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电装通用车载空调:设计开发——鼓风机体积缩

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  小型鼓风机、伺服马达的模块化为侧面面积的最小化做出了大贡献。首先来看小型鼓风机的开发。

  鼓风机的作用是向车内吹送冷暖风。小型化自不必说,为了符合燃效规定,需要降低功耗。静音性也必须提高。这是因为正在普及的配备怠速停止机构的汽车和HEV的发动机有时处于停止状态,发动机之外的噪声会变得明显。

  要降低风扇噪声,常识是采用大风扇慢转,但这与小型化矛盾。于是,我们大胆使用了小风扇,使其以最大的马达效率高速旋转,再采取措施降低工作噪声。

  实际上,可兼顾互相矛盾的小型化与静音化的方法是有的。那就是实现湍流少的稳定气流(层流)。由此即可遏制湍流引发的噪声。

  为此,我们首先采取措施将气流可视化。同时实施用CFD(Computational Fluid Dynamics)作分析和使用鼓风机做实验,反复推销鼓风机扇叶和蜗壳(漩涡状的导风路)的形状(图6)。鼓风机内气流的可视化是与集团旗下的日本汽车部件综合研究所(总部:爱知县西尾市)合作完成的。

  为了使小型、高效率与低噪声实现兼顾,气流需要平稳。此次开发研究了实际的鼓风机的气流。以图中的检测示例为例,扇叶之间出现了漩涡。

  原理上,遏制湍流引发的噪声只需使气流沿扇叶表面流动不脱离扇叶表面即可。于是,我们一点点改变扇叶的形状,重复CFD分析,制作了最初的扇叶形状和蜗壳的优化模型。接着按照这个形状试制鼓风机,检测气流,通过与CFD的分析结果比较,提高了分析精度。通过反复这一流程,得出了最终的形状。

  最终的形状是尖端薄、中间厚,如同树叶一般的独特扇叶形状。蜗壳形状同样采用这种方法确定,喷吐出的气流通过形成稳定的旋流,降低了工作噪声。这样开发的鼓风机与过去相比,体积大约缩小了15%(图7)。而且,在风量相同的情况下,工作噪声大约减少了4dB,耗电量减少了约20%。

  与以往产品相比,风扇的直径从155mm缩小到128mm,厚度也缩小了20mm。体积大约减少了15%。风量相同时,工作噪声约为4dB,耗电量大约减少了20%。

  接下来介绍伺服马达模块的开发。伺服马达是驱动温度混合风门及出风口模式门的部件。独立调节驾驶席和副驾驶席送风温度的HVAC一般配备3个伺服马达,1个在副驾驶席侧面,2个在驾驶席侧面(图8)。

  左右独立控制类型的HVAC在HVAC的两个侧面配置的3个伺服马达需要各自的驱动电路和线束。而新型HVAC采用新开发的伺服马达模块,在使用3个伺服马达的基础上,使马达与驱动电路和线束融为了一体(a)。b为伺服马达模块的外观。

  开发之初,按照原本的观点,伺服马达的小型化已经达到了极限。因此,我们不是单独依靠伺服马达,而是通过模块化,实现了大幅的小型化。

  使用伺服马达驱动风门要借助驱动电路和线束。在过去,每个伺服马达需要单独的驱动电路和线束。而新型HVAC内嵌3个伺服马达,在此基础上,开发出了驱动电路与线束一体化的模块。伺服马达由集团旗下的阿斯莫(总部:静冈县湖西市),伺服马达在HVAC上的安装部分和驱动电路由本公司的热事业部设计、电子事业部制造,汇聚了公司内外的“全体智慧和力量”。

  特别是伺服马达与驱动电路的机电连接部分,为了兼顾连接可靠性与可装配性,各位工作人员相互拜访对方的现场,经过反复多次的讨论与试制,得出了最佳形状。

  在内嵌3个伺服马达,把驱动电路与线束整合制成模块后,过去分别配置在HVAC的驾驶席与副驾驶席两个侧面的伺服马达集中到了驾驶席一侧。这样一来,伺服马达相关部件的体积缩小了约30%。

  新型HVAC为温度混合风门也采用了新机构(图9)。温度混合风门是蒸发器与加热器核心之间的门状部件。

  温度混合风门从单开门换成了滑动门。成功压缩了风门部分所占的空间。风门部分的前后长度更从110mm大幅缩短到了40mm。

  一般来说,HVAC是采用开关式风门(单开门),通过改变风门的开关角度,调整冷风与暖风的量,从而控制温度。举例来说,当风门关闭到最低位置时,暖风完全被遮断(密封),送风口只供应冷风,而随着风门向上逐渐打开,暖风的量越来越多,送风的温度也会随之上升。风门达到最高位置后,送风口将只供应暖风。因为需要具备遮断性能,所以材料使用的是密封性优良的橡胶和氨酯。

  为此次开发中,为了缩短HVAC的前后长度,风门没有采用开关式,而是采用了滑动门(图10)。而且,为了最大限度发挥小型化效果,风门部分与驱动风门需要的齿条(齿轮)部分是一体成型。材料的选择颇费了一番工夫。齿条部分需要具备在驱动时不变形的刚性(硬度),而风门部分则需要随风压变形、能够密封严实的柔软。也就是同时满足硬和软两个矛盾的特性。

  风门需要密封性,过去一直使用的是橡胶和氨酯。新开发的滑动门厚度不足1mm,采用了在风压作用下变形,借此实现密封的机构。

  采用的材料是汽车用途常用的聚丙烯(PP)。为了兼顾两个矛盾的特性,我们采取了以下方法:为齿轮部分采用一般厚度,使其具备材料原本的刚性。易模块下载而风门部分则尽可能薄,提高柔软性,使其能够借助风压实现密封。

  最大的困难在于PP注射成型的厚度需要小于1mm,以确保密封性。这除了成型条件之外,还需要总结向模具内注入树脂的技术经验。相关的技术开发是与集团旗下的SHIMIZU工业(总部:爱知县刈谷市)合作开展。经过双方的努力,风门部分的前后长度从过去的110mm缩短到了40mm。

  通过开发这些小型化技术,HVAC的侧面可视面积比本公司过去的产品缩小了约30%,实现了既可在小型车中配备,性能又符合D级需要的HVAC。(作者:栗山 直久,电装热机开发1部开发2室长;今东 升一,电装热机开发1部开发3室要素开发1课主管系长;铃木 善博,电装热机开发1部开发4室要素开发1课;铃木 义昭,电装热机开发1部开发4室要素开发2课主管系长;稻垣 亨,电装热机制造2部第2生产技术室长,日经技术在线!供稿)

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