汽車空調出風口出風量不一致的控制和優(yōu)化

周學斌， 田 波， 何 理， 李 鋒

（東風十堰美瑞特汽車空調有限公司技術中心， 湖北十堰 442013）

隨著人們對車內環(huán)境舒適性要求的提高， 汽車空調的裝配率也越來越高。 在某特定的汽車車身空間中， 大多數客戶對于汽車空調的要求越來越高。在空調設計初期 （本文以手動空調為研究對象），一般主機廠會對空調系統(tǒng)的各個出風口的出風量分配進行定義。 特別是雙模式狀態(tài)， 如吹臉／吹腳，一般要求吹臉60%， 吹腳40%。 但有很多空調公司將該問題過于忽略化和簡單化， 造成的后果是， 當空調操縱機構模式旋鈕正向旋轉至某一模式時， 風量分配基本能夠滿足客戶需求， 但當模式旋鈕反向旋轉至該模式時， 風量分配造成要么沒有風， 要么風很大， 造成客戶不滿意。 所以， 如何在設計初期階段， 有效控制空調操縱機構模式旋鈕正反轉至同一模式時， 某一出風口出風量分配始終在客戶需求的范圍內， 成為空調廠家有待解決的課題。

1 出風量不一致的理論原因分析

操縱機構模式旋鈕正反轉至同一模式時， 空調暖風機出風口出風量不一致的根本原因是： 當旋鈕正、 反向旋轉至同一模式狀態(tài)時， 控制風量分配的暖風機風門停留位置不一致。 而影響暖風機風門停留位置的主要因素是控制風門運轉的運動機構行程損耗。 行程損耗的影響因素主要有以下2種。

1） 操縱機構運動機構本身的配合間隙過大，造成行程損耗， 從而造成旋鈕正反轉至同一模式時， 風門停留位置不一致。

2） 暖風機運動機構配合間隙過大， 造成行程損耗， 從而造成當操縱機構模式旋鈕正、 反向旋轉至同一位置時， 風量分配不一致。

下文以某重型載貨汽車手動空調HVAC總成為例， 分別從操縱機構運動機構和暖風機運動機構間隙過大造成風量分配不一致的原因進行分析， 輔以實例剖析， 并給出有效解決方案。

2 操縱機構運動機構行程損耗造成風門停留位置不一致

2.1 原因分析

操縱機構模式示意如圖1所示， 模式旋鈕正反轉風門停留位置不一致如圖2所示。 圖2中， 假設風門將自 “吹臉” 打至 “吹腳”， 操縱機構所需總行程為10 mm； 風門自 “吹臉” 到“吹臉／吹腳”， 操縱機構需要行程5 mm， 風門自“吹腳” 到“吹臉／吹腳”， 操縱機構需要行程5 mm， 實際行程自操縱機構到暖風風門在傳輸過程中的行程損耗為2 mm。 那么當操縱機構模式旋鈕（順時針旋轉） 自 “吹臉” 打至 “吹臉／吹腳”， 風門自“吹臉” 開始動作， 剛開始的2 mm用來克服損耗的行程， 風門實際不動作。 走完2 mm的損耗行程后， 風門開始動作， 走完3 mm 的有效行程后，操縱機構理論設計的5 mm行程已經走完， 此時風門的?？课恢迷谌鐖D2中的“自吹臉到吹臉／吹腳實際風門位置” 處， 而不是在 “吹臉／吹腳理想狀態(tài)風門位置” 處。 同理， 當操縱機構模式旋鈕 （逆時針旋轉） 自 “吹腳” 打至 “吹臉／吹腳” 時， 理論行程是5 mm， 剛開始的2 mm行程用來克服機構傳輸中的行程損耗， 風門不動作， 走完2 mm的損耗行程后， 風門開始動作并運轉。 當暖風風門走完3 mm的有效行程后， 自 “吹腳” 到 “吹臉／吹腳” 5 mm行程已經走完， 暖風風門?？康奈恢萌鐖D2中的“自吹腳到吹臉／吹腳實際風門位置” 處， 而不是在“吹臉／吹腳理想狀態(tài)風門位置” 處。

這就是當操縱機構模式旋鈕順時針旋轉和逆時針旋轉至同一模式 （特別是雙模式： 吹臉／吹腳或除霜／吹腳） 時， 暖風風門停留位置不在同一個中心位置的原因。 所以， 在設計暖風以及操縱機構傳動機構時， 應該盡可能地減少其中的傳動環(huán)節(jié)， 并減小一切可以減小的機構之間的傳動間隙。 當然，在機構加工過程中， 盡可能地提高加工精度， 減小加工誤差， 才能做到實際和理論相一致。

2.2 實例剖析

圖3為操縱機構總成示意圖， 通過手動操縱模式旋鈕旋轉， 帶動圖4中2個模式搖臂錐齒輪進行旋轉， 模式拉絲芯線 （一般為不銹鋼絲） 連接在其中一個模式錐齒輪上， 模式錐齒輪的旋轉運動推動拉絲芯線進行往復運動， 拉絲芯線貫穿并固定在拉絲護套 （一般用PP或PE材質） 中進行軸向推拉運動，如圖5所示。

影響操縱機構行程損耗的主要因素有： ①齒輪嚙合間隙， 如果圖4中的錐齒輪配合間隙較大， 就會有部分有效行程被損耗； ②拉絲芯線和模式搖臂齒輪安裝孔（圖3） 配合間隙較大； ③拉絲芯線和拉絲護套配合間隙較大（圖5）， 行程也會被損耗掉。 傳遞到暖風機模式運動機構上的有效行程減少和縮短后， 驅動暖風機風門正常運行的行程就減小， 造成圖2中風門在正反轉時的停留位置不一致，導致在同一模式下正反轉時出風口的風量不一致。

2.3 有效解決方案

1） 設計上減小相關機構運動傳遞之間的配合間隙。 如圖4的操縱機構錐齒輪之間的嚙合間隙， 盡量采用過盈配合； 拉絲芯線和拉絲芯線安裝孔的配合間隙單邊控制在0.1 mm左右； 拉絲芯線和拉絲護套之間的配合間隙單邊控制在0.4 mm左右； 錐齒輪和齒輪軸之間的配合間隙控制在單邊0.05 mm左右。

2） 工藝上控制并改進相關零部件的配合性。將圖5中的拉絲芯線和護套之間進行改進， 將護套做成雙層護管， 外層采用PP+PE混合材質， 內層采用POM材質， 充分利用POM材質的自潤滑特性，可以在減小芯線和護套的配合間隙的同時保證拉絲芯線的潤滑性， 解決了操縱的舒適性， 如圖6所示。

3） 在具有相互運動的機構之間涂以適量潤滑脂， 保證運動的連續(xù)有效性和舒適性。

3 暖風機運動機構行程損耗造成風門停留位置不一致

因暖風機運動機構行程損耗造成模式旋鈕正反轉風門停留原因同于2.1章節(jié)， 故不再贅言。

3.1 實例剖析

現階段， 手動狀態(tài)暖風機模式運動機構一般由模式分配盤進行分配和驅動， 如圖7、 圖8所示。

通過圖7和圖8可知， 操縱機構通過模式拉絲將推拉力傳遞給模式分配盤。 模式分配盤固定在暖風機塑料殼體上， 在推拉力的作用下， 模式分配盤繞其固定在殼體上的定位軸旋轉運動， 并通過其上的軌跡定位槽帶動風門聯動臂進行旋轉。 風門聯動臂和風門搖臂通過齒輪嚙合， 進而帶動風門搖臂旋轉， 風門搖臂和風門剛性連接固定在一起， 從而起到帶動風門旋轉、 控制風門開啟和關閉的作用。

分析可知， 影響暖風機行程損耗主要為以下幾個方面： ①模式分配盤安裝孔和其定位軸之間的配合間隙； ②模式分配盤軌跡槽和風門聯動臂驅動軸之間的配合間隙； ③風門聯動臂和風門搖臂之間的齒輪嚙合間隙； ④風門搖臂和風門安裝孔之間的配合間隙；⑤風門軸和安裝風門的殼體安裝孔之間的配合間隙。

3.2 有效解決方案

1） 在保證正常靈活運轉的前提下， 減小孔和軸的配合間隙， 單邊間隙控制在0.05 mm左右。 風門搖臂和風門安裝孔屬剛性連接， 采用過盈配合，兩者之間的配合不能有相對轉動的間隙。

2） 齒輪之間的嚙合須采用過盈配合方式， 原狀態(tài)和改進后的風門搖臂和風門聯動臂齒輪嚙合如圖9和圖10所示。

風門搖臂和風門聯動臂是塑料材質齒輪結構， 在嚙合的過程中不同于金屬齒輪的嚙合。 由于塑料件在注塑成型過程中存在收縮， 加上塑料件本身具有一定的塑料彈性， 在齒輪嚙合過程中如果采用分度圓相切進行設計， 最終的實物往往存在較大的嚙合間隙， 造成行程損耗。 應盡量采用分度圓過盈配合進行設計。

3） 改進塑料注塑模具的精度， 嚴格控制注塑工藝的過程參數， 提高產品尺寸和狀態(tài)的一致性和穩(wěn)定性， 是塑料產品長期以來需要攻克的難題。 只有這樣， 才能保證暖風機風門在運動中進行風量分配位置的準確性。

4 綜合解決暖風機風門停留不一致的方案

機構在傳遞運動力和力矩的過程中， 總是存在一定的配合間隙， 有間隙就有行程損耗。 當操縱機構、 暖風機及其風門模具已經定型， 如何克服或補充這些損耗， 使得暖風機同一出風口風量無論在任何情況下都能保證狀態(tài)一致， 就是需要解決的問題。

1） 當操縱機構模式旋鈕打至雙模式： 如吹臉／吹腳或除霜／吹腳狀態(tài)時， 暖風機風門位置在操縱機構模式旋鈕正反轉時不一致， 造成出風口風量不一致的改進方案如下。

下面以某重型載貨汽車空調暖風機為例進行分析說明， 圖11為暖風機模式分配盤改進示意圖， 圖12為模式分配盤除霜軌跡改進示意圖。

圖12中， 第①段除霜軌跡槽區(qū)域： 其功能是控制除霜風門關閉， 除霜風口關閉， 吹腳、 吹臉風口打開。 在該段軌跡槽中， 首先由模式分配盤做繞中心孔的旋轉驅動， 風門聯動臂驅動銷在軌跡槽中處于繞模式盤中心孔做半徑為R的定距離滑行， 聯動臂不做旋轉運動， 如圖13模式分配盤驅動除霜風門工作示意圖所示。 第②段除霜軌跡槽區(qū)域： 是控制除霜風門由關閉到開啟， 除霜風口關閉到開啟的過渡軌跡槽區(qū)域。 當模式分配盤旋轉至該區(qū)域時， 由于該段軌跡槽是繞中心孔漸行漸遠的漸開線運動軌跡， 距離旋轉中心的R逐漸變大， 風門聯動臂的定位銷進入該區(qū)域后， 在軌跡槽的驅動下， 被迫做繞其自身定位孔的自轉運動， 已達到并配合軌跡槽的漸開線運動。 風門聯動臂和風門搖臂是齒輪嚙合，聯動臂的旋轉運動驅動風門搖臂的旋轉運動， 從而帶動風門自關閉到開啟的運動。 第③段除霜軌跡槽區(qū)域： 是控制除霜風門開啟的區(qū)域。 此時， 除霜風口打至全開， 吹腳風口全閉。

當操縱機構模式旋鈕自吹腳打至除霜／吹腳雙模式狀態(tài)時， 風門聯動臂驅動銷就處在圖12中的第②段除霜軌跡槽區(qū)域內。 當模式旋鈕打至除霜／吹腳時， 風門聯動臂驅動銷旋至P點， 風門在除霜風口中處于接近半開的位置， 將風量分配成除霜和吹腳同吹狀態(tài)。 常規(guī)的設計方案該軌跡點圓滑過渡，如圖14所示。

由于除霜／吹腳停頓點為圓滑過渡點， 不能夠自鎖， 造成當操縱機構模式正反轉時， 若整體運動機構中存在不可避免的行程損耗， 風門聯動臂驅動銷停頓位置將會不一致， 造成風門在除霜／吹腳雙模式狀態(tài)中旋轉角度不一致， 最后造成風口出風量不一致。 后果是可能正向打至除霜／吹腳時， 除霜和吹腳都有風， 而反向打至除霜／吹腳時， 可能除霜風很小或沒有風而吹腳風很大， 或者除霜風很大而吹腳沒有風。

模式分配盤除霜軌跡改進如圖15所示， 在除霜／吹腳中間位置增加自鎖軌跡， 在整體運動機構中行程損耗較小的情況下， 使風門聯動臂驅動銷無論在正反運行中都能夠到達該位置并能夠自鎖， 那么風門旋轉角度將會趨于一致， 暖風機出風口風量分配的一致性得到了保障。

2） 當操縱機構模式旋鈕打至單一模式狀態(tài)時，如吹腳模式， 旋鈕正向旋轉時， 吹腳風很大， 其他風口無漏風， 但當旋鈕反向旋至該位置時， 吹腳風變小， 原因是其他風口有漏風。 改進方案如下。

模式分配盤原吹腳軌跡如圖16所示。 操縱機構模式旋鈕正向打至吹腳模式狀態(tài)時， 原狀態(tài)風門聯動臂驅動銷在模式分配盤軌跡槽中的停頓位置M點。 在該點位置狀態(tài)時， 除霜風門關閉除霜風口，全開吹腳風口。 此時， 如果風門聯動臂驅動銷再向右行至漸開線軌跡槽的話， 風門聯動臂將會驅動風門搖臂和風門漸漸打開除霜風口， 關閉吹腳風口。所以該點是理論設計的點， 并要求風門聯動臂驅動銷必須停留的點。 當操縱機構模式旋鈕反向打至吹腳模式時，由于系統(tǒng)運動機構存在行程損耗，很可能風門聯動臂驅動銷停留位置在圖16所示的M1點 （虛線點），該點處在除霜風口逐漸關閉但未完全關閉， 吹腳風口逐漸打開， 但未打至全開狀態(tài)。 停留該位置， 會造成吹腳模式下， 吹腳風口有風， 但風量不是很大， 而除霜風口有漏風現象。

解決的方法是增大吹腳模式打開的行程， 使在操縱機構模式旋鈕反向打至吹腳模式時， 風門聯動臂驅動銷提前到達半徑為R的停留點M， 減小吹腳至除霜段的行程， 由圖16所示的原狀態(tài)吹腳停頓點為72°， 改為圖17所示的吹腳停頓點為66°。 當然，角度也不能夠減得太多， 太多會造成當模式打至除霜／吹腳時的功能失效， 具體可進行快速成型驗證或進行運動模擬分析， 這樣就解決了反向打至吹腳模式時其他風口漏風問題。

5 模擬試驗驗證

表1為某款空調系統(tǒng)整車廠要求的各個出風口風量分配比。

參照東風公司相關要求， 在某一模式狀態(tài)， 其他出風口漏風風速在1.0 m／s以下。

表1 空調出風口風量分配表

對該款空調裝置， 按照上述2.3、 3.2和4章介紹的優(yōu)化方案結果重新進行設計整改和工藝優(yōu)化， 在環(huán)境模擬試驗室中進行對比試驗， 優(yōu)化前后的暖風總成出風口風速數據見表2和表3 （在出風口相同的情況下， 表中以風速進行代替， 所測數據均取最大值）。

從表2、 表3中可以看出， 優(yōu)化后暖風機各出風口漏風風速有了很大的改善， 漏風風速最大值沒有超過1.0。 通過對試驗數據的統(tǒng)計， 得到優(yōu)化后暖風機的出風口風量分配在整車廠要求范圍內： 如吹臉／吹腳， 吹臉占60%±5%， 吹腳占40%±5%； 除霜／吹腳， 除霜占40%±5%， 吹腳占60%±5%。 漏風量減小了， 針對整車空調而言， 無論制冷或者制熱， 在風機風量基本相同的情況下， 相當于提供給乘員艙的風量增加了， 提高了車內環(huán)境的舒適性。

表2 優(yōu)化前暖風總成出風口風速表

表3 優(yōu)化后暖風總成出風口風速表

6 結論

1） 合理設計空調操縱機構和暖風機相關運動部件之間的匹配間隙， 嚴格控制塑料件的注塑和裝配工藝， 能夠起到有效地分配空調出風口風量的作用。

2） 合理設計并控制空調操縱機構和暖風機模式行程的匹配性， 有效改進暖風機模式分配盤的軌跡走向和行程， 能夠改善空調出風口漏風量和風量分配的合理性。

3） 優(yōu)化后暖風機的漏風風速降低了2.0～4.0m／s，提高了車內環(huán)境的舒適性和空調系統(tǒng)的可靠性。

［1］ 郝景龍. 空調系統(tǒng)漏風量控制的意義［Z］. 長舂吉泰建設監(jiān)理有限公司， 2004.

［2］ 周學斌. 汽車空調出風口漏風量的控制和優(yōu)化［Z］. 東風十堰美瑞特汽車空調有限公司， 2012.