一種雙層流汽車空調(diào)的進風系統(tǒng)及其控制設(shè)計方法

馬凱

（美的集團（上海）有限公司，上海 201702）

近年來, 脫離了內(nèi)燃機的新能源電動車由于失去主動熱源，愈發(fā)的追求將熱利用率達到高效甚至極致，以此來平衡駕駛艙舒適度、電池、電驅(qū)、電控等對冷/熱的需求，高續(xù)航、高熱舒適效率、高智能化也越來越成為各主機廠汽車產(chǎn)品推崇的營銷賣點，熱利用、熱回收、熱效率、熱節(jié)能也成為主機廠技術(shù)革新和產(chǎn)品迭代的挑戰(zhàn)。

汽車空調(diào)是駕駛艙熱舒適性調(diào)節(jié)的載體，但其本身也是一個能耗的載體，如果通過空調(diào)箱的優(yōu)化設(shè)計將冷熱空氣源自身的熱量進行適宜的利用，會對提高新能源車電池續(xù)航起到有益的促進作用，雙層流HVAC 就是一種專門為提高能源利用效率而革新的汽車空調(diào)箱形式[1]，其可在特定的模式下將車外新風被風機抽入到特定的流體腔用于駕駛艙內(nèi)面部/除霜區(qū)域的加熱，而艙內(nèi)較熱的內(nèi)循環(huán)氣流被風機抽取到位置較低的特定腔體內(nèi)，供腳部區(qū)域的加熱，無須擔心車窗起霧的風險。這種結(jié)構(gòu)有效的將兩股氣流劃分開來，既提高了低溫工況下的熱利用率和電池續(xù)航能力，又不影響其他模式下客戶對舒適性的追求[2]。本文基于北美某款車型上雙層流HVAC的實際開發(fā)項目和研究，對雙層流進風系統(tǒng)中OSA/REC分風管理技術(shù)和機械設(shè)計控制等瓶頸點，提供了一種設(shè)計思路，旨在對當前還不夠成熟的雙層流技術(shù)起到一定的指導意義。

1 雙層流HVAC 分配箱氣流架構(gòu)特點

如圖1 是雙層流空調(diào)箱HVAC 分配箱內(nèi)部氣流流線圖，模式為低溫全熱三吹模式。其特點為：從鼓風機引流過來的兩種氣流（即新風OSA 和循環(huán)風RECY）在蒸發(fā)器EVAP 迎風面和出風面嚴格的被蝸殼內(nèi)分層隔板（Layers Separation）以及分配箱內(nèi)導流板劃分為不同的流向區(qū)域，上部氣流經(jīng)過暖風芯體加熱后分別流向吹面和除霜出風口，下部來自車內(nèi)循環(huán)的氣流經(jīng)暖風芯體加熱后流向前吹腳/后吹面/后吹腳出風口，當用戶不追求快速制熱或?qū)囟鹊囊蟛桓邥r，蒸發(fā)器后的兩個溫度調(diào)節(jié)風門可通過外部設(shè)置的聯(lián)動裝置控制，共同打開引入一部分較冷的新風或內(nèi)循環(huán)風，和經(jīng)過暖風芯體的熱氣流進行混合溫度調(diào)節(jié)，溫度風門的開度決定了冷風的引入量。

圖1 雙層流HVAC 分配箱氣流流線圖

2 雙層流HVAC 進風系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點

雙層流空調(diào)箱要求從進風系統(tǒng)開始，兩股氣流經(jīng)過鼓風機蝸殼組件，在被分層式離心葉輪渦旋抽取并輸送到蒸發(fā)器迎風面之前，氣流均被要求物理意義的分開隔離，并且盡量要做到分隔層之間不旁通串風，風門通道之間不漏風。

2.1 進風箱風門及其模式設(shè)計

根據(jù)客戶輸入SPEC 上對吹腳/吹面風量分配比的要求以及仿真CFD 對風量分配比的計算輸入，在保證進風面積足夠的情況下（按照8m/s@530m3/h 求解面積）將進風大殼體組件按照整車Y 向分為三個區(qū)域，各區(qū)域的進風面積比依次為1.5：7：1.5，即在吹面吹腳Bi-level 模式時滿足進風風量分配比3：7。其中，左右側(cè)為新風進氣流區(qū)，由兩個較窄的碗形風門控制內(nèi)外循環(huán)的通道開關(guān)，中間為內(nèi)循環(huán)進氣流區(qū)域，由一個較寬的碗形風門控制內(nèi)外循環(huán)的通道開關(guān)，三種標準模式下風門的開度情況如圖2 所示。

圖2 進風箱全內(nèi)循環(huán)/Bi-level/全新風模式

2.2 進風箱區(qū)域獨立劃分設(shè)計要點

在Bi-level 模式下，葉輪上層接受來自車外的新風，下層接受來自車內(nèi)的循環(huán)風，新風和循環(huán)風獨立通道的形成取決于進風箱體上特殊的隔板結(jié)構(gòu)設(shè)計，氣流在殼體進風殼體內(nèi)部的具體流線如圖3 所示。

圖3 Bi-level 模式下進風箱內(nèi)部流線示意圖

原則上，在設(shè)計獨立通道隔板以及在過濾器處區(qū)域劃分時，可以考慮單獨設(shè)計一個托盤對過濾器迎風面和出風面進行1.5：7：1.5 的分割，但這樣做的缺點是：a.過濾器自身的波浪結(jié)構(gòu)無法通過和殼體分割板的物理配合，對新風和循環(huán)風做到絕對的隔離；b.單獨的托盤結(jié)構(gòu)要找螺釘固定點和殼體剛性配合，并且托盤脖子設(shè)計要過渡延伸到葉輪分層處，強度不能保證；c.多出一個托盤件，對模具成本/緊固件/裝配工藝流程等的控制無益?；诖耍卷椖坎捎萌【喭斜P支撐的方式，將對過濾器的支撐和分割結(jié)構(gòu)做在進風左右殼體上，并把過濾器一分為三，實現(xiàn)三個區(qū)域絕對獨立，杜絕新風和循環(huán)風在過濾器迎風面和出風面有“串風”的風險。

3 進風系統(tǒng)控制策略

如圖2 所示，HVAC 的進風方式由三個標準模式組成，即全內(nèi)循環(huán)/全新風/Bi-level 模式，其中Bi-level 模式要求中間風門打到全內(nèi)循環(huán)模式，而兩側(cè)風門打到全新風模式。

3.1 OSA/RECY 風門組件設(shè)計

因左右較窄碗形新風風門需要做到與中間循環(huán)風門實現(xiàn)相互獨立運動，并且要保證左右側(cè)風門旋轉(zhuǎn)運動的同步性，旋轉(zhuǎn)過程中和中風門無刮擦干擾性，本設(shè)計采用一種將中間風門軸設(shè)計成鏤空結(jié)構(gòu)的方式，左右風門通過穿過鏤空門軸的帶花鍵的剛性連桿來實現(xiàn)同步旋轉(zhuǎn)的需求，本設(shè)計采用的中風門鏤空半徑為R=5.7mm，與其配合的剛性連桿半徑為R=5.2mm，單側(cè)間隙為0.5mm，連桿需要做偷料設(shè)計保證其成型無縮印變形，連桿材料采用尼龍+玻纖（PA66-GF30），保證其強度，風門硬膠材料均為PP-TD40，軟膠SEBS，硬度ShoreA40±5，具體設(shè)計如圖4 所示。

圖4 風門以及其獨立旋轉(zhuǎn)設(shè)計方式示意圖

3.2 循環(huán)風門機械傳動機構(gòu)引出

同軸的風門是無法采用一個電機來實現(xiàn)兩個旋轉(zhuǎn)副獨立運動的，需要借助四連桿機構(gòu)或其他方式將一個旋轉(zhuǎn)副引出來，然后通過設(shè)計模式凸輪盤的方式來控制兩者的旋轉(zhuǎn)[3]。本設(shè)計將中間內(nèi)循環(huán)的旋轉(zhuǎn)運動做引出，通過在中間風門的三角橫梁上設(shè)置旋轉(zhuǎn)孔結(jié)構(gòu)（圖4 上方視圖上的孔），和旁側(cè)設(shè)計的輔助連桿形成四連桿機構(gòu)，旨在將中間風門的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為輔助連桿的旋轉(zhuǎn)。在右側(cè)通過于輔助連桿和新風風門軸上增加曲柄，使得中間內(nèi)循環(huán)風門和旁側(cè)新風風門得以實現(xiàn)獨立運動，具體如圖5 所示。

圖5 內(nèi)循環(huán)風門傳動機制示意圖

3.3 模式控制與凸輪盤設(shè)計

進風箱控制模式輸入條件如表1，根據(jù)風門的位置，模式切換順序為全新風-Bi-level-全內(nèi)循環(huán)，考慮到風門的跨度較大，連桿尺寸較長，塑料機構(gòu)的運動和產(chǎn)品部件之間的公差積累均會帶來一些機械誤差，所以本設(shè)計給的風門過壓角的經(jīng)驗理論值為7°，如此以保證各模式下風門的泄露風險要求。

表1 進風箱模式設(shè)計表

本項目采用解析法設(shè)計可控制機構(gòu)運動的模式盤，設(shè)計過程中需要注意：在控制雙風門旋轉(zhuǎn)時，模式盤的尺寸最好控制在R=40mm 以內(nèi)，控制三風門時因為有三個軌跡槽，其尺寸可擴大至R=50～55mm 之間，過大的凸輪盤會導致偏擺現(xiàn)象嚴重，而過小的模式盤會導致軌跡線交叉或軌跡線出現(xiàn)陡坡，陡坡往往是壓力角突變導致運動機構(gòu)鎖卡死的主要原因，大小合適的軌跡既可以滿足合適長度的旋轉(zhuǎn)力臂又可保證運動過程的絕對順暢。本設(shè)計采用R=40mm 的盤，壓力角優(yōu)化到不大于65°[4]，模式盤采用自潤滑性較好的POM 材料，除此之外，為保證凸輪盤和曲柄的銷滑動過程中無異響，曲柄銷和軌跡槽之間單側(cè)預留了0.08mm 的間隙。

本文基于解析法設(shè)計進行軌跡槽的設(shè)計，通過利用CATIA 軟件中的DMUKinematics 模塊可模擬得到風門運動角度的理論曲線[5]，對設(shè)計的驗證起到一定的輔助驗證作用，如圖6 所示。

圖6 基于DMU 的解析法機構(gòu)設(shè)計驗證

3.4 設(shè)計驗證結(jié)果和分析

將上述新風箱的整體部件聯(lián)合HVAC 的其他部分子零件以樣機的形式做CNC 加工或3D 打印，裝配好完整的HVAC 后做臺架驗證，主要針對新風和循環(huán)風機構(gòu)控制的運行操作力、風門的閉合程度（即泄漏量）、葉輪是否刮擦殼體進行驗證。

實驗結(jié)果：a.未安裝電機之前，手工測試模式盤的旋轉(zhuǎn)操作情況，認為阻力較小，十分順滑。加上步進電機后，常溫下機構(gòu)最小可在4V 的條件下帶動機構(gòu)做模式順序切換，扭矩儀測試該電壓下的最小操作力僅有42N.cm，滿足客戶SPEC 輸入的60N.m 要求；b.在風量臺上測試新風和循環(huán)風風門的泄露值，其泄漏量均不大于90L/min，符合客戶的要求，手動扶持風門碗形硬膠做開閉動作，觀測風門軟膠的變形情況，認為風門軟膠有明顯的過壓，判斷其關(guān)閉情況良好；c.將風機在13.5V，最大占空比下進行主觀評價的刮擦實驗測試，葉輪并未出現(xiàn)和殼體以及中隔板的刮擦現(xiàn)象，認為設(shè)計的安全間隙合理。另外，由于如上實驗均使用的是樣機測試，認為實際模具產(chǎn)品的性能指標應(yīng)該比其更加優(yōu)越或可靠。

4 結(jié)論

本文對雙層流的進風箱設(shè)計提供了一種設(shè)計思路，尤其對新風/循環(huán)風區(qū)域劃分設(shè)計以及機構(gòu)控制模式的方法，都做了詳細的闡述。主要的結(jié)論經(jīng)驗為：a.雙層流同軸三風門要想實現(xiàn)分區(qū)域模式獨立控制，做輔助連桿的引導是一種重要的轉(zhuǎn)化思路，將其中某一個或兩個旋轉(zhuǎn)副用四連桿機構(gòu)引出旁側(cè)可解決單電機控制多風門時的設(shè)計問題；b.雙層流進風機械機構(gòu)一般都比較復雜，并且可能涉及到長連桿、多風門、多連桿的設(shè)計，一般情況下，連桿尺寸越長、機構(gòu)越復雜、被驅(qū)動的風門部件之間跨度越大，風門的過壓角度應(yīng)當適量的做大，以免機構(gòu)過長微變形、公差累計、機構(gòu)間隙延后等帶來的尺寸效應(yīng)，從而導致風門泄露的風險；c.雙層流葉輪和周邊要預留一定的安全間隙，這和葉輪高度以及鼓風機動平衡情況有關(guān)；d.凸輪盤的材料、壓力角、與配合曲柄銷的間隙對機構(gòu)的噪音和機構(gòu)執(zhí)行過程中的操作力有最直接的影響。