汽車出風口設計要點及其強度分析

鄧清華 ，廖程亮 ，孔 飛

（江西五十鈴汽車有限公司產品開發技術中心，江西 南昌 330010）

汽車出風口是汽車內飾系統重要的功能件，是汽車空調通風系統的終端零件[1]，其布置方式、尺寸面積大小、型式直接影響到車內氣流速度、流動方向，從而對空調系統性能、車內安靜程度、乘客舒適性有著相當重要的影響。隨著汽車工業的發展，汽車出風口出現過多種型式，如貫穿式風口、渦輪式風口、隱藏式電動風口等，如圖1所示。不同型式的風口價格不同，隱藏式電動風口因涉及控制單元以及電機，所以價格較貴，主要應用于高檔車型上。汽車出風口主要由風口面板、風口飾條、撥鈕、撥輪、葉片、連桿、風門等組成[2-6]。本文主要介紹出風口開發過程中的設計要點，并對葉片進行強度分析。

圖1 汽車出風口類型

1 出風口設計要點

1.1 出風口的布置要求

出風口的布置直接影響車內空調出風的效果，一般出風口可布置在前排儀表板上和副儀表板后端，應避免被其他零件如方向盤等遮擋，影響出風。因座椅在最前位置時[7-8]，人體離風口位置是最近的，出風口相對于人體的吹風范圍也是最小的，因此只有滿足了前置座椅的要求，才可以同時滿足其他狀態下的要求。為確保出風口吹出來的風能覆蓋人體，出風口的出風范圍需同時滿足縱向和橫向調節范圍要求。對于出風口氣流的縱向調節范圍要求，出風口中線距離H點垂直高度差至少356 mm，中間出風口下吹風邊界與兩側出風口下吹風邊界的高度差為200 mm，且兩側出風口下吹風邊界通過H點。出風口上吹風邊界至少與99%眼橢圓相切，一般為了滿足出風口能夠吹向不直對人體位置的要求，推薦這個方向再向上轉動5°，江西五十鈴汽車有限公司是要求其方向遠離眼橢圓150 mm，如圖2所示。

圖2 出風口氣流縱向調節范圍

汽車出風口不僅上下出風范圍要滿足要求，其左右出風同時也要滿足要求，其橫向調節范圍需滿足如圖3所示的要求，側出風口要求向外能夠吹到人體外的部分[9]，向內要求能夠吹過眼橢圓的內側。中間出風口向外要求吹過眼橢圓的外側，向內要求吹過整車中線，一般側、中間出風口出風范圍Y向滿足450 mm。

圖3 出風口氣流橫向調節范圍

為保證出風口的出風效果，出風口設計時需校核其有效出風面積。有效出風面積是指實際出風方向垂直的平面上做開口處氣流的投影面積（需要刨除上下層葉片及連桿的投影面積）。根據江西五十鈴汽車有限公司的要求，車輛的有效出風面積需要達到3 870 mm2～4 516 mm2，長或寬的尺寸不能小于44.5 mm。在設計開發過程中，需通過CFD分析來計算出風口的出風量、風速是否滿足公司標準規定。

1.2 出風口零件設計

1.2.1 出風口撥輪的設計

撥輪是控制出風口葉片或風門關閉的機構，為便于用戶操作，一般其應高出出風口面板3 mm左右，撥輪與其周邊件的間隙一般為0.5 mm，撥輪的厚度一般定義在5 mm～10 mm，撥輪的半徑一般應大于24 mm。撥輪的緊固方式有多種，一種是壓盤，撥輪與殼體組合對撥輪進行緊固的方式，通過螺釘將壓盤緊固到殼體上，撥輪夾持在壓盤與殼體之間[10]；另外一種則是通過SNAP結構與撥輪卡接的方式，SNAP結構自身也比較好調整，較容易調整到滿意手感，缺點是SNAP長在殼體上會造成此處的模具制造略有困難。具體如圖4所示。

圖4 撥輪緊固方式

1.2.2 出風口撥鈕的設計

撥鈕是用來控制上下層葉片旋轉的，因此撥鈕的撥動范圍必須滿足吹風角度的要求，同時還要能夠滿足客戶獲得滿意手感的區間要求。如圖5所示，紅色線表示出風角度要求的上下極限位置，如果撥鈕的波動范圍能夠達到這兩個位置，就可以滿足吹風要求，但是對乘客來說，如果手指從下向上撥動撥鈕，撥到上極限位置的時候，會明顯感覺應該還可以往上撥，但是卻無法撥動了，此出風口設計就不合理。撥鈕應在中間葉片上可滑動，其與葉片的間隙一般為0.5 mm。

圖5 出風口撥鈕的設計

1.2.3 葉片的設計

出風口葉片分為水平葉片與垂直葉片兩種，兩者一起注塑成型，通過工裝夾具與風口葉片安裝座一次性裝配在風口殼體上。葉片沿長度方向應當做限位，常見的限位方式如圖6所示，葉片兩端做小平臺與殼體側壁進行配合，達到定位效果，定位間隙0.1 mm。但是對于較長的出風口葉片，由于長度方向上的公差累計，一般不建議采用兩端定位方式，建議定位做到一端，另一端放開。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 mm～12 mm之間，大于12 mm或小于4 mm，則需要進行CFD分析。

圖6 葉片軸與孔的配合關系

2 出風口設計驗證

為確保出風口設計穩健，應通過各種實驗驗證設計的合理性，主要實驗要求如下。

1）阻燃性要求：滿足GB 8410—2006《汽車內飾材料的燃燒特性》的要求，即燃燒速率不大于100 mm/s。

2）出風口操作力要求：出風口撥鈕縱向操作力要求在2.5 N±1.0 N內，出風口撥鈕橫向操作力要求在2.5 N±1.0 N內，出風口撥輪操作力要求在3.0 N±1.0 N內。

3）氣味：材料氣味要求零件的氣味等級≤3級。

4）耐熱老化性：將出風口總成放置在90 ℃±2 ℃的高溫烘箱中168 h后，在常溫放置2 h冷卻，要求零件外觀上不得出現起皺、翹曲變形、分層、脆化、龜裂、表面污染、析出等不可接受的缺陷。

5）禁限用物質：符合GB/T 30512—2014《汽車禁用物質要求》。

6）出風口密封性試驗：將待測出風口連接到鼓風機上，對出風口連接處進行密封，防止漏氣。關閉出風口風門進行吹風，檢查漏氣情況。將進氣口壓力調至250 Pa，對空氣泄漏量進行測試。調整出風口壓力，測試泄漏量達到4 m3/h時，對出風口葉片狀態進行評價。打開出風口風門，調整進氣口壓力從0～100 Pa變化，對出風口出風聲音進行評價，不允許出現嘯叫的聲音。

3 有限元分析及優化

為防止出風口葉片在外力作用下斷裂，葉片的強度需滿足相應的標準要求。本文利用常用的有限元分析方法，計算出風口葉片在20 N的外力作用下的強度。首先，將出風口總成模型導入到HyperMesh軟件中，利用其強大的網格劃分功能進行3D網格劃分，網格類型為四面體單元，單元尺寸為2 mm，然后將劃好網格的模型導入到ABAQUS中施加約束及荷載，約束出風口固定在儀表板上的所用點的6個自由度，此有限元模型單元數為8 537個，節點數為9 125個，出風口對應材料參數如表1所示。出風口強度分析結果如圖7所示，此出風口在20 N的載荷作用下的應力為31 MPa，小于材料的屈服強度，說明強度符合要求。

表1 出風口材料參數

圖7 出風口強度分析結果

4 結論

本文重點介紹了汽車出風口的布置要求，其縱向及橫向氣流調節范圍需滿足設計要求，否則用戶體驗感較差，易引起用戶抱怨。同時，分析了汽車出風口撥輪、撥鈕、葉片設計開發的注意事項，可為后續車型出風口的設計提供一定的參考。此外，汽車出風口還需通過一系列的設計驗證來證明設計的穩健性，本文介紹了出風口需滿足的主要實驗項，并利用有限元分析軟件對葉片進行強度分析，分析結果表明，葉片在20 N的外力作用下其應力小于材料的屈服強度，葉片強度符合設計要求。