袁伟光

（上海电机学院汽车学院，上海200245）

汽车空调模式风门动力学仿真研究

袁伟光

（上海电机学院汽车学院，上海200245）

在多刚体动力学理论的基础上，利用动力学仿真软件ADAMS建立了某款汽车空调模式风门及控制机构的仿真模型，对各个风门的运动规律及控制机构受力情况进行了仿真分析。并通过改进模式分配盘的凸轮型线，有效地降低了控制机构的最大拉力。这种基于虚拟样机软件的仿真方法为空调模式风门控制机构的设计及优化提供了一种快捷、切实可行的方法。

ADAMS；汽车空调；模式风门；仿真

引言

汽车空调模式风门是空调出风口控制的重要机构，主要包括：吹面风门、吹脚风门、除霜风门。根据三个模式风门不同的位置，汽车空调可提供5种出风模式：吹面、双吹、吹脚、除霜、吹脚除霜。在手动控制方式的空调系统中，对出风模式的控制主要有两种结构，一种由拉索机构和模式分配盘组合而成，驱动力来源于人力，另一种由电动执行器和模式分配盘组合而成，动力源来源于电动执行器内部电机。他们最终都是通过模式盘将动力传递给控制风门［1］。传统的空调控制机构设计方法着重考虑三个模式风门的位置精确控制，极少考虑控制机构的受力，从而导致部分空调出风模式控制开关旋转吃力，甚至有卡顿的现象。

本文将基于虚拟样机仿真软件ADAMS建立完整的汽车空调模式风门仿真模型，根据实验所得各个风门载荷数据，对风门运动规律以及受力情况进行系统分析，并对控制机构进行优化设计。

1　汽车空调模式风门仿真模型的建立

1.1ADAMS软件简介

ADAMS/View是ADAMS软件一个强大的模块，主要是用于前处理（建模）。它除了提供了强大的建模功能，同时也集成了仿真、优化分析的功能。

ADAMS/View拥有一个强大的建模环境和仿真环境，它可以完成建模、仿真并优化机械系统模型。ADAMS/View能够快速地对多个设计变量进行分析直到获得最优化的设计［2-3］。

1.2建模条件假设

在建模过程中，模型不可能包含实际系统的完全信息。因为过多的实体及其相互间的关系，不但难以获得，而且在模型中也难以处理。最好是能够根据建模的目的和所要研究的内容来合理确定对系统模型有决定性的影响因素，忽略一些次要因素和某些非可测变量的影响，从而建立起既简单清晰，又基本能够反映所研究系统变化规律的简化模型［4］。因此本文对温度混合风门控制机构的动力学仿真模型做出如下简化和假设：1）不考虑柔性体对运动的影响，将模型中各零部件均看作刚体；2）在多刚体模型中，忽略了一些小质量的非重要零件（螺钉、螺母等）；3）忽略各构件之间的安装间隙及其摩擦影响；4）拉索等柔性体用其他刚性体组合代替［5］。

1.3三维模型创建

利用ADAMS/view与CATIA的良好接口，将基于CATIA创建好的三维实体模型导入到ADAMS中，其主要部件包括：吹面风门、吹脚风门、除霜风门、模式分配盘、滚子连杆、拉索、空调箱等。汽车空调模式风门三维模型如图1所示。

图1　汽车空调模式风门三维模型

1.4约束及载荷的定义

根据空调模式风门的运动机理：通过在拉索上施加作用力使模式分配圆盘绕支点旋转，此时分配盘上的凸轮槽通过形封闭来驱动滚子连杆，而滚子连杆与各风门相连，控制每个风门的角度。仿真模型中的约束副主要包括：滚子连杆与风门的固定副、分配盘与空调箱的旋转副、分配盘与拉索的旋转副、拉索与拉索卡座的滑移副、分配盘与滚子连杆间的碰撞力等。

汽车空调在工作时通过调节风机上的电压来调节风机的转速从而改变空调风道内的空气流量，由于风门两侧存在空气压力差，这样就产生了风压扭矩，这个风压扭矩和风机上的电压有关。同时，各个风门上的风压扭矩与风门的开启角度有关。通过空调风门扭矩实验得到了各个风门的风压扭矩如图2所示，注：吹面风门采用的是蝶形风门形式，其风压扭矩忽略不计。

图2　各风门上的风压扭矩曲线

2　仿真结果分析

2.1风门运动规律曲线

参考汽车空调模式风门控制机构实际运动方式，在拉索上施加1 mm/s速度的运动，测得各个风门的运动规律曲线如图3所示。仿真结果验证了汽车空调按吹面、双吹、吹脚、除霜、吹脚除霜顺序进行出风模式的切换。

图3　风门运动规律曲线

2.2拉索受力分析

当拉索牵引模式分配，再由模式分配盘的轮廓槽带动滚子连杆来驱动风门的时候，必须克服各风门上的风压扭矩。而拉索上的拉力大小决定了风门控制机构的轻便性，拉力峰值区域对控制机构影响尤为明显。图4为仿真后拉索上的拉力曲线，其中拉索受力峰值在拉线行程30 mm附近，峰值为19 N。

图4　拉索上的拉力曲线

3　模式分配盘凸轮型线优化设计

由于拉线拉力峰值达到19 N，主要原因是除霜风门开启时的风门阻力较大，所以本改进方案首先优化除霜风门控制凸轮型线，使其在风门开启时的速度变慢，从而使得拉索拉力减小。改进后的除霜风门凸轮型线如图5所示。

图5　改进后的除霜风门凸轮型线

优化前后的拉索受力对比如图6所示，拉索拉力的峰值为13 N，比改进前降低约30%。

从以上的优化结果可以看出，通过模式分配盘凸轮型线的优化设计，能有效地减小风门控制机构的受力。

图6　优化前后的拉索受力曲线

4　结语

由于在手动汽车空调中送风模式的精确控制和载荷优化是空调设计的一个难点，本文从汽车空调设计的工程实际出发，以汽车空调送风模式控制机构为研究对象，并利用虚拟样机软件ADAMS建立了某款汽车空调模式风门仿真模型，进行了机构的仿真分析，并通过凸轮型线优化设计对拉索载荷进行了优化。这种基于虚拟样机软件的空调风门控制机构的仿真、优化方法为空调设计、改进提供了一种可行、快捷的方法。

［1］何理.汽车空调送风模式风门控制机构优化设计研究［D］.西安:陕西科技大学，2013.

［2］陈立平.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程［M］.北京:清华大学出版社，2005.

［3］郑建荣.ADAMS-虚拟样机技术入门与提高［M］.北京:机械工业出版社，2002.

［4］张军明.基于虚拟样机的立轴冲击式破碎机转子动力学特性及其优化研究［D］.济南:济南大学，2009.

［5］袁伟光.汽车空调风门控制机构的优化设计及试验验证［D］.上海:上海交通大学，2008.

（编辑：刘楠）

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

上海电机学院学科基础建设项目资助（12XKJC02）

袁伟光（1982—），男，上海人，讲师，硕士，研究方向：车辆工程。