汽車空調產品的協同開發探討

江宜春

摘要：本文闡述了在電動轎車開發各個階段中空調系統性能的關鍵技術。隨著汽車技術的不斷推陳出新，各級供應商和整車廠之間的協同合作日益緊密，特別是新能源汽車的研發。盡管新能源汽車的發展起步較晚，全球不同整車廠之間的技術水平差距相對傳統汽車來說很小。但在現在社會汽車整車及零部件的研發節拍還是至關重要的。作為汽車舒適性的重要零部件空調系統也是常常成為區分汽車性能好壞的重要因素之一。因此，汽車廠商非常重視整車的快速制冷，快速加熱和低噪音的空調性能。

關鍵詞：新能源；汽車；空調；快速；同步

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）33-0133-04

一、引言

自21世紀以來，隨著全球各國對能源、環保等問題的關注，國內外各大汽車企業和科研機構明顯加大對電動汽車研發的投入力度，各國政府也通過制定各項措施和相應的政策以促進新能源汽車的研發和推廣，使電動汽車的發展步伐更快，到目前也有部分電動汽車進入批量生產，并進入家庭使用階段了[1]。

盡管電動汽車關鍵零部件技術的研究日趨成熟，產業化程度也在日益提高，但由于其涉及一些新技術的應用，特別是電池技術，使其在廣泛應用和用戶接受方面還是有很大的差距。而作為電動車的乘坐舒適性和保證電池的使用壽命的空調系統在電動車整個架構中還是起到關鍵的作用。因此在現在整車開發的快節奏中，作為零部件設計開發的供應商在整個整車開發流程中在保證產品的性能和整車需求的情況下如何與整車做到協同開發是至關重要的。

二、汽車產品開發概述

新能源汽車雖然與傳統汽車有較大的區別，但整個的整車開發流程中還與傳統汽車差別不大，在目前的技術水平和人員配置條件開發一部新能源汽車也需要至少3年的時間，其涉及到市場調查、公司高層的戰略決策、制定各個系統的目標、將目標分解到各個系統和部件、制造模型車、各項性能指標的檢驗以及制造出汽車過程[2]。

在整車開發中影響因素很多，但可以歸納為四個方面：顧客的需要、政府的法規、市場上競爭對手的產品和公司自身的技術水平。圖1為整車開發的基本過程及在不同階段的主要工作（虛框內的內容）。

終端客戶在購買汽車時，會考慮很多性能和可靠性方面的要求，如汽車的款式、外觀、安全性、舒適性、燃油經濟性、可靠性、內部空間、行李箱尺寸和價格等等。

三、結合整車開發的空調系統開發流程

圖1所示的是基本整車開發過程，但這個過程并沒有體現整車開發的深度和復雜性。由于整車最終是由單個零部件組裝而成，因而從整車性能目標拆分到系統性目標，進而拆分到最終可以制造的零部件性能目標。圖2可以形象地顯示零部件開發與整車開發的關系，也通常稱之為V型開發程序。

在實際整車開發流程中，零部件開發、系統集成和整車集成這幾個是分不開的，是由整車的目標拆分到系統，再到零部件的目標；還是根據有現有零部件的目標，進行系統和整車集成后形成整車的目標。這得從整個產品開發的需求，如時間、成本、產品的可靠性以及產品的質量目標等相關，而并沒有硬性的規定。也可以在不同的產品開發階段進行必要的分析后再進行最后確定。

四、不同階段中的協同開發

協同開發不同于通常意義上的同步開發（Concurrent Engineering）。同步開發有兩種含義：其一是在設計過程中通過工作組和專家把關，同時考慮產品生命周期的各個方面；其二是在設計階段就可同時進行工藝（包括加工工藝、裝配工藝和檢驗工藝）過程設計，并對工藝設計的結果進行計算機仿真，直至用快速原型法（RPM）并結合逆求工程（RE）技術生產出產品的樣件。對于我國汽車企業，更多的應用在整車內部不同部門不同分公司之間的同步工程，而很難將供應商納入該體系之中。因此在此強調的是整車廠與供應商的資源共享，整車廠與供應商之間的有效技術溝通、數據溝通、經驗交流，其中作為信息溝通平臺的PDM系統是必不可少。

整車廠在產品開發過程中，其中內部的部門也有很多。為了協同開發的效率，零部件開發商在這個開發組織結構中也成為其中的部門或分支，在整車開發過程中共享相關的開發信息。

（一）在概念設計階段

作為整車廠在圖1所示的整車概念開發階段（甚至更早）是將整車的性能指標通過各種手段（如CAE，CFD等計算機虛擬分析）分解到各個系統和零部件[3]。在該階段最為空調系統的開發商來說，其介入得越早越有利于整車開發時間的縮短，畢竟空調系統的開發上是最熟悉其自身的成熟的產品，而正是這些成熟的產品不但保證其較短的產品開發周期，而且還能保證產品的可靠性。而在這種協同開發中，對空調系統的開發商和整車廠來說，相互的產品設計輸出和輸入是影響產品設計的正確性和縮短產品開發周期的重要保證。

該階段整車廠對應空調系統的設計輸出至少包含以下內容：電池的容量（冷卻電池所需要的冷量）、電動壓縮機的規格、電子電器的通訊要求、乘客艙的制冷量及加熱量、風量大小、噪音大小、控制的初步策略和相應零部件的空間布置等要求。

空調開發生產企業根據整車廠的技術要求將最大化利用其標準件、通用件、過去生產過的零部件或用組合方式或稱為堆積木方式來設計新產品。當然采用這種方法的前提是必須使零部件標準化、通用化，并加強對這些零部件的管理工作。應事先規定每個標準件和通用件的特征及其使用范圍，在進行新產品設計時，設計人員可運用優選法，選擇適當的標準化以及通用化零部件。設計時通常可以擬定幾個產品組合方案，通過技術經濟效果分析或采用價值工程分析方法，選擇最優組合方案。因此，這種設計方法最容易實現產品設計自動化，容易實現利用計算機進行輔助設計。

當然在這個階段，整車廠與空調系統開發商的硬軟件資源的相互利用和合理調配也是很重要的。在概念階段中，計算機的虛擬分析占有大半的工作，整車廠可以利用其整車廠的資源，如CAE，進行分析整車車身的模態和頻率時，須及時將空調系統的關鍵零部件的模態和頻率分析完成。

圖3所示是整車開發與零部件開發在概念階段各種信息溝通渠道。這些信息溝通可以再PDM中完全可以實現，對于產品設計所用的工具，如CAD、CFD、有限元分析等，虛擬裝配等數據資源均可以再PDM數據庫中進行共享和調用。

在概念階段中間，還涉及到系統工程問題，首先需要明確空調這個系統的范圍，其含有關鍵零部件：電動壓縮機總成、冷凝器儲液罐總成、空調管路、空調暖風總成、電加熱器、電池冷卻器總成和控制器組件等等[4]；在這個系統開發中過程，其中零部件與周邊零部件物理上的邊界關系、電子電器件的連接和電子電器零部件之間的通訊問題將不斷清晰和完善。這就是空調系統開發所涉及的比較全面的系統性工程。空調系統開發商可以依據整車廠的初步技術要求，利用相關的計算機軟件對制冷劑回路和空氣回路進行性能計算，并可以在軟件中利用相關的經驗數據進行初步的系統驗證和匹配；還可以利用相關的軟件如Matlab進行電子電器控制上虛擬設計并進行虛擬驗證。

（二）整車手工/快速樣車階段

在概念階段中，主要是采用一系列的虛擬手段和共享平臺進行整車、系統和零部件的性能設計和驗證。而在整車手工/快速樣車階段，則是通過經濟實惠的手段進行工程樣件的制作，并零部件級的樣件進行性能測試，以確定其滿足設計要求，再在樣車車間進行組裝成整車。在該階段的樣件制作并不過多的考慮其工藝性，但需要最大限度的確保零部件的性能和裝配尺寸的正確性。

圖4所示是在該階段，空調開發商與整車廠之間的關系。很多零部件開發商在溝通渠道上為了信息的正確性和單一性，往往采用單線聯系和溝通，在協同開發中就需要采用圖4所示的交叉溝通，應允許不同部門之間的直接溝通，以加強協同開發的效率。

這種協調開發模式將要求很強的項目管理團隊，對協同開發過程中的技術、溝通、成本、設計質量、人員配置、時間進度等等進行高效的管理，并在協同中不斷定義不同的成員的職責范圍。

在該階段的協調開發中需要空調開發商積極參與到整車廠相關的開發環節，需要一定技術在現場對整車裝配進行跟蹤，并積極反饋試裝過程中的問題，在最短時間將問題解決；在整車試驗驗證過程中也需要空調開發商的實驗工程師一起參數相關的實驗驗證，在問題出現的第一時間進行初步判斷和分析，確保整車廠的整車試驗驗證和性能匹配順利按計劃進行。

協同開發的目標是在更短的時間開發出高質量的產品，因此需要不同的開發階段中尋找合適的時間、合適的人員來完成適當的開發工作。在階段開發工作的最終結果就是完成整車工裝樣車的設計驗證，但這個階段并不一定是從前一階段完全完成后才進行，而且下一階段也并不是從該階段完全結束后才啟動的。圖5可以邏輯性的表示協同開發。

因此在第一輛車裝車完成后，基本可以確認空調相關的零部件裝配，繼而可以進行工裝、工藝等等細化設計；而在相關性能試驗后，確認空調性能整車實車上是滿足其需求的，這樣工裝和工藝等細化將是有效，如果有些改動，這對工裝和工藝的影響也是在可控的范圍。總之這些將有利于提高協同開發的效率。

該階段的協同開發主要內容是根據先期從虛擬分析很驗證得到的技術目標進行快速樣件的制作；針對快速樣件進行相關的性能測試，確保其滿足零部件的性能目標；將相關零部件組裝在一起，在試驗臺架上進行性能匹配和驗證；最后提交整車廠進行整車裝配驗證、整車性能試驗驗證和用于其他零部件的整車耐久性驗證等等。

（三）整車工裝樣車階段

該階段協同開發的內容與上節很接近，但在階段更注重的是產品在一定工裝、工藝和質量控制等條件下制造出來后是否滿足最終技術要求。因此該階段同上一節一樣，設計、制造和管理等不再是被看成彼此相互獨立的過程，而要將它們納入一個整體的系統來考慮。很多工作是并行著進行的，如：一方面在設計過程中通過工作組和專家把關，可以同時考慮產品生命周期各個方面的因素；另一方面是在設計階段就可同時進行工藝（包括加工工藝、裝配工藝、檢驗工藝等）過程設計，并對工藝設計的結果進行計算機仿真，用快速成型等方法制出樣機。由于產品設計變更都是在產品整個生命周期的后半部分出現問題時才進行的，這時變更設計造成開發周期增長，開發成本費用增高，流程與設計都難于改變；在該階段中，有很多的工程更改可能隨之而來。而協同開發工程強調在設計開始階段就對設計結果隨時進行審查，并及時反饋給設計人員。這樣可以大大縮短設計時間，降低產品開發成本，還可以保證將錯誤消滅在萌芽狀態。

協同開發小組應建立典型產品的設計模型。但該階段需要對模型進行驗證的權重較小，而主要將模型、實物和工藝進行驗證，以達到在產品設計、可靠性設計和可靠性試驗的目的，就是為了建立典型產品的設計數據庫，并通過現代計算機的應用技術，將設計數據實現信息收集、編制、分配、評價和延伸管理，確立典型產品設計模型。并通過對確立的典型產品設計模型的研究，利用信息反饋系統進行產品壽命估算，找出其產品設計和產品改進的共性要求，實現產品的最優化設計。要使開發的汽車產品設計最優化，還必須了解同類產品的失效規律及失效類型，尤其是對安全性、可靠性、耐久性有重要影響的產品設計時，要認真分析數據庫內同類產品的失效規律及失效類型作用，采取成熟產品的積累數據，通過增加安全系數、降低承受負荷、強化試驗等方法，來進行產品最優化設計。

（四）小批量階段的協同開發

并行工程在小批量試制階段的工作重點是實現生產能力的優化。應按產品質量要求對生產能力進行合理配置。生產過程的“人員、設備、物料、資金、信息等”諸要素的優化組合，是實現用最少投入得到最大產出的基礎，尤其是在產品和技術的更新速度不斷加快、社會化大生產程度日益提高的今天，要實現產品快速投放市場，就更需要對工藝流程、工序成本、設備能力、工藝裝備有效性、檢測能力及試驗能力的優化分析，實現生產能力的合理配置。同時對生產出來的產品，應站在用戶的立場上，從加工完畢、檢驗合格的產品中抽取一定數量，評價其質量特性是否符合產品圖紙、技術標準、法律法規等規定要求；并以質量缺陷多少為依據，評價產品的相應質量水平，并督促有關部門立即制定改進措施，對投入試用的產品還應把用戶反饋回來的信息進行分析，對用戶提出的合理和可行的建議，也應拿出改進措施，實現客戶滿意。另外，由于汽車這個產品對安全要求的特殊性，企業還必須對汽車進行安全可靠性試驗。汽車產品的安全可靠性試驗的目的，主要是考核產品是否達到規定的安全要求。產品設計改進和產品質量改進是貫穿于產品壽命周期的一項經常性工作，持續改進是使企業管理水平不斷提升的基本方法，更是追求顧客滿意、企業獲利的永恒動力。

五、結論

在激烈的汽車市場競爭中為提高我國汽車企業的競爭力，盡力縮短產品開發周期和實現顧客滿意，已成為我國汽車企業的關鍵。而汽車從設計開發到投放市場是一項艱辛而復雜的系統工程。在汽車產品開發中運用并行工程，就是為了將滿足客戶需要的高品質汽車產品快速投入市場。總的來說以整車企業與配套企業互利互惠為原則，采取的從概念設計到產品銷售各階段有關人員共同考慮汽車全生命周期內質量、成本、價格、服務和產品開發速度的一體化實施的過程，就是我們所探討的并行工程在汽車開發中的運用。

參考文獻：

[1]徐國卿.電動汽車技術發展趨勢與展望[J].先進技術研究通報，2010，（2）.

[2][美]卡爾T.猶里齊，斯蒂芬D.埃平格.產品設計與開發[Z].

[3]吳忠，彭為.基于虛擬樣車、逆求工程及異地并行設計技術的汽車車架設計、開發系統研究[J].計算機工程與應用，2004，（4）.

[4]Toyota Hybrid System THS II[EB/OL].

http：//www2.toyota.co.jp/en/tech/environment/ths2/system.html.