白金來

摘要：汽車在解決功能性需求后，主要是著眼于解決舒適性以及安全性要求，本文設(shè)計了一種駕駛位暖氣傳導腳墊，在氣溫較低時，能有效的解決汽車油門制動處的局部溫度低的現(xiàn)實情況，提升駕駛的舒適度，同時也提高了駕駛員安全駕駛的可靠性，本文從熱管的原理展開分析，解釋了傳導腳墊工作熱設(shè)計原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計以及防滑設(shè)計特點。

關(guān)鍵詞：舒適性；安全性；駕駛位；暖氣傳導腳墊；熱管

隨著社會的不斷發(fā)展，汽車的品質(zhì)越來越好、性價比越來越高，價格卻是越來越低廉，但仍然有很多途徑可以提高汽車的舒適度。如在汽車玻璃上用窗簾遮光，再舉一個例子，入秋，入冬后天氣寒冷，開車的人難免會遇到腳冷，麻木，鮮有知覺的情況，即使開了汽車暖氣，而因為熱空氣密度低于冷空氣的原理，暖氣上升，冷空氣下沉，也不能很好的解決駕駛員腳步溫度較低的問題。尤其在氣溫較低時，雙腳較冷，這時開車就像是一顆定時炸彈，時刻威脅著駕車者的生命和財產(chǎn)安全，而本文所要提的“汽車主駕駛位暖氣傳導腳墊”便能在一定程度上緩解這個問題。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

該“腳墊”由三層保熱面料和暖氣導管組成。暖氣導管一端接入汽車空調(diào)暖氣系統(tǒng)，參與汽車暖氣循環(huán)，外面由兩層面料縫合放置于剎車踏板，油門，和離合器上，再由一層面料從下面包裹，形成如貝殼形的造型，駕駛員開車時上面包夾有暖氣導管的兩層保熱面料貼在腳背上，達到腳部防寒的目的。

如圖1所示，加熱層在中間，采用線圈形式，目的是使加熱的有效路徑變長，這個方法和電熱水器的設(shè)計類似。加熱路徑的延長，目的是為了加熱時間的延長，等效于用更長的時間加熱腳墊，這樣能量的利用效率更高，相當于直線路徑時耗散的能量被反復利用，而上下的兩層保暖層，則起到隔熱的作用，將夾層的熱量和外部的熱量隔開，極大程度的減小內(nèi)外部的空氣對流，也就是減小了能量的交換，這樣就為內(nèi)部的熱量被反復利用提供了現(xiàn)實條件。

2 材料選擇

2.1 外套面料

選擇保熱效果較好，舒適度較高的面料，如純棉無紡布，平面大小一般為50cmx30cm（不同的車型大小有變化），其他結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮在下文展開。

2.2 暖氣導管

暖氣導管需要放置于駕駛艙內(nèi)，所以不宜重量過大體積過大，導管要連接暖氣系統(tǒng)所以選擇耐高溫材料最好，如鋁塑復合材料，銅管材料等。

3 加熱導管設(shè)計

加熱導管即熱管的工作原理簡述：熱管是近幾十年來迅速發(fā)展起來的一種具有很高導熱效率的傳導設(shè)備。主要作用是將熱源與外界的冷源進行熱交換。傳導的媒介主要有水、蒸汽、特殊的油類等，進行熱交換非常關(guān)注熱量傳遞的效益，因此要選擇熱量傳導迅速，傳導損失較小的材料，作為熱交換元件。如早期的鑄鐵，現(xiàn)在家用電器中廣泛使用的銅質(zhì)管道等。

4 熱管的性能和特點

由熱管的結(jié)構(gòu)和工作原理可知，熱管有以下的優(yōu)點：對內(nèi)外部媒介進行了熱隔離，可以分別設(shè)計不同接觸面的材料和接觸面。熱源可以進行靈活的設(shè)計，對熱源的溫度進行控制，使得熱源和傳熱元件之間的溫度差可調(diào)節(jié)，溫差越大，越有利于熱量傳導。

5 熱管的結(jié)構(gòu)類型

設(shè)備對體積和質(zhì)量的嚴格限制，促進了設(shè)備熱管技術(shù)的發(fā)展。它通過空氣、水或者其他媒介在銅管通道內(nèi)的強迫對流，將熱量傳遞到熱管上，媒介的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是選擇熱管材料的主要考慮因素。其次，通過設(shè)計特殊的結(jié)構(gòu)，可以大大的增加傳熱的面積，同時也使流體在通道內(nèi)被強烈的擾動，加快了媒介內(nèi)部熱量的均衡交換。從而有效的降低了熱阻，進一步地提高了傳熱效率。熱管的設(shè)計根據(jù)熱源的分布情況、許用溫度、許用壓強、工作環(huán)境條件等因素綜合考慮。本文設(shè)計了一種熱量均勻分布的中小功率的腳墊設(shè)計，主要考慮在汽車駕駛艙的使用場景。

熱管的剖面圖如圖2所示：

上圖中，導熱部分為銅管，傳導媒介有水、油以及其它液態(tài)媒介，本文以水為例，水在流動的過程中，與銅管的接觸面進行熱量交換，水在流入管道前，已經(jīng)被外部的熱源充分加熱，由于水的比熱容較大，在封閉的管道內(nèi)，除了接觸熱交換，與空氣幾乎沒有熱交換，即被周圍空氣吸收掉的熱量可以忽略不計，根據(jù)剖面圖，由于銅管存在內(nèi)外兩個傳熱表面，于是在內(nèi)部傳熱的交換關(guān)系是

水→銅管

在外部傳熱的交換關(guān)系是：

銅管→空氣

6 內(nèi)部傳熱性能分析

內(nèi)部熱量傳導的速度收到很多因素的影響，水的流速越快，那么水與銅管的接觸時間越短，進行熱交換的時間也越短，但水的流速也不能太慢，太慢又會影響到整個水體的熱量循環(huán)。另一方面，水與銅管的接觸面積越大越好，有效接觸面積越大，則銅管吸收水傳導過來的熱量的能力也就越強。因此針對內(nèi)部傳熱的需要，銅管的設(shè)計要有盡可能大的有效面積，水的流速要適中，使得水中的熱量以穩(wěn)定均勻的方式逐漸傳導到銅管中。

7 外部傳熱性能分析

外部的熱量傳遞在銅管和周圍空氣之間傳導，由于空氣的比熱容為一定值，為了使傳導加快主要的手段是增加與空氣的接觸面積，在外表面的設(shè)計上，可以考慮采用鋸齒狀的散熱，如圖3所示：

這樣在外表面有效的增加了與空氣的接觸面積，加快了從銅管到外部的熱量傳遞，使升溫的速度越快。

8 腳部接觸面處理

腳部的接觸面是傳導腳墊的重要組成部分，其作用并不限于傳導熱量，由于汽車踏板功能的特殊性，需要充分考慮到防滑設(shè)計以保證駕駛安全。針對使用條件的限制，需要對接觸面進行特殊處理，即解決滑動問題，也就是解決鞋底與接觸面之間的摩擦力問題。我們知道，存在擠壓力的接觸物體之間的摩擦力取決于以下幾個因素，接觸摩擦力摩擦系數(shù)k，物體之間的接觸面積s，施加在物體上的擠壓力F。那么摩擦力是這三個變量的線性函數(shù)。針對某一個特定的駕駛員來說，其體重基本上是一定值，那么施加在踏板上的擠壓力大小也基本不變，此時認為F是一個常量。而摩擦系數(shù)主要取決于兩個因素，一個是踏板面的粗糙度，一個是鞋底的粗糙度，二者咬合的力度。影響摩擦力的另一個關(guān)鍵參數(shù)，是腳墊與腳之間的接觸面積。接觸面積越大，則產(chǎn)生的摩擦力也越大，這也是為何在越野車胎的胎面都有花紋的緣故，而做這些花紋就是為了增大汽車與地面的摩擦力，即汽車的抓地力。其原理就在于：花紋能夠有效增大在汽車輪胎與路面的接觸面積。胎面突起的花紋能夠深入到松軟的路面中去，使突起花紋的垂直部分也成為與地面接觸地部分，這樣就成倍地增加胎面與地面的接觸面積，從而極大的增加了摩擦力。接觸面積還需要考慮的一個重要因素，就是接觸形變的影響。正如汽車輪胎在不同路面的抓地力表現(xiàn)，在松軟路面上，由于路面的形變較大，汽車輪胎形變較小，有汽車輪胎提供的抓握力就顯著的增大。同理對于比較堅硬的路面，由于受到路面擠壓，汽車輪胎形變較大，胎面設(shè)計采用了粗糙表面，在路面擠壓下，輪胎正面設(shè)計的小突起形變，增大了與地面的接觸面積。從而增加了汽車輪胎抓地的力量。在腳墊接觸面的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，參照汽車輪胎的設(shè)計方式，同樣的增加腳底的摩擦力，以提升安全品質(zhì)。9 人體工學設(shè)計

腳墊與腳部鞋面直接接觸，需要考慮接觸傳導壓力對駕駛員產(chǎn)生的影響，即從人體腳部的生理結(jié)構(gòu)特征進行設(shè)計考慮，腳墊的質(zhì)地軟硬，觸感，以及和傳導壓力時的力量反饋，都會對腳部的疲勞感產(chǎn)生一定的影響。在暖氣傳導腳墊的設(shè)計中，形狀要適應成年人腳部的大小，和足弓的彎曲曲率相適應，如圖4所示。

根據(jù)以上的分析， 腳墊接觸面的設(shè)計要同時考慮熱能傳導，摩擦系數(shù)，舒適度以及外觀設(shè)計，其功能在于將熱管的熱浪溫和的傳導至腳部，為駕駛員安全駕駛提供安全保護，還要有較好的人體工學設(shè)計，讓駕駛員的駕乘感受較好，還要考慮所用面料是否環(huán)保。10 結(jié)語

本文設(shè)計了一種針對汽車駕駛艙腳部進行局部加熱的暖氣腳墊，首先針對暖氣傳導的原理進行了分析，給出了內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖面圖，討論了內(nèi)部熱量交換的過程，分別對內(nèi)部熱源媒介與銅管傳導熱量的機理，以及外部銅管與空氣的熱量傳導機理。指出了增加接觸面積提升熱量傳導效率的建議。為提高熱管對腳墊表面的傳導熱量的能力，本文建議將該曲面設(shè)計成鋸齒狀，鋸齒狀將實際的接觸面進行了放大，使得從熱管到外部的熱量轉(zhuǎn)換更加迅速，在鋸齒面表面再進行包裹，以提高舒適性。同時由于腳墊與人體腳部直接接觸，腳墊的設(shè)計需要考慮人體的舒適度，本文對腳墊的外形表面的曲率進行了設(shè)計，以適應成年人的腳部生理特征。

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