CMF在混合动力系统设计中的应用研究

收稿日期：2023-12-22

作者简介

尚文文（1994—），女，工程师，硕士，主要从事新能源汽车驱动系统的应用开发、工业设计等工作；梁小量（1994—），男，工程师，硕士，主要从事发动机结构设计、工业设计等工作；孙强（1987—），男，工程师，主要从事新能源行业驱动系统的应用开发配套及管理等工作；刘红蕾（1993—），女，工程师，硕士，主要参与新能源产品开发过程，从事新能源行业驱动系统的项目管理工作；任凯（1993—），男，工程师，硕士，主要从事新能源行业驱动系统的应用开发配套等工作；李世兵（1990—），男，工程师，主要从事新能源行业驱动系统的应用、设计、开发等工作。

【摘 要】CMF设计能够有效增强混合动力系统的视觉象形，提升产品品质，实现美观性和功能性的统一。文章利用CMF设计原理，基于混合动力系统CMF设计现状及存在问题，梳理混合动力系统CMF设计思路，为混合动力系统的工业设计提供新的设计方向，并结合行业特征及产品特征，总结CMF设计原则、设计流程等，提出适用于混合动力系统的CMF设计原则、设计思路及评价体系。

【关键词】CMF设计；混合动力系统；工业设计；创新设计；评价体系

中图分类号：U469.72 文献标识码：A 文章编号：1003-8639（ 2024 ）07-0012-04

Research on Application of CMF in Hybrid Power System Design

SHANG Wenwen，LIANG Xiaoliang，SUN Qiang，LIU Honglei，REN Kai，LI Shibing

（Weichai Power Co.，Ltd.，Weifang 261061，China）

【Abstract】CMF design can effectively enhance the visual pictograms of the hybrid power system，improve product quality，and achieve the unity of aesthetics and functionality. Based on the CMF design principle and the existing problems of the CMF design of hybrid power system，the CMF design ideas of hybrid power system are sorted out，which provides a new design direction for the industrial design of hybrid power system. Combined with the characteristics of the industry and products，the CMF design principles and design processes are summarized，and the CMF design principles，design ideas and evaluation system for hybrid power systems are proposed.

【Key words】CMF design；hybrid power system；industrial design；innovative design；evaluation system

随着科学技术的飞速发展，混合动力系统的新材料、新技术、新工艺为产品的创新设计提供了更多可能，为经济崛起增加了强劲动力，更为CMF设计的功能实现和提升奠定了基础。然而工业技术水平日趋成熟使得混合动力系统在外观及功能等方面的同质化现象愈发严重。如何通过CMF设计使材料的性能与产品的美感相配合服务于产品，是打造混合动力系统差异化与个性化，延长生命周期，提升创造力和用户归属感的重要手段。

1 CMF设计概述

CMF设计理念是当代工业设计在设计内容上的科学细分和现代产品设计的流行趋势[1]，是以美学为基础，结合材料工程学、设计心理学、消费心理学等多门学科，通过创造性探索产品色彩、材料、工艺的本质特征及系统关系（图1），以提升用户情感和审美体验，打造产品差异化与个性化为目标，实现产品的批量化生产以及成本经济性，创造出产品功能之外的与用户对话的产品灵魂，重新赋予产品生命意义，升华产品设计价值。

CMF是色彩（Color）、材质（Material）、表面处理（Finishing）三大组成要素的简称，指针对产品设计的色彩、材料和表面处理工艺进行专业化设计的知识体系和设计方法[2]，是工业设计后期提升产品情感化表达与视觉审美效果的重要环节，如何平衡三者的系统关系是确保产品功能要求实现以及取得优质用户体验的关键。CMF概念最早由欧美等发达国家提出，经历长期的国际化及职业化探索，其研究重点集中在建立用户与产品的情感连结，增强用户与产品的交互等深层感性层面，而国内的CMF设计行业仍处于基础探索阶段，研究要点主要集中于产品的视觉效果和材质与表面工艺的适配性研究两个方面[3]。近年来，CMF设计已广泛应用于消费电子、汽车、家电、家居等各行业领域，成为产品升级换代的巧妙选择和衡量制造企业工业设计实力与前瞻服务能力的重要特征，更成为制造企业实现转型升级的有效途经。

2 混合动力系统CMF设计要素及其应用

2.1 色彩要素

色彩（Color）是CMF设计中最具有表现力、占据主导地位的设计元素。从用户角度而言，产品的色彩比造型更具有吸引力，琳琅满目的色彩为产品提供了连绵不断的创意源泉，而合理的色彩搭配可以改变用户的心理活动及使用氛围，进一步提升产品的品质特征及辨识度。色彩在设计中体现丰富的情感体验，包括色彩的冷暖感、膨胀感、轻重感、进退感、味觉感、质地感、情绪感[4]。例如黄色给人以愉悦、温馨的视觉感受，红色给人以激情、热烈的视觉感受，蓝色给人以沉稳、科技的视觉感受。因此产品在进行色彩设计时要准确应用色彩的情感特征，利用色彩表达出用户的真实感受和产品期望。

当前混合动力系统呈现的颜色主要是由零部件材质及防锈面漆决定，相较于其他制造装备类产品，混合动力系统具有产品体积大、零部件种类多、零部件造型复杂、使用环境恶劣等特征。产品推向市场前需在整机表面喷涂带颜色的防锈漆，以保证整机的防锈功能，因此市场上多数混合动力系统的外观呈现单一颜色，且各生产厂所选用的颜色已基本形成独特的品牌特征，用户通过颜色可轻松辨别混合动力系统品牌，例如潍柴的蓝色调、锡柴的绿色调，如图2所示。而少数生产厂则通过优化喷漆工艺流程及零部件防锈要求，保留多数零部件材料原色，打造出鲜明的视觉形象。例如吉利（图3）等品牌要求铸铁零部件喷涂带颜色的防锈底漆，其余零部件则保留材料或工艺原色，展现出一种原生态美及科技美，从而实现产品高端品质升级。此外发动机的颜色受应用领域和使用场景等影响，各生产厂在工程机械、工业动力、农业动力、船用动力等领域均使用不同的颜色以做区分。

2.2 材质要素

材质（Material）是产品存在、功能实现、色彩表达的物质基础，一定程度上代表了产品的精神特征，材质的特性直接影响产品的性能、色彩、工艺、外观风格及结构形态等，因此材质是CMF中最难做出改变的要素。特别是对于传统制造业而言，绝大多数材质的选用是由于制造工艺、生产链、成本、性能、环境等因素决定的，其功能属性远大于美学属性与感觉属性，因此材质一旦被选用，短时间内难以被替代。

在混合动力系统领域，材质的运用主要集中于金属（铸铁、铸铝、不锈钢、钣金等）、塑料、橡胶3个方面，其中金属材料是混合动力系统上使用最广泛的材料，约占总零件数量的8０％。随着发动机NVH性能要求的提升，声学材料开始应用于发动机领域，通过隔音及吸音有效降低发动机的噪声传播，提升使用舒适性。此外为了满足环境及时尚需求，碳纤维材料、高性能塑料、生物基可降解塑料等新材料开始应用于发动机气缸盖罩、美观罩等塑料零部件。实际上，在满足性能、成本等条件下，利用新技术新材料进行跨界使用，是CMF创新的一个重要思路[5]。设计师需要充分掌握各材料的特性，通过合理运用实现产品物质功能、审美功能的需求，赋予用户极佳体验。

2.3 表面处理

表面处理（Finishing）是产品成型及外观效果实现的手段，包括物理工艺处理及化学工艺处理两种方式。材料经过表面处理后可以传递不同的纹理、色彩与光泽，为产品的外观提供更多的可能，同时也可有效提升零部件的喷漆附着力和防锈蚀能力，延长使用寿命。精致的表面处理工艺是实现产品高端定位，满足个性化需求，扩大差异化的重要方式。

混合动力总成零部件种类、数量多，应用工况及供应链复杂，进行表面处理的零部件主要为金属类且处理方式相对简易，其中钣金、螺栓等零部件主要采用化学处理方式，包括氧化、磷化、电镀、电泳等，不同的处理方式致使零部件的耐腐蚀情况存在区别，因此零部件所应用的工况也不同，例如氧化及磷化处理方式适用于零部件喷漆的情况。此外，成本、环保性等是影响表面处理工艺选择的重要因素。发动机、电机控制器等压铸件则通过物理处理方式抛丸进行表面处理，通过向零部件表面高速抛射规则的丸粒达到清砂、去杂质、消除应力、提升表面强度等目的，由于丸粒高速撞击，抛丸后的零部件表面具有光滑、清洁、纹理细致等效果，极大提升压铸件的美观度及品质。金属零件常见的表面处理工艺还包括抛光、拉丝、喷砂、压花、蚀刻、表面覆层等方式，为提升产品及其零件的视觉效果提供了更多可能。

目前，CMF设计在新能源领域并未形成明确的设计体系，企业对材料及工艺的要求集中于其自身特性，并未系统考虑色彩、材质、表面处理的关系，缺乏深层次设计分析。实际上产品色彩的冷暖感、膨胀感、轻重感、进退感以及材料及工艺带来的表面质感、粗糙感、柔软度等都会对用户操作行为及情感产生影响[６]。

3 混合动力系统CMF设计原则

1）符合以人为本设计理念。CMF设计首先应遵循以人为本的设计理念，基于用户、颜色、材料、表面处理等设计因素，充分运用人机工程学设计理念，分析并提出可行性方案，以满足用户的特定需求，提升用户满意度。对于需要定期维护和保养的混合动力系统产品，应充分分析用户在操作过程中的状态、情绪及环境，例如赋予整机及零部件沉稳、安静的色彩以消除用户的焦躁感及视觉疲劳，增强用户的安全感和归属感；赋予旋转和发热零件鲜艳、对比强烈的色彩达到提醒的效果，突出和强调用户操作安全性；赋予加机油盖、油标尺（图4）等常用操作件明亮活力的颜色和柔软舒适的材料方便用户查找并操作。此外在选择材料及表面处理方式时，应充分考虑环保、可持续发展理念及安全性、稳定性因素，避免对人体产生不良影响，降低安全事故发生率。

2）符合结构功能及工艺需求。混合动力系统特殊的功能及行业属性决定了其结构功能及工艺要求的特殊性，受高可靠性、高爆压、高品质等技术要求，混动总成的零部件在材料选用、制造工艺等方面有严格的标准和要求，例如机体、缸盖等多选用灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁等高性能材料，利用铸造及CNC加工工艺生产制造而成，表面处理方式采用抛丸工艺。此外温度、强度、液质、稳定性、结构性、功能性等因素则同样决定了混动总成其他外围件的材料类型和工艺方式，因此混合动力系统在考虑CMF各设计要素时应当充分满足其结构功能属性的需求。

3）符合轻量化及成本需求。受能源紧张、环境恶化等因素的影响，混合动力系统轻量化已成为市场竞争的重要手段，日益成熟的新技术和新材料为轻量化要求提供了可靠保障。使用轻量化材料是实现混合动力系统轻量化的重要方式之一，例如使用铝合金材料代替原有的铸铁零部件，使用工程塑料代替原有的铸铝及铸钢零部件，甚至使用陶瓷材料或复合材料代替原有铸铁铸钢活塞。而混合动力系统轻量化并不是单纯的减重，还应综合考虑工艺、性能、成本等因素，在保证整机可靠性和性能的基础上，最大限度地降低各零部件生产成本。

4）符合市场审美和行业属性。不同时期的产品具有不同的时代特征和象征意义，在当代国际化发展的进程中，混合动力系统产品更应通过新配色、新材料、新工艺打造新的产品表现形式，使其符合当前的审美特征，具备并彰显现代艺术气息，摆脱冰冷、单调、死板的机械感。此外，混合动力系统的CMF设计，特别是颜色的选用应当符合行业属性及产品使用场景，例如某船用混合动力总成放置于封闭的船舱环境中，其外观应首选白色等明亮的颜色，既能突出产品本身，又能与周围环境协调统一，满足特定的使用场景要求。图5为某船用混合动力系统。

4 混合动力系统的CMF设计流程

CMF设计是产品设计在消费经济发展到高级阶段的产物，有自己独特的落脚点。在产品设计的创新过程中，CMF设计贯穿于产品调研、产品设计、产品开发的每个环节[７]。CMF设计是在常规工业设计基础上通过改变产品的表面材料、工艺、色彩等，赋予产品更高的精神品质与产品灵性，与用户、市场、技术等维度产生密切联系，因此对用户审美及情感需求的理解与洞察，对未来生活方式的预测与判断，对新材料、新工艺的应用和转化是混合动力系统CMF设计的关键切入点。混合动力系统CMF设计应用流程见图6。

4.1 趋势研究阶段

趋势研究阶段主要是通过研究社会宏观趋势、消费群体、行业等洞察未来市场的机会点，总结提炼品牌设计理念，并从趋势信息的分析中判断下一步CMF设计的出发点，发掘CMF的趋势及设计方向，为设计转化阶段提供理论依据。

1）社会宏观趋势研究指通过研究技术趋势、生活方式、消费方式、审美趋势等热点问题，探索未来潜在的市场趋势和需求走向，明确针对产品设计的相关因素，找到符合自身产品的新CMF设计定位和下一代产品的价值点。例如相关机构提出未来出行方式的CMF朝向极简风格色彩（低饱和度中性色）、美学材料、环保材料、轻量化材料等方向发展，并对产品色彩、材料、工艺以及整体产品消费品味和品质变化进行详细的预测研究，为混合动力系统的CMF趋势研究提供了坚实的理论基础。

2）消费群体研究指通过定量或定性研究对用户的学历、收入、年龄、审美、价值观、兴趣爱好、使用环境等方面进行剖析，了解消费群体的基本特征，洞察用户对情感需求和审美期许，概括对产品CMF及品牌的总体偏好。例如80后用户逐渐成为商用车用户的主体，其消费观念更为追新、自主、个性、潮流，对颜值、舒适、科技、安全的重视比例逐年上升，对新材料、新工艺的接受程度更高。

3）行业研究指通过研究行业内部或跨行业的品牌、热点事件、新产品发布信息以及竞争企业在产品颜色、材料、工艺、图案纹理、新技术等方面的变化，归纳建立发展及流行趋势，以便适当采用。例如聚氨酯隔声材料、碳纤维材料、自清洁材料、免清洁材料在乘用车上应用广泛，极大提升了用户的驾驶舒适度和产品品质，此外乘用车发动机的黑白灰+局部彩色的色彩搭配方式及大量使用塑料件代替金属件也为混合动力系统提供了广阔的参考空间。而专业展会（消费电子展、车展）、论坛、设计机构等均会定期发布相关行业的CMF设计趋势，其中《2022—2023年CMF趋势报告》中提出了硬核自然、柔核自然、木本自然、光感自然、年度自然等5大内容，为各行业相关研究提供有力参考。

趋势研究是一件极为费力的浩大工程，对于混合动力系统制造企业而言，首先应该根据所属行业和相关产品特征展开定向收集，然后结合企业规划的产品定位进行归纳整合，概括CMF设计的主题方向并针对混合动力系统整体及其零部件的有关材料、配色、纹理甚至图案，提出趋势性及系统性方案。混合动力系统CMF趋势的研究流程见图7。

4.2 设计探索阶段

设计探索阶段指以前期所研究的未来趋势为基础，以企业规划定位为指引，综合产品成本等因素，与零部件供应商共同探讨，制定切实可行的CMF技术方案。该阶段主要遵循的流程为：趋势→概念→概念转化→设计提案→设计显现，最后所呈现的显现产品为二维图纸、三维图纸、样品和手板等[８]。一般而言，混合动力系统的CMF设计探索阶段主要包含色彩设计、材料和工艺设计、铭牌（图纹）设计的具体方案。

1）CMF产品色彩设计指通过对色彩及其明度、光泽度等进行创新，达到良好的视觉效果，促使消费者产生情感共鸣。色彩设计的基本流程如下：首先综合考虑企业的品牌特征、行业趋势、市场定位、用户喜好等因素选定色彩并进行色彩搭配，选定色彩时同样需考虑色彩的明度、纯度、光泽度等，常用的色彩参考工具有劳尔（RAL）色卡、潘通（PANTONE）色卡等；其次需要设计师明确合适的材料及处理工艺以实现最佳的视觉效果，不同的材料、工艺会产生不同的色彩效果，因此设计师需要借助计算机渲染产品效果进行对比分析以明确最终效果及工艺等；最后，经综合评估决策后通过供应商以大批量生产的方式做出色板或样件。

2）CMF材料及表面处理工艺设计指对现有成熟材料及工艺的创造性应用。由于混合动力系统的特殊性功能，零部件材料更换一般需要经历长期的市场可靠性验证，开发周期较长。相比于材料的挑战性，设计师可以借助表面工艺充分发挥审美能力，提升零部件的感观体验，例如利用喷塑工艺改变发动机风扇、气缸盖罩、油底壳等塑料零件的颜色、纹理、光泽度，与金属材料形成强烈对比，从而丰富整机的外观效果。此阶段需要设计师多与工程师及供应商进行交流，不断学习材料及工艺等技能，通过创造性地提出成熟材料和工艺的跨界、融合、迭代等，挖掘并升级产品及零部件视觉形象。

3）CMF图案设计指二维或三维的图案或纹理设计。在新能源领域，图纹的设计主要体现于高端定位的铭牌中，例如某高端游艇混合动力系统利用抽象化的动物图案搭配抛光处理的不锈钢铭牌以彰显其稳定可靠、强劲有力的高端产品属性，极大吸引了用户的注意力，使用户情感上得以满足。

4.3 设计转化阶段

设计转化阶段指将设计概念应用到产品的过程，即将CMF设计创意、CMF设计样板应用到企业量产的产品中。此过程主要涉及到企业内部的生产管理体系，需要众多部门协同配合，从而确保产品高品质完成设计到成品的转化，例如小批量样机评审、工艺设计与协调，供应链评估与采购、加工制造过程中品质监管等方面。

5 混合动力系统CMF设计评价体系

CMF设计的最终目的是为企业创造商业价值，带给用户舒适美好的主观体验，包括视觉、触觉等多重感觉的体验、独特的美学风格体验、积极的情绪体验，因此落地性与情感性是CMF设计评价体系的主要评价标准。CMF设计评价体系还应包括对产品色彩、材料、工艺综合品质的创造性、环保性等因素的合理性评价，具体如下。

1）落地性。CMF设计是建立在大工业批量化生产基础上的设计行为，其服务面向批量化混合动力系统生产企业，其设计受制于发动机功能、成本、产业链、生产管理体系以及用户接受度等因素，具有一定的挑战性，能否满足批量化生产是主要评价要素。

2）情感性。混合动力系统作为机械产品、整车或整船内部的零件，用户关注的重点是功能属性，使用过程中难以具备高层次的情感认同和归属，而好的CMF设计可以在产品功能及造型设计的基础上赋予艺术气息，增强美观度，使产品自身的品质特征与整车的高端品质特征更加匹配，帮助用户获得双重的情感体验及心理认同，增强用户的自豪感与依赖感，进而激发购买欲望，能否给用户带来情感体验是CMF设计好坏的重要评价体系。

3）环保性。混合动力系统本身作为一种环保型产品，其生产制作过程中严格遵守环保法规，而CMF作为产品设计的一部分，材料的选择、制造工艺和能源消耗等应控制在适当的范围内，确保比同类产品更具有环保价值，例如行业内部使用三价电镀铬代替传统六价电镀铬工艺，使用环保达克罗代替传统达克罗工艺，从而降低环境污染及人体伤害。

4）创新性。CMF创新性是在现有产品基础上，现有行业同类产品中，跨行业产品应用，进行了CMF的单一元素或多元素的提升或创新延展与变革，包括视觉、触觉等感官元素的创新，例如第3代哈弗H6首次在量产汽车内饰中使用透光PVC材料并且实现定制图案高亮度显示，创造出人车互动的全新体验方式。

6 结论

混合动力系统在路权政策、环保政策等方面具有优势，混合动力系统市场需求呈现高速增长，而CMF设计作为产品外观设计的分支，能够以相对较低的成本在混合动力系统形态保持不变的情况下创造更多的视觉可能性，提升产品及品牌的新奇感与高端品质，甚至创造附加功能，从而满足市场的多元化需求。然而当前CMF设计理念还未在混合动力系统领域展开应用，国内外相关企业也未进行基础研究。本文通过分析CMF设计要素及现状，探讨了将CMF设计理念融入到混合动力系统的流程及评价体系，以期为混合动力系统的工业设计提供一定的借鉴。随着混合动力系统与整车的系统性设计思路升级以及CMF理念在其他行业的创新发展，相信未来混合动力系统将逐步实现从整体设计到细节设计、从功能设计到情感设计、从技术设计到理念设计的转变。

参考文献：

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[2] 郭宋吾铭，岳晓峰. CMF在电动轿车内饰设计中的应用研究[J]. 工业设计，2021（8）：79-80.

[3] 陆小丽. 生活用品的CMF设计——以智能手机为例[D]. 福州：福建工程学院，2020.

[4] 张莉，李禹莹，梁爽. CMF在医疗产品上的应用及展望[J]. 设计，2020，33（1）：140-142.

[5] 田会娟，王志波. 浅谈家电产品CMF创新方法和流程[J]. 流行色，2020（7）：174-175.

[6] 韩玮，尹喆雯，聂冰雪. 基于航天领域CMF设计策略与方法研究[J]. 设计，2021，34（15）：38-41.

[7] 陈俊波，张莉，楚鹏. CMF设计在产品设计中的影响与应用[J]. 设计，2019，32（1）：108-109.

[8] 钟婳婳. 美的大多联中央空调CMF设计研究[D]. 广州：广州大学，2020.

（编辑 凌 波）