汽車空調模式風門動力學仿真研究

袁偉光

（上海電機學院汽車學院，上海200245）

汽車空調模式風門動力學仿真研究

袁偉光

（上海電機學院汽車學院，上海200245）

在多剛體動力學理論的基礎上，利用動力學仿真軟件ADAMS建立了某款汽車空調模式風門及控制機構的仿真模型，對各個風門的運動規律及控制機構受力情況進行了仿真分析。并通過改進模式分配盤的凸輪型線，有效地降低了控制機構的最大拉力。這種基于虛擬樣機軟件的仿真方法為空調模式風門控制機構的設計及優化提供了一種快捷、切實可行的方法。

ADAMS；汽車空調；模式風門；仿真

引言

汽車空調模式風門是空調出風口控制的重要機構，主要包括：吹面風門、吹腳風門、除霜風門。根據三個模式風門不同的位置，汽車空調可提供5種出風模式：吹面、雙吹、吹腳、除霜、吹腳除霜。在手動控制方式的空調系統中，對出風模式的控制主要有兩種結構，一種由拉索機構和模式分配盤組合而成，驅動力來源于人力，另一種由電動執行器和模式分配盤組合而成，動力源來源于電動執行器內部電機。他們最終都是通過模式盤將動力傳遞給控制風門［1］。傳統的空調控制機構設計方法著重考慮三個模式風門的位置精確控制，極少考慮控制機構的受力，從而導致部分空調出風模式控制開關旋轉吃力，甚至有卡頓的現象。

本文將基于虛擬樣機仿真軟件ADAMS建立完整的汽車空調模式風門仿真模型，根據實驗所得各個風門載荷數據，對風門運動規律以及受力情況進行系統分析，并對控制機構進行優化設計。

1　汽車空調模式風門仿真模型的建立

1.1ADAMS軟件簡介

ADAMS/View是ADAMS軟件一個強大的模塊，主要是用于前處理（建模）。它除了提供了強大的建模功能，同時也集成了仿真、優化分析的功能。

ADAMS/View擁有一個強大的建模環境和仿真環境，它可以完成建模、仿真并優化機械系統模型。ADAMS/View能夠快速地對多個設計變量進行分析直到獲得最優化的設計［2-3］。

1.2建模條件假設

在建模過程中，模型不可能包含實際系統的完全信息。因為過多的實體及其相互間的關系，不但難以獲得，而且在模型中也難以處理。最好是能夠根據建模的目的和所要研究的內容來合理確定對系統模型有決定性的影響因素，忽略一些次要因素和某些非可測變量的影響，從而建立起既簡單清晰，又基本能夠反映所研究系統變化規律的簡化模型［4］。因此本文對溫度混合風門控制機構的動力學仿真模型做出如下簡化和假設：1）不考慮柔性體對運動的影響，將模型中各零部件均看作剛體；2）在多剛體模型中，忽略了一些小質量的非重要零件（螺釘、螺母等）；3）忽略各構件之間的安裝間隙及其摩擦影響；4）拉索等柔性體用其他剛性體組合代替［5］。

1.3三維模型創建

利用ADAMS/view與CATIA的良好接口，將基于CATIA創建好的三維實體模型導入到ADAMS中，其主要部件包括：吹面風門、吹腳風門、除霜風門、模式分配盤、滾子連桿、拉索、空調箱等。汽車空調模式風門三維模型如圖1所示。

圖1　汽車空調模式風門三維模型

1.4約束及載荷的定義

根據空調模式風門的運動機理：通過在拉索上施加作用力使模式分配圓盤繞支點旋轉，此時分配盤上的凸輪槽通過形封閉來驅動滾子連桿，而滾子連桿與各風門相連，控制每個風門的角度。仿真模型中的約束副主要包括：滾子連桿與風門的固定副、分配盤與空調箱的旋轉副、分配盤與拉索的旋轉副、拉索與拉索卡座的滑移副、分配盤與滾子連桿間的碰撞力等。

汽車空調在工作時通過調節風機上的電壓來調節風機的轉速從而改變空調風道內的空氣流量，由于風門兩側存在空氣壓力差，這樣就產生了風壓扭矩，這個風壓扭矩和風機上的電壓有關。同時，各個風門上的風壓扭矩與風門的開啟角度有關。通過空調風門扭矩實驗得到了各個風門的風壓扭矩如圖2所示，注：吹面風門采用的是蝶形風門形式，其風壓扭矩忽略不計。

圖2　各風門上的風壓扭矩曲線

2　仿真結果分析

2.1風門運動規律曲線

參考汽車空調模式風門控制機構實際運動方式，在拉索上施加1 mm/s速度的運動，測得各個風門的運動規律曲線如圖3所示。仿真結果驗證了汽車空調按吹面、雙吹、吹腳、除霜、吹腳除霜順序進行出風模式的切換。

圖3　風門運動規律曲線

2.2拉索受力分析

當拉索牽引模式分配，再由模式分配盤的輪廓槽帶動滾子連桿來驅動風門的時候，必須克服各風門上的風壓扭矩。而拉索上的拉力大小決定了風門控制機構的輕便性，拉力峰值區域對控制機構影響尤為明顯。圖4為仿真后拉索上的拉力曲線，其中拉索受力峰值在拉線行程30 mm附近，峰值為19 N。

圖4　拉索上的拉力曲線

3　模式分配盤凸輪型線優化設計

由于拉線拉力峰值達到19 N，主要原因是除霜風門開啟時的風門阻力較大，所以本改進方案首先優化除霜風門控制凸輪型線，使其在風門開啟時的速度變慢，從而使得拉索拉力減小。改進后的除霜風門凸輪型線如圖5所示。

圖5　改進后的除霜風門凸輪型線

優化前后的拉索受力對比如圖6所示，拉索拉力的峰值為13 N，比改進前降低約30%。

從以上的優化結果可以看出，通過模式分配盤凸輪型線的優化設計，能有效地減小風門控制機構的受力。

圖6　優化前后的拉索受力曲線

4　結語

由于在手動汽車空調中送風模式的精確控制和載荷優化是空調設計的一個難點，本文從汽車空調設計的工程實際出發，以汽車空調送風模式控制機構為研究對象，并利用虛擬樣機軟件ADAMS建立了某款汽車空調模式風門仿真模型，進行了機構的仿真分析，并通過凸輪型線優化設計對拉索載荷進行了優化。這種基于虛擬樣機軟件的空調風門控制機構的仿真、優化方法為空調設計、改進提供了一種可行、快捷的方法。

［1］何理.汽車空調送風模式風門控制機構優化設計研究［D］.西安:陜西科技大學，2013.

［2］陳立平.機械系統動力學分析及ADAMS應用教程［M］.北京:清華大學出版社，2005.

［3］鄭建榮.ADAMS-虛擬樣機技術入門與提高［M］.北京:機械工業出版社，2002.

［4］張軍明.基于虛擬樣機的立軸沖擊式破碎機轉子動力學特性及其優化研究［D］.濟南:濟南大學，2009.

［5］袁偉光.汽車空調風門控制機構的優化設計及試驗驗證［D］.上海:上海交通大學，2008.

（編輯：劉楠）

Automotive Air Conditioning Mode Air Door Dynamics Simulation Research

Yuan Weiguang
（Shanghai Institute of Motor Institute of Car，Shanghai 200245）

In this paper，on the basis of multi-rigid-body dynamics theory，a model was established based on the dynamics simulation software ADAMS automotive air conditioning mode simulation model of damper and the control mechanism for each damper motion and control mechanism of stress distribution are analyzed in the simulation.And by improving the plate CAM contour line of the pattern distribution，effectively reduce the maximum tension control mechanism.This kind of simulation method based on virtual prototype software for air conditioning mode air door control mechanism design and optimization provides a fast and feasible method.

ADAMS；automotive air conditioning；mode air door；simulation

U461.6

A

2095-0748（2015）21-0043-02

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2015.21.19

2015-10-12

上海電機學院學科基礎建設項目資助（12XKJC02）

袁偉光（1982—），男，上海人，講師，碩士，研究方向：車輛工程。