扇形风门在空调配气系统中的应用

吴春来，曹皇亲，杨菲菲

（安徽江淮汽车集团股份有限公司轻商院，安徽 合肥 230601 ）

汽车空调已由单一的制冷和采暖方式发展到冷暖一体化形式，由季节性空调，发展到全年型空调，真正起到空气调节的作用。汽车空调配气系统根据空调的工作要求，可以将冷、热风按照需求送到驾驶室，实现车内空气舒适性调节和提供良好行驶视野的功能。手动空调和电动空调都有配气系统，不同的是手动空调由拉丝驱动风门运动，电动空调由步进电机驱动风门运动。手动空调系统，由于价格相对低廉，且维修服务简单易操作，在很多商用车上普遍采用。当然，手动空调系统在控制器旋钮操作、模式密封性应该和电动空调一样，旋钮手感轻巧灵便，操作上舒适方便，各模式密封良好，单一模式时其他模式无漏风。如何达到并满足客户需求，本文通过优化模式分配机构和扇形风门的应用来实现。

1 现状描述

汽车空调配气系统一般由3部分构成：第1部分为空气进口段，主要由用来控制新鲜空气和室内循环空气的风门叶片和风机组成；第2部分为空气混合段，主要由加热器和蒸发器组成，用来提供所需温度的空气；第3部分为空气分配段，使空气吹向面部、脚部和挡风玻璃上。在手动空调系统中，空气分配段各种模式的控制是通过拉丝，由控制器旋钮手动驱动。

某轻型商用车在海南温湿带地区试验时，发现空调系统全吹面模式制冷时，前挡风玻璃会慢慢起雾，影响驾驶员视野，威胁行驶安全。通过实车排查，发现在全吹面模式时，仪表板除霜风口存在最大2.3 m/s的漏风现象，且在任一模式时，其他模式均存在风口漏风的现象。初步判断是由于空调配气系统全吹面模式时除霜风口漏风，泄露的冷空气降低挡风玻璃内外表面温度，且低于室外温度，室外高湿度空气遇到玻璃表面冷凝后形成细小的冷凝水，导致玻璃起雾。图1为试验车仪表板出风口示意图。表1为试验车仪表板出风口风速测量。

图1 试验车仪表板出风口示意图

某轻型商用车空调配气系统结构如图2所示，分别由3个一字型风门控制3个出风口，通过一字型风门旋转控制风口通风、半通风和阻风状态，实现配气系统不同出风模式。全吹面模式时，除霜风门、吹脚风门与壳体贴合关闭，由海绵密封阻止通风。

图2 空调配气机构

表1 试验车仪表板出风口风速测量

一字型风门由PP注塑件和海绵粘贴而成，通过海绵与壳体压缩密封，如图3所示。

图3 一字型风门

模式分配机构由模式联动盘、转动连杆、连杆和一字型风门组成，如图4所示。工作原理是：模式联动盘通过拉丝与空调控制器模式旋钮连接，模式旋钮选择某一种出风模式时，旋钮旋转驱动拉丝相对套管移动，带动模式联动盘绕固定轴旋转，模式联动盘上的导向槽与转动连杆上的圆柱销配合，圆柱销沿导向槽移动，带动转动连杆旋转。转动连杆旋转通过连杆驱动风门轴转动，实现风门旋转，空调系统出风口通过风门旋转实现开启、半开启或关闭等状态。通过拉丝驱动3个风门联动，实现空调主机各出风口通风、半通风或阻风状态，即空调配气系统的不同模式。

图4 空调配气机构工作原理

2 原因分析

空调配气系统分风主要是靠控制器拉丝驱动的模式联动盘运动，模式联动盘是直接将控制器的操纵力传递给联动风门的重要部件，是驱动配气系统风门旋转运动和风向分配的直接带动者。带动风门旋转运动，使风门与壳体压紧海绵密封。从该商用车空调配气系统的构成及工作原理，分析导致全吹面模式时漏除霜风的原因。

1）汽车空调配气系统模式联动盘运动行程与控制器拉丝运动行程不匹配。控制器拉丝的有效行程40 mm，偏小；模式联动盘的旋转行程46.2 mm，偏大。控制器拉丝自初始模式旋转到极限模式全吹面行程时，模式联动盘旋转到洁净极限位置未达到极限位置，3个风门同时联动且都未达到极限位置，导致吹面风口风门未全开，除霜、吹脚风门未全关闭，除霜风口海绵未压紧密封，导致漏除霜风。图5为模式联动盘行程校核，图6为控制器拉丝行程校核。

图5 模式联动盘行程校核

2）3个出风口都受一个独立风门控制，且各个风门都是由各自的转动连杆、连杆、风门轴连接到模式联动盘进行驱动，零部件数量多，且都是相互关联的运动部件，各部件的相对运动轨迹精度要求高，任何一个连杆或者转动连杆运动偏差，必然影响对应风门的运动轨迹和密封可靠性。由于转动连杆上的圆柱销（与导向槽配合）为PP-TD20注塑件，除霜转动连杆圆柱销自身的弹性变形，除霜风门未完全压紧海绵密封，且关联运动部件越多，控制器旋钮操作力越大。

3）模式联动盘导向槽无压紧锁止轨迹，除霜风门在海绵自身回弹力Ft和鼓风机风压Fg的合力作用下，使风门形成压紧海绵的反方向旋转力矩，导致除霜风门无法压紧海绵密封，且风门处在不同角度时，受海绵回弹力和鼓风机相对风向的变化，使模式联动盘的驱动力产生波动，即控制器操作力存在波动变化。图7为压缩海绵回弹力。

图6 控制器拉丝行程校核

图7 压缩海绵回弹力

4）空调配气系统主要靠风门海绵与壳体压紧密封，由于一字型风门与壳体配合的“剪刀X”结构影响，靠近轴线的部分海绵压缩量越大，离轴线越远的海绵压缩量越少，整个风门海绵压缩量不均匀。风门结构局限性导致3个风门存在不同程度的海绵压不紧，且风门旋转力随海绵压紧程度越来越大，即控制器旋钮操作力越来越大。图8为海绵压缩简图。

图8 海绵压缩简图

3 优化措施

针对上述原因分析，该轻型商用车空调配气系统分风调节机构原状态由3个独立的一字型风门控制，如图2所示，由于控制器拉丝行程的不匹配及风门结构限制，改进为扇形风门结构，如图9所示。改进后的空调配气分风机构主要包括模式联动盘、风门连杆、吹面风门、吹脚-除霜风门。

图9 扇形风门配气机构

1）优化措施1 应用扇形风门结构。扇形风门主体结构为等腰扇形结构，它分别由风门主体结构（注塑）、2条密封胶条和带有定位面的风门轴组成，如图10所示。2条密封胶条材料为TPE，采用二次注塑工艺，与风门主体形成整体结构。通过风门旋转实现空气导流和阻隔，胶条压紧来实现密封。利用扇形风门的相互配合，用一个风门扇形面封闭另一个风门的导风面（图11），实现3个风门的联动控制。将原状态的3个风门优化为2个扇形风门。

图10 扇形风门

2）优化措施2 优化模式联动盘结构。由于联动2个扇形风门，模式联动盘导向槽数量减少为2条，每条导向槽轨迹是由一段与联动盘旋转固定孔同心的圆弧导槽、一段与模式联动盘旋转固定孔不同心的圆弧导槽组成，其中与联动盘旋转固定孔同心的圆弧导槽分别位于模式联动盘顺、逆时针旋转时导向槽的起始段，同心圆弧导槽段风门相对静止。且2条导向槽在模式联动盘的2端极限位置设置有压紧锁止轨迹，确保风门在极限位置时包胶处于压紧状态且锁止风门。图12为模式联动盘。

图11 扇形风门V型注塑胶条

图12 模式联动盘

3）优化措施3 风门连杆结构优化。圆柱销为金属圆柱销，采用嵌入式注塑工艺。圆柱销与模式联动盘导向槽配合，圆柱销在导向槽内沿轨迹移动。另一端是带有定位面的轴孔，与风门轴连接，

带动风门一起旋转。图13为风门连杆。

4）改进后配气系统分风机构工作原理 模式联动盘的旋转固定孔安装在空调主机壳体上，模式联动盘绕该安装孔中心轴做往复旋转运动。风门连杆圆柱销直接插入模式联动盘的导向槽内，风门连杆带有定位面的轴孔与安装在空调主机壳体上的风门轴连接，风门连杆只能绕风门轴线往复旋转，且旋转时轴销必须在导向槽内沿轨迹运动。风门的风门轴直接安装在HVAC壳体上，一端带有定位面的风门轴穿过壳体与带有定位面的风门连杆轴孔配合，风门可绕风门轴线旋转且与风门连杆同步旋转。

通过空调控制器控制驱动模式联动盘绕旋转固定孔中心轴旋转，带动模式联动盘上的2条导向槽同时绕模式联动盘旋转固定孔中心轴旋转。驱动插入导向槽内的风门连杆圆柱销（吹面风门连杆圆柱销插入吹面风门导向槽内、吹脚-除霜风门连杆圆柱销插入吹脚-除霜风门导向槽内）沿导向槽移动，即风门连杆绕风门轴线旋转，同步带动风门绕轴线旋转。风门通过其密封胶条、扇形导风结构与空调主机内部壳体配合，形成不同的通风、半通风和阻风状态，空调主机出风口实现不同的出风模式。

图13 风门连杆

表2 优化前后HVAC总成各模式风量分配试验对比

4 措施验证

优化前后HVAC总成各模式风量分配试验对比见表2。优化前后的空调控制器模式旋钮操作力对比见表3。

表3 优化前后的空调控制器模式旋钮操作力对比

通过HVAC总成风量分配数据对比，优化后全吹面模式时除霜漏风降低至0.51m3/h。在高湿试验车上更换优化后HVAC总成后，路试试验合格，前挡风玻璃无起雾现象，且由于风门和模式联动盘的结构变化，使驱动模式联动盘的控制器旋钮操作力有所改善，相对降低旋钮操作力和各模式转换时旋钮操作力的平顺性，各模式转换时操作力更均匀，证实风门优化整改有效。

5 结论

本文通过对某轻型商用车空调配气系统的模式漏风问题整改，利用扇形风门结构应用，解决空调配气系统模式密封性，解决整车在全吹面模式制冷时玻璃起雾问题。减少转动连杆、连杆、风门等零部件，降低制造工艺难度，提高生产节拍，降低总成部件的制造成本。模式联动盘增加压紧锁止导槽，确保各种模式下其他模式的密封性，提高整车的安全性能。出风模式分配机构-模式联动盘减少一条导向槽，降低模式联动盘转动力，提高出风模式分配机构运动可靠性。降低模式旋钮操作力，提升模式旋钮操作力平顺性，提高操作舒适性。