淺析汽車(chē)空調(diào)除霜風(fēng)道設(shè)計(jì)

鐘凌

(安徽江淮汽車(chē)股份有限公司，安徽合肥 230601)

淺析汽車(chē)空調(diào)除霜風(fēng)道設(shè)計(jì)

鐘凌

(安徽江淮汽車(chē)股份有限公司，安徽合肥 230601)

除霜(及除霧)是空調(diào)系統(tǒng)三大功能之一，功能缺失可能影響車(chē)輛行駛安全性。除霜系統(tǒng)由兩部分組成，即除霜風(fēng)道和空調(diào)系統(tǒng)。重點(diǎn)研究除霜風(fēng)道設(shè)計(jì)，既有基本的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，同時(shí)提出前擋風(fēng)玻璃風(fēng)速分布要求，并利用CFD仿真分析及整車(chē)除霜試驗(yàn)方法進(jìn)行驗(yàn)證。

除霜風(fēng)道；風(fēng)速分布；CFD仿真分析

0 前言

現(xiàn)代汽車(chē)設(shè)計(jì)基本要求有安全、節(jié)能、環(huán)保、舒適，而空調(diào)除霜、除霧既是汽車(chē)舒適性要求，也是車(chē)輛行駛安全性要求，因此國(guó)標(biāo)GB 11555對(duì)M1類(lèi)車(chē)輛除霜性能有強(qiáng)制性要求，要求在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，駕駛員視野區(qū)域內(nèi)除霜、除霧達(dá)到一定比例。除霜風(fēng)道是除霜系統(tǒng)的主要功能部件，其優(yōu)秀的設(shè)計(jì)至少包括結(jié)構(gòu)、材料，還有流體分析及虛擬仿真等領(lǐng)域知識(shí)。

1 除霜風(fēng)道概述

1.1 除霜風(fēng)道功能描述

除霜風(fēng)道主要功能是用于引流及分風(fēng)，用于連接空調(diào)HVAC除霜出風(fēng)口及擋風(fēng)玻璃，將HVAC除霜出風(fēng)按設(shè)計(jì)要求，合理分配至前窗、左右側(cè)窗擋風(fēng)玻璃，起到去除擋風(fēng)玻璃結(jié)霜、霧氣的作用。除霜風(fēng)道設(shè)計(jì)的合理性直接關(guān)系擋風(fēng)玻璃風(fēng)速分布合理性，對(duì)除霜性能有重要影響作用。

1.2 除霜風(fēng)道的組成結(jié)構(gòu)

除霜系統(tǒng)包括空調(diào)HVAC、除霜風(fēng)道、擋風(fēng)玻璃等，見(jiàn)圖1(a)。

常見(jiàn)的除霜風(fēng)道結(jié)構(gòu)包括主除霜風(fēng)道、左右側(cè)除霜風(fēng)道、風(fēng)口格柵、導(dǎo)風(fēng)板,見(jiàn)圖1(b)。

1.3 除霜風(fēng)道材料及工藝

除霜主風(fēng)道一般采用注塑工藝制成，采用PP材料以一定比例的滑石粉作為填充物，如PP-TD20，產(chǎn)品精度可以達(dá)到±0.1 mm。左右側(cè)窗引風(fēng)道采用吹塑工藝，主要采用PE材料，產(chǎn)品的精度一般在±0.5 mm。

2 除霜風(fēng)道設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)除霜風(fēng)道時(shí)，風(fēng)道的布置位置以及開(kāi)口大小、出風(fēng)方向、管道走向等都對(duì)整體的除霜效果有很大影響，但最核心的是要確保從除霜風(fēng)道吹出的氣流吹到正確的位置，并能沿著風(fēng)窗玻璃往上流動(dòng)，盡可能避免風(fēng)在玻璃上出現(xiàn)分散、反彈、缺流現(xiàn)象，影響除霜效果。

一般的汽車(chē)除霜出風(fēng)口在整車(chē)的布置形式為：主除霜出風(fēng)口布置在儀表板的前端，靠近前擋玻璃的位置；側(cè)出風(fēng)口布置在儀表板的兩側(cè)，靠近車(chē)門(mén)玻璃位置。

2.1 主除霜風(fēng)道設(shè)計(jì)

2.1.1 主除霜風(fēng)道主體設(shè)計(jì)

(1)首先需要確定除霜風(fēng)道氣流方向和風(fēng)道玻璃的交點(diǎn)，即燃燒點(diǎn)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)：前除霜的燃燒點(diǎn)要求位于前擋玻璃的B區(qū)下沿，不高于A區(qū)下沿(A區(qū)和B區(qū)指GB 11555所述視野區(qū)域)。一般商用車(chē)由于玻璃傾角大于乘用車(chē)，因此，設(shè)計(jì)的燃燒點(diǎn)往往低于乘用車(chē)；

(2)根據(jù)除霜燃燒點(diǎn)，在Y0的平面上，作一條通過(guò)燃燒點(diǎn)與前擋玻璃成一定角度的線(xiàn)，這條直線(xiàn)的方向即是除霜?dú)饬鞯闹鞔碉L(fēng)方向，這條線(xiàn)決定了除霜風(fēng)口開(kāi)口的位置。前除霜在Y0斷面上示意圖見(jiàn)圖2。

(3)從后視圖方向看，將前擋風(fēng)玻璃黑邊內(nèi)的區(qū)域沿著Z軸4等分，下1/4處的點(diǎn)為前除霜區(qū)域的邊界點(diǎn)(目標(biāo)點(diǎn))，此點(diǎn)與HVAC除霜出口邊緣處的連線(xiàn)即為除霜主風(fēng)道的內(nèi)壁表面。

2.1.2 主除霜風(fēng)口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)主除霜風(fēng)口格柵可分為多段，每段長(zhǎng)度為350～400 mm，根據(jù)車(chē)身寬度，一般乘用車(chē)分為兩段，商用車(chē)也有三段以上，但總的有效面積至少要求達(dá)到10 000 mm2；

(2)主除霜風(fēng)口的噴口寬度(X方向)保證一定寬度，一般為10～13 mm；

(3)風(fēng)道本體在與風(fēng)口格柵搭接時(shí)，風(fēng)道應(yīng)該比較平直，并沿著主吹風(fēng)方向保持一定長(zhǎng)度，推薦不小于40 mm；

(4)除霜格柵中心與儀表臺(tái)前段(或玻璃)的水平距離(X方向)在40～100 mm之間，太近容易使氣流被壓迫，太遠(yuǎn)氣流發(fā)散，流速達(dá)不到設(shè)計(jì)要求；

(5)除霜的格柵葉片角度要考慮讓氣流遍布整個(gè)前擋玻璃，避免缺流，可以參考圖3中垂線(xiàn)(Z向)方向來(lái)布置葉片的角度，格柵葉片間距一致，寬度(15±2.5) mm，格柵葉片厚度不大于2 mm。

2.2 側(cè)除霜風(fēng)道設(shè)計(jì)

(1)側(cè)除霜的燃燒點(diǎn)則位于外后視鏡在側(cè)風(fēng)玻璃上的可視區(qū)域的前輪廓上。

(2)連接燃燒點(diǎn)和側(cè)除霜風(fēng)口中心點(diǎn)的連線(xiàn)，即為側(cè)除霜風(fēng)口的主吹風(fēng)方向。

(3)以造型給定的側(cè)除霜風(fēng)口的外邊緣為開(kāi)始，以側(cè)除霜風(fēng)口的主吹風(fēng)方向?yàn)檩S線(xiàn)，向外產(chǎn)生一定角度的錐面，一直延到側(cè)風(fēng)玻璃上，中間不能有任何物品阻擋。

(4)側(cè)除霜出風(fēng)口的有效面積(儀表板表面的側(cè)除霜風(fēng)口面積在主吹風(fēng)方向上的投影面積再減去除霜格柵在主吹風(fēng)方向投影面積之后的面積)一般為675～900 mm2。

(5)側(cè)風(fēng)口格柵與風(fēng)道搭接處，要求風(fēng)道平直，并沿著主吹風(fēng)方向保持一定長(zhǎng)度，推薦不小于40 mm。格柵葉片的間距為4～12 mm，同時(shí)為防止此處掉入異物，在滿(mǎn)足要求的狀態(tài)下，部分車(chē)型可考慮將格柵做成網(wǎng)狀狀態(tài)。

側(cè)窗風(fēng)口設(shè)計(jì)示意圖見(jiàn)圖4。

2.3 除霜風(fēng)道固定及接口設(shè)計(jì)

除霜風(fēng)道通過(guò)熱熔焊接或螺釘連接方式固定在儀表板本體上。通過(guò)焊接方式固定在儀表板上的風(fēng)道，有利于提高儀表板整體的剛度，但質(zhì)量和成本會(huì)有所提高。

風(fēng)道與HVAC風(fēng)口搭接設(shè)計(jì)有插入配合、間隙配合兩種，推薦間隙配合方式(見(jiàn)圖5)，有利于降低部件精度要求及裝配難度，設(shè)計(jì)間隙為5 mm，風(fēng)道口增加10 mm×10 mm海綿，消除間隙。

3 除霜風(fēng)道仿真分析

隨著汽車(chē)仿真技術(shù)的發(fā)展，對(duì)除霜風(fēng)道的設(shè)計(jì)是否滿(mǎn)足要求的評(píng)價(jià)，除了整車(chē)上的實(shí)物驗(yàn)證外，還可以通過(guò)三維CFD仿真分析手段，在風(fēng)道模具開(kāi)發(fā)前，進(jìn)行零部件狀態(tài)設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

3.1 仿真模型建立與結(jié)果輸出

除霜風(fēng)道三維仿真分析輸入條件為：網(wǎng)格化的數(shù)模模型(圖6)，HVAC出口風(fēng)量、風(fēng)速(即風(fēng)道入口)， HVAC內(nèi)部風(fēng)阻。利用三維分析軟件可以輸出玻璃表面的風(fēng)速分布及流線(xiàn)圖，可以直觀判斷風(fēng)速大小及渦流情況、風(fēng)道設(shè)計(jì)的符合性。其中，風(fēng)速分布圖如圖7所示，流線(xiàn)分析圖如圖8所示。

3.2 仿真分析結(jié)果評(píng)價(jià)

表1 視野區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速要求

對(duì)于上述仿真分析輸出結(jié)果還需要建立一個(gè)合理的評(píng)價(jià)規(guī)范，如表1是視野區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速要求，擋風(fēng)玻璃的流線(xiàn)分析則要求無(wú)紊亂渦流及缺流現(xiàn)象(數(shù)據(jù)來(lái)源國(guó)內(nèi)優(yōu)秀設(shè)計(jì)公司的經(jīng)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn))。

4 整車(chē)風(fēng)速分布測(cè)試

整車(chē)測(cè)試受到部件制造精度、仿真網(wǎng)格劃分、風(fēng)量試驗(yàn)等差異影響，仿真分析結(jié)果與實(shí)際測(cè)試肯定存在不一致的情況，兩者差異量在10%～15%。某車(chē)型實(shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)值分布見(jiàn)圖9。

5 總結(jié)

除霜風(fēng)道的設(shè)計(jì)，需要的知識(shí)較多，既與內(nèi)飾相關(guān)，也涉及空調(diào)電器，優(yōu)秀的設(shè)計(jì)還應(yīng)該有一定水平的CFD分析能力。設(shè)計(jì)人員應(yīng)該在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，轉(zhuǎn)化為規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)加以應(yīng)用。

【1】曹渡.汽車(chē)內(nèi)外飾設(shè)計(jì)與實(shí)戰(zhàn)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011:203.

【2】許鴻德.未來(lái)汽車(chē)儀表板設(shè)計(jì)趨勢(shì)[J].輕型汽車(chē)技術(shù)，2009(4)：36-37.

【3】全國(guó)汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB 11555汽車(chē)風(fēng)窗玻璃除霜和除霧系統(tǒng)的性能和實(shí)驗(yàn)方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

【4】全國(guó)汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB 11562汽車(chē)駕駛員前方視野要求及測(cè)量方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

【5】朱娟娟，蘇秀平，陳江平.汽車(chē)空調(diào)除霜風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J].汽車(chē)工程，2004,26(6):749-749.

【6】王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004:124.

AnalysisofAutomobileAirConditionerDefrostingDuctDesign

ZHONG Ling

(Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd.,Hefei Anhui 230601,China)

Defrosting (and demisting) is one of the three major functions of the air conditioning system, loss of function may affect the vehicle driving safety. Defrosting system consists of two parts, namely the defrosting duct, air conditioning system. The defrosting duct design was focused on, including the requirements of basic structural design. The windshield glass wind speed distribution requirements were put forward at the same time. CFD simulation analysis and the vehicle defrosting test were made to verify the distribution requirements.

Defrosting duct; Wind speed distribution; CFD simulation analysis

2014-12-31

鐘凌(1983—)，男，工學(xué)學(xué)士，工程師，主要研究方向是汽車(chē)空調(diào)。E-mail：lingyunfei.128@163.com。