赵南，田钧

（1.辽宁水利职业学院，辽宁 沈阳 110102；2.华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110141）

基于舒适性因素的整车出风口设计解析

赵南1，田钧2

（1.辽宁水利职业学院，辽宁 沈阳 110102；2.华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110141）

文章以汽车仪表板上空调系统吹面出风口为研究对象。以已知的影响人体最佳舒适性的各类因素为设计依据。通过调整出风口的有效面积、结构及出风拨片的角度，使风速、噪音等因素趋近于最佳舒适性目标的要求。通过计算给出了仪表板出风口的最小有效出风面积，进而得出了出风口外轮廓的最小面积；通过人体工程学分析给出了出风口拨片的角度校核方法；通过出风口的H/W比值，给出了若干组叶片设计的经验值。最后，提出一套较全面的整车空调系统出风口设计理论依据及校核方法，并通过流体分析软件对设计校核的结果进行仿真分析，论证其正确本文性。

仪表板；空调系统；出风口；舒适性；有效面积

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

在使用汽车空调系统的过程中，出风口在整车中的位置、出风有效面积、结构形式是决定空调系统效果、整车气流场分布及舒适性的重要因素之一。从某种程度上讲，好的出风口设计，甚至可以起到HVAC、冷凝器及压缩机等重要空调组件所无法比拟的效果。

1、吹面出风口的分类

在分析吹面出风口相关内容之前，需要首先了解一下出风口的位置及类型分类。

图1　出风口位置示意图

通常情况下吹面出风口为4个，集中在仪表板上，具体位置如图1所示。基本上为两两对称。左侧两个为驾驶员使用，右侧两个为副驾驶使用。对于不带后排出风口的车型，前面的出风口也需要为后排乘客提供服务。

表1　外形分类

出风口的外形一般受造型等因素影响很大，如果形状过于特殊将有可能影响到空调系统的整体性能。原则上规则形状的出风口形状如方形及圆形对空调的性能影响比较小，不规则形状需要重点进行校核。

2、出风口面积的计算

合适的出风口面积对空调系统能力的发挥及人体的舒适性至关重要，这也空调工程师在造型启动之前必须要提前输入的重要信息之一。通常情况出风口面积大小的确定是由人体最佳舒适性等主观因素决定的。通过fluent/star-CD等主流CFD分析软件可以模拟空调系统的性能，其中就包括人体舒适性。人乘坐车辆的舒适性主要包括感受到的温度、风速及噪音三个主要因素，这三个因素相辅相成又相互矛盾制约，寻求最佳的平衡点至关重要。例如，乘客需要快速的降温，最直接的方法就是在空调系统全冷、内循环模式的前提下将鼓风机的风量调整到最大，加速驾驶舱内空气的热交换及流动，进而达到快速降温的目的。但大风量使用的同时，势必会导致出风噪音的上升，使人变得无法忍受。同样的道理，如果保证噪音可以接受，则势必会降低出风风速，而这又影响整车的降温速度。此外，大量的冷风直接吹到人体也会感到非常的不舒适。

2.1噪音对出风口面积的影响

在整车需要的最大制冷量确定后，空调系统中的鼓风机风量就已经确定。此时出风口的面积大小将直接影响风速，风速过大将直接导致噪音的增长，严重影响舒适性。图4为某款车型设计过程中的1/3倍频曲线。

图2　1/3倍频宽示意图

其中，实线为规定目标值，周围的两条虚线为允许波动的范围。综合上述的内容我们基本可以确定，当出风口的风速超过10m/s时噪音值将成倍增长，因此出风口风速V_max=10m/s是吹面出风口的最大允许值。

2.2出风口有效面积的确认

已知出风口的最大风速，就可以开始着手进行出风口的面积计算了。首先得出的是出风口的有效面积。

出风口的叶片，连杆机构，拨杆，关闭风门等都将会挡住气流，所以真正有意义的出风面积应该是开口轮廓总面积减去被零部件遮挡的面积，面积的差值称之为有效面积。我们首先算出的就是有效面积。以通常情况空调系统的使用模式：吹面、全冷、内循环为计算前提条件，吹面总风量设定为B级车中最常见的480m3/h，假设仪表板的4个吹面出风口有效面积相同。吹面总风量V1=480m3/h，则每个出风口分配到的风量为V2=V1/4=120 m3/h,即33.34 dm3/s。最大风速V_max=10m/s,则出风口的最小有效面积为S_min=V2/V_max= 33.34/100=0.34dm2。

2.3出风口投影面积的确认

确定出风口有效面积之后，我们就可以确定出风口的投影面积。在计算之前我们首先要先明确一下出风口投影面积的定义：

图3　出风口投影面积示意图

投影面积指出风口外轮廓沿着X方向延伸，垂直于YZ平面的投影面积。上图中篮圈位置为投影面积。有效面积如何转换为投影面积与出风口的结构形式有关。一般情况下出风口可以分为滚筒型出风口及双向调节出风口两大类：

图4　滚筒型出风口示意图

滚筒型出风口结构简单，叶片可以调节，绕一根固定的轴旋转。

图5　双叶片出风口示意图

双叶片出风口比滚筒型出风口复杂，造型灵活多样，成本也较高。整体固定，有两套不同方向可调节的叶片。

由图6、7可以发现两类出风口的结构形式及风阻原件存在明显的差别，因此在计算有效面积与投影面积之间的区别时也存在了一些不同，根据经验可以总结如下：

1.滚筒型出风口

S有效= 0.45 x S投影

2.双叶片型出风口

S有效= 0.60 x S投影

S投影=S有效/0.6

2.4出风口出风导向的校核

确定了出风口的最小外形轮廓尺寸后，接下来讨论如何校核出风口导向区域是否满足要求的问题。

出风口的导向能力主要取决于风口布置的位置，放置的高度、可以摆动的角度及出风口的类型。

在开始校核之前我们首先需要了解一下几个主要参数的定义：

H点：代表驾驶员臀部位置，由总布置来确定。

A点：代表驾驶员眼睛位置，眼球椭球轨迹中心，由总布置确定。

直线1：连接H，A点的直线

直线2：与1线垂直，在H点上方325mm的直线。

B1点：代表驾驶员胸部右半部分，位于直线1和2交点的左边75mm处。

B2点：代表驾驶员胸部左半部分，位于直线1和2交点的右边75mm处

C点：代表驾驶员膝盖部分，H点垂直上方的125mm处点的位置见下图：

图6　关键量定义示意图

2.4.1全身出风角度定义

A2角：上下方向，调节全身出风口的出风导向从正常状态到A点所需的角度。

B2角：上下方向，调节全身出风口的出风导向从正常状态到B2点所需的角度。

C2角：调节全身出风口的出风导向从正常状态到C点所需的角度。

T角：A2,B2和C2中的最大角度。

见下图示。

图7　全身角度定义示意图

2.4.2Z方向出风角度校核

根据实验结论及设计经验通常情况下会有如下两类设计校核要求：

图8　风口 Z 方向校核示意图

如图13所示，两条蓝色的虚线分别对应驾驶者的鼻尖及H点，此为吹风覆盖基础区域。两条红色虚线为出风口格栅拨片向上及向下可以达到的极限位置。蓝色虚线与靠近它的红色虚线角度不小于10°。满足上述要求就基本可以认定出风口的格栅调节角度可以覆盖成员的全身有效面积，满足了设计的要求。此外，也有一些标准规定了成员上半身的出风角度更大一些。如图13中绿色的两条实线，将驾驶员的头顶作为基线，向上10°作为吹面的极限角度，这样的要求会比前一条更全面一些，这样可以涵盖100%的假人要求。通过实际的人体舒适性环境模拟实验测试，了解到在起始阶段，两类设计方法在降温速率方面存在一定的差别，但10分钟后头部的温度就基本相同了，因此可以认定两个设计方式都是可以接受的。

图9　头部平均温度对比示意图

2.4.3Y 方向出风角度校核

如图15所示，校核出风口的Y方向是否合理，主要是考虑两侧出风口是否可以覆盖正、副驾驶员的全部身体。因为中央出风口将起到同样的作用，因此两侧的出风口校核并不像对中央出风口校核那么重要。简单的讲就是要求两侧出风口的极限位置一侧可以覆盖侧窗风挡玻璃，另一侧可以覆盖到另一侧人员的肩膀，如图14所示。风口格栅拨片的极限位置与基线位置的夹角仍然不能小于10°。副驾驶侧出风口的校核方法与驾驶侧完全相同。

图10　风口 Y方向校核示意图

3、结论

本文对汽车仪表板上的吹面风口的设计及校核进行了一些说明，对涉及的关键内容进行了重点的解析，希望对大家有所帮助及借鉴。本人能力有限，文中难免出现描述不清等问题，还望不吝赐教，感激不尽。同时感谢MSE公司及GM公司相关工程师提供参考资料。

[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

赵南，工学硕士，就职于辽宁水利职业学院信息与电气化系，讲师，研究方向：自动控制、检测技术工程应用。

田钧，工学学士，就职于华晨汽车工程研究院 电气部 空调组 组长，资深专家。研究方向：整车空调系统匹配、设计、实验。