汽车空调箱风门驱动机构的设计研究

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　　摘  要：运用机械机构设计原理和CATIA软件的运动学模块，创建汽车空调箱风门驱动机构的运动仿真。使用CATIA的law特性驱动风门和凸轮，生成曲柄销轴在凸轮上的运动轨迹的方法来设计凸轮。对其轨迹进行压力角的分析与调整，减小压力角来减小机构的扭矩。对机构零件的配合间隙和材料特性的选用，来减小机构的噪音。通过凸轮槽的设计以及机构零件的配合间隙和材料的选用，为运动机构设计及改进提供理论依据和设计经验。
　　关键词：运动机构;压力角;凸轮;CATIA;Law
　　中图分类号：U463.851      文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）18-0094-03
　　Abstract： Based on the design principle of mechanical mechanism and the kinematics module of CATIA software， the motion simulation of air door driving mechanism of automobile air conditioning box is established. The cam is designed by using the law characteristics of CATIA to drive the valve and cam to generate the trajectory of the crank pin shaft on the cam. The pressure angle is analyzed and adjusted to reduce the pressure angle to reduce the torque of the mechanism. The selection of fit clearance and material characteristics of mechanism parts to reduce the noise of the mechanism. Through the design of cam groove and the selection of fit clearance and material of mechanism parts， the theoretical basis and design experience are provided for the design and improvement of kinematic mechanism.
　　Keywords： motion mechanism; pressure angle; cam; CATIA; Law
　　1 概述
　　在汽车工业的高速发展的今天，汽车技术也围绕着安全、舒适和节能环保方向发展。汽车空调系统是汽车安全和舒适性的一个重要组成部分，为汽车提供制冷、采暖、除霜/除雾、除湿调节、过滤空气的功能。汽车空调箱的运动机构设计的是否合理，会直接影响到产品的质量。吹面、吹脚风门漏风给乘客带来不舒服感。除霜风门漏风，会导致前挡风玻璃起雾，严重影响行车安全。所以空调的机构是空调系统的一个重要组成部分[1]。
　　在空调机构中，模式凸轮盘是重要组成部分，它控制着吹面、吹脚、除霜三个风门的运动，凸轮槽轨迹是三个风门驱动的耦合，精度高，设计难度大。传统的设计方法是图解法和解析法，图解法设计需要绘制大量的工程图[2，3];解析法设计需要大量的设计计算，设计周期很长，已经远远不能满足设计要求。随着UG，CATIA等三维软件发展，通过三维实体建模实现虚拟运动仿真，可以在设计阶段发现设计问题[4-8]。但是凸轮盘驱动槽轨迹的设计仍是传统设计方法，机构运行过程中受力分布不均衡，轨迹干涩，易卡死。
　　本文拟使用CATIA的Kinematics虚拟仿真模块逆向设计凸轮轨迹，即使用CATIA的law特性通过风门旋转角度的角位移关系驱动风门和凸轮，生成曲柄销轴在凸轮上的运动轨迹的方法来设计凸轮。对其轨迹进行压力角分析与调整，使之减小压力角，进而减小机构的运动扭矩。
　　2 风门机构的运动形式及力学分析
　　在汽车空调箱风门的驱动机构基本上用的是连杆机构和凸轮机构，还有齿轮机构，或者是通过几种机构混合传动来达到控制风门的效果。
　　凸轮连杆机构是机构中使用最多的机构形式，凸轮直径的大小，直接决定控制机构驱动力的大小。典型的凸轮连杆机构形式，机构通过步进电机带动凸轮的转动，使凸轮驱动连杆机构带动风门的开合，通过凸轮的休止行程控制不同模式间的风门状态的精确定位。
　　凸轮压力角是从动件的运动方向与传动轴线的方向的夹角。压力角是衡量一个凸轮机构传动好坏的一个重要参数。当压力角减小，从动件运动矢量方向的分力越大。为减小操作力，使机构具有良好的受力状况，应尽量减小压力角。建议压力角不大于65°。
　　另外，由于空调风门机构高频次往返运动，所以凸轮接头采用几何外形锁和，即使用凸轮槽与滚子始终保持高副接触，这样风门的角度比较容易控制。缺点是，凸轮的轨迹槽的精度要求较高，凸轮槽的宽度与曲柄销的间隙需要有比较好的配合，以免卡死或产生异响和噪音。
　　3 风门机构的设计和运动仿真
　　汽车空调的模式通常分为五个模式，即面部模式、面部/足部模式、足部模式、足部/除霜模式、除霜模式。根據车况和天气情况，司机或者乘客可以选择比较舒适的模式。以上的五种模式是由风门的开关来调节出风模式。根据以上的模式，风门的开关如表1。
　　本文利用CATIA软件中的DMU Kinematics模块运动仿真设计风门驱动件凸轮。再利用零件的运动轨迹设计凸轮轨迹槽。 　　首先利用CATIA软件按照零部件的位置进行实体建模，做出风门和壳体的位置以及风门的转动轴位置。
　　根据风门位置，初步分析，三个风门位置距离比较远，直接用凸轮驱动风门曲柄带动风门旋转，势必会导致凸轮的直径较大，导致凸轮的力矩较大，凸轮偏摆也会严重，所以需要增加摇杆机构，使凸轮的直径变小。根据风门的旋转角度，初步设计出摇杆机构。
　　摇杆全部在同一个上壳体上，这样可以提高机构的尺寸稳定性和精度，也可以缩小凸轮直径。
　　根据以上零部件的位置，确定出凸轮的旋转轴位置，根据现有的数据信息，定义出所有的运动副，其中包括转动副，点在线上滑动副。因为要设计凸轮槽，所以把每个风门和凸轮作为主动件，转动角度使用规律曲线来驱动，即CATIA的Law功能，根据规律曲线在一个凸轮角度总行程，风门根据模式都有着规律的角度行程。
　　在本文的机构虚拟仿真中，求出了摇杆上的销轴在凸轮上的轨迹，这个轨迹就是凸轮槽的位置。
　　通过此运动轨迹，我们可以分析不同位置的压力角，根据压力角进行轨迹的优化。进而达到优化的凸轮轨迹设计。
　　通过本文提出的方法设计凸轮，可以节省大量的时间，缩短产品的开发周期。且可以直观的看出各风门的开关情况，海绵的压缩等状态。
　　曲柄销在凸轮槽内的滑动的间隙配合对机构的运动噪音都有很大影响。在运动机构中大部分的零部件都是塑料件，塑料件制作比较方便，成本比较低。但是零部件的变形和尺寸稳定性相对较差，所以，在尺寸配合的设计上要充分考虑塑料件的材料特性。在所有零件中，对噪音比较敏感的是曲柄销在凸轮槽内的滑动的配合间隙，间隙过小，滑动的过程中会有异音或者噪音。间隙过大机构就会不稳定，所以配合间隙要比较适当。曲柄销的直径比较小，尺寸比较好控制，所以尺寸公差要小一些。凸轮的轨迹比较复杂，制作相对复杂一些，所以尺寸公差要相对大一些。这样对生产成本也是比较有利的。产生噪音的另一个关键是零件的材料，同种材料在相互产生摩擦的过程中易产生噪音，所以材料的选择也是很重要的。机构的零部件在机构运动过程中有转动和滑动，所以要选择耐磨性和润滑性好，低摩擦系数的材料。POM、PBT和PA66都是很好的工程塑料，有非常好的化学稳定性、机械强度、电绝缘特性和热稳定性，而且POM、PBT还有很好的自润滑性。为了提高材料的机械特性，还可以增加玻璃纤维，比例在15%～30%比较适宜。
　　4 试验验证及分析
　　本文根据设计的运动机构制作了快速成型样件，并按照设计状态装配成空调箱总成。在此总成上验证运动机构的操作力、机构噪音和异响、风门的关紧状态。
　　实验方法：（1）实验通过步进电机带动凸轮，凸轮驱动风门连杆，带动风门开合。（2）步进电机输入电压逐步增加，使运动机构能够运动。记录电压值，然后通过扭矩仪测试该电压下的电压扭矩。（3）风门的关进状态的测试：通过步进电机驱动机构，使风门停到各个模式，使用风量测试仪测试各个模式的漏风。（4）机构噪音和异响的测试：使用噪音测试仪测试机构的噪音。麦克风位置距离机构凸轮上方和前方30cm。使用驱动电机控制凸轮旋转从吹面模式到除霜模式周期为1.5秒，用噪声测试仪记录下噪音曲线。
　　实验结果与分析：（1）电机5.0伏可使机构正常运动，使用扭矩仪测试电机5.0V的扭矩为45N·cm，满足整车扭矩小于60N·cm的要求。另外，此样件是NC加工的快速样件，表面的光洁度比较差，所以扭矩会偏大，正式产品扭矩会进一步降低。（2）风门关到各个模式，目测风门海绵的压缩量，海绵都有1mm以上的压缩量。经过风量测试台测试，各风门均无漏风。（3）经过面部模式到除霜模式之间变换，使用噪音测试仪测试，机构响度为9宋，大于60dB（A）的波峰有2个。而一般空调箱的机构响度不大于12宋，大于60dB（A）的波峰有4个。
　　5 结论
　　本文使用CATIA的Kinematics虚拟仿真模块逆向设计凸轮轨迹，即使用CATIA的law特性通过风门旋转角度的角位移关系驱动风门和凸轮，生成曲柄销轴在凸轮上的运动轨迹的方法来设计凸轮。对其轨迹进行压力角分析与调整，使之减小压力角，进而减小机构的扭矩。本文得到如下结论：（1）本文提出的方法提高了设计效率，极大地缩短了开发周期和成本，有效地保证了空调机构设计的合理性和准确性。（2）风门的关紧状态与凸轮的轨迹设计有很大关系，设计凸轮的过程中需要充分考慮海绵的压缩量，风门的刚性，曲柄销在凸轮槽中的工作接触点以及在各个模式状态下的风门锁紧行程，保证凸轮的往复过程中风门的正确位置。（3）曲柄销在凸轮槽内的滑动的间隙配合对机构的运动噪音都有很大影响。曲柄销的直径比较小，尺寸比较好控制，所以尺寸公差要小一些。凸轮的轨迹比较复杂，制作相对复杂一些，所以尺寸公差要相对大一些。这样对生产成本也是比较有利的。（4）凸轮压力角会直接影响机构的操作力。设计过程中在各个模式转换的过程中，对压力角要进行分析，保证压力角的理想状态。
　　参考文献：
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　　[2]张伟社.机械原理教程[M].西安：西北工业大学出版社，2001.
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　　[6]王必怀，付燕鸣，孙益峰.离合压凸轮机构的运动学分析与仿真[J].轻工机械，2008（1）：41-43.
　　[7]王国义，南文虎，肖根先.基于UG运动仿真的汽车空调设计[J].甘肃科技，2009（17）：13-14.
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