汽車空調箱風門驅動機構的設計研究

趙彤

濟寧市技師學院 山東濟寧 272000

隨著汽車研發技術和人們生活水平的不斷提高，人們對汽車空調的舒適性要求也越來越高，汽車自動空調系統逐步普及。汽車自動空調調節器（簡稱HVAC）風門運轉與手動空調不同的是，一個是用拉絲（有硬拉絲和軟拉絲之分）控制，一個是執行器控制（俗稱風門執行器）。

1 汽車空調溫度混合風門控制機構的簡介

汽車工業在我國面臨高速穩定發展時期，汽車技術的更新圍繞安全、舒適和節能環保發展[1]。汽車空調系統作為影響汽車舒適性的主要總成之一，為汽車提供制冷、取暖、除霜、除霧、空氣過濾和濕度控制等功能，已成為汽車市場競爭的主要手段之一。對于一款汽車空調來說，其最重要評價指標是溫度指標，一般車廂內的溫度控制在15℃至25℃之問，能否獲得合適的車內溫度是人們對于汽車空調最直觀的評價。同時駕駛者對車內溫度控制的有效性、便捷性、準確性也是評價這款空調優劣的重要指標，所以各空調廠商對于汽車空調的溫度控制技術的研究都非常的重視。

2 風門機構的設計和運動仿真

汽車空調的模式通常分為五個模式，即面部模式、面部/足部模式、足部模式、足部/除霜模式、除霜模式。根據車況和天氣情況，司機或者乘客可以選擇比較舒適的模式。以上的五種模式是由風門的開關來調節出風模式[2]。根據以上的模式，風門的開關如表1。本文利用CATIA軟件中的DMUKinematics模塊運動仿真設計風門驅動件凸輪。再利用零件的運動軌跡設計凸輪軌跡槽。首先利用CATIA軟件按照零部件的位置進行實體建模，做出風門和殼體的位置以及風門的轉動軸位置。根據風門位置，初步分析，三個風門位置距離比較遠，直接用凸輪驅動風門曲柄帶動風門旋轉，勢必會導致凸輪的直徑較大，導致凸輪的力矩較大，凸輪偏擺也會嚴重，所以需要增加搖桿機構，使凸輪的直徑變小。根據風門的旋轉角度，初步設計出搖桿機構。搖桿全部在同一個上殼體上，這樣可以提高機構的尺寸穩定性和精度，也可以縮小凸輪直徑。根據以上零部件的位置，確定出凸輪的旋轉軸位置，根據現有的數據信息，定義出所有的運動副，其中包括轉動副，點在線上滑動副。因為要設計凸輪槽，所以把每個風門和凸輪作為主動件，轉動角度使用規律曲線來驅動，即CATIA的Law功能，根據規律曲線在一個凸輪角度總行程，風門根據模式都有著規律的角度行程。在本文的機構虛擬仿真中，求出了搖桿上的銷軸在凸輪上的軌跡，這個軌跡就是凸輪槽的位置。通過此運動軌跡，我們可以分析不同位置的壓力角，根據壓力角進行軌跡的優化。進而達到優化的凸輪軌跡設計。通過本文提出的方法設計凸輪，可以節省大量的時間，縮短產品的開發周期。且可以直觀的看出各風門的開關情況，海綿的壓縮等狀態。曲柄銷在凸輪槽內的滑動的間隙配合對機構的運動噪音都有很大影響。在運動機構中大部分的零部件都是塑料件，塑料件制作比較方便，成本比較低。但是零部件的變形和尺寸穩定性相對較差，所以，在尺寸配合的設計上要充分考慮塑料件的材料特性。在所有零件中，對噪音比較敏感的是曲柄銷在凸輪槽內的滑動的配合間隙，間隙過小，滑動的過程中會有異音或者噪音[3]。間隙過大機構就會不穩定，所以配合間隙要比較適當。曲柄銷的直徑比較小，尺寸比較好控制，所以尺寸公差要小一些。凸輪的軌跡比較復雜，制作相對復雜一些，所以尺寸公差要相對大一些。這樣對生產成本也是比較有利的。產生噪音的另一個關鍵是零件的材料，同種材料在相互產生摩擦的過程中易產生噪音，所以材料的選擇也是很重要的。

表1 汽車空調的模式

3 結語

本文使用CATIA的Kinematics虛擬仿真模塊逆向設計凸輪軌跡，即使用CATIA的law特性通過風門旋轉角度的角位移關系驅動風門和凸輪，生成曲柄銷軸在凸輪上的運動軌跡的方法來設計凸輪。對其軌跡進行壓力角分析與調整，使之減小壓力角，進而減小機構的扭矩。本文得到如下結論：（1）本文提出的方法提高了設計效率，極大地縮短了開發周期和成本，有效地保證了空調機構設計的合理性和準確性。（2）風門的關緊狀態與凸輪的軌跡設計有很大關系，設計凸輪的過程中需要充分考慮海綿的壓縮量，風門的剛性，曲柄銷在凸輪槽中的工作接觸點以及在各個模式狀態下的風門鎖緊行程，保證凸輪的往復過程中風門的正確位置。（3）曲柄銷在凸輪槽內的滑動的間隙配合對機構的運動噪音都有很大影響。曲柄銷的直徑比較小，尺寸比較好控制，所以尺寸公差要小一些。凸輪的軌跡比較復雜，制作相對復雜一些，所以尺寸公差要相對大一些。這樣對生產成本也是比較有利的。（4）凸輪壓力角會直接影響機構的操作力。設計過程中在各個模式轉換的過程中，對壓力角要進行分析，保證壓力角的理想狀態。