汽車前除霜風(fēng)道設(shè)計及其有限元分析

游 瀚

汽車前除霜風(fēng)道設(shè)計及其有限元分析

游 瀚

（江西五十鈴有限公司 產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)中心，江西 南昌 330001）

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，汽車空調(diào)系統(tǒng)作為汽車安全性和舒適性的重要總成之一，其除霜除霧性能對汽車行駛安全性起著至關(guān)重要的作用，必須滿足國家強制性法規(guī)要求，而汽車前除霜、除霧風(fēng)道設(shè)計得好壞直接影響汽車除霜除霧系統(tǒng)的性能。文章從汽車前除霜風(fēng)道的布置、材料的選擇、制作工藝方法以及與儀表板的匹配關(guān)系等方面闡述了汽車前除霜風(fēng)道的設(shè)計，目的在于為后續(xù)車型開發(fā)提供相應(yīng)的參考。并利用有限元分析軟件HyperMesh和Fluent對某一皮卡車型前除霜風(fēng)道進行計算流體動力學(xué)（CFD）分析，結(jié)果表明，在前擋玻璃區(qū)，'區(qū)和區(qū)的除霜百分比滿足本公司規(guī)范要求，避免因前除霜風(fēng)道設(shè)計不合理導(dǎo)致汽車滿足不了屬性要求。

供熱通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)；除霜除霧；制造工藝；前除霜風(fēng)道

隨著汽車市場的不斷發(fā)展與成熟，人們對汽車舒適性、安全性的要求越來越高，汽車空調(diào)的除霜性能不但直接影響汽車的舒適性[1]，更對汽車行駛安全性能有影響。因此，汽車駕駛艙內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)越來越受到重視，其中前除霜風(fēng)道的設(shè)計直接影響車內(nèi)氣流的分配、走向及噪聲。本文介紹了前除霜風(fēng)道的布置要求，材料選擇以及與儀表板的匹配關(guān)系等設(shè)計要點，并利用有限元方法對其進行計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics, CFD）仿真分析，并結(jié)合本公司的標(biāo)準(zhǔn)，驗證了某皮卡前除霜風(fēng)道設(shè)計的合理性，為后續(xù)車型的研發(fā)提供了一定的參考。

1 前除霜風(fēng)道方案設(shè)計

1.1 前除霜風(fēng)道的布置

前除霜風(fēng)道主要作用是把經(jīng)過暖風(fēng)芯加熱后的空氣，引導(dǎo)到儀表板除霜出風(fēng)口，溶化前擋風(fēng)玻璃內(nèi)外表面以及側(cè)玻璃的霧和霜，使其恢復(fù)清晰視野，保證駕駛的安全性。根據(jù)《汽車風(fēng)窗玻璃除霜和除霧系統(tǒng)的性能和試驗方法》（GB11555—2009），每輛車輛需裝備有除霜除霧系統(tǒng)，能夠確保在寒冷或潮濕天氣條件下恢復(fù)風(fēng)窗玻璃的能見度[2]，且應(yīng)滿足以下要求：

1）試驗開始后20 min，區(qū)域有80%已完成除霜；

2）試驗開始后25 min，'區(qū)域有80%已完成除霜；

3）試驗開始后40 min，區(qū)域有95%已完成除霜。

要滿足以上要求，前除霜風(fēng)道開口的布置應(yīng)滿足以下要求（見圖1）：

1）前除霜風(fēng)道開口尺寸一般為18～40 mm；

2）前除霜風(fēng)道開口中心到前擋玻璃水平距離一般為60～80 mm；

3）前除霜風(fēng)道開口中心線與前擋玻璃夾角一般在25～60°之間，本公司優(yōu)選 16～30°；

4）氣流在前風(fēng)擋玻璃上的沖擊點中心一般要求在A區(qū)底部的±10 mm；

5）前除霜風(fēng)管需要35 mm長的直段，便于導(dǎo)風(fēng)。

圖1 前除霜風(fēng)道布置要求

1.2 前除霜風(fēng)道材料選擇及設(shè)計原則

前除霜風(fēng)道包括中央除霜風(fēng)道、左除霜風(fēng)道、右除霜風(fēng)道三部分。前除霜風(fēng)道材料應(yīng)選擇具有良好的耐熱性和耐寒性，化學(xué)穩(wěn)定性好，剛性和韌性較高，機械強度好的材料。中央除霜風(fēng)道一般采用注塑工藝制成，注塑零件主要采用聚丙烯（PolyPropylene, PP）材料，以一定比例的滑石粉作為填充物[3]，如PP-TD20，PP-TD10，料厚一般為2～2.5 mm。側(cè)除霜風(fēng)道材料可采用HDPE，厚度1～1.5 mm，采用吹塑成型工藝，其與前除霜風(fēng)道一般采用對接連接，對接時中間加海綿密封。

風(fēng)道設(shè)計原則需滿足如下要求：

1）風(fēng)道的腔體形狀應(yīng)盡量保證光順，截面面積的變化盡可能的小，避免突然轉(zhuǎn)折而產(chǎn)生渦流和紊流，減少空氣流動所引起的噪音；

2）風(fēng)道的入口截面積應(yīng)等于空調(diào)的出口截面積；

3）由于受儀表板空間布置限制，通常前除霜風(fēng)道和周邊零件的最小間隙為6 mm，在間隙小的地方需增加毛氈或者海綿，減少在行車過程中由于車體振動，前除霜風(fēng)道和周圍的零件碰撞產(chǎn)生噪音；

4）前除霜風(fēng)道在設(shè)計時，其拔模方向應(yīng)盡量保證在平面內(nèi)，分型線一般選取風(fēng)道的最大輪廓線；拔模方向確定后，產(chǎn)品的加強筋、卡扣、螺釘boss柱等結(jié)構(gòu)盡可能設(shè)計成與開模方向一致，以避免抽芯，延長模具壽命，減少生產(chǎn)成本。風(fēng)道光滑表面的脫模斜度應(yīng)大于3°，局部可以減小到1°。前除霜風(fēng)道結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 前除霜風(fēng)道

1.3 前除霜風(fēng)道與儀表板匹配關(guān)系

前除霜風(fēng)道與儀表板一般通過振動摩擦焊連成一體，形成封閉的風(fēng)道，根據(jù)本公司的規(guī)范，除霜風(fēng)道出風(fēng)口在向的尺寸建議在800～ 900 mm之間。振動摩擦焊是將熔接工件，在加壓狀態(tài)下相互摩擦，能量沿熔接口部位傳導(dǎo)生熱而熔化繼而在保壓下冷卻固化，其接口強度相當(dāng)于本體強度，適合焊接不規(guī)則，形狀復(fù)雜以及大型的零件。焊接筋一般向布置，且布置在前除霜風(fēng)道上，焊接筋高度一般為1.5～2.0 mm，焊接深度一般為0.8～1.0 mm。為保證良好的外觀，前除霜風(fēng)道與儀表板本體的面差A(yù)一般為0.5～1.0 mm，且前除霜風(fēng)道低于儀表板本體，如圖3所示。風(fēng)道一般是和儀表板本體裝配完成后一起裝到車身上的，前除霜風(fēng)道上一般布置有定位銷，中間定位銷作為儀表板總成與車身連接的主定位，兩側(cè)各有一個定位銷作為副定位，控制方向。

圖3 前除霜風(fēng)道與儀表板的匹配關(guān)系

2 CFD仿真分析

除霜風(fēng)道應(yīng)對于除霜的風(fēng)量進行合理有效的分配：50%～55%傳遞給駕駛員側(cè)，45%～50%傳遞給副駕駛側(cè)[4]，因此，除霜風(fēng)道的設(shè)計需進行CFD仿真分析，需滿足以下要求：

出風(fēng)口的流量分配滿足要求：氣流吹在整個擋風(fēng)玻璃和側(cè)窗玻璃的內(nèi)表面，并保證大部分氣流不會從玻璃上脫落；氣流必須具有足夠的動量，能繼續(xù)吹到擋風(fēng)玻璃的上邊緣。

有限元模型的建立：將三維軟件搭建好的模型（包含前除霜風(fēng)道、供熱通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)（Hea- ting, Ventilation and Air Conditioning, HVAC）總成、前擋玻璃、側(cè)窗玻璃、車身等）導(dǎo)入到Hyper- Mesh有限元軟件中，有限元分析模型如圖4所示，并進行網(wǎng)格劃分，本次分析關(guān)注重點為空調(diào)箱、除霜風(fēng)道以及擋風(fēng)玻璃表面的流動情況，因此，將空調(diào) HVAC總成、除霜風(fēng)道以及關(guān)鍵視野區(qū)域處的玻璃表面網(wǎng)格進行加密處理，單元尺寸3 mm，其余區(qū)域的面網(wǎng)格尺寸可以適當(dāng)加大，以減少網(wǎng)格總數(shù)，提高計算效率[5]。單元類型為四面體網(wǎng)格，整個有限元模型共有1 484 462個單元。

圖4 有限元分析模型

表1為此次CFD分析的邊界條件，從圖5和圖6，并結(jié)合表2本公司的合格判斷標(biāo)準(zhǔn)來看，此皮卡車型的前除霜風(fēng)道CFD分析結(jié)果滿足要求。

表1 邊界條件設(shè)定

序號內(nèi)容設(shè)置 1計算模型K-Epsilon Turbulence 2壁面處理方式Two-Layer Ally+Wall Treatment 3入口邊界條件進口流量：450 m3/h 4出口邊界條件壓力出口：靜壓0 Pa 5空氣物性參數(shù)空氣密度：1.225 kg/m3 空氣粘度：1.85508E-5 Pa-s

表2 有限元分析結(jié)果

視野區(qū)除霜百分比目標(biāo) 風(fēng)擋A區(qū)>2 m/s97.4%≥97% 風(fēng)擋A'區(qū)>2 m/s97.5% 風(fēng)擋B區(qū)>1.5 m/s97%

圖5 前擋風(fēng)玻璃表面附近速度分布云圖

圖6 前擋風(fēng)玻璃處速度跡線分布圖

3 結(jié)論

1）本文介紹了汽車前除霜風(fēng)道的設(shè)計要點，如前除霜風(fēng)道的布置要求、材料選擇、制作工藝以及與儀表板的匹配關(guān)系，對后續(xù)車型前除霜風(fēng)道的設(shè)計具有一定的參考。

2）前除霜風(fēng)道設(shè)計得好壞直接影響其除霜性能，因此，本文利用HyperMesh和Fluent有限元分析軟件對某一皮卡車型的前除霜風(fēng)道進行CFD分析，分析結(jié)果表明，在前擋玻璃區(qū)，'區(qū)以及區(qū)的除霜性能分別為97.4%，97.5%以及97%，滿足本公司標(biāo)準(zhǔn)除霜百分比不小于97%的要求，驗證了此除霜風(fēng)道設(shè)計是合理的。

[1] 李偉.基于CFD分析的某車型空調(diào)除霜風(fēng)道優(yōu)化設(shè)計[J].汽車零部件,2016(6):32-35.

[2] 李朔.儀表板除霜風(fēng)道設(shè)計[J].機械,2017,44(10):51- 54.

[3] 陳其亮,姜建.一種新型儀表板前除霜風(fēng)道結(jié)構(gòu)探討[J].汽車零部件,2019(1):43-45.

[4] 張釗,李鑫,李玉珠.汽車空調(diào)除霜風(fēng)管內(nèi)部優(yōu)化設(shè)計及驗證[J].機械設(shè)計與制造工程,2022(4):107-109.

[5] 詹佳,趙福全,鄭海,等.汽車空調(diào)除霜性能分析[C]//第六屆中國CAE工程分析技術(shù)年會論文集.北京:中國機械工程學(xué)會機械工業(yè)自動化分會,2010:13-16.

Design and Finite Element Analysis of Automobile front Defrosting Air Duct

YOU Han

( Product Development Technology Center, Jiangxi Isuzu Motors Company Limited, Nanchang 330001, China )

With the development of automobile industry, as one of the important assemblies of automobile safety and comfort, the defrosting and defogging performance of automobile air conditioning system plays an important role in automobile driving safety, which must meet the national mandatory regulations. Whether the design of automobile front defrosting air duct is reasonable directly affects the performance of automobile defrosting and defogging system. This paper introduces the design of the front defrosting air duct from the aspects of the layout of the front defrosting air duct, the selection of materials, the manufacturing process and the matching relationship with the instrument panel, in order to provide corresponding reference for the subsequent model development. The finite element analysis software HyperMesh and Fluent are used to conduct computational fluid dynamics(CFD) analysis on the front defrosting air duct. The results show that the defrosting percentages in area,'andof the front windshield meet the requirements of the company's specifications, so as to avoid the failure of the vehicle to meet the attribute requirements due to the unreasonable design of the front defrosting air duct.

HVAC;Defrosting and defogging; Manufacturing process;Front defrosting air duct

U462

A

1671-7988(2023)11-91-04

游瀚（1990－），男，工程師，研究方向為底盤系統(tǒng)開發(fā)，E-mail:you.han@jiangxi-isuzu.cn。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.011.016