汽车空调出风口及风道设计
作者:胡成台
单位:一汽轿车股份有限公司
目录
第1章风道及出风口介绍 (4)
1.1 风道介绍 (4)
1.2 出风口介绍 (4)
1.3 相关法规/标准要求 (5)
1.3.1 国家/政府/行业法规要求 (6)
1.3.2 FCC相关标准要求 (6)
第2章风道及出风口设计规范 (7)
2.1风道及出风口结构 (7)
2.1.1风道结构 (7)
2.1.2出风口结构 (7)
2.1.3出风口及风道实例 (8)
2.1.4材料 (8)
2.2风道及出风口整车布置 (8)
2.2.1风道整车布置 (8)
2.2.2出风口整车布置 (9)
2.3通风性能 (10)
2.3.1 风道中的压力损失 (10)
2.3.2出风量 (10)
2.3.3通风有效面积 (10)
2.4 出风口水平叶片布置方式 (11)
2.4.1叶片数量 (11)
2.4.2叶片尺寸要求 (11)
2.5.3叶片间距 (13)
2.5 出风口垂直叶片布置方式 (13)
2.5.1叶片数量 (13)
2.5.2叶片尺寸要求 (13)
2.5.3叶片间距 (13)
2.6 气流性能 (13)
2.6.1气流方向性 (13)
2.6.2泄漏量 (17)
2.7 出风口手感 (17)
2.7.1拨钮操作力 (17)
2.7.2拨轮操作力 (17)
第3章试验验证与评估 (18)
3.1 设计验证流程 (18)
3.2 设计验证的内容与方法 (18)
第4章附录 (19)
4.1 术语和缩写 (19)
4.2 设计工具 (19)
4.3 参考 (19)
第1章风道及出风口介绍
在整个汽车空调系统中，风道和出风口组成空调的通风系统，担负着将经过处理（温度调节，湿度调节，净化）的气流送到汽车驾驶舱内，以完成驾驶舱内通风，制冷，加热，除霜除雾，净化空气等的功能。
图 1 某车型空调通风系统及周围环境结构爆炸图
1.1 风道介绍
风道连接空调器与出风口,是空调系统中制冷和制热空气的通道。目前空调系统由空调厂商提供,作为空调系统一部分的风道设计,需汽车整车设计部门做匹配设计,车厢内的空气流场与温度场不仅与车厢结构以及空调制冷系统有关,还与空调风道的结构形状密切相关。风道的布置走向、风道占用空间(截面积)以及风道中空气的流速等均影响车厢内的制冷效果,影响系统的经济性和外观造型。
图 2 奔腾B90通风风道
1.2 出风口介绍
空调出风口的布置，大小，型式直接影响到车内气流速度，流动方向，流场组织，从而对空调系统性能，车内安静程度，乘客舒适性有着相当重要的影响。
图 3 2001款凯美瑞出风口
空调出风口处于乘客可见区域，属于外观零件，造型设计师会对它们的形状，外观，颜色，表面处理等进行重点设计，以达到期望的美学效果。
从系统性能要求而言，空调出风口的面积大小，布置，型式会直接影响空调出风口气流速度，方向，流动组织，气流噪音等，对它们的校核设计需要分别进行详尽的描述。
空调出风口作为空调通风系统的终端，对气流组织有着至关重要的作用。
空调系统对出风口的要求：
通常在车厢降温时用，主要将适当风速适当温度的气流吹到乘客脸部区域，来满足对温度，气流流动的要求，并可通过调节出风口叶片方向，来将气流吹到胸部膝部区域，也能通过调节叶片将气流避开乘客身体部位。同时，为了达到车内安静要求，要求风速要合适，过大会造成噪音过大。最大风速一般要求在7.5~10.5m/s范围内。
对不同的车型，出风口的数量及位置也会不同。一般地，普通带两排座位的装空调系统的车，都配有前排吹脸出风口，前排吹脚出风口，前吹窗出风口和侧吹窗出风口。一些档次较高的车，为了照顾后排乘客的舒适性，往往会增配后排吹脸出风口和后排吹脚出风口；一些三排座位的旅行车或更多排座位的大型车，往往还需增配第三排出风口或更多的出风口。
图 4 标致308出风口
1.3 相关法规/标准要求
1.3.1 国家/政府/行业法规要求
中华人民共和国国家标准汽车风窗玻璃除霜系统的性能要求及试验方法，GB 11556-94 中华人民共和国国家标准汽车风窗玻璃除雾系统的性能要求及试验方法，GB 11555-94 1.3.2 FCC相关标准要求
GMW3037 乘用车最大制冷性能验证试验
第2章风道及出风口设计规范
2.1风道及出风口结构
2.1.1风道结构
风道零件一般根据空间布置来确定走向及截面形状。风道可分为除霜风道、通风（吹面）风道、吹脚风道，其中除霜风道又分为前除霜、侧除霜风道；通风（吹面）风道又分为左、右、中左、中右、后通风（吹面）风道；吹脚风道一般分为前左、前右、后左、后右吹脚风道。
风道走向尽量避免过大的转角，这样会增加风阻；在风道内部尽量不要有尖角或突出物，这样容易产生蜗旋气流，并有可能产生噪音；风道截面大小尽量做到均匀；总之，我们需要得到的风道具有风阻小，出风均匀，没有噪音的特点。
2.1.2出风口结构
出风口有前排吹脸出风口和后排吹脸出风口之分，属于外观零件，造型设计师会对它们的形状，外观，颜色，表面处理等进行重点设计，以达到期望的美学效果。
外观:
出风口属于内饰外观零件，必须符合以下外观及人机工程要求：
a)造型分割线应与仪表板或其他内饰零件特征线统一匹配。
b)叶片与面板之间，拨轮与面板之间的间隙必须小而均匀。
c) 出风口里面的叶片连接结构，海绵，密封材料，转动轴等，应当不能或尽量避免直接被看见，否则影响美观。
d) 叶片的分型线应当不明显。
e)当叶片在关闭位置时，应当避免叶片之间存在明显的可见问题。
f) 叶片，拨轮或拨钮，一般会被造型设计师定义成亚光零件
g)如果有关闭风门，当风门关紧时，手感及关闭声音应当明显可感知的。
h) 调节拨轮与面板应当有适当的高度差，造型统一，既保持美观又要使得操作便易。
i) 调节拨轮应当尽量避免使用纯塑料，尽可能地覆盖上橡胶材料，以获得良好的手感，操作手感应当平顺。拨轮上装饰材料应精细，质感好。
j) 调节拨钮造型与叶片应当统一。
k) 对后排吹脚出风口而言，为了美观，需要被座椅遮住，应该特别关注滑动座椅。
组成
结构示意图：
图8 出风口结构示意图
外形及结构：前排出风口外形为异形，后排出风口外形为方形，其上设计有拨轮和拨钮，拨轮上下有标识指示风门的开启和关闭。拨轮控制风门的开启和关闭，控制出风口出风量。叶片上的拨钮控制出风口水平及垂直出风方向。
出风口由装饰框（见图1-4）、面框（见图1-4）、壳体、风门、拨轮、拨钮、连杆、叶片等部件组成
型式
造型设计人员造型，与产品工程人员一起确定出风口的型式，般地，吹脸出风口有以下两种型式：
桶型出风口
经济而简单。通常有一套可动的叶片和轴，整体可以绕轴转动。下图给出了几个例子。
双叶片型出风口。
比桶型出风口复杂，造型灵活多样，成本也较高。整体固定，有两套不同方向可动的叶片。见下图。
2.1.3出风口及风道实例
2.1.4材料
风道类零件一般采用吹塑或注塑工艺制成,吹塑零件主要采用PE材料,而注塑则采用PP 材料,以一定比例的滑石粉作为填充物，如PP-TD20。
出风口类零件材料如下：
面框、拨轮骨架：采用ABS+PC。
装饰框、壳体、拨钮：采用ABS。
连杆，曲柄：采用POM。
风门包胶、拨轮包胶：采用EPDM。
风门骨架：采用PP-TD30。
叶片：采用PA6。
2.2风道及出风口整车布置
2.2.1风道整车布置
风道的布置根据不同车型需要而不一样，如奔腾B70风道布置包括左、中左、中右、右通风风道；中、左侧、右侧除霜风道；前左、前右、后左、后右吹脚风道。而有的车型如本田的雅阁八代除了以上风道外，还布置了后通风风道。
这些风道的布置于主仪表板和副仪表板内部空间布局有很大关系，布置要求满足风道最小截面面积的需要，同时要求具有良好的装配和可拆卸性能。
2.2.2出风口整车布置
出风口数量:
前排吹脸出风口：
一般地，前排吹脸出风口的数量需要四个，两两对称设计。两个吹向驾驶员，另两个吹向副驾驶。单独地，驾驶员侧两个前排吹脸出风口，一般要求其中一个通过调节叶片能够使得气流吹到驾驶员身体上半部（头部，胸部），称之为上身出风口，另外一个通过调节叶片能够使得气流吹到驾驶员整个身体（头部，胸部，膝部），称之为全身出风口。
通常地，上身出风口位于仪表板中间，在驾驶员内侧；全身出风口位于仪表板两侧或门板上，在驾驶员外侧。见下图示。
图 5 整车出风口布置图
出风口高度:
后排吹脸出风口的高度
确定后排乘客H点，A点，后排出风口的中心点。并计算各个角度。
H点：代表后排乘客臀部位置，由总布置来确定。
A点：代表后排乘客头部点位置，
图 6
应该使得从出风口外边缘做出的，以连接出风口中心与A点直线为轴线的，22度圆锥面不被乘客膝盖挡住。
2.3通风性能
2.3.1 风道中的压力损失
风道设计中要注意风道中的压力损失,压力损失是由沿程压力损失和局部阻力损失组成。
●沿程压力损失
沿程压力损失是空气沿管壁流动时,由空气与管壁之间的摩擦、空气分子内部之间的摩擦而产生的。对于分支管路多的空调系统,沿程压力损失不可忽视。它要求风道内的表面光滑平整,以降低风道表面的绝对粗糙度,从而减少摩擦阻力,减低压力损失。空气在截面不变的管道中流动且空气量保持不变,沿程压力损失可按下式计算:
ΔP=λ(V2ρL)/（8R S）
式中:λ—摩擦阻力系数; V —风道内空气的平均流速(m / s) ;ρ—空气的密度( kg/m3 ) ; L —风道的长度(m) ; Rs—风道的水力半径(m) ; Rs =A / p。A —风道的过流断面面积(m2 ) ; p—湿周, 即风道的周长(m) 。
由上式可见风道直管段摩擦阻力与空气本身的黏度、管壁粗糙度、水力半径、气流速度等因素有关。
●局部压力损失
局部阻力是由于空气在管道中的流动时, 其流动的方向、流量或速度骤然突变,在风道内产生涡流和速度的重新分布, 从而使流动阻力大大增加,造成能量损失。这类损失称为局部阻力损失。如风道中的三通、弯头、截面扩大或缩小及进出口处,都会使空气的速度或流向发生改变,从而产生局部阻力损失。这种局部阻力损失, 会使空调噪声加大。
2.3.2出风量
对不同大小的车而言，由于系统风量大小不同，出风口的有效面积也不一样。
以下是对不同车型的出风口面积要求的参考信息。
大型轿车：出风口总有效面积至少达到160cm2 (最大推荐风量在140l/s左右)
中型轿车：出风口总有效面积至少达到140cm2 (最大推荐风量在125l/s左右)
小型轿车：出风口总有效面积至少达到120cm2 (最大推荐风量在110l/s左右)
实践和经验加以判断。
2.3.3通风有效面积
出风口开口面积的估算方法：
由于出风口的叶片，连杆机构，拨杆，关闭风门的存在会挡住气流，所以真正有意义的开口面积应该是开口总面积减去被它们遮挡的面积，称之为有效面积。
不同类型的出风口的机构不同，有效面积的计算方法也不同。基于通常经验考虑，两种出风口的有效面积估算公式如下：
桶型出风口：出风口有效面积=0.45*出风口外轮廓投射到垂直面上的总面积
双叶片型出风口：出风口有效面积=0.6*出风口外轮廓投射到垂直面上的总面积
下图介绍了如何获得出风口轮廓投射到垂直面上的总面积。
在设计初期，往往只需估算的出风口有效面积即可。
如果需要得到精确的有效开口面积，则要通过带有具体结构设计的数模，进行详细的几何投影计算，方可获得。精确计算要到出风口数模设计完成后才能进行。
校核出风口开口面积是否满足工程要求
一般地，从舒适性考虑，吹脸出风口的最大风速希望是在7.5~10.5m/s范围。而在一定的气流流量下，出风口有效开口面积=风量量/风速，相应地，对出风口的开口面积有一个最低要求。
举例说明，对有前吹脸口和后副仪表板吹脸出风口的系统，假定系统最大气流流量是120l/s，在后排吹脸出风口关闭的情况下，假定要求最大气流速度不超过9m/s。于是前吹脸出风口有效面积应该至少达到120l/s / 9m/s =130cm2，在后排吹脸出风口打开的情况下，假定要求最大气流速度不超过7.5m/s。于是后排吹脸出风口有效面积应该至少达到120l/s / 7.5m/2 – 130cm2=30cm2.
另外，为了保持各个出风口风量的均衡性，每个出风口的面积差异不应超过3cm2.
后排出风量及出风口开口面积
一般地，后排出风量占总风量的20%-25%，达到25l/s左右。
有效开口面积应当至少达到30cm2。
2.4 出风口水平叶片布置方式
2.4.1叶片数量
2.4.2叶片尺寸要求
工程人员校核出风口高宽比，建议出风口主叶片的布置方式
高宽比R
R=H/W
H代表出风口的高度
W代表出风口的宽度
见下图示：
图7
注：对圆形的出风口，高宽比定为1
对不规则形状的出风口，确定出风口的平均高度和宽度后，再计算高宽比。
主叶片的布置方式
一般地，出风口有两套叶片，分别位于出风口的外面和里面，用以调节气流上下（水平叶片）和左右（竖直叶片）流动的方向。主叶片指的是位于外面的叶片。
主叶片
一般地，当R<1时，建议调节气流上下方向的叶片（即水平叶片）为主叶片；当R>1时，建议调节气流左右方向的叶片（即竖直叶片）为主叶片。
当然，由于不同的造型，就会有不同型式，不同高宽比，主叶片布置组合的出风口。下表列出了各种类型的出风口。
表 1
类型代号高宽比型式主叶片
A 0.6<=R<=1.67 桶式，水平轴水平叶片
B 0.4<=R<0.6，
桶式，水平轴水平叶片
1.67 2.5 C 0.6<=R<=1.67 桶式，竖直轴竖直叶片 D 0.4<=R<0.6， 桶式，水平轴竖直叶片 1.67 2.5 E 0.6<=R<=1.67 桶式，竖直轴竖直叶片 桶式，竖直轴竖直叶片 F 0.4<=R<0.6， 1.67 2.5 G 0.6<=R<=1.67 桶式，竖直轴水平叶片 桶式，竖直轴水平叶片 H 0.4<=R<0.6， 1.67 2.5 I 0.6<=R<=1.67 双叶片式，规则形状水平叶片 J 0.6<=R<=1.67 双叶片式，不规则形状水平叶片 双叶片式水平叶片 K 0.4<=R<0.6， 1.67 2.5 L 0.6<=R<=1.67 双叶片式，不规则形状竖直叶片 M 0.4<=R<0.6， 双叶片式竖直叶片 1.67 2.5 N 其他 2.5.3叶片间距 2.5 出风口垂直叶片布置方式 2.5.1叶片数量 2.5.2叶片尺寸要求 2.5.3叶片间距 叶片间距会影响到对气流的限制和涡流损失，一般要求在4到12mm之间。 大于12mm或小于4mm，则需要进行CFD分析。 2.6 气流性能 2.6.1气流方向性 工程人员校核出风口导向能力 实际上，出风口导向能力主要取决于出风口的布置，放置的高度及倾斜角，型式。 确定H,C,B1,B2,A点，1和2线 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 见下图示。 图8 检查出风方向角度。 对上身出风口，确定A1,B1和U角。 A1角：上下方向，调节上身出风口的出风导向从正常状态到A点所需的角度。 B1角：上下方向，调节上身出风口的出风导向从正常状态到B1点所需的角度。 U角：A1和B1中的最大角度。 见下图示。 图9 对全身出风口，确定A2,B2,C2和T角。 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10 确定S1,S2角。 S1角：水平方向上，调节上身出风口的出风方向从正常状态到A点所需的角度 S2角：水平方向上，调节全身出风口的出风方向从正常状态到A点所需的角度 Central point Point Central point 根据校核标准，评估出风方向角度状态。 出风口的导风能力需要从上下和水平方向进行评估。不同类型的出风口，角度的要求标准有所差异。 出风口的导向能力 一般地，后排出风口位于副仪表板上，位置较低。因此，后排出风口对气流的导向能力主要取决于出风口的高度，其次取决于出风口表面的角度。 下面就这方面进行校核。 确定后排乘客H点，A点，后排出风口的中心点。并计算各个角度。 H点：代表后排乘客臀部位置，由总布置来确定。 A点：代表后排乘客头部点位置， 图11 a) 后排吹脸出风口的高度 应该使得从出风口外边缘做出的，以连接出风口中心与A点直线为轴线的，22度圆锥面不被乘客膝盖挡住。 b) 后排吹脸出风口的调节角度 把出风口从限制出风到最小的极限位置调节到使出风吹到A点，调节的角度不应超过15度。同样地，把出风口调节到使出风吹到膝盖区域，调节的角度不应超过30度。 后排吹脸出风口的关闭风门 一般地，后排吹脸出风口需要设计关闭风门。 2.6.2出风口遮挡: 吹向驾驶员的两个吹脸出风口由于受到方向盘，仪表盘的限制，往往是设计的关注所在。 下面就它们的设计过程给予阐述。 通常只需检查方向盘对驾驶员侧出风的阻挡情况。 a) 计算出风口被阻挡的面积百分比。 见下图示。 X：乘客身上的目标点（脸部A点，胸部B1/B2点，或膝部C点） S：方向盘外边缘 I：仪表板表面 P：从目标点投影到出风口区域的仪表板面上，与方向盘外边缘相切的直线簇，形成一个特殊的圆锥面。 U：上身出风口 T：全身出风口 BLK：出风口被P(投影线形成的圆锥面)阻挡的面积与整个出风口面积的百分比 图12 b) 根据判断标准，评估出风被阻挡的状态。 具体标准，见本文章节3.7标准 2.6.2泄漏量 泄漏量试验：不大于2.2kg/h,试验按照TL-VW 82181。 当关闭风门关紧时，对出风口气流泄漏的要求一般是：250Pa条件下，不超过1.4l/s 2.7 出风口手感 2.7.1拨钮操作力 总成叶片、风门操作力，止动力合适，不能因为操作力、止动力变大或变小而出现操作困难,（水平/垂直叶片、风门操作力2-3N，止动力为3.5-4.5N）。 2.7.2拨轮操作力 第3章 试验验证与评估 3.1 设计验证流程 ● 在“P” Release 之前，电气科内部针对风道及出风口3D 设计质量做评估，并由总布置在虚拟装配阶段检查所有的走向设计及干涉等问题。 ● 在“P” Release 之后，由电气科牵头针对实车的风道及出风口质量进行评估。 3.2 设计验证的内容与方法 1st Check: 在“T2” Release 之前，对线束的3D 设计质量进行检查评估，作为VI 虚拟装配之前的一次补充检查。 2nd Check: 在第一辆IV 造车过程中检查。在造车过程中对总装的每个工位的装配过程及装配完的线束状态做检查。参照RQA 指导，检查所有的走向布置,装配过程和要求及零件状态等，并创建问题跟踪表。 3rd Check: 在第一辆PVV 造车过程中检查。跟随总装线的工位对每个区域逐一检查，验证在IV 阶段发现的问题, 检查所有制造过程中的问题和要求, 更新问题清单。 4th Check : 在NS1造车跟线检查, 跟随总装线的工位对每个区域逐一检查。验证跟踪并关闭所有之前发现的问题。整理整个走向评估的结果, 并作为以后项目的经验教训。 vehicles. Math. 图 13 第4章附录 4.1 术语和缩写 CFD: Computational Fluid Dynamics，计算流体力学 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。 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 BLK: Blockage, 代表出风口出风被方向盘等阻挡的面积与总面积的百分比。 H: 出风口的高度 W: 出风口的宽度 R: 出风口的高宽比 4.2 设计工具 4.3 参考
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