轎車前端冷卻模塊的設(shè)計與仿真

文遠(yuǎn)滿

（空調(diào)國際有限公司，上海 201108）

0 引言

前端冷卻模塊設(shè)計如不合理，轎車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)會出現(xiàn)水溫過高、過低的情況，且空調(diào)系統(tǒng)制冷效果會變差，而此類故障又很難簡單解決，這便影響了整車的正常使用。因此，整車廠以及相關(guān)零部件供應(yīng)商對前端冷卻模塊的設(shè)計研究給予了越來越多的關(guān)注和重視?？照{(diào)國際有限公司（以下簡為本公司）對轎車前端冷卻模塊進(jìn)行研究已有10余年，在轎車前端冷卻模塊開發(fā)和應(yīng)用方面積累了豐富的經(jīng)驗。我們認(rèn)為，計算機輔助設(shè)計的應(yīng)用，可以極大地縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，大量節(jié)約開發(fā)成本。

1 前端冷卻模塊簡介

1.1 前端冷卻模塊組成

前端冷卻模塊由水箱、冷凝器、電子風(fēng)扇、膨脹水壺、膠管組成，如圖1所示。

圖1 前端冷卻模塊組成

1.2 前端冷卻模塊功能

水箱的功能是冷卻發(fā)動機冷卻液，保證發(fā)動機在最適宜的溫度狀態(tài)下工作，以獲得較高的動力性、經(jīng)濟(jì)性及可靠性。冷凝器的功能是冷卻空調(diào)系統(tǒng)制冷劑，確保空調(diào)系統(tǒng)正常運行，讓乘客感覺舒適。電子風(fēng)扇的功能是通過冷凝器或管路上的傳感器將壓力信號轉(zhuǎn)化為電信號以及水箱溫度傳感器將溫度信號轉(zhuǎn)化為電信號傳遞給控制模塊，當(dāng)冷凝器壓力或水箱溫度高于設(shè)定值時，控制模塊就接通電子風(fēng)扇電源，使電子風(fēng)扇開始工作，冷卻冷凝器中的制冷劑和水箱中的冷卻液。膨脹水壺的功能是儲存冷卻液，當(dāng)水箱內(nèi)部壓力高于水箱蓋開啟壓力時，冷卻液頂開水箱蓋出液閥，通過膠管流進(jìn)膨脹水壺；當(dāng)水箱內(nèi)部壓力低于水箱蓋真空閥壓力時，膨脹水壺的冷卻液通過膠管流進(jìn)水箱。

1.3 前端冷卻模塊零件結(jié)構(gòu)

（1）水箱結(jié)構(gòu)：橫置式和縱置式。（2）冷凝器結(jié)構(gòu)：平行流式和管帶式。（3）電子風(fēng)扇結(jié)構(gòu)：按結(jié)構(gòu)分為單風(fēng)扇和雙風(fēng)扇；按控制方式分為調(diào)速電阻和調(diào)速模塊。（4）膨脹水壺分為開式水壺和閉式水壺，膨脹水壺容積應(yīng)為整個冷卻系統(tǒng)容量的6%左右。

2 前端冷卻模塊設(shè)計

2.1 轎車發(fā)動機參數(shù)

根據(jù)主機廠提供，本公司為其開發(fā)的一款車的發(fā)動機參數(shù)如下：發(fā)動機排量2.4 L，氣缸數(shù) 4，額定功率 102.8 k W／5 500 r／min，最大扭矩206.6 N·m（2 500 r／min）。

發(fā)動機對冷卻模塊的要求：（1）水箱性能要求：水流量1 L／s，進(jìn)水溫度85℃，表面進(jìn)風(fēng)溫度25℃，風(fēng)速8 m／s時水箱散熱量≥62 k W。（2）電子風(fēng)扇技術(shù)要求：風(fēng)量≥2 350 m3／h（靜壓100 Pa），電流≤25 A，功率300 W（max），無負(fù)載條件下，高速N＝（2 800±200）r／min，低速N＝（1 800±200）r／min，噪聲要求小于70 dB。（3）冷凝器性能要求：進(jìn)風(fēng)溫度38℃，進(jìn)氣壓力1.67 MPa，過熱度25℃，過冷度5℃，風(fēng)速7 m／s時散熱量≥15.2 k W。

2.2 水箱設(shè)計

2.2.1 水箱芯子正面面積Ff理論計算

（1）依據(jù)《汽車設(shè)計手冊》提供的公式Ff≥0.1＋0.032Vn（Vn為發(fā)動機排量），發(fā)動機水箱芯子正面面積Ff≥0.1＋0.032×2.4＝0.177 m2。

（2）依據(jù)《汽車設(shè)計手冊》提供的公式Ff＝（0.002 7～0.003 4）Nemax，Nemax＝102.8 k W，由于是帶電子風(fēng)扇冷卻的轎車水箱，所以取最小系數(shù)0.002 7，發(fā)動機水箱芯子正面面積Ff＝0.002 7×102.8＝0.277 6 m2。

根據(jù)上述2次計算，水箱芯子正面面積理論值Ff應(yīng)不小于0.277 6 m2。

2.2.2 水箱芯子尺寸確定

根據(jù)發(fā)動機機倉總布置允許的空間尺寸范圍，該車水箱選用縱置式結(jié)構(gòu)，按照標(biāo)準(zhǔn)JB2291—78，初步選擇水箱芯寬700 mm、芯高400 mm。

根據(jù)本公司現(xiàn)有工藝設(shè)備，采用波高6.1 mm、波距2.4 mm、寬18.5 mm 的散熱帶和1.5 mm×18.5 mm 的散熱管，以實現(xiàn)系列化生產(chǎn)。

散熱管數(shù)n＝（700－6.1）／（1.5＋6.1）＝693.9／7.6＝91.3。

散熱管數(shù)量取整數(shù)，所以散熱管數(shù)n＝91，散熱帶數(shù)＝n＋1＝92。

水箱芯子寬度＝91×1.5＋92×6.1＝697.7 mm。

水箱芯子正面面積：Ff＝697.7×400＝0.279 m2＞0.277 6 m2。

水箱芯子初步確定尺寸：697.7 mm（芯寬）×400 mm（芯高）×18.5 mm（芯厚）。

2.2.3 水箱散熱面積S理論計算

依據(jù)《汽車設(shè)計手冊》提供的公式S＝S比Nemax，轎車S比為0.07 m2／k W，發(fā)動機水箱散熱面積理論值S＝0.07×102.8＝7.2 m2。

2.2.4 水箱散熱面積校核

根據(jù)水箱芯子正面面積確定的水箱尺寸校核散熱面積是否滿足理論要求，散熱面積S為散熱管的散熱面積與散熱帶的散熱面積之和。

散熱帶的波峰數(shù)＝400（芯高）／2.4（波距）＝166.7。

波峰數(shù)取整數(shù)，所以波峰數(shù)＝167。

散熱帶展開長度＝167×（6.1×2＋1.6）＝2 305 mm。

其中，（6.1×2＋1.6）為一個波距的展開長度，1.6為一個波距展開時增加長度的經(jīng)驗值。

水箱散熱面積：S＝2Sf＋St＝2×92×2 305×18.5＋91×400×（1.5＋18.5）×2＝9.3 m2（Sf為散熱帶面積，St為散熱管面積）。

水箱散熱面積9.3 m2大于理論值7.2 m2，因此，本車選擇的水箱芯子尺寸697.7 mm（芯寬）×400 mm（芯高）×18.5 mm（芯厚）滿足要求。

2.2.5 水箱結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

水箱結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，用散熱器Fluent軟件對冷卻液在水箱中的流量分布及水箱表面溫度進(jìn)行模擬，盡可能使水箱中的每根扁管流速一樣，水箱同一高度處溫度一樣。如果模擬的結(jié)果水箱同一高度處溫度相差比較大，則必須對水箱中的水室進(jìn)行設(shè)計更改，保證水箱的設(shè)計達(dá)到最優(yōu)化。

2.2.6 水箱散熱性能模擬計算

確定了水箱結(jié)構(gòu)參數(shù)，其散熱性能是否能滿足要求，按照以前的做法是先做樣件，再進(jìn)行試驗，根據(jù)試驗結(jié)果調(diào)整水箱結(jié)構(gòu)參數(shù)，這樣既費時又費力。如今用HEX模擬軟件進(jìn)行性能模擬非常方便，輸入散熱管和散熱帶參數(shù)以及試驗工況條件，軟件就可以計算出水箱散熱量，根據(jù)模擬計算結(jié)果繪制出散熱量與風(fēng)速的曲線圖（圖2）。風(fēng)速8 m／s時，水箱散熱量為64.2 k W，大于目標(biāo)值62 k W，滿足主機廠的水箱散熱量要求。

圖2 水箱散熱量與風(fēng)速曲線圖

2.3 冷凝器設(shè)計

水箱結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，冷凝器結(jié)構(gòu)參數(shù)就比較容易確定了，水箱芯高400 mm，考慮到冷卻模塊周邊邊界條件，冷凝器芯子高度不能超過358 mm，本公司冷凝器扁管規(guī)格1.8 mm×16 mm，翅片波高8 mm，扁管根數(shù)＝（358－8）／（1.8＋8）＝35.7。扁管根數(shù)取整數(shù)，所以扁管數(shù)為35根，翅片數(shù)為35＋1＝36條。計算冷凝器芯子高度H＝1.8×35＋8×36＝351 mm，根據(jù)主機廠給出的冷凝器散熱量要求，用HEX軟件進(jìn)行模擬計算，最后確定冷凝器芯子寬度尺寸為668 mm。根據(jù)模擬計算結(jié)果繪制出散熱量與風(fēng)速的曲線圖（圖3）。風(fēng)速7 m／s時，冷凝器散熱性能模擬值為15.5 k W。所以，冷凝器芯子尺寸668 mm（寬）×351 mm（高）×16 mm（厚）滿足主機廠對冷凝器的性能要求。

圖3 冷凝器散熱量與風(fēng)速曲線圖

2.4 風(fēng)扇選型

風(fēng)扇選用調(diào)速電阻控制2檔風(fēng)速，根據(jù)水箱正面面積尺寸（400 mm×697.7 mm），葉輪直徑選擇381 mm。

3 前端冷卻模塊模態(tài)分析

主機廠要求前端冷卻模塊模態(tài)頻率≥40 Hz，以免其與車體本身產(chǎn)生共振。用NASTRAN模擬軟件對前端冷卻模塊初始數(shù)模進(jìn)行模態(tài)分析，模態(tài)頻率為32 Hz，發(fā)現(xiàn)風(fēng)扇中間位置抖動比較大，風(fēng)扇剛性不好，不能滿足主機廠要求。更改風(fēng)罩結(jié)構(gòu)，風(fēng)罩中間位置增加上下2個支架與水箱固定，風(fēng)罩本體增加加強筋，再次對前端冷卻模塊進(jìn)行模態(tài)分析，模態(tài)頻率為43 Hz，如圖4所示，滿足了主機廠的要求。

4 前端冷卻模塊裝車狀態(tài)氣流模擬

前端冷卻模塊前有格柵，通過FLUENT和KULI軟件模擬空氣通過汽車格柵、冷凝器、水箱表面的氣流分布（圖5），為優(yōu)化格柵設(shè)計，合理布置前端冷卻模塊提供依據(jù)，同時也可模擬發(fā)動機機倉內(nèi)是否產(chǎn)生回風(fēng)和漏風(fēng)（不經(jīng)過前端冷卻模塊），從而確定是否要在前端冷卻模塊周邊增加密封墊。如果發(fā)動機機倉內(nèi)產(chǎn)生大量回風(fēng)和漏風(fēng)，將會影響冷凝器和水箱散熱。

圖5 氣流模擬

圖4 模態(tài)分析

5 結(jié)語

隨著我國汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車廠家對前端冷卻模塊的設(shè)計要求越來越高，除了要求前端冷卻模塊滿足整車性能外，還要求重量輕，價格便宜。這就要求設(shè)計人員既要有豐富的設(shè)計經(jīng)驗，又要有運用CAE軟件模擬的能力并了解材料性能。

前端冷卻?？煸O(shè)計完成后，樣件還需要進(jìn)行先進(jìn)的風(fēng)洞試驗測試、環(huán)模測試及路試，這些測試通過后，前端冷卻模塊樣件才算合格。