓展公司事业新构架的全新微客产品。该车型搭载两款自主品牌发动机，开发全新白车身、采用整体式侧围，除具有市场同类车型已有的中控遥控、电动窗、顶置空调、铝合金车轮、MP3+收音机配置外，首次在国内微客领域匹配电子助力转向、ABS+EBD、MP5、倒车影音夜视系统配置。整车可靠性高、造型新颖大气、舒适性好、油耗低、配置好，性价比高，有很大的发展潜力。

该项目首次在国内的微型车中采用中置式组合仪表，并在组合仪表上增加瞬时燃油消耗显示功能，便于用户实时了解车辆油耗。中控台上配备有5.0寸16：9液晶屏的影音娱乐系统，具有影音娱乐、导航、夜视及倒车可视等功能，极大的改善了微型车驾乘的娱乐性和安全性，紧跟目前市场电子化潮流，满足年轻购车者对车载娱乐系统的需求。

通过改进汽油发动机总成实现了横置改为纵置，同时采用高充气效率塑料进气歧管、DIS直接点火系统、 VVT和无声链条组合技术、配气机构进行轻量化改进设计。并开发了节能润滑油，整车油耗降低4%，整车100km油耗值明显低于其它国内主要微车。

该车身采用整体式侧围，从结构上保证了整车外观品质和车身模态。采用了大容量高性能的免维护蓄电池，改善了微型车的冷启动性能，保证了车辆在高寒地区的使用可靠性。手刹增加防扭机构，改善国内微车因拉索调节螺母预紧力过大而产生的拉索形变，提高了拉索的使用寿命。并且采用二级配电系统，有效防止了汽车自燃。整车在经济性、安全性、舒适性上表现突出，有广阔的发展前景。

2 空调系统工程开发

2.1整车空调系统制冷量设计目标计算确定

2.1.1按汽车空调热负荷的构成计算

据《空调系统热负荷边界条件》，选取夏季设计计算条件：

车内设计参数：温度26℃，相对湿度50％；车外设计参数：温度38℃，相对湿度65％；太阳辐射强度：1000 W/m2，车速：40km/h；汽车空调热负荷的构成如下：

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

式中：QO：汽车空调设计制冷量，单位为W；QB：通过车体围护结构传入的热量, 单位为W；QG：通过各玻璃表面以对流方式传入的热量, 单位为W；QP：乘员散发的热量, 单位为W；QA：由通风和密封性泄露进入车内的热量, 单位为W；QE：发动机室传入的热量, 单位为W；QF：通风系统中传入的热量, 单位为W；QS：车内电器散发的热量, 单位为W；k：修正系数，可取k=1.05~1.15，这里取k=1.1。

QO=4499W

考虑到整车的舒适性需求，整车空调系统制冷量确定为QT=5000W，前后蒸发器的能力分配为2.33。

2.1.2整车制热量设计计算

Qe = Q车身+ Q玻璃+Q新风

Q=a*Qe

式中：a：储备系数，取a=1.2；Qe：车身总热负荷；Q车身：车体传出的热量；Q玻璃：玻璃传出的热量；Q新风：新风热。

依据设计计算，整车空调系统制热量确定为Q=4800W。

2.2该车型整车空调暖风系统设计方案确定

（1） 依据整车制热量需求为4800W，暖风芯体选用平行流式暖风芯体，芯体尺寸为225×186×32，单芯体设计目标为在360m3/h风量条件下，制热量为5400W。

（2） 依据整车前蒸制冷量需求为3500W，前蒸发器芯体选用平行流式结构，芯体尺寸为222×260×41，芯体设计目标为420m3/h风量条件下，制冷量为4000W。

（3） 依据设计计算，后蒸制冷量需求为1500W，后蒸选用管片式结构，芯体设计目标为220m3/h风量条件下，制冷量为1500W。

（4） 依据整车制冷量需求为5000W，冷凝器的散热量一般设计等于整车需求制冷量的1.5倍，Qc=m Qe（m为符合系统，取1.5）。冷凝器需求制冷量为7500W，冷凝器选用平行流结构，设计尺寸为570×353×16，芯体设计目标为2.5m/s风速条件下，换热量为8000W。

（5） 压缩机选用涡旋式结构，排气量为86cm3/r，通过查取压缩机性能曲线，该压缩机转速为2200r/min时，制冷量为5100W。传动比选用1:1.35在发动机转速为1600r/min时，压缩机制冷量可以满足整车需求。

（6） 膨胀阀选用现在常用的H型膨胀阀，依据前蒸制冷量为3500W，选用1.5RT膨胀阀，后蒸制冷量为1500W，选用0.8RT膨胀阀。（1RT=3516.7W），一般膨胀阀制冷量选用不小于系统制冷量的1.2倍。

（7） 系统管路采用适用于R134a的空调胶管，空调硬管采用目前已批量使用的通用规格产品，高压管压缩机至冷凝器部分选用φ11规格，冷凝器至蒸发器部分选用φ8.2规格，蒸发器至冷凝器部分选用φ16规格。

2.3该车型空调系统过程开发

2.3.1过程开发生产准备计划

依据该车型整车项目开发计划，制订空调系统过程开发生产准备计划，分为5个阶段：（1）计划和项目确定；（2）产品设计与验证（S-lot）；（3） 过程设计与验证（ET）；（4）产品和过程确认（工艺正规化PT）；（5）持续改进（对应SOP后）。

2.3.2过程开发中各阶段主要工作内容

（1） 计划和项目确定：成立APQP小组、制订APQP计划。

（2） 产品设计与验证（S-lot）：零件总成BOM清单、DFMEA、可装配和可制造性分析、产品图样设计（3D/2D）、关键特性确定、材料标准确定、设计评审、产品验证-样件试制、样件检验与试验、S-lot装车验证与改进。

（3） 过程设计与验证（ET）：工艺方案设计及评审、工艺流程图、关键/重要特性清单、控制计划、工序控制明细表、分供方清单、PFMEA、作业指导书、包装规范、工装设计/制造、检具设计/制造、生产准备进度（新增设备/模夹具/量检具/试验计划）、物流包装方案、样件ET装车验证。

（4）产品和过程确认（工艺正规化PT）：产品/模具改进、工装完善、检具改进、工位器具设计/制造/评审/改进/确认、PT装车验证。

（5）持续改进（SOP）：批量生产控制（SOP）、产品/过程的持续改进。

3 开发中问题整改实例（风门抖动）

3.1 空调除霜风门抖动现象

问题来源：该车型在ET试制阶段，装车中发现除霜风门在最大风量下，由除霜模式调节至除霜吹脚模式时（风门处于半开状态），除霜风门发生节律性振动而产生哒哒哒异响的故障现象。

3.2 除霜风门抖动问题原因解析

（1）在除霜吹脚模式下，除霜连杆运动方向与联动板滑槽运动方向约30度夹角，从而导致摇臂受力在联动板运动方向上有较大分力，容易带动联动板的运动。

（2） 风门材料为PP，质轻，刚性较差，在受力情况下容易发生形变。风门结构为弧形板面，且面积较大。因结构板面面积大，受力面积及力矩会增大，受气流冲击时易产生受力不平衡。


图1 风门结构及受力示意图

（3） 初期使用的鼓风机转速为2900RPM，风机转速高风速大，对风门的冲击力很大，导致风门抖动。为减小风门所受的气流作用力，需要适度降低鼓风机转速，通过试验验证满足空调性能要求即可。

（4） 除霜连杆/联动板/风门轴/壳体之间各零部件的配合间隙过大，会直接导致除霜风门的抖动。除霜连杆与滑槽配合间隙过大，会导致风门在模式止点仍然有转动空间。风门轴与壳体配合间隙过大，会导致风门轴的径向串动。除霜连杆与风门轴的配合间隙过大，会导致风门轴的转动。联动板与壳体配合间隙过大，会导致联动板的晃动，进而直接影响到联动机构的稳定性。另外，拉丝环与联动板配合间隙过大，会造成联动板在模式止点有较大转动余量，导致联动板带动风门的运动空间增加。

综上所述，引起除霜风门抖动的主要因素可以概括为：产品设计因素（联动板/风门/鼓风机转速高）和工艺因素（各零部件配合间隙过大）。

3.3 问题整改方案的具体实施及验证

3.3.1联动板的结构设计整改

联动板的结构重新设计，更改设计轨迹，风门角度不变。

已知条件有：

（1） 操纵机构模式的行程



（2） 联动板的转动角度（已知联动板的转动半径为33.5mm）



（3）吹脸风门转动的角度


图2 吹脸风门转动角度示意图

（4） 除霜风门转动的角度


图3除霜风门转动角度示意图

由以上已知条件，即可确定摇臂的旋转角度，进而可以确定摇臂联动柱在各个模式状态时的位置点，从而得到摇臂联动柱的设计轨迹。

依据设计轨迹，即可在联动板上作出导向槽，就确定了联动板上的联动槽了。

设计轨迹结果，如图所示：


图4设计轨迹结果示意图

对设计轨迹进行CATIA运动仿真DMU验证，通过模拟控制面板控制整个模式行程，经过吹脸、吹脸&吹脚、吹脚、吹脚&除霜、除霜五个行程。DMU验证的结果为：




图5 DMU验证结果示意图

联动板结构变更前后的零件实物对比：


图6 联动板结构变更前后对比示意图

为适应新结构的联动板，摇臂状态相应变更如下：


图7 摇臂结构变更前后对比示意图

3.3.2风门的结构设计整改

为了抵消气流对风门的冲击力，在现有基础上对风门进行局部更改，在除霜风门上增加筋位，起扰流平衡作用。

3.3.3鼓风机转速降低

为减小风门所受的气流作用力，适度降低鼓风机转速，将鼓风机转速由2900RPM降到2400RPM，通过试验验证满足空调性能要求即可。

为验证鼓风机转速降低后的空调性能变化情况，依据GB/T 21361-2008进行CV03双蒸发器系统试验（风量降低对比）。（试验条件：蒸发器A/C室空气侧进口干球温度：27℃，湿球温度：19.5℃；前蒸/后蒸风压：0Pa；前蒸/后蒸风机电压：13.5V；冷凝器室干球温度：35℃；压缩机转速：1000rpm、2500rpm；冷凝器风速：4.5m/s。）

经试验验证，空调性能满足设计要求。

3.3.4各零部件的配合间隙尺寸公差优化

鉴于塑胶件的尺寸涉及模具、工艺、材料等诸多因素以及测量误差等原因，前期测量虽不能完全反映真实状态，但足以说明各零部件的配合间隙过大确实存在发生。需要调整配合尺寸公差，修整模具。

经过一系列的模具修整及工艺优化调整，再次随机抽测检验各零部件的配合尺寸结果，公差优化后配合间隙有很大改善。

3.3.5整改方案实施后的效果验证

经过以上联动板、除霜摇臂和除霜风门的结构改善，以及各零部件之间的配合尺寸公差优化，对除霜风门抖动现象再次进行相关组装验证。经核实，以上方案改善有效，抖动现象没有再现。

4 结论

通过对除霜风门抖动问题的解析整改及验证，充分说明空调系统开发过程中零件结构设计验证、工艺验证的重要性，以及开发前期充分运用CATIA运动仿真DMU验证的必要性。在整车开发过程中，要关注各零部件的配合尺寸公差，将关键配合尺寸列入产品关键特性进行管控，从根本上缩短产品开发周期和产品上市时间。