汽車空調箱風門驅動機構的設計研究
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摘 要：運用機械機構設計原理和CATIA軟件的運動學模塊，創建汽車空調箱風門驅動機構的運動仿真。使用CATIA的law特性驅動風門和凸輪，生成曲柄銷軸在凸輪上的運動軌跡的方法來設計凸輪。對其軌跡進行壓力角的分析與調整，減小壓力角來減小機構的扭矩。對機構零件的配合間隙和材料特性的選用，來減小機構的噪音。通過凸輪槽的設計以及機構零件的配合間隙和材料的選用，為運動機構設計及改進提供理論依據和設計經驗。
關鍵詞：運動機構;壓力角;凸輪;CATIA;Law
中圖分類號：U463.851 文獻標志碼：A 文章編號：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
在汽車工業的高速發展的今天，汽車技術也圍繞著安全、舒適和節能環保方向發展。汽車空調系統是汽車安全和舒適性的一個重要組成部分，為汽車提供制冷、采暖、除霜/除霧、除濕調節、過濾空氣的功能。汽車空調箱的運動機構設計的是否合理，會直接影響到產品的質量。吹面、吹腳風門漏風給乘客帶來不舒服感。除霜風門漏風，會導致前擋風玻璃起霧，嚴重影響行車安全。所以空調的機構是空調系統的一個重要組成部分[1]。
在空調機構中，模式凸輪盤是重要組成部分，它控制著吹面、吹腳、除霜三個風門的運動，凸輪槽軌跡是三個風門驅動的耦合，精度高，設計難度大。傳統的設計方法是圖解法和解析法，圖解法設計需要繪制大量的工程圖[2，3];解析法設計需要大量的設計計算，設計周期很長，已經遠遠不能滿足設計要求。隨著UG，CATIA等三維軟件發展，通過三維實體建模實現虛擬運動仿真，可以在設計階段發現設計問題[4-8]。但是凸輪盤驅動槽軌跡的設計仍是傳統設計方法，機構運行過程中受力分布不均衡，軌跡干澀，易卡死。
本文擬使用CATIA的Kinematics虛擬仿真模塊逆向設計凸輪軌跡，即使用CATIA的law特性通過風門旋轉角度的角位移關系驅動風門和凸輪，生成曲柄銷軸在凸輪上的運動軌跡的方法來設計凸輪。對其軌跡進行壓力角分析與調整，使之減小壓力角，進而減小機構的運動扭矩。
2 風門機構的運動形式及力學分析
在汽車空調箱風門的驅動機構基本上用的是連桿機構和凸輪機構，還有齒輪機構，或者是通過幾種機構混合傳動來達到控制風門的效果。
凸輪連桿機構是機構中使用最多的機構形式，凸輪直徑的大小，直接決定控制機構驅動力的大小。典型的凸輪連桿機構形式，機構通過步進電機帶動凸輪的轉動，使凸輪驅動連桿機構帶動風門的開合，通過凸輪的休止行程控制不同模式間的風門狀態的精確定位。
凸輪壓力角是從動件的運動方向與傳動軸線的方向的夾角。壓力角是衡量一個凸輪機構傳動好壞的一個重要參數。當壓力角減小，從動件運動矢量方向的分力越大。為減小操作力，使機構具有良好的受力狀況，應盡量減小壓力角。建議壓力角不大于65°。
另外，由于空調風門機構高頻次往返運動，所以凸輪接頭采用幾何外形鎖和，即使用凸輪槽與滾子始終保持高副接觸，這樣風門的角度比較容易控制。缺點是，凸輪的軌跡槽的精度要求較高，凸輪槽的寬度與曲柄銷的間隙需要有比較好的配合，以免卡死或產生異響和噪音。
3 風門機構的設計和運動仿真
汽車空調的模式通常分為五個模式，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。根據車況和天氣情況，司機或者乘客可以選擇比較舒適的模式。以上的五種模式是由風門的開關來調節出風模式。根據以上的模式，風門的開關如表1。
本文利用CATIA軟件中的DMU Kinematics模塊運動仿真設計風門驅動件凸輪。再利用零件的運動軌跡設計凸輪軌跡槽。 首先利用CATIA軟件按照零部件的位置進行實體建模，做出風門和殼體的位置以及風門的轉動軸位置。
根據風門位置，初步分析，三個風門位置距離比較遠，直接用凸輪驅動風門曲柄帶動風門旋轉，勢必會導致凸輪的直徑較大，導致凸輪的力矩較大，凸輪偏擺也會嚴重，所以需要增加搖桿機構，使凸輪的直徑變小。根據風門的旋轉角度，初步設計出搖桿機構。
搖桿全部在同一個上殼體上，這樣可以提高機構的尺寸穩定性和精度，也可以縮小凸輪直徑。
根據以上零部件的位置，確定出凸輪的旋轉軸位置，根據現有的數據信息，定義出所有的運動副，其中包括轉動副，點在線上滑動副。因為要設計凸輪槽，所以把每個風門和凸輪作為主動件，轉動角度使用規律曲線來驅動，即CATIA的Law功能，根據規律曲線在一個凸輪角度總行程，風門根據模式都有著規律的角度行程。
在本文的機構虛擬仿真中，求出了搖桿上的銷軸在凸輪上的軌跡，這個軌跡就是凸輪槽的位置。
通過此運動軌跡，我們可以分析不同位置的壓力角，根據壓力角進行軌跡的優化。進而達到優化的凸輪軌跡設計。
通過本文提出的方法設計凸輪，可以節省大量的時間，縮短產品的開發周期。且可以直觀的看出各風門的開關情況，海綿的壓縮等狀態。
曲柄銷在凸輪槽內的滑動的間隙配合對機構的運動噪音都有很大影響。在運動機構中大部分的零部件都是塑料件，塑料件制作比較方便，成本比較低。但是零部件的變形和尺寸穩定性相對較差，所以，在尺寸配合的設計上要充分考慮塑料件的材料特性。在所有零件中，對噪音比較敏感的是曲柄銷在凸輪槽內的滑動的配合間隙，間隙過小，滑動的過程中會有異音或者噪音。間隙過大機構就會不穩定，所以配合間隙要比較適當。曲柄銷的直徑比較小，尺寸比較好控制，所以尺寸公差要小一些。凸輪的軌跡比較復雜，制作相對復雜一些，所以尺寸公差要相對大一些。這樣對生產成本也是比較有利的。產生噪音的另一個關鍵是零件的材料，同種材料在相互產生摩擦的過程中易產生噪音，所以材料的選擇也是很重要的。機構的零部件在機構運動過程中有轉動和滑動，所以要選擇耐磨性和潤滑性好，低摩擦系數的材料。POM、PBT和PA66都是很好的工程塑料，有非常好的化學穩定性、機械強度、電絕緣特性和熱穩定性，而且POM、PBT還有很好的自潤滑性。為了提高材料的機械特性，還可以增加玻璃纖維，比例在15%～30%比較適宜。
4 試驗驗證及分析
本文根據設計的運動機構制作了快速成型樣件，并按照設計狀態裝配成空調箱總成。在此總成上驗證運動機構的操作力、機構噪音和異響、風門的關緊狀態。
實驗方法：（1）實驗通過步進電機帶動凸輪，凸輪驅動風門連桿，帶動風門開合。（2）步進電機輸入電壓逐步增加，使運動機構能夠運動。記錄電壓值，然后通過扭矩儀測試該電壓下的電壓扭矩。（3）風門的關進狀態的測試：通過步進電機驅動機構，使風門停到各個模式，使用風量測試儀測試各個模式的漏風。（4）機構噪音和異響的測試：使用噪音測試儀測試機構的噪音。麥克風位置距離機構凸輪上方和前方30cm。使用驅動電機控制凸輪旋轉從吹面模式到除霜模式周期為1.5秒，用噪聲測試儀記錄下噪音曲線。
實驗結果與分析：（1）電機5.0伏可使機構正常運動，使用扭矩儀測試電機5.0V的扭矩為45N·cm，滿足整車扭矩小于60N·cm的要求。另外，此樣件是NC加工的快速樣件，表面的光潔度比較差，所以扭矩會偏大，正式產品扭矩會進一步降低。（2）風門關到各個模式，目測風門海綿的壓縮量，海綿都有1mm以上的壓縮量。經過風量測試臺測試，各風門均無漏風。（3）經過面部模式到除霜模式之間變換，使用噪音測試儀測試，機構響度為9宋，大于60dB（A）的波峰有2個。而一般空調箱的機構響度不大于12宋，大于60dB（A）的波峰有4個。
5 結論
本文使用CATIA的Kinematics虛擬仿真模塊逆向設計凸輪軌跡，即使用CATIA的law特性通過風門旋轉角度的角位移關系驅動風門和凸輪，生成曲柄銷軸在凸輪上的運動軌跡的方法來設計凸輪。對其軌跡進行壓力角分析與調整，使之減小壓力角，進而減小機構的扭矩。本文得到如下結論：（1）本文提出的方法提高了設計效率，極大地縮短了開發周期和成本，有效地保證了空調機構設計的合理性和準確性。（2）風門的關緊狀態與凸輪的軌跡設計有很大關系，設計凸輪的過程中需要充分考慮海綿的壓縮量，風門的剛性，曲柄銷在凸輪槽中的工作接觸點以及在各個模式狀態下的風門鎖緊行程，保證凸輪的往復過程中風門的正確位置。（3）曲柄銷在凸輪槽內的滑動的間隙配合對機構的運動噪音都有很大影響。曲柄銷的直徑比較小，尺寸比較好控制，所以尺寸公差要小一些。凸輪的軌跡比較復雜，制作相對復雜一些，所以尺寸公差要相對大一些。這樣對生產成本也是比較有利的。（4）凸輪壓力角會直接影響機構的操作力。設計過程中在各個模式轉換的過程中，對壓力角要進行分析，保證壓力角的理想狀態。
參考文獻：
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