图1  叶片式的通风口

协同产品开发管理系统的应用，为天津一汽的产品开发提出了规范化、流程化的产品设计，积累了丰富的产品数据库。而系统管理下的CATIA软件平台，更成为产品进行结构分析、设计、DMU运动分析及工艺分析等设计过程的重要手段。

随着汽车市场的竞争日益激烈，快速推出新车型成为汽车制造企业抢占市场份额的重要筹码。天津一汽通过协同产品开发管理系统（collaborative Product Development Management，简称PDM），在设计阶段的产品结构形式定义选型、产品数据管理等方面采用了流程化的方法加以管理，用CATIA V5软件的PART DESIGN模块进行三维建模以及DMU（数字样机）模块进行运动模拟。DMU模块的应用仿真样件在装配以及使用的过程，使设计中的错误被提前发现，从而大大减少了实物样机的制作和验证。工艺分析主要是风口总成中各个零件壁厚的选择和脱模斜度的定义，其中也运用了CATIA软件中的ANALYSIS模块分析出模可行性。虚拟设计的介入，为新产品的开发提供了更加高效、高质量的输出保证，更加规范了产品设计的数据库，完善了产品设计的流程。

图2  转动体式通风口

仪表板的器件主要划分为：驾驶操控区、乘用功能区和保安区。通风口作为仪表板上的重要部件，不但有装饰作用，更重要的功能是，根据乘客对于温度的不同要求，调节空调控制机构。通风口的设计一般分为以下几个阶段：前期定义、材料选择、结构设计及工艺分析。前期定义阶段主要包括，通风口样式的选择、通风面积的定义、通风形状的定义和出风角度的校核。材料的选择，通风口虽然尺寸不大但零件数目多，不仅要耐高、低温，还要有韧性，同时，由于是运动件其耐磨性也有要求。材料的选择直接关系到产品的使用性能和用户对整车的评价。结构设计主要包括出模方向的定义、与仪表板本体以及通风管道的搭接，还有通风口本体的结构设计。下面分别加以阐述。

图3  球形通风口

设计前期的分析工作

对于经济型及A级车来讲，一般有4个通风口，基本布置在仪表板上。高档以及大型商务车，不但前排有通风口，后排也有。这里我们主要针对经济型轿车的通风口进行分析设计。在新车型策划设计阶段，车的外形以及内饰风格都已经确定，为了追求造型的整体感，通风口的形状也基本确定。虽然通风口形状和样式各异，但是为了达到性能要求，它的布置位置不会有太大差异。前期的分析工作主要包括以下几个方面：

1.样式的选择

通风口大致分成3种样式：叶片式、转动体式和球形（见图1、图2和图3）。在设计时，根据造型的整体需要来选择通风口的样式。转动体式的通风口受拔模斜度的限制很大，一定要提前做好校核工作，防止向下摆动角度过小达不到性能要求。现在车上采用叶片式的通风口较多，工艺上易实现。在企业的产品数据库中，随着产品积累的增加，数据库的完善，选型的工作变得比较简单。

图4  通风噪声比

2.定义通风面积

对于新设计的车型，通风量都有一定的目标值，根据驾驶室内的容积以及配置的空调系统来确定通风量。通风口是一个通道，如果通风口面积过小就不能满足要求，它由空调系统通风口端面以及目标通风量来决定。定义实际开口面积，实际开口面积=造型开口面积-叶片旋钮的面积。同时，也要考虑方向盘阻挡对通风效率的影响，实际有效的通风面积比实际开口面积要小。如果通风面积过小，不能满足驾驶员及乘客的要求，并且会导致局部风速过高，人体感觉不舒服。如果面积太大又会使风速太低，也不能满足要求。一般情况下的通风面积是参考对标车来定义的。

3.通风口形状

通风口形状各异，但是在设计时应该注意开口形状以及长宽比。根据相关资料得出，如果长边与短边比大于2.2时，通风噪声就会快速增大并且风速显著降低。通风噪声比以及通风速度与开口比如图4、图5所示。

图5  通风速度与开口比

4.上下方向摆动角的分析定义

零件的布置一定遵循以人为本的原则，满足驾驶员及乘客的需要，并校核通风口上下摆动角度内能否吹到人体上至头顶下到胸口的位置（见图6）。在CATIA环境中，我们以5百分位和95百分位为参考来校核通风口的上下摆动角度能否满足要求，这是通风口位置是否合适的重要条件之一。一般来说，通风口向下摆动角度很难达到要求。在开发的某一车型中，就是因为向下摆动角度小而重新设计了通风口结构。通过校核发现，通风口的上下摆动角度和仪表板造型面的倾斜角度有关系。造型面的倾斜角越大，向下摆动的角度越大。一般来讲，上下转动角度应该各为30°，当然这个值已达到吹风性能为准。

5.左右方向的摆动角定义

前期的部分校核是通过CATIA的草图（Sketch）模块来实现的，即在二维环境中定义各个方向的摆动角度。通风口不但要校核上下方向的摆动角度，也要校核左右方向的摆动角度。要求通风口向左右必须也能吹到驾驶员或者乘客。通过校核发现，通风口的左右吹风角度和通风口的宽度有关系。通风口的宽度越大，左右吹风角度也越大。当驾驶者坐在最远的位置时驾驶侧出风口可调节吹风方向，吹到驾驶者右肩；同样，当副驾驶者坐在最远的位置时副驾驶侧出风口可调节吹风方向，吹到副驾驶者的左肩。

图6  上下摆动角度的校核

材料选择及性能要求

通风口是有许多小零件组装而成的，这些小零件的材料是不同的。以某款车型为例，图7是某车通风口总成构成图，其中，1、2、4和6件的材料为“PC+ABS”材料；3、7件为POM材料；5件为改型PP材料。对于不同的部位其材料性能要求也不同，因此选材十分重要。举例来说，其中的3件和7件是叶片的连杆，在使用过程中要求其有好的耐磨性和耐疲劳性，因此，选用了POM材料。材料选定后，还必须有相应的材料标准。本件材料性能应满足《汽车用复合强化聚甲醛（POM）成型材料技术条件》、《汽车用烯烃高聚物成型材料（改性PP）树脂成型材料技术条件》和《汽车用聚碳酸脂/丙烯腈-X-苯乙烯树脂的合成聚合物（PC+ABS）成型材料技术条件》。

除了对通风口材料的要求，还有对总成件性能的要求，主要有以下几方面：

1.对操作性能的要求

由于通风口属于经常使用的部件，所以对它的操作性能也提出了要求，用手摇动或敲击本件不允许有咔哒声。

图7  某车的通风口结构

2.对操作力的规定

为了控制拨动通风口叶片时的操作力，对操作力也有明确规定：（1）左右方向：初始状态：1.47 N以上，6.40 N以下；耐热试验中：0.29 N以上；耐热试验后：0.98 N以上。（2）上下方向：初始状态：1.47 N以上，5.90 N以下；耐热试验中：0.59 N 以上；耐热试验后：0.98 N以上。

3.操纵耐久性能

实验方法：操纵循环次数为10000次，全程往返一次为一个循环，操纵速度为15次/min。在完成如下试验次数时测试试验结果：500，1000，2000，3000，4000，5000，7000，10000。实验评价标准：试验后，不应有变形、变色、开裂及安装处的喀哒声，且无其他机能和外观上的异常现象。

图8  通风口与通风管道安装的DMU模拟

4.通风噪声的要求

出风口属于产生噪声的部件之一，所以在设计通风口时要从结构和设计上尽量避免噪声的产生。

5.通风口密封性能的要求

通风口与通风管道的搭接处有密封条，密封条的密封性能影响通风效率。

6.对风速的要求

风速的高低直接影响乘驾人员的舒适感，因此对风速的要求也要重视。

图9  通风口摆动角度的设置

结构设计

前期分析工作和材料确定后，下一步进行结构设计。CATIA的GSD模块与PART DESIGN模块在结构阶段可以实现全参数化的设计，为设计结果的更改提供了方便。首先考虑通风口与其他部件的搭接关系，进行安装结构设计，再进行通风口的本体设计。

1.定义通风口的出模方向

通风口的出模方向主要和与其搭接的大零件的出模方向有关，这里主要指仪表板本体。同时，还跟前期定义的上下出风角度有关。需综合考虑以上两方面因素定义出模方向。

2.与仪表板本体的安装设计

通风口固定在仪表板本体上，安装方式的好坏直接影响外观质量。通风口一般是靠卡子固定在仪表板上，也有用自攻螺钉连接的，这主要跟造型有关系。卡子的安装方式对部件的拔模角度要求比较严格，如果通风口的拔模角度和仪表板的拔模角度差值比较大，会导致通风口安装不平整。卡子的安装面是个平面，而仪表板是个弧面，安装难度大。此外，卡子的结构也很多，选择合理的结构和尺寸都与材料本身的特性有关系，回弹量以及材料的硬度也应该考虑。

图10   DMU间隙检查

3.与通风管道的安装设计

通风口与通风管道主要是靠卡子来安装的，从安装顺序来看通风口与通风管道的密封是个难点，需要有聚氨酯泡沫增加密封效果。通过CATIA V5的DMU模块，对通风口与通风管道的安装进行了模拟（见图8）。电子样机装配模块模拟用来定义、模拟和分析装配、拆卸过程，通过模拟维护、修理过程的可行性来校验原始设计的合理性。

4.通风口结构的设计

通风口设计应该注意几个方面：首先，叶片轴与本体孔之间的公差应该是过盈配合，并且过盈量不应该太大，否则会需要较大的操作力，不易拨动叶片；如果过盈量太小，会导致叶片不能稳定在某一角度，在车身稍有振动的情况下就会晃动。其次，为了使叶片拨动起来更柔和，可以在转轴与孔之间加入软性垫片。

第三，校核叶片的转动能否实现，以及叶片的转动限位是否符合转动角度要求。

CATIA DMU模块的运动机构模拟是通过调用大量已有的多个种类的运动或者通过自动转换机械装配约束条件而产生的运动副，对任何规模的数字样机进行运动机构定义。通过运动干涉检验和校核最小间隙来进行机构运动分析。

首先将通风口总成的各个部件调入装配环境，对整个机构进行分析，根据各零件之间的运动关系使用运动机构模拟模块KIN中的运动副命令添加相应的运动副。然后，设置驱动尺寸的角度（见图9），进行运动机构模拟。在运动仿真中，我们可以检验各个零件之间的间隙情况（见图10）。

图11   通风口的出模分析图

工艺设计

1.壁厚

对于转动体式通风口来讲，受拔模斜度的影响以及转动体转动的需要，使得壁厚不同，这就给注塑工艺带来了难点。壁厚不同的部位应该逐渐过渡，不应该有突变，否则会出现塑痕。同时，也要注意最大壁厚不应大于工艺要求所能承受的厚度。对叶片式通风口来讲，本体壁厚应尽可能保持一致，约为2～2.5 mm，叶片壁厚也是2～2.5 mm。如果有个别叶片需要一定承载力，那么它的厚度可以增加。

2.脱模斜度

为了保证制品从模具内取出时不产生表面划伤和擦毛等情况，制品内外表面沿脱模方向都应有倾斜角度，即脱模斜度。脱模斜度的大小与制品材料的性质、收缩率、壁厚及形状有关。在不涉及到外观的表面脱模斜度一般为1°～3°，外观面的脱模斜度根据外表面花纹的深度和形状来定义，一般粗花纹要求5°以上，细花纹要求3°以上。

CATIA 的软件中feature draft analysis命令可以用来分析零件的脱模可行性。通过图云就可以直观地发现工艺问题。图11为通风口的出模分析图。

结语

协同产品开发管理系统的应用，为天津一汽的产品开发提出了规范化、流程化的产品设计，积累了丰富的产品数据库。系统管理下的CATIA软件平台，更成为产品进行结构分析、设计、DMU运动分析及工艺分析等设计过程的重要手段。综上所述，每个零件的设计过程都可以归纳为如下步骤：与造型师交流，达到其设计意图；根据造型做有关部件性能和人机工程学方面的分析；对标车同类件结构进行分析；参考其他车型的结构，进行综合对比，选择合理的结构形式；进行工艺可行性分析；试制、试装样件；分析失效原因，再改进结构。总之，理论与实践是密不可分的，理论指导实践，实践反过来又为理论的提高提供了实际素材。