熱泵空調器全塑導風板設計與應用研究

黎優霞 姬小偉 王現林 陳志偉 陳英強

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

0 引言

隨著熱泵空調器[1-3]的推廣與使用，在空調器使用過程中，用戶對導風板的導風效果提出了更高的舒適性要求，例如：初始開機制熱階段：快速升溫、全屋同時升溫；穩定制熱階段：地毯式送風，避免直吹頭部；關機時，無異響噪聲，外觀全閉合[4-5]等。

為了滿足上述舒適性要求，各大熱泵空調器制造商，采用大寬度導風板結構設計。進一步的，為了滿足外觀需求，即在各類運行工況下導風板變形小、外觀穩定，該類導風板一般采用高強度的外金屬/內塑料復合導風板結構，如圖1所示。

圖1 外金屬/內塑料復合導風板示意圖

另外，為了降低能耗和制造成本，一般1.5匹熱泵空調器的導風板整體重量不超過500 g。因此，外金屬/內塑料復合導風板的金屬外導風板一般采用鋁合金材料，通過擠出成型和沖壓造型工藝[6]，進行零件生產制造，表面無卡接結構，與內導風板的組裝需要借助膠粘劑。

除此之外，金屬材質與空調器塑料面板之間存在較大外觀差異，為了外觀一致性，金屬外導風板需要進行外觀噴涂處理；若為冷/暖雙用空調器，金屬外導風板可能引發凝露問題，需要進行保溫處理，一般在其內表面粘貼海綿，或者在內、外導風板搭接處密封處理。

綜上所述，熱泵空調器急需一種成型工藝簡單且可靠性高的導風板。

1 全塑導風板

本文設計了一種全塑料導風板，內、外導風板均采用熱塑性材料注塑成型，且內、外導風板通過卡扣連接，在保證導風板組件的導風性能的前提下，降低整體質量，提高生產效率。

1.1 Creo建模

在Creo中，對導風板進行三維建模，其結構示意圖如圖2所示。

圖2 全塑導風板Croe建模界面結構示意圖

建模過程中，全塑導風板中的外導風板，保留原有外金屬/內塑料復合導風板的金屬外導風板的形線，保證外觀的一致性；塑料外導風板的主體料厚由1 mm增加至2.5 mm，便于零件注塑成型；局部設計卡扣，與內導風板限位及裝配，替代外金屬/內塑料復合導風板邊緣粘貼4條寬度為2 mm的3M膠帶的工序，提高生產效率。

由于全塑導風板中的外導風板由金屬替換成塑料，剛度下降，為彌補該問題，加強導風板結構，如圖3所示，在不影響導流效果的情況下，增加內導風板弧度，以及加強筋高度和寬度。

圖3 全塑導風板結構二維圖

1.2 導風板基本數據情況

對比外金屬/內塑料復合導風板材料剛度選取全塑導風板材料，具體參數如表1所示。

表1 導風板材料信息

將上述信息導入Creo中對應零件，獲取相應質量和重心信息。相關參數如表2所示。

表2 導風板質量和重心信息

2 結構強度對比

根據導風板結構特性，簡化模型（去除內導風板端部鷹鉤和十字槽結構，僅保留2 mm高的凸臺），利用力學仿真軟件，對導風板在自身重力作用下的變形量進行有限元仿真分析。

簡化模型網格劃分后，約束凸臺6個方向的自由度（模擬零件懸掛方式），在重力場作用下（其中，g為重力加速度，取值9.8 N/kg），對比兩類導風板的變形量，從而判定兩種導風板結構強度。

導風板的約束方式及變形仿真變形量如表3所示，具體仿真分析云圖結果如圖4和圖5所示。

圖5 全塑導風板仿真分析云圖

表3 結構強度仿真分析變形量

圖4 外金屬/內塑料復合導風板仿真分析云圖

3 驅動力矩計算

熱泵空調器導風板的驅動力主要來源于兩方面：①導風板打開、關閉的驅動，由空調器兩側的齒輪箱以及連桿結構共同驅動，驅動力足；②以鷹鉤和十字槽結構的連線為軸，進行的導風板翻轉運動，主要用于不同角度導風，且十字槽端的電機結構裝配空間較小，只能使用驅動力較小的電機。因此，在進行導風板設計時，需要針對第二類驅動力的力矩進行計算和對比。

兩類導風板組件的整體外形，以及與熱泵空調器的其他組件的裝配方式和裝配位置保持一致性，即內導風板上的鷹鉤和十字槽結構保持設計一致性，且由相同的電機結構驅動。

3.1 簡化計算方法介紹

為了簡化計算，利用“力對點的矩”[7-8]的計算方法，根據Creo中的各零部件的位置關進行計算。

“力對點的矩”計算方法如下：

其中，0代表矩心；F為作用力；d為力臂；±代表方向。

根據導風板的運動狀況，為了簡化力矩計算過程，忽略摩擦力和導風板長度，且做如下假設：

（1）作用力F為導風板所受重力，即：

其中，M為導風板質量；g為重力加速度，取值9.8 N/kg。

（2）十字槽結構處的電機驅動導風板轉動過程中，力臂d是不斷發生變化；當力臂d最大時，導風板重心與電機軸心連線，與重力方向垂直，如圖6所示。

圖6 導風板運動過程示意圖

3.2 力臂d最大值

在Creo中，根據圖6，以導風板重心運動軌跡為參考面，做電機轉軸和導風板的橫截面，此時，導風板重心與電機轉動軸心連線的長度即為力臂d的最大值。

根據表2的重心位置信息，在Creo中，利用草繪功能，確認導風板重心與電機轉軸連線，并測量長度，獲取力臂d最大值。如圖7所示。

圖7 Creo草繪計算導風板力臂最大值（單位：mm）

由圖7可知，外金屬/內塑料復合導風板和全塑導風板的力臂最大值分別為15.8 mm和14.2 mm。

3.3 驅動力矩結果

將圖7導風板力臂值和表2導風板質量，帶入公式（1）和（2），分別計算驅動力矩值。

經過計算，外金屬/內塑料復合導風板驅動力矩值為72.31 N?mm；全塑導風板驅動力矩值為63.87 N?mm，降低11.7%。

4 裝配效率計算

根據樣件的實際裝配情況，進行導風板裝配流程圖繪制，具體情況如圖8和圖9所示，具體對比情況如表4所示。

圖8 外金屬/內塑料復合導風板裝配流程圖

圖9 全塑導風板裝配流程圖

表4 兩種導風板裝配流程對比表

全塑導風板利用內外塑料導風板上定位和限位卡扣進行裝配，由圖6和圖7可知，相比外金屬/內塑料復合導風板的裝配流程圖，全塑導風板的裝配流程圖較為簡單，部件、輔助工裝和裝配步驟數量均有所下降。

5 結論

利用Creo全新設計的熱泵空調器全塑導風板，結構強度和運動可靠性滿足設計需求，目前已量產。與外金屬/內塑料復合導風板相比，全塑導風板具有如下優勢：

（1）在保證導風板導風效果的前提下設計的全塑導風板，其重量與外金屬/內塑料復合導風板相當，重力作用下的變形量控制在0.5 mm以內，整體剛度滿足設計需求；驅動力矩下降11.7%，節能性和可靠性提高。

（2）全塑導風板利用內外塑料導風板上定位和限位卡扣進行裝配，相較于需要依靠粘膠劑的外金屬/內塑料復合導風板，部件數量減少67%，無需輔助工裝，裝配步驟減少56%，整體裝配效率提高50%以上。