車(chē)載空氣凈化器設(shè)計(jì)研究

李凡，劉凱，王泉杰，孫啟林

（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

引言

隨著社會(huì)快速發(fā)展，中國(guó)汽車(chē)保有量不斷增長(zhǎng)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年中國(guó)汽車(chē)總銷(xiāo)量已達(dá)2887.89萬(wàn)輛，人們?cè)絹?lái)越依賴汽車(chē)這種交通工具，人們?cè)谲?chē)內(nèi)的時(shí)間也越來(lái)越久，車(chē)內(nèi)污染物及凈化方式的研究也越來(lái)越得到重視。

車(chē)內(nèi)污染物一般包含汽車(chē)內(nèi)飾件散發(fā)的甲醛、二甲苯等有毒氣體，部分進(jìn)入到車(chē)內(nèi)的汽車(chē)尾氣，霧霾天氣進(jìn)入車(chē)內(nèi)的灰塵、PM2.5等有害顆粒和車(chē)內(nèi)細(xì)菌等。由于污染物的種類(lèi)復(fù)雜，且車(chē)內(nèi)車(chē)外因素混合作用，單純的通過(guò)開(kāi)窗換氣或者空調(diào)通風(fēng)很難獲得健康的車(chē)內(nèi)環(huán)境。

空氣凈化器是對(duì)空氣中顆粒物，氣態(tài)污染物、微生物等一種或多種污染物具有一定去除能力的電器[1]，越來(lái)越多主機(jī)廠選擇配置車(chē)載空氣凈化器，通過(guò)空氣過(guò)濾、負(fù)離子、等離子等技術(shù)凈化車(chē)內(nèi)空氣，提高車(chē)內(nèi)環(huán)境質(zhì)量。

1 車(chē)載空氣凈化器的設(shè)計(jì)原則和要求

1.1 車(chē)載空氣凈化器設(shè)計(jì)原則

由于車(chē)內(nèi)空間相對(duì)較小，空氣凈化器的體積受限，開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要綜合考慮結(jié)構(gòu)和性能，空氣凈化器設(shè)計(jì)原則為：

（1）穩(wěn)定性和可靠性：穩(wěn)定和可靠是汽車(chē)零部件的前提條件，在空氣凈化器研發(fā)和實(shí)際使用中，需要優(yōu)先考慮穩(wěn)定和可靠的技術(shù)方案。

（2）標(biāo)準(zhǔn)性和規(guī)范性：優(yōu)先采用國(guó)際、國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計(jì)時(shí)盡可能規(guī)范化。

（3）實(shí)用性和先進(jìn)性：采用成熟、穩(wěn)定技術(shù)的基礎(chǔ)上，不斷創(chuàng)新，體現(xiàn)產(chǎn)品先進(jìn)性。

（4）經(jīng)濟(jì)性：凈化器配置合理，具備良好的性價(jià)比。

1.2 車(chē)載空氣凈化器要求

GB/T 18801-2015標(biāo)準(zhǔn)中將乘用車(chē)空氣凈化器納入到范圍內(nèi)，規(guī)定了空氣凈化器噪聲、污染物去除，待機(jī)功率等方面的要求，但汽車(chē)零部件要求比一般產(chǎn)品高，需要針對(duì)乘用車(chē)使用環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)充，如外觀，環(huán)境可靠性，電磁兼容性等。

1.2.1 外觀

顧客對(duì)汽車(chē)品質(zhì)的要求越來(lái)越高，主機(jī)廠對(duì)零部件外觀質(zhì)量的要求也十分嚴(yán)格。按零件在車(chē)輛上操作和裝配狀態(tài)，區(qū)分A，B，C，D區(qū)域，在操作狀態(tài)和正常姿勢(shì)很明顯的能看到的部位屬于最關(guān)鍵的A級(jí)區(qū)域，空氣凈化器由于需要進(jìn)行操作及，其外觀面按A級(jí)區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行要求：

（1）表面光滑平整，不能用裸眼可見(jiàn)的瑕疵（如毛刺、起皺、開(kāi)裂、變形等）；（2）凈化器表面的顏色和花紋應(yīng)與造型定義的色板或樣品一致。皮紋清晰、色澤均勻，皮紋類(lèi)型，紋理方向，紋理深度及皮紋范圍均與定義要求一致；（3）凈化器間隙面差應(yīng)符合整車(chē)內(nèi)飾件間隙面差要求，關(guān)鍵部位應(yīng)具有相關(guān)檢具進(jìn)行監(jiān)控。

1.2.2 凈化功能

GB/T 18801定義空氣中顆粒物，氣態(tài)污染物、微生物為三種目標(biāo)污染物，但對(duì)污染物的凈化能力并沒(méi)明確規(guī)定，根據(jù)凈化功能要求如下：

（1）PM2.5凈化效率；（2）固體顆粒物的潔凈空氣量（CADR）；（3）甲苯，二甲苯，苯，甲醛，乙苯去除率；（4）除菌率；（5）臭氧濃度和TVOC濃度。

1.2.3 環(huán)境可靠性

面對(duì)車(chē)輛行駛過(guò)程中不斷變化的外界環(huán)境，需要經(jīng)得起嚴(yán)苛環(huán)境的考驗(yàn)，因此產(chǎn)品需要良好的環(huán)境可靠性。在設(shè)計(jì)凈化器時(shí)，需要考慮的環(huán)境因素包括氣候環(huán)境條件（溫度，濕度等），車(chē)輛使用條件，供電電壓，產(chǎn)品壽命周期（生產(chǎn)、裝運(yùn)、操作、存儲(chǔ)、車(chē)輛維護(hù)和修理等），產(chǎn)品在車(chē)輛上的安裝位置等，環(huán)境可靠性要求如下：

（1）凈化器不能對(duì)周?chē)碾娮蛹罢?chē)產(chǎn)生干擾；（2）凈化器應(yīng)能抵抗外界電磁場(chǎng)干擾；（3）能抵抗周?chē)h(huán)境溫度、濕度、振動(dòng)頻率、供電電壓等方面變化；（4）具備生產(chǎn)、裝運(yùn)、操作、存儲(chǔ)、維護(hù)維修可靠性。

1.2.4 特殊要求

車(chē)載空氣凈化器相對(duì)于其他電子產(chǎn)品，具備一定的特殊要求：

（1）有機(jī)物揮發(fā)：滿足主機(jī)廠8項(xiàng)物質(zhì)（五苯三醛）的限定條件；（2）氣味性：滿足氣味性要求；（3）禁限物質(zhì)[2]：滿足6項(xiàng)禁限物質(zhì)（鉛、汞、六價(jià)鉻、鎘、多溴聯(lián)苯、多溴二苯醚）限值要求。

2 車(chē)載空氣凈化器設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 車(chē)載空氣凈化器模塊劃分

對(duì)車(chē)載空氣凈化器進(jìn)行模塊劃分，可以優(yōu)化開(kāi)發(fā)過(guò)程，并且降低開(kāi)發(fā)成本。車(chē)載空氣凈化器應(yīng)具備空氣凈化功能，數(shù)據(jù)采集功能和人機(jī)交互功能，同時(shí)需要控制模塊和電源電路來(lái)保證整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行。系統(tǒng)模塊如圖1所示。

圖1 空氣凈化器系統(tǒng)模塊圖

2.2 凈化方式選擇

目前常用的凈化技術(shù)有機(jī)械過(guò)濾式，負(fù)離子式，等離子式，臭氧式和光觸媒式等，各種方式的原理及優(yōu)缺點(diǎn)如表 1所示。這些空氣凈化方式都存在各自的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)，在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的時(shí)候，通常需要將幾種技術(shù)綜合起來(lái)運(yùn)用，才能較好的改善車(chē)內(nèi)空氣質(zhì)量。

表1 各種凈化方式優(yōu)缺點(diǎn)

2.3 人機(jī)交互方式設(shè)計(jì)

隨著汽車(chē)智能化發(fā)展，汽車(chē)已不單純是交通運(yùn)輸工具，也是一種生活方式，這也要求汽車(chē)零部件更加智能化，車(chē)載凈化器的人機(jī)交互也逐漸從簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)控制，指示燈顯示演變?yōu)橥ㄟ^(guò)中控屏和手機(jī) APP交互。車(chē)載凈化器與中控通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn)顯示、操作等功能。車(chē)載凈化器通過(guò)CAN線將信號(hào)傳輸給TBOX，用戶可通過(guò)手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制空氣凈化器，同時(shí)手機(jī) APP上實(shí)時(shí)顯示車(chē)內(nèi)空氣質(zhì)量等。表2為車(chē)載凈化器主要的交互方式：

表2 車(chē)載凈化器的交互方式

在交互方式設(shè)計(jì)時(shí)，界面的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，需要通過(guò)布局、色彩和細(xì)節(jié)整體規(guī)劃。在車(chē)型開(kāi)發(fā)中，中控屏、手機(jī)APP和空氣凈化器通常由不同部門(mén)分別開(kāi)發(fā)，需要在整車(chē)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程整體規(guī)劃，將各個(gè)界面的風(fēng)格形成一致性。

結(jié)合凈化器的特點(diǎn)，界面中藍(lán)、綠等清新的色調(diào)表達(dá)優(yōu)良的空氣質(zhì)量，黃、紅和紫等沖擊性強(qiáng)的色調(diào)則表達(dá)較差的空氣質(zhì)量，明亮和純度高的顏色在視覺(jué)層次中靠前，而明度和純度低的顏色則在視覺(jué)層次中靠后[3]。

在流體運(yùn)動(dòng)場(chǎng)中，選取六面體流體微元進(jìn)行力學(xué)平衡分析，采用牛頓運(yùn)動(dòng)定律，獲得了慣性系黏性流體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量方程。對(duì)于柱坐標(biāo)系中，沿r軸的方程如下：

2.4 取電方式設(shè)計(jì)

車(chē)載空氣凈化器分為活動(dòng)式和固定式，固定式的取電方式較簡(jiǎn)單，線束設(shè)計(jì)在內(nèi)飾件內(nèi)部即可，活動(dòng)式一般為中央扶手式凈化器，主要有三種取電方式：

（1）直接在凈化器上預(yù)留線束孔，線束走明線，同時(shí)用伸縮管保護(hù)電源線，如圖3所示。該方式電源線要隨伸縮管一起拉出，優(yōu)勢(shì)是可靠性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需要在凈化器和扶手箱上開(kāi)線束孔，數(shù)據(jù)改動(dòng)小，劣勢(shì)是需要凈化器開(kāi)關(guān)時(shí)，伸縮管可被明顯發(fā)現(xiàn)，影響外觀。該方案設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮到伸縮管的壓縮比，在扶手箱內(nèi)預(yù)留足夠的空間。

圖3 伸縮管式取電方式

（2）沿鉸鏈位置走線取電，同時(shí)在金屬鉸鏈外增加塑料護(hù)套，如圖4所示。該方式優(yōu)勢(shì)是隱秘性強(qiáng)，整體造型美觀，是應(yīng)用最多的方式。劣勢(shì)是沿鉸鏈位置走線，并在鉸鏈外增加塑料件包覆，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，無(wú)法通過(guò)較大的線束，需要在設(shè)計(jì)初期就預(yù)留足夠的空間，且扶手多次開(kāi)合時(shí)，電源線容易磨損，在設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要對(duì)線束進(jìn)行約束，減少磨損，并且對(duì)線束進(jìn)行運(yùn)動(dòng)校核，線束周?chē)慵柽M(jìn)行避讓。

圖4 沿鉸鏈走線取電

（3）觸點(diǎn)式取電。如圖5所示，該方式優(yōu)勢(shì)是更具隱蔽性，整體造型美觀時(shí)尚，科技感強(qiáng)，電源線不用隨扶手開(kāi)合，減少線束折斷的風(fēng)險(xiǎn)，將觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)開(kāi)發(fā)成標(biāo)準(zhǔn)件，可在其他車(chē)型進(jìn)行應(yīng)用，降低成本，觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)將保護(hù)開(kāi)關(guān)和取電結(jié)合，方便裝配及取電。劣勢(shì)是觸點(diǎn)式取電是旋轉(zhuǎn)對(duì)碰，觸點(diǎn)接觸時(shí)候有微量的位移，并且此方式只能取電，如果需要與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞則需要重新走線。該方案設(shè)計(jì)時(shí)需要在離鉸鏈近位置進(jìn)行安裝，這樣凈化器活動(dòng)幅度小，觸點(diǎn)錯(cuò)位小。

圖5 觸點(diǎn)式取電

3 某扶手式空氣凈化器設(shè)計(jì)

3.1 空氣凈化器方案

某車(chē)型計(jì)劃開(kāi)發(fā)一款扶手式車(chē)載空氣凈化器，根據(jù)開(kāi)發(fā)指令、造型定義和用戶需求識(shí)別等輸入，綜合考慮可靠性和經(jīng)濟(jì)性，對(duì)凈化器各模塊采用以下設(shè)計(jì)方案，圖6為凈化器的結(jié)構(gòu)示意圖。

（1）核心控制模塊采用主PCB板，控制空氣凈化器的各零件，通過(guò)CAN將工作狀態(tài)傳送給中控屏和TBOX；

（2）空氣凈化功能選用HAF+活性炭的多層復(fù)合濾網(wǎng)，配合負(fù)離子功能進(jìn)行凈化，對(duì)粉塵、氣體污染物和病菌都有良好的處理效果；

（3）用戶交互功能采用帶指示燈的按鍵對(duì)凈化器進(jìn)行控制，并且通過(guò)中控屏和手機(jī)APP輸出空氣質(zhì)量。

（4）數(shù)據(jù)采集模塊采用 PM2.5傳感器檢測(cè)車(chē)輛室內(nèi)的PM2.5，發(fā)送數(shù)據(jù)給Main PCB。

圖6 車(chē)載空氣凈化器結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

（1）濾網(wǎng)蓋，扣手處，鉸鏈處等活動(dòng)部位且與其他邊界接觸部位的強(qiáng)度，增加適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)筋或增加壁厚。

圖7是通過(guò)增加加強(qiáng)筋解決濾網(wǎng)蓋在耐熱測(cè)試時(shí)發(fā)生變形問(wèn)題。

圖7 增加加強(qiáng)筋解決濾網(wǎng)蓋在耐熱測(cè)試變形問(wèn)題

在跌落試驗(yàn)CAE分析中，鉸鏈頸部強(qiáng)度偏弱，通過(guò)增加頸部厚度解決此問(wèn)題，頸厚由16.5mm增加至23.5mm，如圖8所示。

圖8 增加鉸鏈頸部厚度加強(qiáng)鉸鏈強(qiáng)度

（2）濾網(wǎng)、風(fēng)扇、傳感器等部件與其他邊界接觸部位應(yīng)增加適當(dāng)?shù)臏p震墊或防護(hù)墊，減少由于車(chē)輛運(yùn)動(dòng)過(guò)程中部件間碰撞產(chǎn)生的異響。

（3）濾芯為經(jīng)常更換件，設(shè)計(jì)物理式防錯(cuò)結(jié)構(gòu)，若安裝不當(dāng)，濾芯將無(wú)法安裝到底，兩側(cè)設(shè)計(jì)耳朵結(jié)構(gòu)，便于濾芯取出。

圖9 濾芯的防錯(cuò)及取出結(jié)構(gòu)

（4）采用沿鉸鏈位置走線取電方式，設(shè)計(jì)電源線固定結(jié)構(gòu)，避免電源線經(jīng)常運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致磨損，如圖10所示。

圖10 鉸鏈護(hù)板中線束的限位設(shè)計(jì)

3.3 風(fēng)扇選擇

空氣凈化器必須具備足夠的風(fēng)量才能達(dá)到合格的凈化能力，如何在有限的空間內(nèi)，設(shè)計(jì)合適的風(fēng)扇，通常需要用到CFD技術(shù)對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行優(yōu)化。

表3是通過(guò)CFD對(duì)兩種不同扇葉的風(fēng)扇進(jìn)行對(duì)比分析，圖11是湍流強(qiáng)度分析結(jié)果，在均滿足要求的情況下，D類(lèi)型風(fēng)扇風(fēng)量更大，噪聲較小，因此選用D類(lèi)型。

表3 風(fēng)扇對(duì)比分析

圖11 湍流強(qiáng)度分析結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著車(chē)內(nèi)環(huán)境問(wèn)題日益得到公眾關(guān)注，通過(guò)開(kāi)發(fā)車(chē)載空氣凈化器，去除車(chē)內(nèi)氣態(tài)污染物與固態(tài)污染物，給車(chē)內(nèi)帶來(lái)潔凈空氣，在人們享受乘車(chē)樂(lè)趣的同時(shí)，解決了人們長(zhǎng)期在車(chē)內(nèi)受污染空氣的困擾。

參考文獻(xiàn)

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[3] 蘇美先.空氣凈化器的研究和設(shè)計(jì)[D].廣東:廣東工業(yè)大學(xué),2014.