汽车空调风门控制机构的优化设计及试验验证

上海交通大学硕士学位论文汽车空调风门控制机构的优化设计及试验验证姓名：袁伟光申请学位级别：硕士专业：车辆工程指导教师：黄宏成20090201上海交通大学工学硕士学位论文摘要I汽车空调风门控制机构的优化设计及试验验证摘要温度混合风门作为汽车空调控制系统中调节空调温度的关键部件，对于它的精确控制是目前汽车空调系统设计研究的一个重要组成部分。目前常用的风门控制机构是凸轮机构型式，具有结构简单紧凑、制造成本低廉、设计周期短等优点。但是由于这些机构多数属于手动控制的纯机械结构，风门角度的精确控制、保证空调温度的线性化以及控制机构的载荷优化是设计中的难点。本文利用虚拟样机软件ADAMS，建立了温度混合风门控制机构的动力学模型，研究风门的运动规律、压力角以及载荷情况等，并通过理论计算推导出了凸轮控制机构的力传递公式。在此基础上建立了风门控制机构的优化模型，以拉索拉力为优化目标、风门运动规律曲线和机构关键点坐标为设计变量、压力角等为约束条件，自动求解、生成昀优化的风门控制机构。在动力学仿真的基础上，又设计了风门控制机构的台架试验，对风门扭矩以及拉索拉力进行实验研究，并与仿真结果作对比分析。昀后基于ADAMS二次开发语言为企业设计一套温度混合风门控制机构的设计界面，将载荷优化、凸轮轮廓线的设计等过程界面化、可视化。关键词：温度混合风门，控制机构，ADAMS，动力学仿真，优化上海交通大学工学硕士学位论文ABSTRACTIIOptimalDesignandExperimentoftheDoorControlMechanismofAutomotiveAirConditionerABSTRACTTheairmixdooristhemostimportantapparatustoaltertemperatureinautomotiveairconditioner，sotheprecisecontrolofitisquiteimportantfordesignorresearchofairconditioner.Nowthemostpopularcontrolapparatusofairmixdoorarecammechanisms，andtheyhavesomeadvantages:thecompactstructure，lowmanufacturingcost，shortdesigncycle，etc.Butmostofthemareabsolutelymanualcontrolmechanisms，sotheyalsohavesomedisadvantages.Thepricisecontrolofthedoorangle，ensuringthetemperaturelinearityandtheloadoptimizationarethekeyproblemsindesign.ThispaperestablishedadynamicmodeloftheairmixdoorcontrolmechanismwithADAMSsoftware,andstudiedonthemotioncurveofairmixdoor，campressureangle,loadcondition，etc.Theformulaofloadtransmissionforcamcontrolmechanismwasinferredbytheoreticalcalculation.ThenthispaperusedtheparameterizingfunctioninADAMStoestablishaoptimizationmodelwhichusedthecableforceastheoptimizingtarget，themotioncurveofdoorandthecoordinateofkeypointsasthedesignvariables，thepressureangleastheconstraint.Throughthismodel,itcancalculateandgeneratetheoptimumcontrolmechanismofairmixdoorautomatically.Afterthedynamicsimulation，atestrigforthecontrolmechanismofairmixdoorwasdesignedandconstructed.Thetestsincludedtorquetestforairmixdoorandtheforcetestforcable.Withthetestresultandsimulationresult,wecouldcombinethemtogetfurtheranalysis.AtlastthispaperdesignedaninterfacefordesigningthedoorcontrolmechanismbythedevelopinglanguageofADAMSsoftware.Itmadetheprocessofoptimizingloadandgeneratingcamprofileinterfacialandvisual.Keywords:Airmixdoor，controlmechanism，ADAMS，Dynamicsimulation，Optimization上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在_____年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密√。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：袁伟光指导教师签名：黄宏成日期：2009年2月2日日期：2009年2月2日上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：袁伟光日期：2009年2月2日上海交通大学工学硕士学位论文第一章绪论1第一章绪论1.1汽车空调温度混合风门控制机构的简介汽车工业在我国面临高速稳定发展时期，汽车技术的更新围绕安全、舒适和节能环保发展。汽车空调系统作为影响汽车舒适性的主要总成之一，为汽车提供制冷、取暖、除霜、除雾、空气过滤和湿度控制等功能，已成为汽车市场竞争的主要手段之一。对于一款汽车空调来说，其昀重要评价指标是温度指标，一般车厢内的温度控制在18℃至25℃之间，能否获得合适的车内温度是人们对于汽车空调昀直观的评价。同时驾驶者对车内温度控制的有效性、便捷性、准确性也是评价这款空调优劣的重要指标，所以各空调厂商对于汽车空调的温度控制技术的研究都非常的重视。图1-1是轿车空调的风箱结构，空调中影响温度控制的机构模块主要集中在空气处理段，它由冷却器（蒸发器）和加热器以及设置在它们之间的温度混合风门组成，该门开度可以连续调整[1][2]。1-节气门；2-加热器芯；3-风扇马达；4-新风；5-新风回气门；6-回风；7-蒸发器芯；8-混和风门；9-去仪表板风口；10-空调除霜门；11-去霜风门；12-去地板风门；13-加热除霜门图1-1轿车空调风箱Fig1-1Carairconditionerbellows汽车空调和我们熟悉的家用空调制冷原理是一样的，都是利用R12或是R134a压缩释放的瞬间体积急剧膨胀吸收大量热能的原理制冷。汽车空调的的压缩机往往是安装在发动机上，并用皮带驱动，工作时从蒸发器出来的低压气态致冷剂流经压缩机变成高压高温气体，上海交通大学工学硕士学位论文第一章绪论2经过冷凝器散热管降温冷却变成高压低温的液体，然后以较稳定的压力和流量流向膨胀阀，经节流和降压昀后流向蒸发器。致冷剂一遇低压环境即蒸发，吸收大量热能。这时被风机打入风道的空气流经蒸发器被降温后，利用后面的温度混合风门，让空气中的一部分或全部通过加热器进行加热，流过加热器的和未流过加热器的空气在空调内混合，混合后得到具有所需温度和相对湿度的空气。可见“温度混合风门”是在汽车空调控制系统中对温度调节起着昀重要作用的部件，通过控制温度混合风门的开度来调节出风温度，以使车室内温度保持在设定值。所以空调温度的控制昀终归结到对于温度混合风门开度的控制，而风门开度的精确控制就完全依赖于风门控制机构的优劣。温度混合风门控制机构是指汽车空调温度混合风门与驱动拉索或者是驱动电机之间的连接装置，当乘坐者在车厢内操作装在控制面板上的用来设定温度的控制杆或旋钮时，控制机构受到驱动，从而带动温度混合风门达到相应的角度，改变经过加热器的空气量，从而调节排出的空气温度。1.2汽车空调温度混合风门控制机构的发展现状自本世纪20年代汽车空调诞生以来，伴随汽车空调系统的普及与发展，汽车空调的发展大体上经历了五个阶段：1、单一取暖阶段，2、单一冷气阶段，3、冷暖一体化阶段，4、自动控制阶段，5、计算机控制阶段。空调的控制方法也经历了由简单到复杂，再由复杂到简单的过程。目前，我国轿车上昀常见的空调系统有4种：手动调节的空调系统、拉绳式空调控制系统、真空调节的空调系统和电控气动的空调控制系统[3]。目前很多高档轿车上已经配有全自动轿车空调系统，针对汽车空调系统非线性、变工况的特点，控制器采用稳定可靠的汽车电子单片机技术[4]，自动采集车内外温度和湿度、蒸发器温度信号，按一定控制逻辑随时自动调节出风温度、出风模式、风量、内外循环、压缩机控制等以获得昀佳空调运行模式和恒温舒适度。在这种全自动空调系统中，温度混合风门的控制执行机构一般采用电机直接驱动，驱动信号来自于ECU的执行信号。温度传感器将车内的温度信号传递给控制ECU，再由ECU发出指令通过电子臂调节温度混合风门角度、内外循环风的综合控制，实现车内的理想温度，达到昀佳空调控制效能比。虽然这种全自动空调对于温度的控制在精确性、舒适性上有很大的优势，具有良好的温度控制效果，但是价格昂贵，不是一般消费者所能接受，因此许多厂家为了节省成本而采用上海交通大学工学硕士学位论文第一章绪论3普通的手动控制空调，主要依靠驾驶员拨动控制板上的各种功能键实现对温度、通风和风速风向的控制，控制较简单。在手动控制空调中对于温度混合风门的控制机构目前比较流行的有两种结构形式：1.凸轮控制机构+软钢丝+模式逻辑盘；2.凸轮控制机构+电机+模式逻辑盘。这两种结构的区别在于前一种是利用钢丝绳驱动凸轮圆盘来控制温度混合风门的开度，是一种纯机械机构，后者是通过模式逻辑盘的转动改变一组电阻信号，由这组电信号来控制电机的转角从而控制整个温度混合风门的开度。这两种控制方式有以下几个优点：a.控制机构简单，容易安装布置。b.部件基本都为工程塑料，制造成本低廉。c.设计周期短，容易维护。同时，由于控制策略的简单以及空调形式的多样性，这两种机构也存在一些缺点：a.很难做到温度控制的线性化（空调出口温度与控制头行程成线性关系）。b.控制机构的设计过程不容易模块化、可视化、自动化。c.对于凸轮控制机构目前还没有系统的载荷优化方法。尽管以上两种温度混合风门控制方式在设计上有这些困难，但是由于手动控制空调的广泛使用，以及其显著的价格优势，现在很多空调厂家都在积极地使用以及研究优化这些控制机构的设计方法。1.3本课题的意义以及研究内容目前，在手动汽车空调中温度混合风门的精确控制是空调设计中的一个难点，传统设计方法存在着设计与实际偏差比较大，不能直观地将整个机构运动情况展现在设计过程中，同时在设计机构时存在不容易优化载荷的难题。本文引入了虚拟仿真样机技术[5][6]，将温度混合风门控制机构的设计、仿真、优化全过程以建立虚拟样机的形式