汽車空調出風口及風道設計規(guī)范.doc

汽車空調出風口及風道設計汽車空調出風口及風道設計 作者 胡成臺 單位 一汽轎車股份有限公司 目錄目錄 第第 1 章章 風道及出風口介紹風道及出風口介紹 4 1 1 風道介紹風道介紹 4 1 2 出風口介紹出風口介紹 4 1 3 相關法規(guī)相關法規(guī) 標準要求標準要求 5 1 3 1 國家國家 政府政府 行業(yè)法規(guī)要求行業(yè)法規(guī)要求 6 1 3 2 FCC 相關標準要求相關標準要求 6 第第 2 章章 風道及出風口設計規(guī)范風道及出風口設計規(guī)范 7 2 1 風道及出風口結構風道及出風口結構 7 2 1 1 風道結構風道結構 7 2 1 2 出風口結構出風口結構 7 2 1 3 出風口及風道實例出風口及風道實例 8 2 1 4 材料材料 8 2 2 風道及出風口整車布置風道及出風口整車布置 8 2 2 1 風道整車布置風道整車布置 8 2 2 2 出風口整車布置出風口整車布置 9 2 3 通風性能通風性能 10 2 3 1 風道中的壓力損失風道中的壓力損失 10 2 3 2 出風量出風量 10 2 3 3 通風有效面積通風有效面積 10 2 4 出風口水平葉片布置方式出風口水平葉片布置方式 11 2 4 1 葉片數量葉片數量 11 2 4 2 葉片尺寸要求葉片尺寸要求 11 2 5 3 葉片間距葉片間距 13 2 5 出風口垂直葉片布置方式出風口垂直葉片布置方式 13 2 5 1 葉片數量葉片數量 13 2 5 2 葉片尺寸要求葉片尺寸要求 13 2 5 3 葉片間距葉片間距 13 2 6 氣流性能氣流性能 13 2 6 1 氣流方向性氣流方向性 13 2 6 2 泄漏量泄漏量 17 2 7 出風口手感出風口手感 17 2 7 1 撥鈕操作力撥鈕操作力 17 2 7 2 撥輪操作力撥輪操作力 17 第第 3 章章 試驗驗證與評估試驗驗證與評估 18 3 1 設計驗證流程設計驗證流程 18 3 2 設計驗證的內容與方法設計驗證的內容與方法 18 第第 4 章章 附錄附錄 19 4 1 術語和縮寫術語和縮寫 19 4 2 設計工具設計工具 19 4 3 參考參考 19 第第 1 章章 風道及出風口介紹風道及出風口介紹 在整個汽車空調系統(tǒng)中 風道和出風口組成空調的通風系統(tǒng) 擔負著將經過處理 溫 度調節(jié) 濕度調節(jié) 凈化 的氣流送到汽車駕駛艙內 以完成駕駛艙內通風 制冷 加熱 除霜除霧 凈化空氣等的功能 圖 1 某車型空調通風系統(tǒng)及周圍環(huán)境結構爆炸圖 1 1 風道介紹風道介紹 風道連接空調器與出風口 是空調系統(tǒng)中制冷和制熱空氣的通道 目前空調系統(tǒng)由空調 廠商提供 作為空調系統(tǒng)一部分的風道設計 需汽車整車設計部門做匹配設計 車廂內的空氣 流場與溫度場不僅與車廂結構以及空調制冷系統(tǒng)有關 還與空調風道的結構形狀密切相關 風道的布置走向 風道占用空間 截面積 以及風道中空氣的流速等均影響車廂內的制冷效 果 影響系統(tǒng)的經濟性和外觀造型 圖 2 奔騰 B90 通風風道 1 2 出風口介紹出風口介紹 空調出風口的布置 大小 型式直接影響到車內氣流速度 流動方向 流場組織 從 而對空調系統(tǒng)性能 車內安靜程度 乘客舒適性有著相當重要的影響 圖 3 2001 款凱美瑞出風口 空調出風口處于乘客可見區(qū)域 屬于外觀零件 造型設計師會對它們的形狀 外觀 顏色 表面處理等進行重點設計 以達到期望的美學效果 從系統(tǒng)性能要求而言 空調出風口的面積大小 布置 型式會直接影響空調出風口氣 流速度 方向 流動組織 氣流噪音等 對它們的校核設計需要分別進行詳盡的描述 空調出風口作為空調通風系統(tǒng)的終端 對氣流組織有著至關重要的作用 空調系統(tǒng)對出風口的要求 通常在車廂降溫時用 主要將適當風速適當溫度的氣流吹到乘客臉部區(qū)域 來滿足對 溫度 氣流流動的要求 并可通過調節(jié)出風口葉片方向 來將氣流吹到胸部膝部區(qū)域 也 能通過調節(jié)葉片將氣流避開乘客身體部位 同時 為了達到車內安靜要求 要求風速要合 適 過大會造成噪音過大 最大風速一般要求在 7 5 10 5m s 范圍內 對不同的車型 出風口的數量及位置也會不同 一般地 普通帶兩排座位的裝空調系 統(tǒng)的車 都配有前排吹臉出風口 前排吹腳出風口 前吹窗出風口和側吹窗出風口 一些 檔次較高的車 為了照顧后排乘客的舒適性 往往會增配后排吹臉出風口和后排吹腳出風 口 一些三排座位的旅行車或更多排座位的大型車 往往還需增配第三排出風口或更多的 出風口 圖 4 標致 308 出風口 1 3 相關法規(guī)相關法規(guī) 標準要求標準要求 1 3 1 國家國家 政府政府 行業(yè)法規(guī)要求行業(yè)法規(guī)要求 中華人民共和國國家標準汽車風窗玻璃除霜系統(tǒng)的性能要求及試驗方法 GB 11556 94 中華人民共和國國家標準汽車風窗玻璃除霧系統(tǒng)的性能要求及試驗方法 GB 11555 94 1 3 2 FCC 相關標準要求相關標準要求 GMW3037 乘用車最大制冷性能驗證試驗 第第 2 章章 風道及出風口設計規(guī)范風道及出風口設計規(guī)范 2 1 風道及出風口結構風道及出風口結構 2 1 1 風道結構風道結構 風道零件一般根據空間布置來確定走向及截面形狀 風道可分為除霜風道 通風 吹面 風道 吹腳風道 其中除霜風道又分為前除霜 側除霜風道 通風 吹面 風道又分為左 右 中左 中右 后通風 吹面 風道 吹腳風道一般分為前左 前右 后左 后右吹腳風道 風道走向盡量避免過大的轉角 這樣會增加風阻 在風道內部盡量不要有尖角或突出物 這樣容易產生蝸旋氣流 并有可能產生噪音 風道截面大小盡量做到均勻 總之 我們需要得 到的風道具有風阻小 出風均勻 沒有噪音的特點 2 1 2 出風口結構出風口結構 出風口有前排吹臉出風口和后排吹臉出風口之分 屬于外觀零件 造型設計師會對它 們的形狀 外觀 顏色 表面處理等進行重點設計 以達到期望的美學效果 外觀 出風口屬于內飾外觀零件 必須符合以下外觀及人機工程要求 a 造型分割線應與儀表板或其他內飾零件特征線統(tǒng)一匹配 b 葉片與面板之間 撥輪與面板之間的間隙必須小而均勻 c 出風口里面的葉片連接結構 海綿 密封材料 轉動軸等 應當不能或盡量避免 直接被看見 否則影響美觀 d 葉片的分型線應當不明顯 e 當葉片在關閉位置時 應當避免葉片之間存在明顯的可見問題 f 葉片 撥輪或撥鈕 一般會被造型設計師定義成亞光零件 g 如果有關閉風門 當風門關緊時 手感及關閉聲音應當明顯可感知的 h 調節(jié)撥輪與面板應當有適當的高度差 造型統(tǒng)一 既保持美觀又要使得操作便易 i 調節(jié)撥輪應當盡量避免使用純塑料 盡可能地覆蓋上橡膠材料 以獲得良好的手 感 操作手感應當平順 撥輪上裝飾材料應精細 質感好 j 調節(jié)撥鈕造型與葉片應當統(tǒng)一 k 對后排吹腳出風口而言 為了美觀 需要被座椅遮住 應該特別關注滑動座椅 組成 結構示意圖 圖 8 出風口結構示意圖 外形及結構 前排出風口外形為異形 后排出風口外形為方形 其上設計有撥輪和撥 鈕 撥輪上下有標識指示風門的開啟和關閉 撥輪控制風門的開啟和關閉 控制出風口出 風量 葉片上的撥鈕控制出風口水平及垂直出風方向 出風口由裝飾框 見圖 1 4 面框 見圖 1 4 殼體 風門 撥輪 撥鈕 連桿 葉片等部件組成 型式 造型設計人員造型 與產品工程人員一起確定出風口的型式 般地 吹臉出風口有以 下兩種型式 桶型出風口 經濟而簡單 通常有一套可動的葉片和軸 整體可以繞軸轉動 下圖給出了幾個例子 雙葉片型出風口 比桶型出風口復雜 造型靈活多樣 成本也較高 整體固定 有兩套不同方向可動的 葉片 見下圖 2 1 3 出風口及風道實例出風口及風道實例 2 1 4 材料材料 風道類零件一般采用吹塑或注塑工藝制成 吹塑零件主要采用 PE 材料 而注塑則采用 PP 材料 以一定比例的滑石粉作為填充物 如 PP TD20 出風口類零件材料如下 面框 撥輪骨架 采用 ABS PC 裝飾框 殼體 撥鈕 采用 ABS 連桿 曲柄 采用 POM 風門包膠 撥輪包膠 采用 EPDM 風門骨架 采用 PP TD30 葉片 采用 PA6 2 2 風道及出風口整車布置風道及出風口整車布置 2 2 1 風道整車布置風道整車布置 風道的布置根據不同車型需要而不一樣 如 奔騰 B70 風道布置包括左 中左 中右 右 通風風道 中 左側 右側除霜風道 前左 前右 后左 后右吹腳風道 而有的車型如本田 的雅閣八代除了以上風道外 還布置了后通風風道 這些風道的布置于主儀表板和副儀表板內部空間布局有很大關系 布置要求滿足風道最小 截面面積的需要 同時要求具有良好的裝配和可拆卸性能 2 2 2 出風口整車布置出風口整車布置 出風口數量 前排吹臉出風口 一般地 前排吹臉出風口的數量需要四個 兩兩對稱設計 兩個吹向駕駛員 另兩個 吹向副駕駛 單獨地 駕駛員側兩個前排吹臉出風口 一般要求其中一個通過調節(jié)葉片能 夠使得氣流吹到駕駛員身體上半部 頭部 胸部 稱之為上身出風口 另外一個通過調 節(jié)葉片能夠使得氣流吹到駕駛員整個身體 頭部 胸部 膝部 稱之為全身出風口 通常地 上身出風口位于儀表板中間 在駕駛員內側 全身出風口位于儀表板兩側或 門板上 在駕駛員外側 見下圖示 圖 5 整車出風口布置圖 出風口高度 后排吹臉出風口的高度 確定后排乘客 H 點 A 點 后排出風口的中心點 并計算各個角度 H 點 代表后排乘客臀部位置 由總布置來確定 A 點 代表后排乘客頭部點位置 圖 6 應該使得從出風口外邊緣做出的 以連接出風口中心與 A 點直線為軸線的 22 度圓錐 面不被乘客膝蓋擋住 2 3 通風性能通風性能 2 3 1 風道中的壓力損失風道中的壓力損失 風道設計中要注意風道中的壓力損失 壓力損失是由沿程壓力損失和局部阻力損失組成 沿程壓力損失 沿程壓力損失是空氣沿管壁流動時 由空氣與管壁之間的摩擦 空氣分子內部之間的摩 擦而產生的 對于分支管路多的空調系統(tǒng) 沿程壓力損失不可忽視 它要求風道內的表面光 滑平整 以降低風道表面的絕對粗糙度 從而減少摩擦阻力 減低壓力損失 空氣在截面不變 的管道中流動且空氣量保持不變 沿程壓力損失可按下式計算 P V2 L 8RS 式中 摩擦阻力系數 V 風道內空氣的平均流速 m s 空氣的密度 kg m3 L 風道的長度 m Rs 風道的水力半徑 m Rs A p A 風道的過流斷面面積 m2 p 濕周 即風道的周長 m 由上式可見風道直管段摩擦阻力與空氣本身的黏度 管壁粗糙度 水力半徑 氣流速 度等因素有關 局部壓力損失 局部阻力是由于空氣在管道中的流動時 其流動的方向 流量或速度驟然突變 在風道 內產生渦流和速度的重新分布 從而使流動阻力大大增加 造成能量損失 這類損失稱為局 部阻力損失 如風道中的三通 彎頭 截面擴大或縮小及進出口處 都會使空氣的速度或流 向發(fā)生改變 從而產生局部阻力損失 這種局部阻力損失 會使空調噪聲加大 2 3 2 出風量出風量 對不同大小的車而言 由于系統(tǒng)風量大小不同 出風口的有效面積也不一樣 以下是對不同車型的出風口面積要求的參考信息 大型轎車 出風口總有效面積至少達到 160cm2 最大推薦風量在 140l s 左右 中型轎車 出風口總有效面積至少達到 140cm2 最大推薦風量在 125l s 左右 小型轎車 出風口總有效面積至少達到 120cm2 最大推薦風量在 110l s 左右 實踐和經驗加以判斷 2 3 3 通風有效面積通風有效面積 出風口開口面積的估算方法 由于出風口的葉片 連桿機構 撥桿 關閉風門的存在會擋住氣流 所以真正有意義 的開口面積應該是開口總面積減去被它們遮擋的面積 稱之為有效面積 不同類型的出風口的機構不同 有效面積的計算方法也不同 基于通常經驗考慮 兩 種出風口的有效面積估算公式如下 桶型出風口 出風口有效面積 0 45 出風口外輪廓投射到垂直面上的總面積 雙葉片型出風口 出風口有效面積 0 6 出風口外輪廓投射到垂直面上的總面積 下圖介紹了如何獲得出風口輪廓投射到垂直面上的總面積 在設計初期 往往只需估算的出風口有效面積即可 如果需要得到精確的有效開口面積 則要通過帶有具體結構設計的數模 進行詳細的 幾何投影計算 方可獲得 精確計算要到出風口數模設計完成后才能進行 校核出風口開口面積是否滿足工程要求 一般地 從舒適性考慮 吹臉出風口的最大風速希望是在 7 5 10 5m s 范圍 而在一 定的氣流流量下 出風口有效開口面積 風量量 風速 相應地 對出風口的開口面積有一 個最低要求 舉例說明 對有前吹臉口和后副儀表板吹臉出風口的系統(tǒng) 假定系統(tǒng)最大氣流流量是 120l s 在后排吹臉出風口關閉的情況下 假定要求最大氣流速度不超過 9m s 于是 前吹臉出風口有效面積應該至少達到 120l s 9m s 130cm2 在后排吹臉出風口打開的 情況下 假定要求最大氣流速度不超過 7 5m s 于是后排吹臉出風口有效面積應該至少達 到 120l s 7 5m 2 130cm2 30cm2 另外 為了保持各個出風口風量的均衡性 每個出風口的面積差異不應超過 3cm2 后排出風量及出風口開口面積 一般地 后排出風量占總風量的 20 25 達到 25l s 左右 有效開口面積應當至少達到 30cm2 2 4 出風口水平葉片布置方式出風口水平葉片布置方式 2 4 1 葉片數量葉片數量 2 4 2 葉片尺寸要求葉片尺寸要求 工程人員校核出風口高寬比 建議出風口主葉片的布置方式 高寬比 R R H W H 代表出風口的高度 W 代表出風口的寬度 見下圖示 圖 7 注 對圓形的出風口 高寬比定為 1 對不規(guī)則形狀的出風口 確定出風口的平均高度和寬度后 再計算高寬比 主葉片的布置方式 一般地 出風口有兩套葉片 分別位于出風口的外面和里面 用以調節(jié)氣流上下 水 平葉片 和左右 豎直葉片 流動的方向 主葉片指的是位于外面的葉片 一般地 當 R1 時 建議調節(jié)氣流左右方向的葉片 即豎直葉片 為主葉片 當然 由于不同的造型 就會有不同型式 不同高寬比 主葉片布置組合的出風口 下表列出了各種類型的出風口 表 1 類型代號高寬比型式主葉片 A0 6 R 1 67桶式 水平軸水平葉片 B0 4 R 0 6 1 67 R 2 5 桶式 水平軸水平葉片 C0 6 R 1 67桶式 豎直軸豎直葉片 D0 4 R 0 6 1 67 R 2 5 桶式 水平軸豎直葉片 E0 6 R 1 67桶式 豎直軸豎直葉片 F0 4 R 0 6 1 67 R 2 5 桶式 豎直軸豎直葉片 主葉片 G0 6 R 1 67桶式 豎直軸水平葉片 H0 4 R 0 6 1 67 R 2 5 桶式 豎直軸水平葉片 I0 6 R 1 67雙葉片式 規(guī)則形狀水平葉片 J0 6 R 1 67雙葉片式 不規(guī)則形狀水平葉片 K0 4 R 0 6 1 67 R 2 5 雙葉片式水平葉片 L0 6 R 1 67雙葉片式 不規(guī)則形狀豎直葉片 M0 4 R 0 6 1 67 R 2 5 雙葉片式豎直葉片 N其他 2 5 3 葉片間距葉片間距 2 5 出風口垂直葉片布置方式出風口垂直葉片布置方式 2 5 1 葉片數量葉片數量 2 5 2 葉片尺寸要求葉片尺寸要求 2 5 3 葉片間距葉片間距 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 到 12mm 之間 大于 12mm 或小于 4mm 則需要進行 CFD 分析 2 6 氣流性能氣流性能 2 6 1 氣流方向性氣流方向性 工程人員校核出風口導向能力 實際上 出風口導向能力主要取決于出風口的布置 放置的高度及傾斜角 型式 確定 H C B1 B2 A 點 1 和 2 線 H 點 代表駕駛員臀部位置 由總布置來確定 A 點 代表駕駛員眼睛位置 眼球橢球軌跡中心 由總布置確定 直線 1 連接 H A 點的直線 直線 2 與 1 線垂直 在 H 點上方 325mm 的直線 B1 點 代表駕駛員胸部右半部分 位于直線 1 和 2 交點的左邊 75mm 處 B2 點 代表駕駛員胸部左半部分 位于直線 1 和 2 交點的右邊 75mm 處 C 點 代表駕駛員膝蓋部分 H 點垂直上方的 125mm 處 見下圖示 圖 8 檢查出風方向角度 對上身出風口 確定 A1 B1 和 U 角 A1 角 上下方向 調節(jié)上身出風口的出風導向從正常狀態(tài)到 A 點所需的角度 B1 角 上下方向 調節(jié)上身出風口的出風導向從正常狀態(tài)到 B1 點所需的角度 U 角 A1 和 B1 中的最大角度 見下圖示 圖 9 對全身出風口 確定 A2 B2 C2 和 T 角 A2 角 上下方向 調節(jié)全身出風口的出風導向從正常狀態(tài)到 A 點所需的角度 B2 角 上下方向 調節(jié)全身出風口的出風導向從正常狀態(tài)到 B2 點所需的角度 C2 角 調節(jié)全身出風口的出風導向從正常狀態(tài)到 C 點所需的角度 T 角 A2 B2 和 C2 中的最大角度 見下圖示 圖 10 確定 S1 S2 角 S1 角 水平方向上 調節(jié)上身出風口的出風方向從正常狀態(tài)到 A 點所需的角度 S2 角 水平方向上 調節(jié)全身出風口的出風方向從正常狀態(tài)到 A 點所需的角度 Point A Central point of T Central point of U 根據校核標準 評估出風方向角度狀態(tài) 出風口的導風能力需要從上下和水平方向進行評估 不同類型的出風口 角度的 要求標準有所差異 出風口的導向能力 一般地 后排出風口位于副儀表板上 位置較低 因此 后排出風口對氣流的導 向能力主要取決于出風口的高度 其次取決于出風口表面的角度 下面就這方面進行校核 確定后排乘客 H 點 A 點 后排出風口的中心點 并計算各個角度 H 點 代表后排乘客臀部位置 由總布置來確定 A 點 代表后排乘客頭部點位置 圖 11 a 后排吹臉出風口的高度 應該使得從出風口外邊緣做出的 以連接出風口中心與 A 點直線為軸線的 22 度 圓錐面不被乘客膝蓋擋住 b 后排吹臉出風口的調節(jié)角度 把出風口從限制出風到最小的極限位置調節(jié)到使出風吹到 A 點 調節(jié)的角度不應 超過 15 度 同樣地 把出風口調節(jié)到使出風吹到膝蓋區(qū)域 調節(jié)的角度不應超過 30 度 后排吹臉出風口的關閉風門 一般地 后排吹臉出風口需要設計關閉風門 2 6 2 出風口遮擋 吹向駕駛員的兩個吹臉出風口由于受到方向盤 儀表盤的限制 往往是設計的關 注所在 下面就它們的設計過程給予闡述 通常只需檢查方向盤對駕駛員側出風的阻擋情況 a 計算出風口被阻擋的面積百分比 見下圖示 X 乘客身上的目標點 臉部 A 點 胸部 B1 B2 點 或膝部 C 點 S 方向盤外邊緣 I 儀表板表面 P 從目標點投影到出風口區(qū)域的儀表板面上 與方向盤外邊緣相切的直線簇 形 成一個特殊的圓錐面 U 上身出風口 T 全身出風口 BLK 出風口被 P 投影線形成的圓錐面 阻擋的面積與整個出風口面積的百分比 圖 12 b 根據判斷標準 評估出風被阻擋的狀態(tài) 具體標準 見本文章節(jié) 3 7 標準 2 6 2 泄漏量泄漏量 泄漏量試驗 不大于 2 2kg h 試驗按照 TL VW 82181 當關閉風門關緊時 對出風口氣流泄漏的要求一般是 250Pa 條件下 不超過 1 4l s 2 7 出風口手感出風口手感 2 7 1 撥鈕操作力撥鈕操作力 總成葉片 風門操作力 止動力合適 不能因為操作力 止動力變大或變小而出 現操作困難 水平 垂直葉片 風門操作力 2 3N 止動力為 3 5 4 5N 2 7 2 撥輪操作力撥輪操作力 第第 3 章章 試驗驗證與評估試驗驗證與評估 3 1 設計驗證流程設計驗證流程 參照設計指導 建議在 SOP 之前做 4 次設計檢查 在 P Re