基于舒適性因素的整車出風口設計解析

趙南，田鈞

（1.遼寧水利職業學院，遼寧 沈陽 110102；2.華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

基于舒適性因素的整車出風口設計解析

趙南1，田鈞2

（1.遼寧水利職業學院，遼寧 沈陽 110102；2.華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

文章以汽車儀表板上空調系統吹面出風口為研究對象。以已知的影響人體最佳舒適性的各類因素為設計依據。通過調整出風口的有效面積、結構及出風撥片的角度，使風速、噪音等因素趨近于最佳舒適性目標的要求。通過計算給出了儀表板出風口的最小有效出風面積，進而得出了出風口外輪廓的最小面積；通過人體工程學分析給出了出風口撥片的角度校核方法；通過出風口的H/W比值，給出了若干組葉片設計的經驗值。最后，提出一套較全面的整車空調系統出風口設計理論依據及校核方法，并通過流體分析軟件對設計校核的結果進行仿真分析，論證其正確本文性。

儀表板；空調系統；出風口；舒適性；有效面積

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.11.031

CLC NO.: U462.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)11-84-04

引言

在使用汽車空調系統的過程中，出風口在整車中的位置、出風有效面積、結構形式是決定空調系統效果、整車氣流場分布及舒適性的重要因素之一。從某種程度上講，好的出風口設計，甚至可以起到HVAC、冷凝器及壓縮機等重要空調組件所無法比擬的效果。

1、吹面出風口的分類

在分析吹面出風口相關內容之前，需要首先了解一下出風口的位置及類型分類。

圖1　出風口位置示意圖

通常情況下吹面出風口為4個，集中在儀表板上，具體位置如圖1所示。基本上為兩兩對稱。左側兩個為駕駛員使用，右側兩個為副駕駛使用。對于不帶后排出風口的車型，前面的出風口也需要為后排乘客提供服務。

表1　外形分類

出風口的外形一般受造型等因素影響很大，如果形狀過于特殊將有可能影響到空調系統的整體性能。原則上規則形狀的出風口形狀如方形及圓形對空調的性能影響比較小，不規則形狀需要重點進行校核。

2、出風口面積的計算

合適的出風口面積對空調系統能力的發揮及人體的舒適性至關重要，這也空調工程師在造型啟動之前必須要提前輸入的重要信息之一。通常情況出風口面積大小的確定是由人體最佳舒適性等主觀因素決定的。通過fluent/star-CD等主流CFD分析軟件可以模擬空調系統的性能，其中就包括人體舒適性。人乘坐車輛的舒適性主要包括感受到的溫度、風速及噪音三個主要因素，這三個因素相輔相成又相互矛盾制約，尋求最佳的平衡點至關重要。例如，乘客需要快速的降溫，最直接的方法就是在空調系統全冷、內循環模式的前提下將鼓風機的風量調整到最大，加速駕駛艙內空氣的熱交換及流動，進而達到快速降溫的目的。但大風量使用的同時，勢必會導致出風噪音的上升，使人變得無法忍受。同樣的道理，如果保證噪音可以接受，則勢必會降低出風風速，而這又影響整車的降溫速度。此外，大量的冷風直接吹到人體也會感到非常的不舒適。

2.1噪音對出風口面積的影響

在整車需要的最大制冷量確定后，空調系統中的鼓風機風量就已經確定。此時出風口的面積大小將直接影響風速，風速過大將直接導致噪音的增長，嚴重影響舒適性。圖4為某款車型設計過程中的1/3倍頻曲線。

圖2　1/3倍頻寬示意圖

其中，實線為規定目標值，周圍的兩條虛線為允許波動的范圍。綜合上述的內容我們基本可以確定，當出風口的風速超過10m/s時噪音值將成倍增長，因此出風口風速V_max=10m/s是吹面出風口的最大允許值。

2.2出風口有效面積的確認

已知出風口的最大風速，就可以開始著手進行出風口的面積計算了。首先得出的是出風口的有效面積。

出風口的葉片，連桿機構，撥桿，關閉風門等都將會擋住氣流，所以真正有意義的出風面積應該是開口輪廓總面積減去被零部件遮擋的面積，面積的差值稱之為有效面積。我們首先算出的就是有效面積。以通常情況空調系統的使用模式：吹面、全冷、內循環為計算前提條件，吹面總風量設定為B級車中最常見的480m3/h，假設儀表板的4個吹面出風口有效面積相同。吹面總風量V1=480m3/h，則每個出風口分配到的風量為V2=V1/4=120 m3/h,即33.34 dm3/s。最大風速V_max=10m/s,則出風口的最小有效面積為S_min=V2/V_max= 33.34/100=0.34dm2。

2.3出風口投影面積的確認

確定出風口有效面積之后，我們就可以確定出風口的投影面積。在計算之前我們首先要先明確一下出風口投影面積的定義：

圖3　出風口投影面積示意圖

投影面積指出風口外輪廓沿著X方向延伸，垂直于YZ平面的投影面積。上圖中籃圈位置為投影面積。有效面積如何轉換為投影面積與出風口的結構形式有關。一般情況下出風口可以分為滾筒型出風口及雙向調節出風口兩大類：

圖4　滾筒型出風口示意圖

滾筒型出風口結構簡單，葉片可以調節，繞一根固定的軸旋轉。

圖5　雙葉片出風口示意圖

雙葉片出風口比滾筒型出風口復雜，造型靈活多樣，成本也較高。整體固定，有兩套不同方向可調節的葉片。

由圖6、7可以發現兩類出風口的結構形式及風阻原件存在明顯的差別，因此在計算有效面積與投影面積之間的區別時也存在了一些不同，根據經驗可以總結如下：

1.滾筒型出風口

S有效= 0.45 x S投影

2.雙葉片型出風口

S有效= 0.60 x S投影

S投影=S有效/0.6

2.4出風口出風導向的校核

確定了出風口的最小外形輪廓尺寸后，接下來討論如何校核出風口導向區域是否滿足要求的問題。

出風口的導向能力主要取決于風口布置的位置，放置的高度、可以擺動的角度及出風口的類型。

在開始校核之前我們首先需要了解一下幾個主要參數的定義：

H點：代表駕駛員臀部位置，由總布置來確定。

A點：代表駕駛員眼睛位置，眼球橢球軌跡中心，由總布置確定。

直線1：連接H，A點的直線

直線2：與1線垂直，在H點上方325mm的直線。

B1點：代表駕駛員胸部右半部分，位于直線1和2交點的左邊75mm處。

B2點：代表駕駛員胸部左半部分，位于直線1和2交點的右邊75mm處

C點：代表駕駛員膝蓋部分，H點垂直上方的125mm處點的位置見下圖：

圖6　關鍵量定義示意圖

2.4.1全身出風角度定義

A2角：上下方向，調節全身出風口的出風導向從正常狀態到A點所需的角度。

B2角：上下方向，調節全身出風口的出風導向從正常狀態到B2點所需的角度。

C2角：調節全身出風口的出風導向從正常狀態到C點所需的角度。

T角：A2,B2和C2中的最大角度。

見下圖示。

圖7　全身角度定義示意圖

2.4.2Z方向出風角度校核

根據實驗結論及設計經驗通常情況下會有如下兩類設計校核要求：

圖8　風口 Z 方向校核示意圖

如圖13所示，兩條藍色的虛線分別對應駕駛者的鼻尖及H點，此為吹風覆蓋基礎區域。兩條紅色虛線為出風口格柵撥片向上及向下可以達到的極限位置。藍色虛線與靠近它的紅色虛線角度不小于10°。滿足上述要求就基本可以認定出風口的格柵調節角度可以覆蓋成員的全身有效面積，滿足了設計的要求。此外，也有一些標準規定了成員上半身的出風角度更大一些。如圖13中綠色的兩條實線，將駕駛員的頭頂作為基線，向上10°作為吹面的極限角度，這樣的要求會比前一條更全面一些，這樣可以涵蓋100%的假人要求。通過實際的人體舒適性環境模擬實驗測試，了解到在起始階段，兩類設計方法在降溫速率方面存在一定的差別，但10分鐘后頭部的溫度就基本相同了，因此可以認定兩個設計方式都是可以接受的。

圖9　頭部平均溫度對比示意圖

2.4.3Y 方向出風角度校核

如圖15所示，校核出風口的Y方向是否合理，主要是考慮兩側出風口是否可以覆蓋正、副駕駛員的全部身體。因為中央出風口將起到同樣的作用，因此兩側的出風口校核并不像對中央出風口校核那么重要。簡單的講就是要求兩側出風口的極限位置一側可以覆蓋側窗風擋玻璃，另一側可以覆蓋到另一側人員的肩膀，如圖14所示。風口格柵撥片的極限位置與基線位置的夾角仍然不能小于10°。副駕駛側出風口的校核方法與駕駛側完全相同。

圖10　風口 Y方向校核示意圖

3、結論

本文對汽車儀表板上的吹面風口的設計及校核進行了一些說明，對涉及的關鍵內容進行了重點的解析，希望對大家有所幫助及借鑒。本人能力有限，文中難免出現描述不清等問題，還望不吝賜教，感激不盡。同時感謝MSE公司及GM公司相關工程師提供參考資料。

[1]Outlet Specbook 2013-8-1 vesion 1.0 MSE.

[2]Outlet area calculation reports 2014-5-27 MSE.

[3]GM outlet design guideline handbook 2013-01-17 vesion 2.1.

Based on the comfort factor of the complete vehicle out design analysis

Zhao Nan1, Tian Jun2
( 1.LiaoNing water conservancy vocational college, Liaoning Shenyang 110102; 2.Brilliance automobile engineering research institude, Liaoning Shenyang 110141 )

Based on the instrument panel air outlet as the research object. All kinds of known factors on the influence of the human body comfort as the design basis. By adjusting the air outlet of the effective area, structure and the air paddle of the Angle of the air flow, the air speed, noise and other factors tend to be the best comfort of target requirements. Instrument panel is given by calculation the minimum effective air outlet area, and the minimum area of the air outlet outside the profile is obtained; Through the analysis of human engineering air outlet the paddle of the checking the angle method is given. Through the outlet of the H/W ratio, gives several set of paddle design experience. Finally, puts forward a set of more comprehensive complete vehicle air conditioning system air outlet theory basis for design and the checking methods, and through the fluid analysis software simulation analysis, the results of design and checking its correctness in this article.

Instrument panel; Air conditioning system; air outlet; comfortable; effective area

U462.3

A

1671-7988(2016)11-84-04

趙南，工學碩士，就職于遼寧水利職業學院信息與電氣化系，講師，研究方向：自動控制、檢測技術工程應用。

田鈞，工學學士，就職于華晨汽車工程研究院 電氣部 空調組 組長，資深專家。研究方向：整車空調系統匹配、設計、實驗。