某重型車駕駛室采暖系統(tǒng)熱負(fù)荷計算

閆博，孫鵬，張光宇

（陜西汽車集團汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

某重型車駕駛室采暖系統(tǒng)熱負(fù)荷計算

閆博，孫鵬，張光宇

（陜西汽車集團汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

為了實現(xiàn)駕駛室采暖系統(tǒng)的精益設(shè)計，提高設(shè)計質(zhì)量，必須進行駕駛室熱負(fù)荷理論計算。通過對駕駛室熱負(fù)荷理論計算得出駕駛室需求熱量，以便對供暖設(shè)備的設(shè)計，以滿足駕駛室供暖系統(tǒng)需求。文章以重型車駕駛室為例，進行采暖系統(tǒng)熱負(fù)荷計算，供廣大設(shè)計工作者參考。

熱負(fù)荷；采暖系統(tǒng)；設(shè)定工況；需求熱量

CLC NO.: U463.8 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)02-62-03

前言

汽車采暖系統(tǒng)是汽車冬季運行時供車內(nèi)采暖的設(shè)備總稱，通過將車外新鮮空氣或者液體介質(zhì)送入熱交換器，吸收其中某種熱源的熱量，從而提高空氣或者液體介質(zhì)的溫度，并將熱空氣或被加熱的液體送入車內(nèi)，直接或間接地供車內(nèi)人員取暖、車窗玻璃除霜，從而達到舒適性的要求。為了實現(xiàn)駕駛室采暖系統(tǒng)的精益設(shè)計，提高設(shè)計質(zhì)量，必須進行車身熱負(fù)荷理論計算。從能量方面對其滿足采暖性能的邊界條件進行了理論分析。針對分析結(jié)果，對該重型車采暖系統(tǒng)進行了優(yōu)化，最后通過環(huán)境艙采暖試驗，驗證和優(yōu)化方案。

1、駕駛室采暖需求熱量分析計算

1.1 設(shè)定工況

為了保證車輛所裝配的采暖系統(tǒng)在給定的氣候條件下能正常工作，并滿足使用要求，在選型時應(yīng)設(shè)定采暖系統(tǒng)在極限環(huán)境條件下工作，設(shè)定以下條件：

（1）室外溫度為-41℃、室內(nèi)溫度為15℃；（2）車速為22.5m/s（81km/h）；（3）室內(nèi)空氣流速為1.5m/s；（4）不考慮太陽輻射熱。

1.2 駕駛室采暖需求熱量

汽車冬季采暖耗熱量主要由以下幾部分構(gòu)成：

式中：QH——總耗熱量，W；

Qa——車身圍護結(jié)構(gòu)耗熱量，W；

Qb——冷空氣滲透耗熱量，W；

Qm——車內(nèi)乘員散熱量，W；

Qn——通風(fēng)換氣熱損失和前風(fēng)窗除霜耗熱量，W。

1.2.1 維持車身結(jié)構(gòu)散熱量Qa

維護車身結(jié)構(gòu)耗熱量Qa主要由以下4部分組成，即

式中： K車頂為車身頂部導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m2·K）；A車頂車身頂部導(dǎo)熱面積，m2； K玻璃為玻璃門、窗導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m2·K）；A玻璃為玻璃門、窗導(dǎo)熱面積，m2； K四周為車身側(cè)部導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m2·K）；A四周車身側(cè)部導(dǎo)熱面積，m2；K地板為車內(nèi)地板導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m2·K）；A地板為車內(nèi)地板導(dǎo)熱面積，m2；ΔT為車內(nèi)外空氣溫差，℃。

駕駛室由外板、隔熱層、內(nèi)飾板組成，各部位車內(nèi)飾的導(dǎo)熱系數(shù)Kt可用下式計算：

式中：δi為車身結(jié)構(gòu)各部分材料厚度，mm；λi為車身結(jié)構(gòu)各部分材料換熱系數(shù)，w／(m2·℃)；αw為為汽車車體外表面與室外空氣的對流換熱系數(shù)，W/m2·K；αn為汽車車體內(nèi)表面與室內(nèi)空氣的對流換熱系數(shù)，W/m2·K。

式中：αw可通過式（8）可得：

式中Vw為汽車行駛速度，單位為m/s，這里取Vw=22.5m/s。

式中：αn可通過式（9）可得：

式中Vn為車室內(nèi)風(fēng)速，單位為m/s，這里取Vn=1.5m/s。

車頂由外板（鋼板）、隔熱層（芳綸纖維）、內(nèi)飾（玻璃纖維）構(gòu)成，相關(guān)材料厚度及導(dǎo)熱系數(shù)可見表1，車身內(nèi)外表面與空氣的對流換熱系數(shù)αw，αn帶入公式（7）計算可得：

玻璃相關(guān)材料厚度及導(dǎo)熱系數(shù)可見表1，車身內(nèi)外表面與空氣的對流換熱系數(shù)αw，αn帶入公式（7）計算可得：

四周由外板（鋼板）、隔熱層（芳綸纖維）、內(nèi)飾（玻璃纖維）構(gòu)成，相關(guān)材料厚度及導(dǎo)熱系數(shù)可見表1，車身內(nèi)外表面與空氣的對流換熱系數(shù)αw，αn帶入公式（7）計算可得：

地板由外板（鋼板）、隔熱層（瀝青阻尼板）、地板墊（地板革）構(gòu)成，相關(guān)材料厚度及導(dǎo)熱系數(shù)可見表1，車身內(nèi)外表面與空氣的對流換熱系數(shù)αw，αn帶入公式（7）計算可得：

車身頂部面積為3.368 m2，ΔT=56℃。由公式（3）可得：

玻璃門、窗面積為1.548 m2，ΔT=56℃。由公式（4）可得：

車身四周面積為7.394 m2，ΔT=56℃。由公式（5）可得：

車內(nèi)地板面積為5.909 m2。ΔT=56℃。由公式（6）可得：

結(jié)合公式（2）計算可得：

表1 車身材料、厚度及導(dǎo)熱系數(shù)

1.2.2 冷空氣滲透耗熱量Qb

Qb為冷空氣滲透耗熱量，W；M為漏風(fēng)量，kg/h；Cp為空氣比熱容，約為1.005KJ/(kg·℃)；t2、t1分別為車內(nèi)外的溫度，℃。其中通過縫隙進入車內(nèi)的通風(fēng)量M為：

其中，a′為與縫隙有關(guān)的系數(shù)，車門處取2，玻璃門處取0.65。m1為通過每米縫隙長的空氣滲漏量，kg/h，此值與風(fēng)速有關(guān)：當(dāng)風(fēng)速大于2.56m/s時，取15～30 kg/（m·h）；當(dāng)風(fēng)速小于2.56m/s時，取3～15 kg/（m·h）；L為縫隙長度0.35m。

由于車玻璃均固定密封，所以只考慮車門處冷空氣滲透耗熱量，a′=2；風(fēng)速取小于2.56m/s。

由公式（11）計算可得：

由公式（10）計算可得：

1.2.3 車內(nèi)乘員散熱量Qm

若以四個成年男子計算，車內(nèi)成員散熱量為：

式中：Qs——駕駛員人體散熱量（一般取145W）；

q——乘員人體散熱量（一般取116W）；

p——成員個數(shù)，取n＝4；

p′——集群系數(shù)，取為0.89。

1.2.4 通風(fēng)換氣熱損失和前風(fēng)窗玻璃除霜Qn

車內(nèi)乘員數(shù)取n=4，人均對新鮮空氣的需求量為25 m3/h。則車內(nèi)乘員新鮮空氣的需求量和駕駛室前風(fēng)窗玻璃除霜需要空氣流量共為100m3/h。

式中：Gf——新鮮空氣的總需求量，100m3/h；

ρa——車內(nèi)空氣密度，取為1.29kg/ m3；

Ca——空氣比熱，取為1.005KJ/kg·K；

ΔT——室內(nèi)外溫差為56℃。

2、駕駛室采暖需求熱量分析結(jié)論

經(jīng)以上計算與分析某重型車車輛駕駛室的需求熱量根據(jù)公式（1）可得：

由于在實際應(yīng)用時汽車采暖系統(tǒng)還會受到車內(nèi)電氣設(shè)備散熱量、車身縫隙傳出熱量、車體溫升消耗熱量和車內(nèi)設(shè)備、人體衣著、座椅等部件溫升消耗熱量的影響，且用戶要求在30min內(nèi)駕駛室溫度要從-41℃升到+15℃以上，同時為保證使用壽命應(yīng)盡量避免加熱器長時間滿負(fù)荷工作。所以在實際選型時應(yīng)乘以一個修正系數(shù)α＇，這里α＇取為1.25。

則理論需要加熱器熱輸出量為：

綜上所述，實際供暖系統(tǒng)可按供暖設(shè)備產(chǎn)品系列圓整值設(shè)計或選擇。樣車選用熱量為12000W的供暖設(shè)備。

[1] 《汽車車身設(shè)計》第一版，主編 郭竹亭。吉林科學(xué)技術(shù)出版社，1994.12。

[2] GB/T 12782-2007 汽車采暖性能要求和試驗方法。

從表2與表3的試驗數(shù)據(jù)對比可以看出，在有意設(shè)計兩種狀態(tài)的兩副軸相對偏轉(zhuǎn)角度狀態(tài)下，兩副軸檔位齒輪相對偏轉(zhuǎn)角度越大時，兩副軸齒輪分擔(dān)的扭矩差異越大，可到30%、70%；兩副軸檔位齒輪相對偏轉(zhuǎn)角度越小時，兩副軸齒輪分擔(dān)的扭矩差異越小，越接近各50%、50%，表二、表三數(shù)據(jù)表對應(yīng)的柱狀曲線圖也表明了這一點。

3、結(jié)論

通過本次試驗可知，兩副軸檔位齒輪相對偏轉(zhuǎn)角度越大，兩副軸齒輪分擔(dān)的扭矩差異越大，在現(xiàn)有試驗狀態(tài)下可達到30%、70%；兩副軸檔位齒輪相對偏轉(zhuǎn)角度越小，兩副軸齒輪分擔(dān)的扭矩差異越小，越接近各50%、50%。因此，雙副軸對齒工藝的意義就在于保證兩副軸各齒輪的相對偏轉(zhuǎn)角足夠小。

4、建議

為確保該HW1500系雙副軸變速箱的整體齒輪壽命，即確保兩副軸承擔(dān)扭矩向各占50%靠近，作者建議以下幾點：

（1）副軸上鍵槽與鍵的配合盡量為過盈配合，以減小偏轉(zhuǎn)角；

（2）齒輪鍵槽與鍵的配合也盡量減小間隙，以減小偏轉(zhuǎn)角；

（3）提高各相關(guān)零件的位置精度。

參考文獻

[1] 葉子郁. 變速器進入大扭矩輕量化并行時代—國內(nèi)重型汽車變速器發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J]. 物流技術(shù)與應(yīng)用(貨運車輛)，2010(05).

[2] 崔振華. 雙中間軸變速箱的典型結(jié)構(gòu)與常見故障及排除[J]. 硅谷. 2010(16).

The Calculations of Heat Load on Certain Heavy Vehicle Cab's Heating System

Yan Bo, Sun Peng, Zhang Guangyu
（Shaanxi Automobile Group Automotive Engineering Research Institute, Shaanxi Xi'an 710200）

In order to achieve lean design of the cab heating system, and to improve design quality, theoretical calculations of cab heat load must be carried out to calculate the cab heating demand and design heating equipment, so as to satisfy cab heating system demand. For instance of heavy vehicles cab, the paper calculate heat load of heating system for the majority of workers in the reference design.

heat load；heating system；set conditions；heat needs

U463.8

A

1671-7988(2015)02-62-03

閆博，就職于陜西汽車集團汽車工程研究院。