袁偉光

（上海電機(jī)學(xué)院汽車學(xué)院，上海200245）

汽車空調(diào)模式風(fēng)門動(dòng)力學(xué)仿真研究

袁偉光

（上海電機(jī)學(xué)院汽車學(xué)院，上海200245）

在多剛體動(dòng)力學(xué)理論的基礎(chǔ)上，利用動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS建立了某款汽車空調(diào)模式風(fēng)門及控制機(jī)構(gòu)的仿真模型，對(duì)各個(gè)風(fēng)門的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及控制機(jī)構(gòu)受力情況進(jìn)行了仿真分析。并通過改進(jìn)模式分配盤的凸輪型線，有效地降低了控制機(jī)構(gòu)的最大拉力。這種基于虛擬樣機(jī)軟件的仿真方法為空調(diào)模式風(fēng)門控制機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供了一種快捷、切實(shí)可行的方法。

ADAMS；汽車空調(diào)；模式風(fēng)門；仿真

引言

汽車空調(diào)模式風(fēng)門是空調(diào)出風(fēng)口控制的重要機(jī)構(gòu)，主要包括：吹面風(fēng)門、吹腳風(fēng)門、除霜風(fēng)門。根據(jù)三個(gè)模式風(fēng)門不同的位置，汽車空調(diào)可提供5種出風(fēng)模式：吹面、雙吹、吹腳、除霜、吹腳除霜。在手動(dòng)控制方式的空調(diào)系統(tǒng)中，對(duì)出風(fēng)模式的控制主要有兩種結(jié)構(gòu)，一種由拉索機(jī)構(gòu)和模式分配盤組合而成，驅(qū)動(dòng)力來源于人力，另一種由電動(dòng)執(zhí)行器和模式分配盤組合而成，動(dòng)力源來源于電動(dòng)執(zhí)行器內(nèi)部電機(jī)。他們最終都是通過模式盤將動(dòng)力傳遞給控制風(fēng)門［1］。傳統(tǒng)的空調(diào)控制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法著重考慮三個(gè)模式風(fēng)門的位置精確控制，極少考慮控制機(jī)構(gòu)的受力，從而導(dǎo)致部分空調(diào)出風(fēng)模式控制開關(guān)旋轉(zhuǎn)吃力，甚至有卡頓的現(xiàn)象。

本文將基于虛擬樣機(jī)仿真軟件ADAMS建立完整的汽車空調(diào)模式風(fēng)門仿真模型，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得各個(gè)風(fēng)門載荷數(shù)據(jù)，對(duì)風(fēng)門運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及受力情況進(jìn)行系統(tǒng)分析，并對(duì)控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1　汽車空調(diào)模式風(fēng)門仿真模型的建立

1.1ADAMS軟件簡(jiǎn)介

ADAMS/View是ADAMS軟件一個(gè)強(qiáng)大的模塊，主要是用于前處理（建模）。它除了提供了強(qiáng)大的建模功能，同時(shí)也集成了仿真、優(yōu)化分析的功能。

ADAMS/View擁有一個(gè)強(qiáng)大的建模環(huán)境和仿真環(huán)境，它可以完成建模、仿真并優(yōu)化機(jī)械系統(tǒng)模型。ADAMS/View能夠快速地對(duì)多個(gè)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行分析直到獲得最優(yōu)化的設(shè)計(jì)［2-3］。

1.2建模條件假設(shè)

在建模過程中，模型不可能包含實(shí)際系統(tǒng)的完全信息。因?yàn)檫^多的實(shí)體及其相互間的關(guān)系，不但難以獲得，而且在模型中也難以處理。最好是能夠根據(jù)建模的目的和所要研究的內(nèi)容來合理確定對(duì)系統(tǒng)模型有決定性的影響因素，忽略一些次要因素和某些非可測(cè)變量的影響，從而建立起既簡(jiǎn)單清晰，又基本能夠反映所研究系統(tǒng)變化規(guī)律的簡(jiǎn)化模型［4］。因此本文對(duì)溫度混合風(fēng)門控制機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真模型做出如下簡(jiǎn)化和假設(shè)：1）不考慮柔性體對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響，將模型中各零部件均看作剛體；2）在多剛體模型中，忽略了一些小質(zhì)量的非重要零件（螺釘、螺母等）；3）忽略各構(gòu)件之間的安裝間隙及其摩擦影響；4）拉索等柔性體用其他剛性體組合代替［5］。

1.3三維模型創(chuàng)建

利用ADAMS/view與CATIA的良好接口，將基于CATIA創(chuàng)建好的三維實(shí)體模型導(dǎo)入到ADAMS中，其主要部件包括：吹面風(fēng)門、吹腳風(fēng)門、除霜風(fēng)門、模式分配盤、滾子連桿、拉索、空調(diào)箱等。汽車空調(diào)模式風(fēng)門三維模型如圖1所示。

圖1　汽車空調(diào)模式風(fēng)門三維模型

1.4約束及載荷的定義

根據(jù)空調(diào)模式風(fēng)門的運(yùn)動(dòng)機(jī)理：通過在拉索上施加作用力使模式分配圓盤繞支點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，此時(shí)分配盤上的凸輪槽通過形封閉來驅(qū)動(dòng)滾子連桿，而滾子連桿與各風(fēng)門相連，控制每個(gè)風(fēng)門的角度。仿真模型中的約束副主要包括：滾子連桿與風(fēng)門的固定副、分配盤與空調(diào)箱的旋轉(zhuǎn)副、分配盤與拉索的旋轉(zhuǎn)副、拉索與拉索卡座的滑移副、分配盤與滾子連桿間的碰撞力等。

汽車空調(diào)在工作時(shí)通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)上的電壓來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速從而改變空調(diào)風(fēng)道內(nèi)的空氣流量，由于風(fēng)門兩側(cè)存在空氣壓力差，這樣就產(chǎn)生了風(fēng)壓扭矩，這個(gè)風(fēng)壓扭矩和風(fēng)機(jī)上的電壓有關(guān)。同時(shí)，各個(gè)風(fēng)門上的風(fēng)壓扭矩與風(fēng)門的開啟角度有關(guān)。通過空調(diào)風(fēng)門扭矩實(shí)驗(yàn)得到了各個(gè)風(fēng)門的風(fēng)壓扭矩如圖2所示，注：吹面風(fēng)門采用的是蝶形風(fēng)門形式，其風(fēng)壓扭矩忽略不計(jì)。

圖2　各風(fēng)門上的風(fēng)壓扭矩曲線

2　仿真結(jié)果分析

2.1風(fēng)門運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線

參考汽車空調(diào)模式風(fēng)門控制機(jī)構(gòu)實(shí)際運(yùn)動(dòng)方式，在拉索上施加1 mm/s速度的運(yùn)動(dòng)，測(cè)得各個(gè)風(fēng)門的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線如圖3所示。仿真結(jié)果驗(yàn)證了汽車空調(diào)按吹面、雙吹、吹腳、除霜、吹腳除霜順序進(jìn)行出風(fēng)模式的切換。

圖3　風(fēng)門運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線

2.2拉索受力分析

當(dāng)拉索牽引模式分配，再由模式分配盤的輪廓槽帶動(dòng)滾子連桿來驅(qū)動(dòng)風(fēng)門的時(shí)候，必須克服各風(fēng)門上的風(fēng)壓扭矩。而拉索上的拉力大小決定了風(fēng)門控制機(jī)構(gòu)的輕便性，拉力峰值區(qū)域?qū)刂茩C(jī)構(gòu)影響尤為明顯。圖4為仿真后拉索上的拉力曲線，其中拉索受力峰值在拉線行程30 mm附近，峰值為19 N。

圖4　拉索上的拉力曲線

3　模式分配盤凸輪型線優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于拉線拉力峰值達(dá)到19 N，主要原因是除霜風(fēng)門開啟時(shí)的風(fēng)門阻力較大，所以本改進(jìn)方案首先優(yōu)化除霜風(fēng)門控制凸輪型線，使其在風(fēng)門開啟時(shí)的速度變慢，從而使得拉索拉力減小。改進(jìn)后的除霜風(fēng)門凸輪型線如圖5所示。

圖5　改進(jìn)后的除霜風(fēng)門凸輪型線

優(yōu)化前后的拉索受力對(duì)比如圖6所示，拉索拉力的峰值為13 N，比改進(jìn)前降低約30%。

從以上的優(yōu)化結(jié)果可以看出，通過模式分配盤凸輪型線的優(yōu)化設(shè)計(jì)，能有效地減小風(fēng)門控制機(jī)構(gòu)的受力。

圖6　優(yōu)化前后的拉索受力曲線

4　結(jié)語

由于在手動(dòng)汽車空調(diào)中送風(fēng)模式的精確控制和載荷優(yōu)化是空調(diào)設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)，本文從汽車空調(diào)設(shè)計(jì)的工程實(shí)際出發(fā)，以汽車空調(diào)送風(fēng)模式控制機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，并利用虛擬樣機(jī)軟件ADAMS建立了某款汽車空調(diào)模式風(fēng)門仿真模型，進(jìn)行了機(jī)構(gòu)的仿真分析，并通過凸輪型線優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)拉索載荷進(jìn)行了優(yōu)化。這種基于虛擬樣機(jī)軟件的空調(diào)風(fēng)門控制機(jī)構(gòu)的仿真、優(yōu)化方法為空調(diào)設(shè)計(jì)、改進(jìn)提供了一種可行、快捷的方法。

［1］何理.汽車空調(diào)送風(fēng)模式風(fēng)門控制機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［D］.西安:陜西科技大學(xué)，2013.

［2］陳立平.機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析及ADAMS應(yīng)用教程［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

［3］鄭建榮.ADAMS-虛擬樣機(jī)技術(shù)入門與提高［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［4］張軍明.基于虛擬樣機(jī)的立軸沖擊式破碎機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性及其優(yōu)化研究［D］.濟(jì)南:濟(jì)南大學(xué)，2009.

［5］袁偉光.汽車空調(diào)風(fēng)門控制機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證［D］.上海:上海交通大學(xué)，2008.

（編輯：劉楠）

Automotive Air Conditioning Mode Air Door Dynamics Simulation Research

Yuan Weiguang
（Shanghai Institute of Motor Institute of Car，Shanghai 200245）

In this paper，on the basis of multi-rigid-body dynamics theory，a model was established based on the dynamics simulation software ADAMS automotive air conditioning mode simulation model of damper and the control mechanism for each damper motion and control mechanism of stress distribution are analyzed in the simulation.And by improving the plate CAM contour line of the pattern distribution，effectively reduce the maximum tension control mechanism.This kind of simulation method based on virtual prototype software for air conditioning mode air door control mechanism design and optimization provides a fast and feasible method.

ADAMS；automotive air conditioning；mode air door；simulation

U461.6

A

2095-0748（2015）21-0043-02

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2015.21.19

2015-10-12

上海電機(jī)學(xué)院學(xué)科基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目資助（12XKJC02）

袁偉光（1982—），男，上海人，講師，碩士，研究方向：車輛工程。