汽车出风口设计及其有限元分析

随着时代的发展，科技水平的进步，汽车内饰仪表板系统日新月异，原来的中控屏、帽檐及传统式结构设计发生了巨大的变化，现阶段仪表板系统外观设计简洁大方，功能性更加强大，搭载车载娱乐系统是后续设计的趋势[1]。市场上广泛出现了30.5cm25.4cm（12寸）显示屏、无帽檐组合仪表罩设计，双连屏、隐形出风口等特色结构，可见消费者购买车辆时主要考虑汽车功能性及舒适性，而出风口作为内饰系统的重要功能件，其安装在仪表板上，主要作用是调节空调风量的大小及方向，实现车内通风，温度调节的功能，其设计得好与坏，一定程度上决定了车辆是否能在竞争激烈的市场上占有一席之地[2]。本文主要探讨在出风口开发设计过程中风口的布置要求，以及针对风口拨钮，拨轮以及叶片结构设计的一些重要参数，并针对实际使用情况，利用有限元分析技术对出风口叶片进行刚度分析，验证设计的合理性。通过本文的研究，有助于提升后续车型的出风口设计水平，从而在设计阶段规避一些设计不合理之处，减少后期修模的费用。

出风口的布置、大小、型式直接影响到车内气流速度、流动方向、流场组织，从而对空调系统性能、车内安静程度、乘客舒适性有着相当重要的影响。因此，其布置位置需满足如图1所示的要求，否则会影响出风口吹风的效果。一般仪表板上布置4个出风口，可满足车内吹风要求[3]。根据本公司人机布置要求，出风口格栅中点距离H点垂直高度差最少距离为356mm，中间出风口下吹风边界与两侧出风口下吹风边界的高度差为200mm，且两侧出风口下吹风边界通过H点。格栅中点距眼部椭圆切线点最大距离为653mm。格栅必须保证气流可以流经从H点到99%眼部椭圆的范围。

在出风口设计开发时，其需满足乘用车内部突出物，汽车内饰材料的燃烧特性以及禁用物质的法规要求。需要通过对应的国标提供相应的实验报告，如表1所示。

1.1出风口拨钮的设计

出风口结构如图2所示，主要由风口拨钮、风口叶片、风口壳体、风口拨轮、风口连杆等组成。

风口拨钮一般安装在水平叶片中间的叶片上，从叶片一端穿入，叶片另一端有挡墙限制拨钮在一定范围内滑动，拨叉固定在拨钮上，其与垂直叶片连接，通过上下、左右调节拨钮，改变上层叶片、下层叶片方向，控制出风方向。风口上层叶片和下层叶片是一起注塑成型，通过工装夹具与风口叶片安装座一次性装配在风口壳体上，风口风门也通过工装夹具装配在风口壳体上。为便于操作拨钮，拨钮与叶片的距离至少5mm，如图3所示。拨钮操作力一般控制在2N以内，否则会引起顾客抱怨[4]。

出风口的材料一般如表2所示。

1.2拨轮的设计

拨轮的安装方式如图4所示，拨轮高出A面一般控制在10mm左右，拨轮如果突出表面太少，手感会比较差，难以拨动。拨轮厚度方向与开口的间距一般控制在0.5mm左右，转动方向可以放大到1mm。拨轮的厚度一般定义在5～10mm之间，拨轮的半径一般应大于24mm。出风口拨轮通过壳体上的转轴及卡钩固定在壳体上，卡钩与拨轮间隙0.05mm左右，保证拨轮可转动，带动连杆及风门运动，从而控制出风口出风量。一般采用双色注塑工艺，表面用聚烯烃热塑性弹性体（Thermoplastic Elastomer Olefin,TEO）材料增加手感[5]。

1.3叶片的设计

为了更好地导风向，水平叶片和垂直叶片的间距最大不超过6mm。叶片与壳体之间的间隙控制在0.5mm。水平叶片之间、垂直叶片之间都有连杆连接，保证叶片之间能够联动。叶片两侧的销与连杆对应的孔之间的配合至少有一个是过盈配合，保证操作力的传递，过盈量一般为0.03mm，如图5所示，其他销、轴的配合则要预留0.04mm间隙，避免拨钮操作力过大导致顾客操作不舒服。分型线不能位于出风口前部可视的叶片边线上，注塑浇口需要位于叶片的两端的尖端上，叶片的侧面或背面，保证出风口有良好的外观。

在没有出风口风门的情况下，一般是通过控制垂直叶片来关闭出风口，关闭出风口时的叶片需满足叶片与壳体上的台阶面搭接量最小2mm，叶片与叶片之间的搭接量最小2mm，叶片与壳体的间隙需在1.5mm，保证在关闭出风口时不漏风，如图6所示。

出风口是顾客高频接触区域，经常需要进行操作，其刚度需满足相应的标准要求。因此，本文利用常用的有限元分析的方法，来求得出风口在特定工况下的变形量。根据本公司的相关标准，在主驾出风口中间位置用直径10mm圆盘施加22N的法向压力，分析计算出风口的变形量不应大于1.5mm。首先将整个仪表板总成（包含管粱，出风口）模型导入到HyperMesh软件中，利用其强大的网格划分功能进行3D网格划分，设置网格类型为六面体单元，单元尺寸为3mm。并将划分网格后的文件导入到ABAQUS中施加约束及荷载，并利用该求解器进行分析计算，约束仪表板以及管梁固定在车身上的所有点的6个自由度，此有限元模型单元数为105326个，节点数为106265个。从图7可知，出风口的变形量为1.643mm，超出标准要求，需对出风口进行优化设计。增加叶片两侧转轴直径，从原来的2.0mm增加到2.5mm，重新计算后，其变形量为1.459mm，满足要求。

1）本文概述了汽车出风口的组成及其布置位置要求，针对出风口的拨钮、拨轮、叶片等组件说明了其在设计开发过程中的注意事项及一些重要参数，为后续车型出风口的设计提供了一定的参考。

2）根据实际使用情况，利用有限元分析软件，对叶片进行刚度分析。分析结果表明，叶片的刚度不满足本公司规范要求，需对叶片进行优化设计。通过增加叶片两侧轴的直径，重新分析后，叶片变形量小于1.5mm，符合设计要求。