【干货】特斯拉Model 3吹面出风系统技术解析！
前言
Model3的仪表板采用极简主义设计，在保证原有功能的基础上不断的做减法，摒弃传统车组合仪表和各类按键旋纽，采用隐藏式纵向贯通出风口和功能高度集成的中控大屏，把工程和造型设计完美融合，使仪表板的造型设计简约流畅。Model 3仪表板吹面出风口的造型高度极窄，宽度横跨整个仪表板，高宽比为20:1，与传统吹面出风口1:1或1:2的高宽比完全不同，相对于传统汽车来说，是一种颠覆，这也将引领以后汽车的造型趋势，如图1所示，亮点如下：
图1-仪表板整体外观图
视觉整洁：相比于传统车在仪表板上开洞来设计空调出风口，Model3隐藏式出风口看上去更加简洁舒服
出风均匀：隐藏式出风口由于采用长条式风口出风，将风量分布在中控台吹出，能有效改善车内空气的气流组织。这种贯穿式的设计使气流更通畅的从风道吹出，一定程度上可以有效降低空调出风噪音
有效降低仪表板Z向高度：取消“帽檐”，前方视野广阔可以为乘员提供更好的驾驶视野。为车内留有更多的活动空间
如图2所示，Model 3的出风系统包含空调、除霜风道、吹面风道、吹脚风道、出风口等部件，从图中可以看出和其它传统出风口相比，吹面风道包含主吹面风道和辅助吹面风道，而传统车型吹面风道没有辅助吹面风道。这也是Model 3的吹面出风系统与常规车型不同的地方，特斯拉的工程师脑洞大开，在这上面集成了很多高科技的内容，稍后详述。
图2-出风系统部件展示
如图3所示，前除霜风道、前侧霜风道、主吹面风道、辅助吹面风道，从车前到车后呈圆弧状分层布局排布，空调出风走向顺畅，而且避免了风道Z向层叠布置，可有效降低仪表板的Z向高度。
图3-出风系统风道布局示意图
如下图4所示，从断面中可以看出，在前除霜风道也有辅助出风口，可加大除霜吹风的面积；而且吹面出风口无外观可见的叶片，仅通过中控大屏控制电机实现风门的开关，实现任意角度的出风要求。常规车型在出风口的外观均有导风的栅格，通过手工调节的方式来实现吹向人体风向的调整，这也是Model 3的吹面出风口与常规车型不同的地方，但通过电机调整叶片，是如何实现风向的调整呢，稍后将和上个问题一起讲解。
图4-出风系统风道布局示意图
为了大家更好的理解Model 3吹面出风机构与常规车的不同，对Model 3上整个仪表板出风系统所使用的电机进行了统一整理。如图5所示，Model 3出风系统共通过6个电机来控制，其中4个电机布置在空调箱体上，通过中控大屏来控制空调按相应模式送风和控制送风量的大小；另有2个电机分别布置在左右侧主吹面出风口上，用以控制空调出风的方向。
图5-出风系统电机布局示意图
从图6空调的断面图中可以看出空调各个出风口的风门布局位置，从图中可以看出，除了多了空调辅助吹面风门外，其它与常规车相同。
吹面出风系统风向控制原理
如图7所示，左右侧主吹面出风口具有高纵横比，Y向宽高度窄，宽高比大约为20:1，这样的通风口产生具有特殊流动动力学行为的气流。通常，当射流的纵横比高于8时，流体射流的核心可以被认定为是二维的。即通风口宽度比高度大8倍以上时，通风口产生的空气流可被认定为二维平面。
因此主出风口产生第一空气平面，辅助出风口产生第二空气平面，主出风口控制气流左、前、右方向，辅助出风口控制气流上下方向。
如图8所示，当第二空气平面气流足够小时，依据康达效应，第一空气平面会在仪表板周围产生低压区，此时空气平面会依附仪表板前进。
如图9所示，当第二空气平面气流足够大时，会将第一空气平面推离仪表板，从而达到自由控制空气流动方向。
为了大家更好的理解主出风口为何会产生的第一空气平面和第二空气平面，在这需引用到一个流体力学的名词：康达效应，有兴趣详细了解的同学建议大家可以百度下认真学习。康达效应：流体(水流或气流)有离开本来的流动方向，改为随着凸出的物体表面流动的倾向。当流与它流过的物体表面之间存在表面摩擦时(也可以说是流体粘性)，只要曲率不大，流体会顺着物体表面流动。根据牛顿第三定律，物体施与流体一个偏转的力，则流体也必定要施与物体一个反向偏转的力。这种力在轻质物体上体现得非常明显，如下图10所示的汤勺。
吹面出风系统工作原理
如图11所示，空调吹面出风系统分左右两区独立控制，左侧控制主驾驶侧出风，右侧控制副驾驶侧出风。工作时拖动中控大屏中的空调调节图标，从而控制主吹面出风口叶片和空调主吹面、辅助吹面风门，使气流从相应的通风孔流向任何需要的地方。
中控大屏中的空调控制圆点，有2种状态，一种是椭圆形图标，一种是2个圆形图标，代表的含义如下：
如图12所示，为左侧主吹面出风口的结构部件，从图中可以看出电机的内部结构主要由直流电机、金属探针、碳片、减速机构等部件组成。
如图13所示，工作时，在中控大屏上拖动空调吹面出风按纽，控制器接到信号后，驱动电机运转，电机动力输出轴带动主销，驱动叶片连杆使叶片旋转到设定角度值时，金属探针同时到达指定位置，并将信号反馈给控制器，使电机停止运动，此时产生的运动惯性由减速机构减速抵消。
主吹面出风口结构组成
主吹面出风口集成电机，通过电机来实现风向的控制，且只有一层叶片，设计新颖、打破常规、结构复杂、功能先进，值得解析。因左侧主吹面出风口与右侧主吹面出风口的零部件构成及原理一致，现仅以左侧主风口为例，介绍其详细构成。从图14、图15、图16、表17可以看出，Model3的出风口结构与常规车型的出风口差别很大，是全新的设计形式。
主吹面出风口叶片工作范围
如图18所示，叶片上连杆控制黄色的5个叶片，叶片下连杆控制绿色的5个叶片。拖拽中控大屏按纽，电机接受到控制器输出的信号，电机驱动轴带动电机传动销，驱动叶片上、下连杆运动。
图18-叶片结构图示
如图19所示，叶片在运动过程中存在左极限、右极限、中间极限三个极限状态。备注：吹向驾驶员最左侧的为左极限，吹向人体最右侧的为右极限
主吹面出风口叶片运动
电机主销的运动轨迹如下图15所示，若叶片需完成三个极限状态的运动，需按下图中的粉色线和蓝色线运动轨迹运行。
①电机主销沿着粉色线轨迹运动时，叶片反向运动。
u叶片左极限状态：
如图16所示，在叶片的设计位置，为叶片的最大开度位置，方向为正前方向；将主销在凸轮槽内顺时针旋转40°时，叶片旋转到左极限位置（图17）；再将主销逆时针回转40°时，叶片回到设计位置。
u叶片右极限状态：
如图21所示在叶片的设计位置，电机主销逆时针旋转53°时，叶片旋转到右极限位置（图23）；再将主销向回顺时针旋转53°时，叶片回到向前状态。
u叶片中极限状态：
如图23所示，在叶片的右极限位置，电机主销继续逆时针旋转53°时，主销的运动轨迹将由蓝色轨迹线的下端，运动到蓝色轨迹线的上端点位置（图24） ，此时叶片将回到正前方向。
图24-叶片正前位置
如图25所示，电机主销继续逆时针旋转28°，主销开始沿着粉色线轨迹运动，同时副销也进入下部的限位槽内，左右两侧叶片开始反方向运动，最终到达中极限位置。
图25-叶片中极限位置
通过本期的探秘可以发现，Model 3的隐藏式出风口较当下我们看到的传统样式格栅式出风口，科技含量提升了不止一点点，给出风口的设计打开了新的思路。
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硕士
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CAE仿真负责人
个人著作《汽车NVH一本通》
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