论文部分内容阅读
摘要：汽车在解决功能性需求后，主要是着眼于解决舒适性以及安全性要求，本文设计了一种驾驶位暖气传导脚垫，在气温较低时，能有效的解决汽车油门制动处的局部温度低的现实情况，提升驾驶的舒适度，同时也提高了驾驶员安全驾驶的可靠性，本文从热管的原理展开分析，解释了传导脚垫工作热设计原理和结构设计以及防滑设计特点。
关键词：舒适性；安全性；驾驶位；暖气传导脚垫；热管
随着社会的不断发展，汽车的品质越来越好、性价比越来越高，价格却是越来越低廉，但仍然有很多途径可以提高汽车的舒适度。如在汽车玻璃上用窗帘遮光，再举一个例子，入秋，入冬后天气寒冷，开车的人难免会遇到脚冷，麻木，鲜有知觉的情况，即使开了汽车暖气，而因为热空气密度低于冷空气的原理，暖气上升，冷空气下沉，也不能很好的解决驾驶员脚步温度较低的问题。尤其在气温较低时，双脚较冷，这时开车就像是一颗定时炸弹，时刻威胁着驾车者的生命和财产安全，而本文所要提的“汽车主驾驶位暖气传导脚垫”便能在一定程度上缓解这个问题。
1 结构设计及工作原理
该“脚垫”由三层保热面料和暖气导管组成。暖气导管一端接入汽车空调暖气系统，参与汽车暖气循环，外面由两层面料缝合放置于刹车踏板，油门，和离合器上，再由一层面料从下面包裹，形成如贝壳形的造型，驾驶员开车时上面包夹有暖气导管的两层保热面料贴在脚背上，达到脚部防寒的目的。
如图1所示，加热层在中间，采用线圈形式，目的是使加热的有效路径变长，这个方法和电热水器的设计类似。加热路径的延长，目的是为了加热时间的延长，等效于用更长的时间加热脚垫，这样能量的利用效率更高，相当于直线路径时耗散的能量被反复利用，而上下的两层保暖层，则起到隔热的作用，将夹层的热量和外部的热量隔开，极大程度的减小内外部的空气对流，也就是减小了能量的交换，这样就为内部的热量被反复利用提供了现实条件。
2 材料选择
2.1 外套面料
选择保热效果较好，舒适度较高的面料，如纯棉无纺布，平面大小一般为50cmx30cm（不同的车型大小有变化），其他结构设计考虑在下文展开。
2.2 暖气导管
暖气导管需要放置于驾驶舱内，所以不宜重量过大体积过大，导管要连接暖气系统所以选择耐高温材料最好，如铝塑复合材料，铜管材料等。
3 加热导管设计
加热导管即热管的工作原理简述：热管是近几十年来迅速发展起来的一种具有很高导热效率的传导设备。主要作用是将热源与外界的冷源进行热交换。传导的媒介主要有水、蒸汽、特殊的油类等，进行热交换非常关注热量传递的效益，因此要选择热量传导迅速，传导损失较小的材料，作为热交换元件。如早期的铸铁，现在家用电器中广泛使用的铜质管道等。
4 热管的性能和特点
由热管的结构和工作原理可知，热管有以下的优点：对内外部媒介进行了热隔离，可以分别设计不同接触面的材料和接触面。热源可以进行灵活的设计，对热源的温度进行控制，使得热源和传热元件之间的温度差可调节，温差越大，越有利于热量传导。
5 热管的结构类型
设备对体积和质量的严格限制，促进了设备热管技术的发展。它通过空气、水或者其他媒介在铜管通道内的强迫对流，将热量传递到热管上，媒介的表面传热系数是选择热管材料的主要考虑因素。其次，通过设计特殊的结构，可以大大的增加传热的面积，同时也使流体在通道内被强烈的扰动，加快了媒介内部热量的均衡交换。从而有效的降低了热阻，进一步地提高了传热效率。热管的设计根据热源的分布情况、许用温度、许用压强、工作环境条件等因素综合考虑。本文设计了一种热量均匀分布的中小功率的脚垫设计，主要考虑在汽车驾驶舱的使用场景。
热管的剖面图如图2所示：
上图中，导热部分为铜管，传导媒介有水、油以及其它液态媒介，本文以水为例，水在流动的过程中，与铜管的接触面进行热量交换，水在流入管道前，已经被外部的热源充分加热，由于水的比热容较大，在封闭的管道内，除了接触热交换，与空气几乎没有热交换，即被周围空气吸收掉的热量可以忽略不计，根据剖面图，由于铜管存在内外两个传热表面，于是在内部传热的交换关系是
水→铜管
在外部传热的交换关系是：
铜管→空气
6 内部传热性能分析
内部热量传导的速度收到很多因素的影响，水的流速越快，那么水与铜管的接触时间越短，进行热交换的时间也越短，但水的流速也不能太慢，太慢又会影响到整个水体的热量循环。另一方面，水与铜管的接触面积越大越好，有效接触面积越大，则铜管吸收水传导过来的热量的能力也就越强。因此针对内部传热的需要，铜管的设计要有尽可能大的有效面积，水的流速要适中，使得水中的热量以稳定均匀的方式逐渐传导到铜管中。
7 外部传热性能分析
外部的热量传递在铜管和周围空气之间传导，由于空气的比热容为一定值，为了使传导加快主要的手段是增加与空气的接触面积，在外表面的设计上，可以考虑采用锯齿状的散热，如图3所示：
这样在外表面有效的增加了与空气的接触面积，加快了从铜管到外部的热量传递，使升温的速度越快。
8 脚部接触面处理
脚部的接触面是传导脚垫的重要组成部分，其作用并不限于传导热量，由于汽车踏板功能的特殊性，需要充分考虑到防滑设计以保证驾驶安全。针对使用条件的限制，需要对接触面进行特殊处理，即解决滑动问题，也就是解决鞋底与接触面之间的摩擦力问题。我们知道，存在挤压力的接触物体之间的摩擦力取决于以下几个因素，接触摩擦力摩擦系数k，物体之间的接触面积s，施加在物体上的挤压力F。那么摩擦力是这三个变量的线性函数。针对某一个特定的驾驶员来说，其体重基本上是一定值，那么施加在踏板上的挤压力大小也基本不变，此时认为F是一个常量。而摩擦系数主要取决于两个因素，一个是踏板面的粗糙度，一个是鞋底的粗糙度，二者咬合的力度。影响摩擦力的另一个关键参数，是脚垫与脚之间的接触面积。接触面积越大，则产生的摩擦力也越大，这也是为何在越野车胎的胎面都有花纹的缘故，而做这些花纹就是为了增大汽车与地面的摩擦力，即汽车的抓地力。其原理就在于：花纹能够有效增大在汽车轮胎与路面的接触面积。胎面突起的花纹能够深入到松软的路面中去，使突起花纹的垂直部分也成为与地面接触地部分，这样就成倍地增加胎面与地面的接触面积，从而极大的增加了摩擦力。接触面积还需要考虑的一个重要因素，就是接触形变的影响。正如汽车轮胎在不同路面的抓地力表现，在松软路面上，由于路面的形变较大，汽车轮胎形变较小，有汽車轮胎提供的抓握力就显著的增大。同理对于比较坚硬的路面，由于受到路面挤压，汽车轮胎形变较大，胎面设计采用了粗糙表面，在路面挤压下，轮胎正面设计的小突起形变，增大了与地面的接触面积。从而增加了汽车轮胎抓地的力量。在脚垫接触面的结构设计中，参照汽车轮胎的设计方式，同样的增加脚底的摩擦力，以提升安全品质。9 人体工学设计
脚垫与脚部鞋面直接接触，需要考虑接触传导压力对驾驶员产生的影响，即从人体脚部的生理结构特征进行设计考虑，脚垫的质地软硬，触感，以及和传导压力时的力量反馈，都会对脚部的疲劳感产生一定的影响。在暖气传导脚垫的设计中，形状要适应成年人脚部的大小，和足弓的弯曲曲率相适应，如图4所示。
根据以上的分析， 脚垫接触面的设计要同时考虑热能传导，摩擦系数，舒适度以及外观设计，其功能在于将热管的热浪温和的传导至脚部，为驾驶员安全驾驶提供安全保护，还要有较好的人体工学设计，让驾驶员的驾乘感受较好，还要考虑所用面料是否环保。10 结语
本文设计了一种针对汽车驾驶舱脚部进行局部加热的暖气脚垫，首先针对暖气传导的原理进行了分析，给出了内部结构剖面图，讨论了内部热量交换的过程，分别对内部热源媒介与铜管传导热量的机理，以及外部铜管与空气的热量传导机理。指出了增加接触面积提升热量传导效率的建议。为提高热管对脚垫表面的传导热量的能力，本文建议将该曲面设计成锯齿状，锯齿状将实际的接触面进行了放大，使得从热管到外部的热量转换更加迅速，在锯齿面表面再进行包裹，以提高舒适性。同时由于脚垫与人体脚部直接接触，脚垫的设计需要考虑人体的舒适度，本文对脚垫的外形表面的曲率进行了设计，以适应成年人的脚部生理特征。
参考文献：
[1]靳明聪，陈远国.热管及热管换热器[M].重庆大学出版社，1986.
[2]董其伍，王丹，刘敏珊.余热回收用热管及热管式换热器的研究[J].工业加热， 2007，36（4）：3740.
[3]张任平，孙健，汪和平，等.结构参数对陶瓷窑炉余热回收用热管换热器性能的影响[J].陶瓷学报，2014（6）：638643.
[4]陈臻，戴达鹏，朱晓娟，等.振荡热管换热器用于染整加工中余热回收的分析研究[J].能源与节能， 2011（7）：8081.
[5]王湃.人体工程学及其未来[J].中国环境管理干部学院学报，2003，13（2）：7173.
关键词：舒适性；安全性；驾驶位；暖气传导脚垫；热管
随着社会的不断发展，汽车的品质越来越好、性价比越来越高，价格却是越来越低廉，但仍然有很多途径可以提高汽车的舒适度。如在汽车玻璃上用窗帘遮光，再举一个例子，入秋，入冬后天气寒冷，开车的人难免会遇到脚冷，麻木，鲜有知觉的情况，即使开了汽车暖气，而因为热空气密度低于冷空气的原理，暖气上升，冷空气下沉，也不能很好的解决驾驶员脚步温度较低的问题。尤其在气温较低时，双脚较冷，这时开车就像是一颗定时炸弹，时刻威胁着驾车者的生命和财产安全，而本文所要提的“汽车主驾驶位暖气传导脚垫”便能在一定程度上缓解这个问题。
1 结构设计及工作原理
该“脚垫”由三层保热面料和暖气导管组成。暖气导管一端接入汽车空调暖气系统，参与汽车暖气循环，外面由两层面料缝合放置于刹车踏板，油门，和离合器上，再由一层面料从下面包裹，形成如贝壳形的造型，驾驶员开车时上面包夹有暖气导管的两层保热面料贴在脚背上，达到脚部防寒的目的。
如图1所示，加热层在中间，采用线圈形式，目的是使加热的有效路径变长，这个方法和电热水器的设计类似。加热路径的延长，目的是为了加热时间的延长，等效于用更长的时间加热脚垫，这样能量的利用效率更高，相当于直线路径时耗散的能量被反复利用，而上下的两层保暖层，则起到隔热的作用，将夹层的热量和外部的热量隔开，极大程度的减小内外部的空气对流，也就是减小了能量的交换，这样就为内部的热量被反复利用提供了现实条件。
2 材料选择
2.1 外套面料
选择保热效果较好，舒适度较高的面料，如纯棉无纺布，平面大小一般为50cmx30cm（不同的车型大小有变化），其他结构设计考虑在下文展开。
2.2 暖气导管
暖气导管需要放置于驾驶舱内，所以不宜重量过大体积过大，导管要连接暖气系统所以选择耐高温材料最好，如铝塑复合材料，铜管材料等。
3 加热导管设计
加热导管即热管的工作原理简述：热管是近几十年来迅速发展起来的一种具有很高导热效率的传导设备。主要作用是将热源与外界的冷源进行热交换。传导的媒介主要有水、蒸汽、特殊的油类等，进行热交换非常关注热量传递的效益，因此要选择热量传导迅速，传导损失较小的材料，作为热交换元件。如早期的铸铁，现在家用电器中广泛使用的铜质管道等。
4 热管的性能和特点
由热管的结构和工作原理可知，热管有以下的优点：对内外部媒介进行了热隔离，可以分别设计不同接触面的材料和接触面。热源可以进行灵活的设计，对热源的温度进行控制，使得热源和传热元件之间的温度差可调节，温差越大，越有利于热量传导。
5 热管的结构类型
设备对体积和质量的严格限制，促进了设备热管技术的发展。它通过空气、水或者其他媒介在铜管通道内的强迫对流，将热量传递到热管上，媒介的表面传热系数是选择热管材料的主要考虑因素。其次，通过设计特殊的结构，可以大大的增加传热的面积，同时也使流体在通道内被强烈的扰动，加快了媒介内部热量的均衡交换。从而有效的降低了热阻，进一步地提高了传热效率。热管的设计根据热源的分布情况、许用温度、许用压强、工作环境条件等因素综合考虑。本文设计了一种热量均匀分布的中小功率的脚垫设计，主要考虑在汽车驾驶舱的使用场景。
热管的剖面图如图2所示：
上图中，导热部分为铜管，传导媒介有水、油以及其它液态媒介，本文以水为例，水在流动的过程中，与铜管的接触面进行热量交换，水在流入管道前，已经被外部的热源充分加热，由于水的比热容较大，在封闭的管道内，除了接触热交换，与空气几乎没有热交换，即被周围空气吸收掉的热量可以忽略不计，根据剖面图，由于铜管存在内外两个传热表面，于是在内部传热的交换关系是
水→铜管
在外部传热的交换关系是：
铜管→空气
6 内部传热性能分析
内部热量传导的速度收到很多因素的影响，水的流速越快，那么水与铜管的接触时间越短，进行热交换的时间也越短，但水的流速也不能太慢，太慢又会影响到整个水体的热量循环。另一方面，水与铜管的接触面积越大越好，有效接触面积越大，则铜管吸收水传导过来的热量的能力也就越强。因此针对内部传热的需要，铜管的设计要有尽可能大的有效面积，水的流速要适中，使得水中的热量以稳定均匀的方式逐渐传导到铜管中。
7 外部传热性能分析
外部的热量传递在铜管和周围空气之间传导，由于空气的比热容为一定值，为了使传导加快主要的手段是增加与空气的接触面积，在外表面的设计上，可以考虑采用锯齿状的散热，如图3所示：
这样在外表面有效的增加了与空气的接触面积，加快了从铜管到外部的热量传递，使升温的速度越快。
8 脚部接触面处理
脚部的接触面是传导脚垫的重要组成部分，其作用并不限于传导热量，由于汽车踏板功能的特殊性，需要充分考虑到防滑设计以保证驾驶安全。针对使用条件的限制，需要对接触面进行特殊处理，即解决滑动问题，也就是解决鞋底与接触面之间的摩擦力问题。我们知道，存在挤压力的接触物体之间的摩擦力取决于以下几个因素，接触摩擦力摩擦系数k，物体之间的接触面积s，施加在物体上的挤压力F。那么摩擦力是这三个变量的线性函数。针对某一个特定的驾驶员来说，其体重基本上是一定值，那么施加在踏板上的挤压力大小也基本不变，此时认为F是一个常量。而摩擦系数主要取决于两个因素，一个是踏板面的粗糙度，一个是鞋底的粗糙度，二者咬合的力度。影响摩擦力的另一个关键参数，是脚垫与脚之间的接触面积。接触面积越大，则产生的摩擦力也越大，这也是为何在越野车胎的胎面都有花纹的缘故，而做这些花纹就是为了增大汽车与地面的摩擦力，即汽车的抓地力。其原理就在于：花纹能够有效增大在汽车轮胎与路面的接触面积。胎面突起的花纹能够深入到松软的路面中去，使突起花纹的垂直部分也成为与地面接触地部分，这样就成倍地增加胎面与地面的接触面积，从而极大的增加了摩擦力。接触面积还需要考虑的一个重要因素，就是接触形变的影响。正如汽车轮胎在不同路面的抓地力表现，在松软路面上，由于路面的形变较大，汽车轮胎形变较小，有汽車轮胎提供的抓握力就显著的增大。同理对于比较坚硬的路面，由于受到路面挤压，汽车轮胎形变较大，胎面设计采用了粗糙表面，在路面挤压下，轮胎正面设计的小突起形变，增大了与地面的接触面积。从而增加了汽车轮胎抓地的力量。在脚垫接触面的结构设计中，参照汽车轮胎的设计方式，同样的增加脚底的摩擦力，以提升安全品质。9 人体工学设计
脚垫与脚部鞋面直接接触，需要考虑接触传导压力对驾驶员产生的影响，即从人体脚部的生理结构特征进行设计考虑，脚垫的质地软硬，触感，以及和传导压力时的力量反馈，都会对脚部的疲劳感产生一定的影响。在暖气传导脚垫的设计中，形状要适应成年人脚部的大小，和足弓的弯曲曲率相适应，如图4所示。
根据以上的分析， 脚垫接触面的设计要同时考虑热能传导，摩擦系数，舒适度以及外观设计，其功能在于将热管的热浪温和的传导至脚部，为驾驶员安全驾驶提供安全保护，还要有较好的人体工学设计，让驾驶员的驾乘感受较好，还要考虑所用面料是否环保。10 结语
本文设计了一种针对汽车驾驶舱脚部进行局部加热的暖气脚垫，首先针对暖气传导的原理进行了分析，给出了内部结构剖面图，讨论了内部热量交换的过程，分别对内部热源媒介与铜管传导热量的机理，以及外部铜管与空气的热量传导机理。指出了增加接触面积提升热量传导效率的建议。为提高热管对脚垫表面的传导热量的能力，本文建议将该曲面设计成锯齿状，锯齿状将实际的接触面进行了放大，使得从热管到外部的热量转换更加迅速，在锯齿面表面再进行包裹，以提高舒适性。同时由于脚垫与人体脚部直接接触，脚垫的设计需要考虑人体的舒适度，本文对脚垫的外形表面的曲率进行了设计，以适应成年人的脚部生理特征。
参考文献：
[1]靳明聪，陈远国.热管及热管换热器[M].重庆大学出版社，1986.
[2]董其伍，王丹，刘敏珊.余热回收用热管及热管式换热器的研究[J].工业加热， 2007，36（4）：3740.
[3]张任平，孙健，汪和平，等.结构参数对陶瓷窑炉余热回收用热管换热器性能的影响[J].陶瓷学报，2014（6）：638643.
[4]陈臻，戴达鹏，朱晓娟，等.振荡热管换热器用于染整加工中余热回收的分析研究[J].能源与节能， 2011（7）：8081.
[5]王湃.人体工程学及其未来[J].中国环境管理干部学院学报，2003，13（2）：7173.