汽車出風(fēng)口設(shè)計(jì)要點(diǎn)及其強(qiáng)度分析

鄧清華 ，廖程亮 ，孔 飛

（江西五十鈴汽車有限公司產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)中心，江西 南昌 330010）

汽車出風(fēng)口是汽車內(nèi)飾系統(tǒng)重要的功能件，是汽車空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的終端零件[1]，其布置方式、尺寸面積大小、型式直接影響到車內(nèi)氣流速度、流動方向，從而對空調(diào)系統(tǒng)性能、車內(nèi)安靜程度、乘客舒適性有著相當(dāng)重要的影響。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車出風(fēng)口出現(xiàn)過多種型式，如貫穿式風(fēng)口、渦輪式風(fēng)口、隱藏式電動風(fēng)口等，如圖1所示。不同型式的風(fēng)口價(jià)格不同，隱藏式電動風(fēng)口因涉及控制單元以及電機(jī)，所以價(jià)格較貴，主要應(yīng)用于高檔車型上。汽車出風(fēng)口主要由風(fēng)口面板、風(fēng)口飾條、撥鈕、撥輪、葉片、連桿、風(fēng)門等組成[2-6]。本文主要介紹出風(fēng)口開發(fā)過程中的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并對葉片進(jìn)行強(qiáng)度分析。

圖1 汽車出風(fēng)口類型

1 出風(fēng)口設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.1 出風(fēng)口的布置要求

出風(fēng)口的布置直接影響車內(nèi)空調(diào)出風(fēng)的效果，一般出風(fēng)口可布置在前排儀表板上和副儀表板后端，應(yīng)避免被其他零件如方向盤等遮擋，影響出風(fēng)。因座椅在最前位置時(shí)[7-8]，人體離風(fēng)口位置是最近的，出風(fēng)口相對于人體的吹風(fēng)范圍也是最小的，因此只有滿足了前置座椅的要求，才可以同時(shí)滿足其他狀態(tài)下的要求。為確保出風(fēng)口吹出來的風(fēng)能覆蓋人體，出風(fēng)口的出風(fēng)范圍需同時(shí)滿足縱向和橫向調(diào)節(jié)范圍要求。對于出風(fēng)口氣流的縱向調(diào)節(jié)范圍要求，出風(fēng)口中線距離H點(diǎn)垂直高度差至少356 mm，中間出風(fēng)口下吹風(fēng)邊界與兩側(cè)出風(fēng)口下吹風(fēng)邊界的高度差為200 mm，且兩側(cè)出風(fēng)口下吹風(fēng)邊界通過H點(diǎn)。出風(fēng)口上吹風(fēng)邊界至少與99%眼橢圓相切，一般為了滿足出風(fēng)口能夠吹向不直對人體位置的要求，推薦這個(gè)方向再向上轉(zhuǎn)動5°，江西五十鈴汽車有限公司是要求其方向遠(yuǎn)離眼橢圓150 mm，如圖2所示。

圖2 出風(fēng)口氣流縱向調(diào)節(jié)范圍

汽車出風(fēng)口不僅上下出風(fēng)范圍要滿足要求，其左右出風(fēng)同時(shí)也要滿足要求，其橫向調(diào)節(jié)范圍需滿足如圖3所示的要求，側(cè)出風(fēng)口要求向外能夠吹到人體外的部分[9]，向內(nèi)要求能夠吹過眼橢圓的內(nèi)側(cè)。中間出風(fēng)口向外要求吹過眼橢圓的外側(cè)，向內(nèi)要求吹過整車中線，一般側(cè)、中間出風(fēng)口出風(fēng)范圍Y向滿足450 mm。

圖3 出風(fēng)口氣流橫向調(diào)節(jié)范圍

為保證出風(fēng)口的出風(fēng)效果，出風(fēng)口設(shè)計(jì)時(shí)需校核其有效出風(fēng)面積。有效出風(fēng)面積是指實(shí)際出風(fēng)方向垂直的平面上做開口處氣流的投影面積（需要刨除上下層葉片及連桿的投影面積）。根據(jù)江西五十鈴汽車有限公司的要求，車輛的有效出風(fēng)面積需要達(dá)到3 870 mm2～4 516 mm2，長或?qū)挼某叽绮荒苄∮?4.5 mm。在設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，需通過CFD分析來計(jì)算出風(fēng)口的出風(fēng)量、風(fēng)速是否滿足公司標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

1.2 出風(fēng)口零件設(shè)計(jì)

1.2.1 出風(fēng)口撥輪的設(shè)計(jì)

撥輪是控制出風(fēng)口葉片或風(fēng)門關(guān)閉的機(jī)構(gòu)，為便于用戶操作，一般其應(yīng)高出出風(fēng)口面板3 mm左右，撥輪與其周邊件的間隙一般為0.5 mm，撥輪的厚度一般定義在5 mm～10 mm，撥輪的半徑一般應(yīng)大于24 mm。撥輪的緊固方式有多種，一種是壓盤，撥輪與殼體組合對撥輪進(jìn)行緊固的方式，通過螺釘將壓盤緊固到殼體上，撥輪夾持在壓盤與殼體之間[10]；另外一種則是通過SNAP結(jié)構(gòu)與撥輪卡接的方式，SNAP結(jié)構(gòu)自身也比較好調(diào)整，較容易調(diào)整到滿意手感，缺點(diǎn)是SNAP長在殼體上會造成此處的模具制造略有困難。具體如圖4所示。

圖4 撥輪緊固方式

1.2.2 出風(fēng)口撥鈕的設(shè)計(jì)

撥鈕是用來控制上下層葉片旋轉(zhuǎn)的，因此撥鈕的撥動范圍必須滿足吹風(fēng)角度的要求，同時(shí)還要能夠滿足客戶獲得滿意手感的區(qū)間要求。如圖5所示，紅色線表示出風(fēng)角度要求的上下極限位置，如果撥鈕的波動范圍能夠達(dá)到這兩個(gè)位置，就可以滿足吹風(fēng)要求，但是對乘客來說，如果手指從下向上撥動撥鈕，撥到上極限位置的時(shí)候，會明顯感覺應(yīng)該還可以往上撥，但是卻無法撥動了，此出風(fēng)口設(shè)計(jì)就不合理。撥鈕應(yīng)在中間葉片上可滑動，其與葉片的間隙一般為0.5 mm。

圖5 出風(fēng)口撥鈕的設(shè)計(jì)

1.2.3 葉片的設(shè)計(jì)

出風(fēng)口葉片分為水平葉片與垂直葉片兩種，兩者一起注塑成型，通過工裝夾具與風(fēng)口葉片安裝座一次性裝配在風(fēng)口殼體上。葉片沿長度方向應(yīng)當(dāng)做限位，常見的限位方式如圖6所示，葉片兩端做小平臺與殼體側(cè)壁進(jìn)行配合，達(dá)到定位效果，定位間隙0.1 mm。但是對于較長的出風(fēng)口葉片，由于長度方向上的公差累計(jì)，一般不建議采用兩端定位方式，建議定位做到一端，另一端放開。葉片間距會影響到對氣流的限制和渦流損失，一般要求在4 mm～12 mm之間，大于12 mm或小于4 mm，則需要進(jìn)行CFD分析。

圖6 葉片軸與孔的配合關(guān)系

2 出風(fēng)口設(shè)計(jì)驗(yàn)證

為確保出風(fēng)口設(shè)計(jì)穩(wěn)健，應(yīng)通過各種實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，主要實(shí)驗(yàn)要求如下。

1）阻燃性要求：滿足GB 8410—2006《汽車內(nèi)飾材料的燃燒特性》的要求，即燃燒速率不大于100 mm/s。

2）出風(fēng)口操作力要求：出風(fēng)口撥鈕縱向操作力要求在2.5 N±1.0 N內(nèi)，出風(fēng)口撥鈕橫向操作力要求在2.5 N±1.0 N內(nèi)，出風(fēng)口撥輪操作力要求在3.0 N±1.0 N內(nèi)。

3）氣味：材料氣味要求零件的氣味等級≤3級。

4）耐熱老化性：將出風(fēng)口總成放置在90 ℃±2 ℃的高溫烘箱中168 h后，在常溫放置2 h冷卻，要求零件外觀上不得出現(xiàn)起皺、翹曲變形、分層、脆化、龜裂、表面污染、析出等不可接受的缺陷。

5）禁限用物質(zhì)：符合GB/T 30512—2014《汽車禁用物質(zhì)要求》。

6）出風(fēng)口密封性試驗(yàn)：將待測出風(fēng)口連接到鼓風(fēng)機(jī)上，對出風(fēng)口連接處進(jìn)行密封，防止漏氣。關(guān)閉出風(fēng)口風(fēng)門進(jìn)行吹風(fēng)，檢查漏氣情況。將進(jìn)氣口壓力調(diào)至250 Pa，對空氣泄漏量進(jìn)行測試。調(diào)整出風(fēng)口壓力，測試泄漏量達(dá)到4 m3/h時(shí)，對出風(fēng)口葉片狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)。打開出風(fēng)口風(fēng)門，調(diào)整進(jìn)氣口壓力從0～100 Pa變化，對出風(fēng)口出風(fēng)聲音進(jìn)行評價(jià)，不允許出現(xiàn)嘯叫的聲音。

3 有限元分析及優(yōu)化

為防止出風(fēng)口葉片在外力作用下斷裂，葉片的強(qiáng)度需滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求。本文利用常用的有限元分析方法，計(jì)算出風(fēng)口葉片在20 N的外力作用下的強(qiáng)度。首先，將出風(fēng)口總成模型導(dǎo)入到HyperMesh軟件中，利用其強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分功能進(jìn)行3D網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為四面體單元，單元尺寸為2 mm，然后將劃好網(wǎng)格的模型導(dǎo)入到ABAQUS中施加約束及荷載，約束出風(fēng)口固定在儀表板上的所用點(diǎn)的6個(gè)自由度，此有限元模型單元數(shù)為8 537個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為9 125個(gè)，出風(fēng)口對應(yīng)材料參數(shù)如表1所示。出風(fēng)口強(qiáng)度分析結(jié)果如圖7所示，此出風(fēng)口在20 N的載荷作用下的應(yīng)力為31 MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度，說明強(qiáng)度符合要求。

表1 出風(fēng)口材料參數(shù)

圖7 出風(fēng)口強(qiáng)度分析結(jié)果

4 結(jié)論

本文重點(diǎn)介紹了汽車出風(fēng)口的布置要求，其縱向及橫向氣流調(diào)節(jié)范圍需滿足設(shè)計(jì)要求，否則用戶體驗(yàn)感較差，易引起用戶抱怨。同時(shí)，分析了汽車出風(fēng)口撥輪、撥鈕、葉片設(shè)計(jì)開發(fā)的注意事項(xiàng)，可為后續(xù)車型出風(fēng)口的設(shè)計(jì)提供一定的參考。此外，汽車出風(fēng)口還需通過一系列的設(shè)計(jì)驗(yàn)證來證明設(shè)計(jì)的穩(wěn)健性，本文介紹了出風(fēng)口需滿足的主要實(shí)驗(yàn)項(xiàng)，并利用有限元分析軟件對葉片進(jìn)行強(qiáng)度分析，分析結(jié)果表明，葉片在20 N的外力作用下其應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度，葉片強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。