熱泵空調(diào)器全塑導(dǎo)風(fēng)板設(shè)計與應(yīng)用研究

黎優(yōu)霞 姬小偉 王現(xiàn)林 陳志偉 陳英強

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

0 引言

隨著熱泵空調(diào)器[1-3]的推廣與使用，在空調(diào)器使用過程中，用戶對導(dǎo)風(fēng)板的導(dǎo)風(fēng)效果提出了更高的舒適性要求，例如：初始開機制熱階段：快速升溫、全屋同時升溫；穩(wěn)定制熱階段：地毯式送風(fēng)，避免直吹頭部；關(guān)機時，無異響噪聲，外觀全閉合[4-5]等。

為了滿足上述舒適性要求，各大熱泵空調(diào)器制造商，采用大寬度導(dǎo)風(fēng)板結(jié)構(gòu)設(shè)計。進一步的，為了滿足外觀需求，即在各類運行工況下導(dǎo)風(fēng)板變形小、外觀穩(wěn)定，該類導(dǎo)風(fēng)板一般采用高強度的外金屬/內(nèi)塑料復(fù)合導(dǎo)風(fēng)板結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 外金屬/內(nèi)塑料復(fù)合導(dǎo)風(fēng)板示意圖

另外，為了降低能耗和制造成本，一般1.5匹熱泵空調(diào)器的導(dǎo)風(fēng)板整體重量不超過500 g。因此，外金屬/內(nèi)塑料復(fù)合導(dǎo)風(fēng)板的金屬外導(dǎo)風(fēng)板一般采用鋁合金材料，通過擠出成型和沖壓造型工藝[6]，進行零件生產(chǎn)制造，表面無卡接結(jié)構(gòu)，與內(nèi)導(dǎo)風(fēng)板的組裝需要借助膠粘劑。

除此之外，金屬材質(zhì)與空調(diào)器塑料面板之間存在較大外觀差異，為了外觀一致性，金屬外導(dǎo)風(fēng)板需要進行外觀噴涂處理；若為冷/暖雙用空調(diào)器，金屬外導(dǎo)風(fēng)板可能引發(fā)凝露問題，需要進行保溫處理，一般在其內(nèi)表面粘貼海綿，或者在內(nèi)、外導(dǎo)風(fēng)板搭接處密封處理。

綜上所述，熱泵空調(diào)器急需一種成型工藝簡單且可靠性高的導(dǎo)風(fēng)板。

1 全塑導(dǎo)風(fēng)板

本文設(shè)計了一種全塑料導(dǎo)風(fēng)板，內(nèi)、外導(dǎo)風(fēng)板均采用熱塑性材料注塑成型，且內(nèi)、外導(dǎo)風(fēng)板通過卡扣連接，在保證導(dǎo)風(fēng)板組件的導(dǎo)風(fēng)性能的前提下，降低整體質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。

1.1 Creo建模

在Creo中，對導(dǎo)風(fēng)板進行三維建模，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 全塑導(dǎo)風(fēng)板Croe建模界面結(jié)構(gòu)示意圖

建模過程中，全塑導(dǎo)風(fēng)板中的外導(dǎo)風(fēng)板，保留原有外金屬/內(nèi)塑料復(fù)合導(dǎo)風(fēng)板的金屬外導(dǎo)風(fēng)板的形線，保證外觀的一致性；塑料外導(dǎo)風(fēng)板的主體料厚由1 mm增加至2.5 mm，便于零件注塑成型；局部設(shè)計卡扣，與內(nèi)導(dǎo)風(fēng)板限位及裝配，替代外金屬/內(nèi)塑料復(fù)合導(dǎo)風(fēng)板邊緣粘貼4條寬度為2 mm的3M膠帶的工序，提高生產(chǎn)效率。

由于全塑導(dǎo)風(fēng)板中的外導(dǎo)風(fēng)板由金屬替換成塑料，剛度下降，為彌補該問題，加強導(dǎo)風(fēng)板結(jié)構(gòu)，如圖3所示，在不影響導(dǎo)流效果的情況下，增加內(nèi)導(dǎo)風(fēng)板弧度，以及加強筋高度和寬度。

圖3 全塑導(dǎo)風(fēng)板結(jié)構(gòu)二維圖

1.2 導(dǎo)風(fēng)板基本數(shù)據(jù)情況

對比外金屬/內(nèi)塑料復(fù)合導(dǎo)風(fēng)板材料剛度選取全塑導(dǎo)風(fēng)板材料，具體參數(shù)如表1所示。

表1 導(dǎo)風(fēng)板材料信息

將上述信息導(dǎo)入Creo中對應(yīng)零件，獲取相應(yīng)質(zhì)量和重心信息。相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 導(dǎo)風(fēng)板質(zhì)量和重心信息

2 結(jié)構(gòu)強度對比

根據(jù)導(dǎo)風(fēng)板結(jié)構(gòu)特性，簡化模型（去除內(nèi)導(dǎo)風(fēng)板端部鷹鉤和十字槽結(jié)構(gòu)，僅保留2 mm高的凸臺），利用力學(xué)仿真軟件，對導(dǎo)風(fēng)板在自身重力作用下的變形量進行有限元仿真分析。

簡化模型網(wǎng)格劃分后，約束凸臺6個方向的自由度（模擬零件懸掛方式），在重力場作用下（其中，g為重力加速度，取值9.8 N/kg），對比兩類導(dǎo)風(fēng)板的變形量，從而判定兩種導(dǎo)風(fēng)板結(jié)構(gòu)強度。

導(dǎo)風(fēng)板的約束方式及變形仿真變形量如表3所示，具體仿真分析云圖結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖5 全塑導(dǎo)風(fēng)板仿真分析云圖

表3 結(jié)構(gòu)強度仿真分析變形量

圖4 外金屬/內(nèi)塑料復(fù)合導(dǎo)風(fēng)板仿真分析云圖

3 驅(qū)動力矩計算

熱泵空調(diào)器導(dǎo)風(fēng)板的驅(qū)動力主要來源于兩方面：①導(dǎo)風(fēng)板打開、關(guān)閉的驅(qū)動，由空調(diào)器兩側(cè)的齒輪箱以及連桿結(jié)構(gòu)共同驅(qū)動，驅(qū)動力足；②以鷹鉤和十字槽結(jié)構(gòu)的連線為軸，進行的導(dǎo)風(fēng)板翻轉(zhuǎn)運動，主要用于不同角度導(dǎo)風(fēng)，且十字槽端的電機結(jié)構(gòu)裝配空間較小，只能使用驅(qū)動力較小的電機。因此，在進行導(dǎo)風(fēng)板設(shè)計時，需要針對第二類驅(qū)動力的力矩進行計算和對比。

兩類導(dǎo)風(fēng)板組件的整體外形，以及與熱泵空調(diào)器的其他組件的裝配方式和裝配位置保持一致性，即內(nèi)導(dǎo)風(fēng)板上的鷹鉤和十字槽結(jié)構(gòu)保持設(shè)計一致性，且由相同的電機結(jié)構(gòu)驅(qū)動。

3.1 簡化計算方法介紹

為了簡化計算，利用“力對點的矩”[7-8]的計算方法，根據(jù)Creo中的各零部件的位置關(guān)進行計算。

“力對點的矩”計算方法如下：

其中，0代表矩心；F為作用力；d為力臂；±代表方向。

根據(jù)導(dǎo)風(fēng)板的運動狀況，為了簡化力矩計算過程，忽略摩擦力和導(dǎo)風(fēng)板長度，且做如下假設(shè)：

（1）作用力F為導(dǎo)風(fēng)板所受重力，即：

其中，M為導(dǎo)風(fēng)板質(zhì)量；g為重力加速度，取值9.8 N/kg。

（2）十字槽結(jié)構(gòu)處的電機驅(qū)動導(dǎo)風(fēng)板轉(zhuǎn)動過程中，力臂d是不斷發(fā)生變化；當(dāng)力臂d最大時，導(dǎo)風(fēng)板重心與電機軸心連線，與重力方向垂直，如圖6所示。

圖6 導(dǎo)風(fēng)板運動過程示意圖

3.2 力臂d最大值

在Creo中，根據(jù)圖6，以導(dǎo)風(fēng)板重心運動軌跡為參考面，做電機轉(zhuǎn)軸和導(dǎo)風(fēng)板的橫截面，此時，導(dǎo)風(fēng)板重心與電機轉(zhuǎn)動軸心連線的長度即為力臂d的最大值。

根據(jù)表2的重心位置信息，在Creo中，利用草繪功能，確認(rèn)導(dǎo)風(fēng)板重心與電機轉(zhuǎn)軸連線，并測量長度，獲取力臂d最大值。如圖7所示。

圖7 Creo草繪計算導(dǎo)風(fēng)板力臂最大值（單位：mm）

由圖7可知，外金屬/內(nèi)塑料復(fù)合導(dǎo)風(fēng)板和全塑導(dǎo)風(fēng)板的力臂最大值分別為15.8 mm和14.2 mm。

3.3 驅(qū)動力矩結(jié)果

將圖7導(dǎo)風(fēng)板力臂值和表2導(dǎo)風(fēng)板質(zhì)量，帶入公式（1）和（2），分別計算驅(qū)動力矩值。

經(jīng)過計算，外金屬/內(nèi)塑料復(fù)合導(dǎo)風(fēng)板驅(qū)動力矩值為72.31 N?mm；全塑導(dǎo)風(fēng)板驅(qū)動力矩值為63.87 N?mm，降低11.7%。

4 裝配效率計算

根據(jù)樣件的實際裝配情況，進行導(dǎo)風(fēng)板裝配流程圖繪制，具體情況如圖8和圖9所示，具體對比情況如表4所示。

圖8 外金屬/內(nèi)塑料復(fù)合導(dǎo)風(fēng)板裝配流程圖

圖9 全塑導(dǎo)風(fēng)板裝配流程圖

表4 兩種導(dǎo)風(fēng)板裝配流程對比表

全塑導(dǎo)風(fēng)板利用內(nèi)外塑料導(dǎo)風(fēng)板上定位和限位卡扣進行裝配，由圖6和圖7可知，相比外金屬/內(nèi)塑料復(fù)合導(dǎo)風(fēng)板的裝配流程圖，全塑導(dǎo)風(fēng)板的裝配流程圖較為簡單，部件、輔助工裝和裝配步驟數(shù)量均有所下降。

5 結(jié)論

利用Creo全新設(shè)計的熱泵空調(diào)器全塑導(dǎo)風(fēng)板，結(jié)構(gòu)強度和運動可靠性滿足設(shè)計需求，目前已量產(chǎn)。與外金屬/內(nèi)塑料復(fù)合導(dǎo)風(fēng)板相比，全塑導(dǎo)風(fēng)板具有如下優(yōu)勢：

（1）在保證導(dǎo)風(fēng)板導(dǎo)風(fēng)效果的前提下設(shè)計的全塑導(dǎo)風(fēng)板，其重量與外金屬/內(nèi)塑料復(fù)合導(dǎo)風(fēng)板相當(dāng)，重力作用下的變形量控制在0.5 mm以內(nèi)，整體剛度滿足設(shè)計需求；驅(qū)動力矩下降11.7%，節(jié)能性和可靠性提高。

（2）全塑導(dǎo)風(fēng)板利用內(nèi)外塑料導(dǎo)風(fēng)板上定位和限位卡扣進行裝配，相較于需要依靠粘膠劑的外金屬/內(nèi)塑料復(fù)合導(dǎo)風(fēng)板，部件數(shù)量減少67%，無需輔助工裝，裝配步驟減少56%，整體裝配效率提高50%以上。