扇形風門在空調配氣系統中的應用

吳春來，曹皇親，楊菲菲

（安徽江淮汽車集團股份有限公司輕商院，安徽 合肥 230601 ）

汽車空調已由單一的制冷和采暖方式發展到冷暖一體化形式，由季節性空調，發展到全年型空調，真正起到空氣調節的作用。汽車空調配氣系統根據空調的工作要求，可以將冷、熱風按照需求送到駕駛室，實現車內空氣舒適性調節和提供良好行駛視野的功能。手動空調和電動空調都有配氣系統，不同的是手動空調由拉絲驅動風門運動，電動空調由步進電機驅動風門運動。手動空調系統，由于價格相對低廉，且維修服務簡單易操作，在很多商用車上普遍采用。當然，手動空調系統在控制器旋鈕操作、模式密封性應該和電動空調一樣，旋鈕手感輕巧靈便，操作上舒適方便，各模式密封良好，單一模式時其他模式無漏風。如何達到并滿足客戶需求，本文通過優化模式分配機構和扇形風門的應用來實現。

1 現狀描述

汽車空調配氣系統一般由3部分構成：第1部分為空氣進口段，主要由用來控制新鮮空氣和室內循環空氣的風門葉片和風機組成；第2部分為空氣混合段，主要由加熱器和蒸發器組成，用來提供所需溫度的空氣；第3部分為空氣分配段，使空氣吹向面部、腳部和擋風玻璃上。在手動空調系統中，空氣分配段各種模式的控制是通過拉絲，由控制器旋鈕手動驅動。

某輕型商用車在海南溫濕帶地區試驗時，發現空調系統全吹面模式制冷時，前擋風玻璃會慢慢起霧，影響駕駛員視野，威脅行駛安全。通過實車排查，發現在全吹面模式時，儀表板除霜風口存在最大2.3 m/s的漏風現象，且在任一模式時，其他模式均存在風口漏風的現象。初步判斷是由于空調配氣系統全吹面模式時除霜風口漏風，泄露的冷空氣降低擋風玻璃內外表面溫度，且低于室外溫度，室外高濕度空氣遇到玻璃表面冷凝后形成細小的冷凝水，導致玻璃起霧。圖1為試驗車儀表板出風口示意圖。表1為試驗車儀表板出風口風速測量。

圖1 試驗車儀表板出風口示意圖

某輕型商用車空調配氣系統結構如圖2所示，分別由3個一字型風門控制3個出風口，通過一字型風門旋轉控制風口通風、半通風和阻風狀態，實現配氣系統不同出風模式。全吹面模式時，除霜風門、吹腳風門與殼體貼合關閉，由海綿密封阻止通風。

圖2 空調配氣機構

表1 試驗車儀表板出風口風速測量

一字型風門由PP注塑件和海綿粘貼而成，通過海綿與殼體壓縮密封，如圖3所示。

圖3 一字型風門

模式分配機構由模式聯動盤、轉動連桿、連桿和一字型風門組成，如圖4所示。工作原理是：模式聯動盤通過拉絲與空調控制器模式旋鈕連接，模式旋鈕選擇某一種出風模式時，旋鈕旋轉驅動拉絲相對套管移動，帶動模式聯動盤繞固定軸旋轉，模式聯動盤上的導向槽與轉動連桿上的圓柱銷配合，圓柱銷沿導向槽移動，帶動轉動連桿旋轉。轉動連桿旋轉通過連桿驅動風門軸轉動，實現風門旋轉，空調系統出風口通過風門旋轉實現開啟、半開啟或關閉等狀態。通過拉絲驅動3個風門聯動，實現空調主機各出風口通風、半通風或阻風狀態，即空調配氣系統的不同模式。

圖4 空調配氣機構工作原理

2 原因分析

空調配氣系統分風主要是靠控制器拉絲驅動的模式聯動盤運動，模式聯動盤是直接將控制器的操縱力傳遞給聯動風門的重要部件，是驅動配氣系統風門旋轉運動和風向分配的直接帶動者。帶動風門旋轉運動，使風門與殼體壓緊海綿密封。從該商用車空調配氣系統的構成及工作原理，分析導致全吹面模式時漏除霜風的原因。

1）汽車空調配氣系統模式聯動盤運動行程與控制器拉絲運動行程不匹配。控制器拉絲的有效行程40 mm，偏小；模式聯動盤的旋轉行程46.2 mm，偏大。控制器拉絲自初始模式旋轉到極限模式全吹面行程時，模式聯動盤旋轉到潔凈極限位置未達到極限位置，3個風門同時聯動且都未達到極限位置，導致吹面風口風門未全開，除霜、吹腳風門未全關閉，除霜風口海綿未壓緊密封，導致漏除霜風。圖5為模式聯動盤行程校核，圖6為控制器拉絲行程校核。

圖5 模式聯動盤行程校核

2）3個出風口都受一個獨立風門控制，且各個風門都是由各自的轉動連桿、連桿、風門軸連接到模式聯動盤進行驅動，零部件數量多，且都是相互關聯的運動部件，各部件的相對運動軌跡精度要求高，任何一個連桿或者轉動連桿運動偏差，必然影響對應風門的運動軌跡和密封可靠性。由于轉動連桿上的圓柱銷（與導向槽配合）為PP-TD20注塑件，除霜轉動連桿圓柱銷自身的彈性變形，除霜風門未完全壓緊海綿密封，且關聯運動部件越多，控制器旋鈕操作力越大。

3）模式聯動盤導向槽無壓緊鎖止軌跡，除霜風門在海綿自身回彈力Ft和鼓風機風壓Fg的合力作用下，使風門形成壓緊海綿的反方向旋轉力矩，導致除霜風門無法壓緊海綿密封，且風門處在不同角度時，受海綿回彈力和鼓風機相對風向的變化，使模式聯動盤的驅動力產生波動，即控制器操作力存在波動變化。圖7為壓縮海綿回彈力。

圖6 控制器拉絲行程校核

圖7 壓縮海綿回彈力

4）空調配氣系統主要靠風門海綿與殼體壓緊密封，由于一字型風門與殼體配合的“剪刀X”結構影響，靠近軸線的部分海綿壓縮量越大，離軸線越遠的海綿壓縮量越少，整個風門海綿壓縮量不均勻。風門結構局限性導致3個風門存在不同程度的海綿壓不緊，且風門旋轉力隨海綿壓緊程度越來越大，即控制器旋鈕操作力越來越大。圖8為海綿壓縮簡圖。

圖8 海綿壓縮簡圖

3 優化措施

針對上述原因分析，該輕型商用車空調配氣系統分風調節機構原狀態由3個獨立的一字型風門控制，如圖2所示，由于控制器拉絲行程的不匹配及風門結構限制，改進為扇形風門結構，如圖9所示。改進后的空調配氣分風機構主要包括模式聯動盤、風門連桿、吹面風門、吹腳-除霜風門。

圖9 扇形風門配氣機構

1）優化措施1 應用扇形風門結構。扇形風門主體結構為等腰扇形結構，它分別由風門主體結構（注塑）、2條密封膠條和帶有定位面的風門軸組成，如圖10所示。2條密封膠條材料為TPE，采用二次注塑工藝，與風門主體形成整體結構。通過風門旋轉實現空氣導流和阻隔，膠條壓緊來實現密封。利用扇形風門的相互配合，用一個風門扇形面封閉另一個風門的導風面（圖11），實現3個風門的聯動控制。將原狀態的3個風門優化為2個扇形風門。

圖10 扇形風門

2）優化措施2 優化模式聯動盤結構。由于聯動2個扇形風門，模式聯動盤導向槽數量減少為2條，每條導向槽軌跡是由一段與聯動盤旋轉固定孔同心的圓弧導槽、一段與模式聯動盤旋轉固定孔不同心的圓弧導槽組成，其中與聯動盤旋轉固定孔同心的圓弧導槽分別位于模式聯動盤順、逆時針旋轉時導向槽的起始段，同心圓弧導槽段風門相對靜止。且2條導向槽在模式聯動盤的2端極限位置設置有壓緊鎖止軌跡，確保風門在極限位置時包膠處于壓緊狀態且鎖止風門。圖12為模式聯動盤。

圖11 扇形風門V型注塑膠條

圖12 模式聯動盤

3）優化措施3 風門連桿結構優化。圓柱銷為金屬圓柱銷，采用嵌入式注塑工藝。圓柱銷與模式聯動盤導向槽配合，圓柱銷在導向槽內沿軌跡移動。另一端是帶有定位面的軸孔，與風門軸連接，

帶動風門一起旋轉。圖13為風門連桿。

4）改進后配氣系統分風機構工作原理 模式聯動盤的旋轉固定孔安裝在空調主機殼體上，模式聯動盤繞該安裝孔中心軸做往復旋轉運動。風門連桿圓柱銷直接插入模式聯動盤的導向槽內，風門連桿帶有定位面的軸孔與安裝在空調主機殼體上的風門軸連接，風門連桿只能繞風門軸線往復旋轉，且旋轉時軸銷必須在導向槽內沿軌跡運動。風門的風門軸直接安裝在HVAC殼體上，一端帶有定位面的風門軸穿過殼體與帶有定位面的風門連桿軸孔配合，風門可繞風門軸線旋轉且與風門連桿同步旋轉。

通過空調控制器控制驅動模式聯動盤繞旋轉固定孔中心軸旋轉，帶動模式聯動盤上的2條導向槽同時繞模式聯動盤旋轉固定孔中心軸旋轉。驅動插入導向槽內的風門連桿圓柱銷（吹面風門連桿圓柱銷插入吹面風門導向槽內、吹腳-除霜風門連桿圓柱銷插入吹腳-除霜風門導向槽內）沿導向槽移動，即風門連桿繞風門軸線旋轉，同步帶動風門繞軸線旋轉。風門通過其密封膠條、扇形導風結構與空調主機內部殼體配合，形成不同的通風、半通風和阻風狀態，空調主機出風口實現不同的出風模式。

圖13 風門連桿

表2 優化前后HVAC總成各模式風量分配試驗對比

4 措施驗證

優化前后HVAC總成各模式風量分配試驗對比見表2。優化前后的空調控制器模式旋鈕操作力對比見表3。

表3 優化前后的空調控制器模式旋鈕操作力對比

通過HVAC總成風量分配數據對比，優化后全吹面模式時除霜漏風降低至0.51m3/h。在高濕試驗車上更換優化后HVAC總成后，路試試驗合格，前擋風玻璃無起霧現象，且由于風門和模式聯動盤的結構變化，使驅動模式聯動盤的控制器旋鈕操作力有所改善，相對降低旋鈕操作力和各模式轉換時旋鈕操作力的平順性，各模式轉換時操作力更均勻，證實風門優化整改有效。

5 結論

本文通過對某輕型商用車空調配氣系統的模式漏風問題整改，利用扇形風門結構應用，解決空調配氣系統模式密封性，解決整車在全吹面模式制冷時玻璃起霧問題。減少轉動連桿、連桿、風門等零部件，降低制造工藝難度，提高生產節拍，降低總成部件的制造成本。模式聯動盤增加壓緊鎖止導槽，確保各種模式下其他模式的密封性，提高整車的安全性能。出風模式分配機構-模式聯動盤減少一條導向槽，降低模式聯動盤轉動力，提高出風模式分配機構運動可靠性。降低模式旋鈕操作力，提升模式旋鈕操作力平順性，提高操作舒適性。