趙南，田鈞

（1.遼寧水利職業(yè)學(xué)院，遼寧 沈陽 110102；2.華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

基于舒適性因素的整車出風(fēng)口設(shè)計(jì)解析

趙南1，田鈞2

（1.遼寧水利職業(yè)學(xué)院，遼寧 沈陽 110102；2.華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

文章以汽車儀表板上空調(diào)系統(tǒng)吹面出風(fēng)口為研究對(duì)象。以已知的影響人體最佳舒適性的各類因素為設(shè)計(jì)依據(jù)。通過調(diào)整出風(fēng)口的有效面積、結(jié)構(gòu)及出風(fēng)撥片的角度，使風(fēng)速、噪音等因素趨近于最佳舒適性目標(biāo)的要求。通過計(jì)算給出了儀表板出風(fēng)口的最小有效出風(fēng)面積，進(jìn)而得出了出風(fēng)口外輪廓的最小面積；通過人體工程學(xué)分析給出了出風(fēng)口撥片的角度校核方法；通過出風(fēng)口的H/W比值，給出了若干組葉片設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)值。最后，提出一套較全面的整車空調(diào)系統(tǒng)出風(fēng)口設(shè)計(jì)理論依據(jù)及校核方法，并通過流體分析軟件對(duì)設(shè)計(jì)校核的結(jié)果進(jìn)行仿真分析，論證其正確本文性。

儀表板；空調(diào)系統(tǒng)；出風(fēng)口；舒適性；有效面積

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.11.031

CLC NO.: U462.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)11-84-04

引言

在使用汽車空調(diào)系統(tǒng)的過程中，出風(fēng)口在整車中的位置、出風(fēng)有效面積、結(jié)構(gòu)形式是決定空調(diào)系統(tǒng)效果、整車氣流場分布及舒適性的重要因素之一。從某種程度上講，好的出風(fēng)口設(shè)計(jì)，甚至可以起到HVAC、冷凝器及壓縮機(jī)等重要空調(diào)組件所無法比擬的效果。

1、吹面出風(fēng)口的分類

在分析吹面出風(fēng)口相關(guān)內(nèi)容之前，需要首先了解一下出風(fēng)口的位置及類型分類。

圖1　出風(fēng)口位置示意圖

通常情況下吹面出風(fēng)口為4個(gè)，集中在儀表板上，具體位置如圖1所示。基本上為兩兩對(duì)稱。左側(cè)兩個(gè)為駕駛員使用，右側(cè)兩個(gè)為副駕駛使用。對(duì)于不帶后排出風(fēng)口的車型，前面的出風(fēng)口也需要為后排乘客提供服務(wù)。

表1　外形分類

出風(fēng)口的外形一般受造型等因素影響很大，如果形狀過于特殊將有可能影響到空調(diào)系統(tǒng)的整體性能。原則上規(guī)則形狀的出風(fēng)口形狀如方形及圓形對(duì)空調(diào)的性能影響比較小，不規(guī)則形狀需要重點(diǎn)進(jìn)行校核。

2、出風(fēng)口面積的計(jì)算

合適的出風(fēng)口面積對(duì)空調(diào)系統(tǒng)能力的發(fā)揮及人體的舒適性至關(guān)重要，這也空調(diào)工程師在造型啟動(dòng)之前必須要提前輸入的重要信息之一。通常情況出風(fēng)口面積大小的確定是由人體最佳舒適性等主觀因素決定的。通過fluent/star-CD等主流CFD分析軟件可以模擬空調(diào)系統(tǒng)的性能，其中就包括人體舒適性。人乘坐車輛的舒適性主要包括感受到的溫度、風(fēng)速及噪音三個(gè)主要因素，這三個(gè)因素相輔相成又相互矛盾制約，尋求最佳的平衡點(diǎn)至關(guān)重要。例如，乘客需要快速的降溫，最直接的方法就是在空調(diào)系統(tǒng)全冷、內(nèi)循環(huán)模式的前提下將鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量調(diào)整到最大，加速駕駛艙內(nèi)空氣的熱交換及流動(dòng)，進(jìn)而達(dá)到快速降溫的目的。但大風(fēng)量使用的同時(shí)，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致出風(fēng)噪音的上升，使人變得無法忍受。同樣的道理，如果保證噪音可以接受，則勢(shì)必會(huì)降低出風(fēng)風(fēng)速，而這又影響整車的降溫速度。此外，大量的冷風(fēng)直接吹到人體也會(huì)感到非常的不舒適。

2.1噪音對(duì)出風(fēng)口面積的影響

在整車需要的最大制冷量確定后，空調(diào)系統(tǒng)中的鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量就已經(jīng)確定。此時(shí)出風(fēng)口的面積大小將直接影響風(fēng)速，風(fēng)速過大將直接導(dǎo)致噪音的增長，嚴(yán)重影響舒適性。圖4為某款車型設(shè)計(jì)過程中的1/3倍頻曲線。

圖2　1/3倍頻寬示意圖

其中，實(shí)線為規(guī)定目標(biāo)值，周圍的兩條虛線為允許波動(dòng)的范圍。綜合上述的內(nèi)容我們基本可以確定，當(dāng)出風(fēng)口的風(fēng)速超過10m/s時(shí)噪音值將成倍增長，因此出風(fēng)口風(fēng)速V_max=10m/s是吹面出風(fēng)口的最大允許值。

2.2出風(fēng)口有效面積的確認(rèn)

已知出風(fēng)口的最大風(fēng)速，就可以開始著手進(jìn)行出風(fēng)口的面積計(jì)算了。首先得出的是出風(fēng)口的有效面積。

出風(fēng)口的葉片，連桿機(jī)構(gòu)，撥桿，關(guān)閉風(fēng)門等都將會(huì)擋住氣流，所以真正有意義的出風(fēng)面積應(yīng)該是開口輪廓總面積減去被零部件遮擋的面積，面積的差值稱之為有效面積。我們首先算出的就是有效面積。以通常情況空調(diào)系統(tǒng)的使用模式：吹面、全冷、內(nèi)循環(huán)為計(jì)算前提條件，吹面總風(fēng)量設(shè)定為B級(jí)車中最常見的480m3/h，假設(shè)儀表板的4個(gè)吹面出風(fēng)口有效面積相同。吹面總風(fēng)量V1=480m3/h，則每個(gè)出風(fēng)口分配到的風(fēng)量為V2=V1/4=120 m3/h,即33.34 dm3/s。最大風(fēng)速V_max=10m/s,則出風(fēng)口的最小有效面積為S_min=V2/V_max= 33.34/100=0.34dm2。

2.3出風(fēng)口投影面積的確認(rèn)

確定出風(fēng)口有效面積之后，我們就可以確定出風(fēng)口的投影面積。在計(jì)算之前我們首先要先明確一下出風(fēng)口投影面積的定義：

圖3　出風(fēng)口投影面積示意圖

投影面積指出風(fēng)口外輪廓沿著X方向延伸，垂直于YZ平面的投影面積。上圖中籃圈位置為投影面積。有效面積如何轉(zhuǎn)換為投影面積與出風(fēng)口的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。一般情況下出風(fēng)口可以分為滾筒型出風(fēng)口及雙向調(diào)節(jié)出風(fēng)口兩大類：

圖4　滾筒型出風(fēng)口示意圖

滾筒型出風(fēng)口結(jié)構(gòu)簡單，葉片可以調(diào)節(jié)，繞一根固定的軸旋轉(zhuǎn)。

圖5　雙葉片出風(fēng)口示意圖

雙葉片出風(fēng)口比滾筒型出風(fēng)口復(fù)雜，造型靈活多樣，成本也較高。整體固定，有兩套不同方向可調(diào)節(jié)的葉片。

由圖6、7可以發(fā)現(xiàn)兩類出風(fēng)口的結(jié)構(gòu)形式及風(fēng)阻原件存在明顯的差別，因此在計(jì)算有效面積與投影面積之間的區(qū)別時(shí)也存在了一些不同，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可以總結(jié)如下：

1.滾筒型出風(fēng)口

S有效= 0.45 x S投影

2.雙葉片型出風(fēng)口

S有效= 0.60 x S投影

S投影=S有效/0.6

2.4出風(fēng)口出風(fēng)導(dǎo)向的校核

確定了出風(fēng)口的最小外形輪廓尺寸后，接下來討論如何校核出風(fēng)口導(dǎo)向區(qū)域是否滿足要求的問題。

出風(fēng)口的導(dǎo)向能力主要取決于風(fēng)口布置的位置，放置的高度、可以擺動(dòng)的角度及出風(fēng)口的類型。

在開始校核之前我們首先需要了解一下幾個(gè)主要參數(shù)的定義：

H點(diǎn)：代表駕駛員臀部位置，由總布置來確定。

A點(diǎn)：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(diǎn)的直線

直線2：與1線垂直，在H點(diǎn)上方325mm的直線。

B1點(diǎn)：代表駕駛員胸部右半部分，位于直線1和2交點(diǎn)的左邊75mm處。

B2點(diǎn)：代表駕駛員胸部左半部分，位于直線1和2交點(diǎn)的右邊75mm處

C點(diǎn)：代表駕駛員膝蓋部分，H點(diǎn)垂直上方的125mm處點(diǎn)的位置見下圖：

圖6　關(guān)鍵量定義示意圖

2.4.1全身出風(fēng)角度定義

A2角：上下方向，調(diào)節(jié)全身出風(fēng)口的出風(fēng)導(dǎo)向從正常狀態(tài)到A點(diǎn)所需的角度。

B2角：上下方向，調(diào)節(jié)全身出風(fēng)口的出風(fēng)導(dǎo)向從正常狀態(tài)到B2點(diǎn)所需的角度。

C2角：調(diào)節(jié)全身出風(fēng)口的出風(fēng)導(dǎo)向從正常狀態(tài)到C點(diǎn)所需的角度。

T角：A2,B2和C2中的最大角度。

見下圖示。

圖7　全身角度定義示意圖

2.4.2Z方向出風(fēng)角度校核

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)通常情況下會(huì)有如下兩類設(shè)計(jì)校核要求：

圖8　風(fēng)口 Z 方向校核示意圖

如圖13所示，兩條藍(lán)色的虛線分別對(duì)應(yīng)駕駛者的鼻尖及H點(diǎn)，此為吹風(fēng)覆蓋基礎(chǔ)區(qū)域。兩條紅色虛線為出風(fēng)口格柵撥片向上及向下可以達(dá)到的極限位置。藍(lán)色虛線與靠近它的紅色虛線角度不小于10°。滿足上述要求就基本可以認(rèn)定出風(fēng)口的格柵調(diào)節(jié)角度可以覆蓋成員的全身有效面積，滿足了設(shè)計(jì)的要求。此外，也有一些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了成員上半身的出風(fēng)角度更大一些。如圖13中綠色的兩條實(shí)線，將駕駛員的頭頂作為基線，向上10°作為吹面的極限角度，這樣的要求會(huì)比前一條更全面一些，這樣可以涵蓋100%的假人要求。通過實(shí)際的人體舒適性環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)試，了解到在起始階段，兩類設(shè)計(jì)方法在降溫速率方面存在一定的差別，但10分鐘后頭部的溫度就基本相同了，因此可以認(rèn)定兩個(gè)設(shè)計(jì)方式都是可以接受的。

圖9　頭部平均溫度對(duì)比示意圖

2.4.3Y 方向出風(fēng)角度校核

如圖15所示，校核出風(fēng)口的Y方向是否合理，主要是考慮兩側(cè)出風(fēng)口是否可以覆蓋正、副駕駛員的全部身體。因?yàn)橹醒氤鲲L(fēng)口將起到同樣的作用，因此兩側(cè)的出風(fēng)口校核并不像對(duì)中央出風(fēng)口校核那么重要。簡單的講就是要求兩側(cè)出風(fēng)口的極限位置一側(cè)可以覆蓋側(cè)窗風(fēng)擋玻璃，另一側(cè)可以覆蓋到另一側(cè)人員的肩膀，如圖14所示。風(fēng)口格柵撥片的極限位置與基線位置的夾角仍然不能小于10°。副駕駛側(cè)出風(fēng)口的校核方法與駕駛側(cè)完全相同。

圖10　風(fēng)口 Y方向校核示意圖

3、結(jié)論

本文對(duì)汽車儀表板上的吹面風(fēng)口的設(shè)計(jì)及校核進(jìn)行了一些說明，對(duì)涉及的關(guān)鍵內(nèi)容進(jìn)行了重點(diǎn)的解析，希望對(duì)大家有所幫助及借鑒。本人能力有限，文中難免出現(xiàn)描述不清等問題，還望不吝賜教，感激不盡。同時(shí)感謝MSE公司及GM公司相關(guān)工程師提供參考資料。

[1]Outlet Specbook 2013-8-1 vesion 1.0 MSE.

[2]Outlet area calculation reports 2014-5-27 MSE.

[3]GM outlet design guideline handbook 2013-01-17 vesion 2.1.

Based on the comfort factor of the complete vehicle out design analysis

Zhao Nan1, Tian Jun2
( 1.LiaoNing water conservancy vocational college, Liaoning Shenyang 110102; 2.Brilliance automobile engineering research institude, Liaoning Shenyang 110141 )

Based on the instrument panel air outlet as the research object. All kinds of known factors on the influence of the human body comfort as the design basis. By adjusting the air outlet of the effective area, structure and the air paddle of the Angle of the air flow, the air speed, noise and other factors tend to be the best comfort of target requirements. Instrument panel is given by calculation the minimum effective air outlet area, and the minimum area of the air outlet outside the profile is obtained; Through the analysis of human engineering air outlet the paddle of the checking the angle method is given. Through the outlet of the H/W ratio, gives several set of paddle design experience. Finally, puts forward a set of more comprehensive complete vehicle air conditioning system air outlet theory basis for design and the checking methods, and through the fluid analysis software simulation analysis, the results of design and checking its correctness in this article.

Instrument panel; Air conditioning system; air outlet; comfortable; effective area

U462.3

A

1671-7988(2016)11-84-04

趙南，工學(xué)碩士，就職于遼寧水利職業(yè)學(xué)院信息與電氣化系，講師，研究方向：自動(dòng)控制、檢測(cè)技術(shù)工程應(yīng)用。

田鈞，工學(xué)學(xué)士，就職于華晨汽車工程研究院 電氣部 空調(diào)組 組長，資深專家。研究方向：整車空調(diào)系統(tǒng)匹配、設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)。