空调出风口的结构设计

空调出风口的结构设计

1.出风口的总布置要求

1.1概述

空调出风口作为空调的输出的终端，应具备风量与风向的调节作用。通过调节出风口，应当能够满足整车的空气循环与制冷控制要求，并能够满足乘客的各种舒适性要求，从某种方面来讲，出风口的设计并非单独从属于内饰设计，而是应当在整车系统中考虑的。

从乘客的需求来说，每个人对于制冷制热的需求各有不同，有些人希望冷（热）风直接吹向身体，有些人希望风不要直接吹向人，而是通过改变整车温度，使自己达到一个舒适的状态，因此风向的调节范围，应当是能够覆盖人体，并能够达到人体外侧的空间，以满足不同人群的需求。一般来说，仪表板会布置4个出风口，靠近驾驶员侧的两个出风口用于满足驾驶员的需求，另一侧的两个满足副驾驶员的需求。四个出风口的吹风范围均应覆盖其所服务的对象。

出风口的布置，应当注意避免被其他零件阻挡，主要是仪表罩，方向盘的影响，同时也应当注意避免直吹驾驶员的手部，造成手部的不适影响驾驶。

1.2出风口对气流方向的控制

关于这一部分内容，基本采用了伟世通的设计要求和观点，通用对于吹风的要求与伟世通在个别地方是有区别的，我会加以说明。至于相关的设计要求是由于亚欧美市场客户需求不同还是欧标，美标等的标准不同而产生的，我目前没有得到相关信息也未作相应的研究，待获取相关信息并研究后，会对后文重新整理，当前还是以伟世通的要求为主进行说明。

1.2.1出风口对气流的纵向调节:

对于出风口气流的纵向调节范围要求，请见图1-1

图 1-1 侧视图，气流的纵向调节

1.2.1.1输入条件

如标记○5，○9，做分析的时候，h点位置应当取座椅最前置状态下的位置，因为在座椅前置时，出风口相对于人体的吹风范围是最小的，只有满足了前置座椅的要求，才可以同时满足其他状态下的要求。眼椭圆取99%的，这个与h点的要求原因是一样的，是为了使吹风的覆盖范围能够满足各种假人状态。

1.2.1.2向上吹风角度

中间出风口和侧出风口向上的最小吹风范围是相同的，都是要求能够吹向与眼椭圆上沿相切的切线（如标记○2），需要说明的是，这个仅仅是最小要求，事实上为了满足出风口能够吹向不直对人体位置的要求，推荐这个方向再向上转动5度。日产的要求和伟世通还有所不同（如标记○1），是要求其方向远离眼椭圆150mm。事实上这两个数值反应的客户需求都是相同的，即让风能够吹到不正对人体的方向。

1.2.1.3向下吹风角度

中间出风口和侧出风口向下的吹风范围要求有所不同。如标记○3所示，中间出风口向下应当吹到h点向上200mm的点位。如标记4所示，侧出风口向下应当吹到h点。之所以有不同，我的理解是中间区域由于需要布置的零件比较多，出风口能够摆放的位置范围是很小的，由于a面的形状及周边零件的影响，在很多情况下出风口向下的吹风角度是无法吹到h点的，因此放宽到向上200的位置。事实上在我们很多以前的车型中，都是难以满足向下吹到h点甚至200mm位置的，在吹风范围的纵向调节方面，我们需要优先考虑向上的吹风角度必须满足，向下如果无法满足，需要增加辅助出风口。

1.2.1.4Nominal位置

如标记○7所示，他表示的是出风口处于最大吹风量时的角度（即叶片与出风口壳体及风管导风段平行时的吹风角度），伟世通要求这个方向应当指向上下最小吹风范围的中点。

1.2.1.5通用体系中的纵向吹风要求

（如图1-2）通用体系对于上下的吹风范围要求是有所不同的，他的要求是从出风口做一个22度的锥形，出风口向上至少能够使锥形高于95%的乘员肩膀，向下要求能够达到第95百分位乘员的大腿前部。如果向上完全旋转的位置与向下完全旋转的位置之间夹角过大，出风口必须满足上述第一个要求，同时必须增加一个大腿制冷装置（补充出风口）以实现第二点要求。

图 1-2 侧视图, 气流方向的最小上下调节（通用）

1.2.2出风口对气流的横向调节

对于出风口气流的横向调节范围请见图1-3。

图 1-3 正视图，左右方向的气流调节

1.2.2.1输入条件

与风向的上下调节范围校核输入条件相同，同样需要采用99%眼椭圆与前置座椅的h点位置。

1.2.2.2横向调节要求

出风口对于气流的横向调节范围与纵向是类似的，其最小吹风角度范围同样需要覆盖人体的左右方向。

侧出风口要求向外侧能够吹到人体外的部分（图中○3所示的450mm是伟世通给出的建议，事实上根据不同的车型，这样一个要求是不适应的，较宽和较窄的车型向外的吹风角度会完全不同，我们需要按照实际情况来考虑，一般来说只要能够使吹风范围向外越过假人所在区域，并增加5度以上的余量即可）如果侧出风口兼有侧窗除雾要求，请按照实际情况，扩大吹风范围。

侧出风口向内要求能够吹过眼椭圆的内侧。中间出风口向外要求吹过眼椭圆的外侧，向内要求吹过整车中线。老的guildline中的左侧吹右肩，右侧吹左肩的说法事实上与这个要求基本是一致的，都是要求每个吹风口能够对其吹风对象实现覆盖，并能够各自吹到人体以外的区域。

1.2.2.3宽车的特殊性要求

有些车型尤其是车身较宽的重卡，在出风口风向的横向调节上与一般汽车要求是有所不同的，一般的轿车车宽在1米4左右，但是重卡往往要达到2米左右，由于造型原因，有些卡车的中央出风口仍然布置在靠近车宽中线的位置，导致中央出风口如果要按照前面所说的要求，叶片需要旋转相当大的一个角度才能够吹到上述的目标点，而此时风量的损失是非常大的，在这种情况下，我们的设计可以考虑适当放低要求，不再考虑让中央出风口吹过人的眼椭圆。如果有可能的话，在重卡的出风口设计中，我们尽可能要将中央出风口的位置向驾驶员（副驾驶员）方向靠拢，让中央出风口的吹风范围能够更多的覆盖人体区域。

1.2.3出风角度分析与实际情况相悖的情况。

关于具体的导风结构及相关要求，会在后文叶片的设计中加以阐述，在本节中将描述两种实际吹风状态与我们所作的简单角度分析情况不符的状况。

1.2.3.1窄口造成的吹风角度异常

请见下图1-4，这是一个出风口设计的实例，该出风口开口较窄，但从叶片角度来看，下层的三个叶片，应当能够导出50%以上的风量吹向叶片所指方向，但是事实上经过cae分析，发现叶片导向失效，如图1-4的右图，其右侧出风口导风叶片向左而实际风向向右。目前为止只发现窄口出风口有此现象，但尚不明确该现象发生的机理，个人怀疑与叶片在腔体内传出的风向经腔体内壁反弹引起。扩大出风口尺寸与将后层叶片前移均会改变这种情况。

对于窄口的出风口，需要规避开口处的阻挡，让出风口壳体尽可能与面板光顺连接，尽可能扩大出风面积。控制窄口方向风向的导风叶片，尽可能布置到上层，这样会更有利于导风。

图 1-4

1.2.3.2柯恩达效应

柯恩达效应是指沿物体表面的高速气流在拐角处能附于表面的现象，这种效应如果出现在我们的导风角度范围内，将使导风失效。如下图1-5，所示当出风口吹出的风向与拐角处的表面呈较小角度时，即会出现如图的附壁现象，当角度增大后，如图1-6，气流流向正常。

图1-5 图1-6

科恩达效应一般在51度以下发生，然而这个角度会有一定的波动，一般来说51度以下的角度是绝对不可取的，51-55也有一定的风险，我们尽可能选取55度以上的角度来进行设计。

事实上由于出风口型面与气流方向的关系，向上，向左右方向的气流均不会发生科恩达效应，只有向下的气流有可能产生，因此当出风口下沿出现与下吹风极限方向呈55度以内夹角的大平面时，我们需要特别关注，建议通过CFD 分析判断实际气流走向。

1.3风量要求

1.3.1.1有效出风面积的定义

如图1-7所示，我们需要注意的是有效出风面积的计算，不是出风口在a 表面的开口大小，而是实际出风方向垂直的平面上做开口处气流的投影面积（需要刨除上下层叶片及连杆的投影面积）。根据伟世通的要求，大中型车辆的有效出风面积需要达到3870-4516mm2，小型车则需要达到3225-3870mm2，长或宽的尺寸不能小于44.5mm。对于这样一个要求，我认为其是为了与空调自身的出风面积作匹配的，从管道中的流体特性来看，入口面积与出口面积相同的话，流体在管道内的压力及速度损失都会比较小。根据我们以往的设计经验，事实上很多车辆由于造型的关系，我们并不能达到这样一个尺寸要求，如果不会造成很大的压力损失，或者造成风速的大幅下降，尺寸方面是可以考虑让步接受的。当然如果能够通过CFD分析或实验，了解一下实际的出风量、风速，是否满足条件，是最为可靠的。

图 1-7

1.3.1.2极限位置下的有效出风面积要求

在本文1.3.1和1.3.2中提到了出风口横向和纵向的调节角度要求，当出风口吹向极限位置时，需要保证其有效出风面积达到最大出风面积的75%。如图1-13所示，这是伟世通给出的小面积的计算方法。我个人并不完全同意这种计算方法，按照这种计算方法，则如图1-8，如果在风道入口处加沿着的几片导向叶片，则所有的导向叶片导出的风都会出风口壳体遮挡，有效出风面积为0，这显然是不正确的。当叶片逐渐向水平方向旋转后，决定出风量更大程度的是叶片之间的间隙而非叶片导出风的遮挡量。对于有效出风量还是以CFD的计算为依据比较可靠，个人不建议用这种方法来进行计算。我们现有的CFD手段是可以根据二维线条来进行简化计算的，计算结果也是比较可靠的，如果有相应的出风量计算需求，不妨作出一些简单的断面，交给CFD进行简单计算。当然，如果进行了CFD计算，那么我们的有效出风面积也就没有必要再进行计算了，直接把CFD的计算结果与出风口的出风实验要求进行比较即可。

图 1-8

2运动机构设计

2.1概述

出风口由于其功能性要求，存在一些运动机构，但总体类型来说，大多数的机构属于简单机构，传动链都比较短，基本由连杆，带槽连杆，齿轮三种简单零件构成。出风口的功能体现在风向的调节，风门的开闭上，因此相应的机构基本上就是叶片调节机构与风门开闭机构两套，本节着重介绍一下拨轮-风门的控制机构，叶片控制机构由于涉及到的零件更少，往往就是两个零件之间的配合，将合并到叶片与拨钮的零件设计中阐述。

2.2铰链四杆机构的设计

铰链四杆机构（如图2-1）是最常见的拨轮－连杆－风门控制机构，其结构比较简单，应用最为广泛。

图2-1

2.2.1压力角与传动角

图 2-2

如图2-2所示，若不考虑构件的重力、惯性力和运动副中的摩擦力等影响，则主动件AB上的驱动力通过连杆BC传给输出件CD的力F是沿BC方向作用的。现将力沿受力点C的速度Vc方向和垂直于此方向分解，得到有效分力

F2和有害分力F1。因此，为使机构传力效果良好，显然应使F2愈大愈好，即要求角a愈小愈好．理想情况是a＝0最坏的情况a＝90。a是反映机构传力效果好坏的一个重要参数，一般称它为机构的压力角。

传动角：压力角的余角γ称为传动角，在平面四杆机构中用γ值来检验机构的传力效果更为方便。γ的值愈大愈好，由于机构在运转过程中，传动角γ值是随机构的位置不同而变化的，为保证机构的传力效果，应使传动角的最小值γ大于或等于其许用值[γ]，一般机械中，推荐[γ ]＝40一50。

2.2.2死点

图 2-3

如图2-2所示，假设AB为驱动杆，CD为被驱动杆，当连杆BC与被驱动杆呈一直线时，传动角为0，此时无论驱动杆AB上施加多大的力，CD都不会被驱动，此状态被称为死点，在设计中必须避免这个死点。需要注意的是，由于零件的制造精度及受力变形等因素，运动也需要避免接近死点5-10度的范围。如果在风门关闭或完全开启位置时，由于空间原因，连杆的布置必须很靠近死点

位置，则必须对此状态作限位，避免杆件由于惯性作用或变形进入死点作用范围，造成锁死。

对于出风口来说，风门在全开全闭状态下，应当有锁止机构防止其受气流或震动原因造成状态改变。我们可以利用死点来锁定其中的一个状态。即风门处的连杆当作驱动杆，拨轮作为被驱动杆，让拨轮轴心与连杆呈一直线，此时如果有外力推动风门，由于机构的传动角为0，机构锁死，达到保持状态的目的。而我们实际操作，拨动拨轮时，拨轮作为驱动杆，机构反向驱动，不再锁死。

2.2.3四铰链机构的布置

出风口的拨轮-连杆-风门传动机构采用四铰链机构的话，一般来说只要注意传动角和死点，采用较大的传动角，避免死点区域即可。我的布置方法是这样的。

1/ 确定输入条件，拨轮转轴与风门转轴的轴距，风门开闭的转动角度，拨轮的转动角度（如果拨轮上带有指示开闭状态的标记，需要注意拨轮的整个转动范围不得让此标记转到面板下）。本例假定轴距100，拨轮转动65度，风门转动范围80度。

2/ 见图2-4 在草图中作出转轴位置，并暂定驱动杆杆长为40（一般来说驱动杆的杆长基本与拨轮半径接近），暂定一个初始和最终的驱动杆位置。

图 2-4

3/ 见图2-5 假设连杆杆长65，以驱动杆的两个铰接点作半径为65的圆（黄圈），以风门转轴为圆心作任意圆与前两个圆相交。

图 2-5

4/ 见图2-6 作两线段（紫色线段）连接风门转轴与两个交点，并约束两线段间的角度关系。

5/ 见图2-7 更改两线段间的角度为我们实际的风门转动角度80度。作出连杆（红色险段）这个时候我们可以得到一个理论上可行的四铰链机构。检查一下是否有经过死点，行程是否会有连杆摆动范围过大超出出风口范围等。很显然下图的轨迹经过了死点，不可行。

图 2-7

6/ 调整：见图2-8，我们的调整手段主要有调整连杆长度，转动驱动杆的起始角度。在这里我将连杆长度调整到75（即黄色圆的半径调整到75）。这个时候在去检查发现基本符合要求。

7/ 优化：见图2-9，检查起点与终点的传动角，分别为22.5与49.5，最大压力角出现在运动过程中。虽然说作为传动力矩较小的机构，20度左右的传动角也是可以接受的，但是为了更优化整个传动过程，我们可以作进一步调整。方法是调整驱动杆原始位置角度，直到两压力角接近，如图2-10，即为调整到起始传动角均为36度的情况，整个机构的传动角范围在36-90-36的范围内波动。

图 2-9

图 2-10

8/ 再优化。一般来说，达到2-12的效果基本可以满足要求了，如果我们希望压力角全程大于40度，风门机构能够反向自锁，或者2-12压力角调整完毕后被驱动杆的长度过小需要加长时，可以进行进一步的调整。调整手段无外乎调整连杆长度（即之前黄圈的半径）或者调整驱动杆的半径（前面我们都没有对此进行调整，因为可调项比较多，一般来说不需要再更改初定得驱动杆半径，当然如果有需要也是可以调整的），然后再调整驱动杆的起始位置（如果需要风门反向自锁的话，将自锁位置的驱动杆与连杆调整到一直线即可）。

上面介绍的只是我采用的方法，我相信一定有更好的办法去计算和布置四铰链机构。

2.3摆动导杆机构的设计

摆动导杆机构也是一种非常常见的传动机构。它比四铰链机构少了一个中间零件，使它整个传动过程更为稳定简单，运动过程中没有锁死点，但是受到拨轮轴线与风门轴线的限制，当两轴线间距较大且转动角度较大时，会使其旋转轨迹占用较大的空间，往往会受到空间的影响，无法布置！

图 2-11

2.3.1摆动导杆机构的布置

摆动导杆机构的布置比较简单，不需要考虑死点等问题，只要注意导杆的有效区域（对应在零件中即为连杆中的开槽）满足拨轮与风门连杆的行程即可。

对于摆动导杆机构来说，随着驱动杆角度的变化，驱动杆运动所需的操作力是不断变化的，为了让操作力的变化不是很剧烈，建议风门与壳体的配合处摩擦力要尽可能减小，这样可以使驱动杆所需的操作力绝大部分由拨轮与壳体配合的摩擦力提供，这样会使整个操作过程感觉施力更加均匀，手感更好。

事实上任何四连杆传动机构，都推荐尽可能将驱动件以外的提供反作用力的环节造成的效果尽可能削弱，对驱动力形成阻滞的因素绝大部分做在驱动杆上，这样才能够获得稳定的操作力效果。

2.3.2制造死点

摆动导杆机构在行程内是没有死点的，但是可以通过改变滑槽的曲线，人为的制造一个死点，用于风门的锁止。

如图2-12所示，AC杆逆时针运动可以顺利的进入BC段，到达B点后，滑槽结束，进入风门锁止状态，AC杆无法再逆时针运动，这个时候如果风门受到逆向力，试图让CD杆逆时针旋转，滑块对AB杆施加的力会将AB杆向逆时针方向推动，造成锁死，达到效果。

图2-12

2.4齿轮机构的设计

齿轮啮合是最平稳的传动机构，在整个运动过程中都可以保证力的均匀性，能够获得最佳的手感！缺点是可能会造成成本的上升，其制造精度要求也会比较大。

图2-13

2.4.1圆柱直齿轮机构的初步设计

一般来说，应用在出风口上的齿轮结构均为圆柱直齿轮，如图2-14。从设计角度来说，先确定拨轮与风门的转动角度范围，即为两齿轮的转动角度。

AO

1B与CO

2

D两角度与两齿轮的半径O

1

B、O

2

D成反比，O

1

A、O

2

C之和为风门转轴

与拨轮转轴的间距。从而可以推出两齿轮的半径，这个时候只要再选定一个标准模数就可以完成初步设计了。

图 2-14

2.4.2模数的选择

从理论上来说，我们选择任意的模数都可以完成齿轮的传动，但是事实上由于我们出风口的齿轮传动范围并非全齿旋转，一般希望齿轮传动在两个终点位置时啮合处的状态是一个齿高刚好插入到对手齿轮的齿根处，而不是某个中间状态。因此需要将模数与出风口拨轮与风门的旋转行程进行重新配比。

从理论上来说模数选的越小，单齿转动角度越小，配比将更为容易。但是过小的模数会造成对制造精度的要求更高，机构容易失效，因此这个数值是需要进行公差分析后再定义的。

2.4.3柔性结构

齿轮啮合是高精度的传动方式，零件如果尺寸偏差过大，很容易造成脱齿，卡死等不良结果。在出风口中，我们不可能采用高精度的金属齿轮，一般都采用塑料注塑成型的齿轮，因此为了防止精度不够造成的机构失效，推荐在齿轮上做出一定的柔性弱化结构，图2-13的实例即为两齿轮均作了柔性结构，如果采用齿轮传动，建议至少在一处齿轮上做出类似结构。

2.5双风门控制机构

在出风口壳体形状比较狭长的情况下，如果拨轮刚好布置在较长边的一侧，这时风门有两种布置方法，一是传统的将风门转轴同样布置在垂直于较长边的方向，一是布置在较窄一侧。如果是第一种情况，风门的打开状态将占用非常大的空间，这个时候我们可以考虑采用双风门，本节将介绍一下控制双风门的机构如图2-15。如果是第二种情况，由于拨轮与风门不再同轴，需要采用空间传动机构来进行传动，这部分内容将放在下一节进行介绍。

图2-15

2.5.1双风门机构的基本形态

图2-16

如图2-16，双风门机构是一套四铰链机构与摆动导杆机构的组合，导杆EF与连杆BC为一体，驱动摆杆OG，通过滑块传递力给连杆BC，再通过连杆BC 驱动AB与CD杆，完成整个传动过程。

2.5.2双风门控制机构的设计

有了四铰链机构和摆动导杆机构的设计经验，设计双风门控制机构就非常简单了。

1/ 首先布置ABCD这套铰链机构，虽然说理论上来说只要任意布置AB，BC，CD三杆的长度都可以实现机构的运转，但是为了获得更稳定的传动效果，建议布置成如图2-16所示意的平行四边形，这样一个状态下，两个被驱动杆，AB、CD的传动角始终是一致的。

2/ 为了获得最佳的传动效果，我们可以把风门转过一半角度时的AB、CD 杆与连杆BC垂直，获取最大的传动角90度，然后根据周边零件对两杆转动范围的限制，暂定一个杆长。

3/ AB CD杆长确定后，导杆EF的左右运动行程也已经确定，在草图上作出EF杆的两个极限位置（黄色与紫色铅垂线），过拨轮的圆心作任意圆与两线相交，做圆心到交点的连线（红线）并约束两线段间的夹角。

图 2-17

4/ 更改夹角的值为拨轮实际转动角度，我们可以获取一个理论上的OE杆长度，如下图2-18所示，机构虽然理论上可行，但是导杆区域太长，不满足要求。

图 2-18

5/ 优化：类似于前面的四铰链机构布置，我们对AB、CD杆的杆长重新进行调整，很快就可以获得合适的机构。