汽車內飾出風口密封性能研究
汽車內飾出風口密封性能研究
在整個汽車空調系統中,由出風口和風道組成的汽車通風系統,擔負著將經過處理的空氣送到汽車駕駛艙內,完成通風、制冷、加熱、除霧、凈化空氣等功能。空調出風口屬于乘客可見區域,出風口的布置、大小、形式直接影響車內氣流速度、氣流方向和氣流組織,所以對車內安靜程度和乘客舒適性有著重要的影響。
空調吹面出風口的發展按外觀風格劃分分為三個階段[1]。**代傳統的空調吹面出風口,基本為一個獨立的造型特征,一般由裝飾框、面框、殼體、風門、撥輪、撥鈕、連桿、葉片等部件組成。一般情況下,傳統出風口包含“桶型出風口”和“雙葉片型出風口”兩種。桶型出風口經濟而簡單;雙葉片型出風口相對復雜,造型靈活多樣,成本較高。**代裝飾性出風口是將出風口葉片結構及外觀部分同某一整體的內飾造型特征相融合,這種出風口的結構形式一般為雙葉片型,真實的出風口外輪廓多為形狀較為規則的矩形。第三代出風口為隱藏式出風口,通過結構的**盡量減小出風口的高度,使得出風口的外露部分為狹長的矩形,使得出風口同周圍的造型特征相融合,達到總體視覺上影藏出風口的目的。
從造型角度而言,裝飾性出風口和隱藏式出風口的主要區別為,前者特征夸張、后者整體造型風格更加簡約。
當前,在汽車設計過程中,空調出風口關閉狀態的密封性是一個常常容易被空氣動力學工程師們所忽視的問題。但是隨著消費者對乘用車座艙內舒適性要求的提高,空調在制冷或制熱工作中關閉某個風門不需要吹風工況的需要,出風口的風門結構已經成了主流車型的標準配置。在車內顯示屏越來越巨大的趨勢下,裝飾性出風口和隱藏式出風口越來越多的被應用,為了同時滿足空調性能的工程要求和造型美學訴求,控制獨立風門的撥輪結構越來越難以布置,隨之應運而生的自封閉式出風口獲得了造型設計師的青睞。自封閉式出風口是靠風向調節葉片完全閉合達到密封效果,相比獨立風門型出風口優點是沒有了控制風門開關的撥輪,為A面造型提供了更大的發揮空間;撥輪和風門的減少也節省了更多的開發費用。自封閉出風口的缺點是關閉狀態時的密封性相比獨立風門型出風口更難達成。而在設計階段又缺少相應的驗證手段,CFD也無法模擬,導致自封閉式出風口在實物階段要經過多次的修模、改模才能驗證合格,浪費了大量人力、財力和時間。
本文分析了乘用車空調吹面出風口的密封性標準和自封閉式出風口產生泄漏的原因,通過大量試驗驗證了泄漏量與泄漏面積的關系,為設計階段判斷出風口密封性能達成提供了依據。
對主機廠的標準研究發現,密封性測試都是在出風口關閉狀態,其進風口背壓大多為250Pa時進行測試的。豪華品牌密封要求*為嚴格,風門類型和自封閉式要求基本一樣。多數普通品牌會考慮成本,自封閉式出風口的泄漏量限值都會比帶獨立風門的出風口的泄漏量限值高很多。但隨著新勢力車企的加入,車內駕乘體驗越發的被重視,舊的標準已經滿足不了競爭要求,主機廠也紛紛有調整自封閉出風口的泄漏量在0.1m3/min以下的趨勢。出風口供應商在保持較低成本的情況下達成客戶目標也成為重點課題。
帶單獨風門的出風口,其風門葉片一般是周圈二次注塑包軟膠,或葉片周圈帶卡裝毛氈等,用軟質材料與殼體結構進行干涉接觸以此消除葉片于殼體的間隙。這種密封效果一般都比較好,容易達到標準要求。
自封閉類型出風口取消了單獨的風門結構,靠風向調節葉片封閉風道來達到密封效果。為了到更好的密封效果,有的產品也會葉片上進行包膠以保證密封。但在考慮更低成本的情況下,多數都不會進行包膠,直接是靠硬質葉片進行密封的。
經過對出風口的結構分析,出風口在關閉狀態下產生泄露的位置是由于零件間間隙導致,主要有:葉片與殼體間隙、葉片與葉片間隙、葉片轉軸與轉軸孔的間隙。通過CATIA軟件可以計算得出這些間隙的總透過面積。
試驗方法:在相同背壓下,使用風量臺測試
不同出風口面積的空氣泄漏量[2]。
試驗環境:室溫23±2℃,濕度50±20%
試驗設備:風量試驗臺[3]
出風口模擬工裝:使用硬紙板制作模擬出風口的工裝,開口尺寸100mm*100mm
輔助材料:牛皮紙、膠帶、橡皮泥、直徑0.75mm的針(截面積0.44mm2)
工具:尺、美工刀
設備輸入風壓:250Pa
試驗過程:
①制作出風口模擬工裝,一頭開口尺寸100mm *100mm;另一頭開口大小與風量試驗臺出風口匹配;
②將出風口模擬工裝安裝在風量試驗臺出風口上,使用膠帶和橡皮泥密封接口,確保沒有漏風點。
③用牛皮紙封住模擬工裝的出口,同樣使用膠帶和橡皮泥密封接口,確保沒有漏風點。
④啟動風量臺,使模擬工裝進風口背壓達到250Pa,在此期間檢查是否有漏風。如有,使用橡皮泥進行堵塞,直到模擬工裝及接口處沒有泄露。然后再次測量在背壓250Pa穩定時設備顯示泄露值,此時結果為設備基準泄漏量,記錄為L0。
⑤使用針在牛皮紙上扎洞,每增加5個洞,需要依次測試背壓穩定在250Pa時的泄漏量,直到測試到100個針孔。記錄泄漏結果為LX,X代表“測試順序”。每次的測試結果即為LX-L0。表2為計算針孔累積面積和其對應的泄漏量結果。
⑦整合測的數據,以“孔總面積”為x軸,“泄漏量”為y軸,可以得出如下泄漏量與面積的關系曲線。通過對測試結果進行統計,對散點進行回歸直線分析,可以得出如下泄漏量與開口面積的一元線性回歸方程[4]:
出風口輸入背壓為250Pa時,y = 0.0007x + 0.0029上述,y表示泄漏量,單位m3/min;x表示零件泄露面積,單位mm2。
在某車型儀表板出風口設計中客戶提出要使用自封閉結構,按其標準要求出風口在250Pa背壓時泄漏量≤0.1m3/min。在設計階段,經過對此項目的出風口數據進行解析,發現主要的泄漏點在于葉片與殼體轉軸位置的間隙。對出風口密封性能進行評估時,設計團隊使用CATIA投影出有間隙的位置并計算出總的間隙面積S1,使用泄漏量公式進行計算發現結果超出標準。
經過一輪優化,在保證葉片能過正常活動的前提下將葉片與轉軸的間隙由0.6mm調整到0.25mm,再次計算投影間隙總面積S2,帶入泄漏量計算公式中算出結果合格。設計以此鎖定了此處出風口的配合機構。后續實物出來后,監控供應商零件尺寸做到數據狀態,使用實物測試結果也符合標準,且與設計結算理論計算的結果基本吻合。
經過量產項目的驗證,這種計算零件總泄露面積,再通過本文所描述的公式計算泄漏量的方法可以有效呈現產品的真實泄漏量水平,對出風口設計有指導意義。
本文分析了自封閉出風口廣泛應用的背景,對乘用車空調吹面出風口的密封性標準和自封閉式出風口產生泄漏的原因進行了探索,并以某車型出風口為例,驗證了試驗所得的泄漏量與泄漏面積的關系公式的有效性,并得出以下結論:
(1)自封閉式出風口會越來越多的被應用,其密封性要達到≤0.1m3/min;
(2)出風口引起泄露的位置通常是葉片與殼體間隙、葉片與葉片的間隙、轉軸與轉軸孔的間隙。設計階段優化這些間隙科有效改善密封性;
(3)出風口泄漏量與泄露面積關系為y = 0.0007x + 0.0029。產品數據設計階段可通過此公式進行計算,校核當前狀態的泄漏量是否符合客戶標準。
參考文獻:
[1]李濤.空調吹面出風口的設計趨勢[EB/OL],2018.
[2]DMOV_CARO2_0128車輛的空氣分配部件的密封測量[S],2004.
[3]GB/T 1236-2017 工業通風機 用標準化風道性能試驗[S],2017.
[4]羅洪群,王青華主編;董春副主編.市場調查與預測 第2版[M]:清華大學出版社,2016.
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