汽車主駕駛位暖氣傳導腳墊設計

白金來

摘要：汽車在解決功能性需求后，主要是著眼于解決舒適性以及安全性要求，本文設計了一種駕駛位暖氣傳導腳墊，在氣溫較低時，能有效的解決汽車油門制動處的局部溫度低的現實情況，提升駕駛的舒適度，同時也提高了駕駛員安全駕駛的可靠性，本文從熱管的原理展開分析，解釋了傳導腳墊工作熱設計原理和結構設計以及防滑設計特點。

關鍵詞：舒適性；安全性；駕駛位；暖氣傳導腳墊；熱管

隨著社會的不斷發展，汽車的品質越來越好、性價比越來越高，價格卻是越來越低廉，但仍然有很多途徑可以提高汽車的舒適度。如在汽車玻璃上用窗簾遮光，再舉一個例子，入秋，入冬后天氣寒冷，開車的人難免會遇到腳冷，麻木，鮮有知覺的情況，即使開了汽車暖氣，而因為熱空氣密度低于冷空氣的原理，暖氣上升，冷空氣下沉，也不能很好的解決駕駛員腳步溫度較低的問題。尤其在氣溫較低時，雙腳較冷，這時開車就像是一顆定時炸彈，時刻威脅著駕車者的生命和財產安全，而本文所要提的“汽車主駕駛位暖氣傳導腳墊”便能在一定程度上緩解這個問題。

1 結構設計及工作原理

該“腳墊”由三層保熱面料和暖氣導管組成。暖氣導管一端接入汽車空調暖氣系統，參與汽車暖氣循環，外面由兩層面料縫合放置于剎車踏板，油門，和離合器上，再由一層面料從下面包裹，形成如貝殼形的造型，駕駛員開車時上面包夾有暖氣導管的兩層保熱面料貼在腳背上，達到腳部防寒的目的。

如圖1所示，加熱層在中間，采用線圈形式，目的是使加熱的有效路徑變長，這個方法和電熱水器的設計類似。加熱路徑的延長，目的是為了加熱時間的延長，等效于用更長的時間加熱腳墊，這樣能量的利用效率更高，相當于直線路徑時耗散的能量被反復利用，而上下的兩層保暖層，則起到隔熱的作用，將夾層的熱量和外部的熱量隔開，極大程度的減小內外部的空氣對流，也就是減小了能量的交換，這樣就為內部的熱量被反復利用提供了現實條件。

2 材料選擇

2.1 外套面料

選擇保熱效果較好，舒適度較高的面料，如純棉無紡布，平面大小一般為50cmx30cm（不同的車型大小有變化），其他結構設計考慮在下文展開。

2.2 暖氣導管

暖氣導管需要放置于駕駛艙內，所以不宜重量過大體積過大，導管要連接暖氣系統所以選擇耐高溫材料最好，如鋁塑復合材料，銅管材料等。

3 加熱導管設計

加熱導管即熱管的工作原理簡述：熱管是近幾十年來迅速發展起來的一種具有很高導熱效率的傳導設備。主要作用是將熱源與外界的冷源進行熱交換。傳導的媒介主要有水、蒸汽、特殊的油類等，進行熱交換非常關注熱量傳遞的效益，因此要選擇熱量傳導迅速，傳導損失較小的材料，作為熱交換元件。如早期的鑄鐵，現在家用電器中廣泛使用的銅質管道等。

4 熱管的性能和特點

由熱管的結構和工作原理可知，熱管有以下的優點：對內外部媒介進行了熱隔離，可以分別設計不同接觸面的材料和接觸面。熱源可以進行靈活的設計，對熱源的溫度進行控制，使得熱源和傳熱元件之間的溫度差可調節，溫差越大，越有利于熱量傳導。

5 熱管的結構類型

設備對體積和質量的嚴格限制，促進了設備熱管技術的發展。它通過空氣、水或者其他媒介在銅管通道內的強迫對流，將熱量傳遞到熱管上，媒介的表面傳熱系數是選擇熱管材料的主要考慮因素。其次，通過設計特殊的結構，可以大大的增加傳熱的面積，同時也使流體在通道內被強烈的擾動，加快了媒介內部熱量的均衡交換。從而有效的降低了熱阻，進一步地提高了傳熱效率。熱管的設計根據熱源的分布情況、許用溫度、許用壓強、工作環境條件等因素綜合考慮。本文設計了一種熱量均勻分布的中小功率的腳墊設計，主要考慮在汽車駕駛艙的使用場景。

熱管的剖面圖如圖2所示：

上圖中，導熱部分為銅管，傳導媒介有水、油以及其它液態媒介，本文以水為例，水在流動的過程中，與銅管的接觸面進行熱量交換，水在流入管道前，已經被外部的熱源充分加熱，由于水的比熱容較大，在封閉的管道內，除了接觸熱交換，與空氣幾乎沒有熱交換，即被周圍空氣吸收掉的熱量可以忽略不計，根據剖面圖，由于銅管存在內外兩個傳熱表面，于是在內部傳熱的交換關系是

水→銅管

在外部傳熱的交換關系是：

銅管→空氣

6 內部傳熱性能分析

內部熱量傳導的速度收到很多因素的影響，水的流速越快，那么水與銅管的接觸時間越短，進行熱交換的時間也越短，但水的流速也不能太慢，太慢又會影響到整個水體的熱量循環。另一方面，水與銅管的接觸面積越大越好，有效接觸面積越大，則銅管吸收水傳導過來的熱量的能力也就越強。因此針對內部傳熱的需要，銅管的設計要有盡可能大的有效面積，水的流速要適中，使得水中的熱量以穩定均勻的方式逐漸傳導到銅管中。

7 外部傳熱性能分析

外部的熱量傳遞在銅管和周圍空氣之間傳導，由于空氣的比熱容為一定值，為了使傳導加快主要的手段是增加與空氣的接觸面積，在外表面的設計上，可以考慮采用鋸齒狀的散熱，如圖3所示：

這樣在外表面有效的增加了與空氣的接觸面積，加快了從銅管到外部的熱量傳遞，使升溫的速度越快。

8 腳部接觸面處理

腳部的接觸面是傳導腳墊的重要組成部分，其作用并不限于傳導熱量，由于汽車踏板功能的特殊性，需要充分考慮到防滑設計以保證駕駛安全。針對使用條件的限制，需要對接觸面進行特殊處理，即解決滑動問題，也就是解決鞋底與接觸面之間的摩擦力問題。我們知道，存在擠壓力的接觸物體之間的摩擦力取決于以下幾個因素，接觸摩擦力摩擦系數k，物體之間的接觸面積s，施加在物體上的擠壓力F。那么摩擦力是這三個變量的線性函數。針對某一個特定的駕駛員來說，其體重基本上是一定值，那么施加在踏板上的擠壓力大小也基本不變，此時認為F是一個常量。而摩擦系數主要取決于兩個因素，一個是踏板面的粗糙度，一個是鞋底的粗糙度，二者咬合的力度。影響摩擦力的另一個關鍵參數，是腳墊與腳之間的接觸面積。接觸面積越大，則產生的摩擦力也越大，這也是為何在越野車胎的胎面都有花紋的緣故，而做這些花紋就是為了增大汽車與地面的摩擦力，即汽車的抓地力。其原理就在于：花紋能夠有效增大在汽車輪胎與路面的接觸面積。胎面突起的花紋能夠深入到松軟的路面中去，使突起花紋的垂直部分也成為與地面接觸地部分，這樣就成倍地增加胎面與地面的接觸面積，從而極大的增加了摩擦力。接觸面積還需要考慮的一個重要因素，就是接觸形變的影響。正如汽車輪胎在不同路面的抓地力表現，在松軟路面上，由于路面的形變較大，汽車輪胎形變較小，有汽車輪胎提供的抓握力就顯著的增大。同理對于比較堅硬的路面，由于受到路面擠壓，汽車輪胎形變較大，胎面設計采用了粗糙表面，在路面擠壓下，輪胎正面設計的小突起形變，增大了與地面的接觸面積。從而增加了汽車輪胎抓地的力量。在腳墊接觸面的結構設計中，參照汽車輪胎的設計方式，同樣的增加腳底的摩擦力，以提升安全品質。9 人體工學設計

腳墊與腳部鞋面直接接觸，需要考慮接觸傳導壓力對駕駛員產生的影響，即從人體腳部的生理結構特征進行設計考慮，腳墊的質地軟硬，觸感，以及和傳導壓力時的力量反饋，都會對腳部的疲勞感產生一定的影響。在暖氣傳導腳墊的設計中，形狀要適應成年人腳部的大小，和足弓的彎曲曲率相適應，如圖4所示。

根據以上的分析， 腳墊接觸面的設計要同時考慮熱能傳導，摩擦系數，舒適度以及外觀設計，其功能在于將熱管的熱浪溫和的傳導至腳部，為駕駛員安全駕駛提供安全保護，還要有較好的人體工學設計，讓駕駛員的駕乘感受較好，還要考慮所用面料是否環保。10 結語

本文設計了一種針對汽車駕駛艙腳部進行局部加熱的暖氣腳墊，首先針對暖氣傳導的原理進行了分析，給出了內部結構剖面圖，討論了內部熱量交換的過程，分別對內部熱源媒介與銅管傳導熱量的機理，以及外部銅管與空氣的熱量傳導機理。指出了增加接觸面積提升熱量傳導效率的建議。為提高熱管對腳墊表面的傳導熱量的能力，本文建議將該曲面設計成鋸齒狀，鋸齒狀將實際的接觸面進行了放大，使得從熱管到外部的熱量轉換更加迅速，在鋸齒面表面再進行包裹，以提高舒適性。同時由于腳墊與人體腳部直接接觸，腳墊的設計需要考慮人體的舒適度，本文對腳墊的外形表面的曲率進行了設計，以適應成年人的腳部生理特征。

參考文獻：

[1]靳明聰，陳遠國.熱管及熱管換熱器[M].重慶大學出版社，1986.

[2]董其伍，王丹，劉敏珊.余熱回收用熱管及熱管式換熱器的研究[J].工業加熱， 2007，36（4）：3740.

[3]張任平，孫健，汪和平，等.結構參數對陶瓷窯爐余熱回收用熱管換熱器性能的影響[J].陶瓷學報，2014（6）：638643.

[4]陳臻，戴達鵬，朱曉娟，等.振蕩熱管換熱器用于染整加工中余熱回收的分析研究[J].能源與節能， 2011（7）：8081.

[5]王湃.人體工程學及其未來[J].中國環境管理干部學院學報，2003，13（2）：7173.