韓雪，張鑫杰，夏攀

重型卡車門護(hù)板除霜風(fēng)道設(shè)計及優(yōu)化

韓雪，張鑫杰，夏攀

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對卡車舒適性、可靠性和安全性等方面的要求越來越高。除霜效果的好壞，直接影響著卡車的舒適性和安全性。針對某款車型門護(hù)板和邊界結(jié)構(gòu)，設(shè)計了注塑成型的門護(hù)板除霜風(fēng)道。通過CFD分析驗證除霜效果，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化。為后續(xù)門護(hù)板除霜風(fēng)道的設(shè)計提供了思路和理論依據(jù)。

側(cè)除霜；風(fēng)道；結(jié)構(gòu)；CFD分析

引言

冬天和陰雨天車外溫度較低的情況下，汽車內(nèi)人員的散熱及呼氣量會使汽車內(nèi)部溫度升高，汽車內(nèi)外溫差加大，造成風(fēng)窗玻璃在車速及冷風(fēng)的影響下開始結(jié)霜。這種情況下，如果除霜系統(tǒng)性能不好，玻璃就會成為盲區(qū)，影響駕駛員視野，對汽車行車安全造成危害。因此，車輛除霜性能是內(nèi)飾件設(shè)計過程中需要著重考慮的問題。

1 除霜風(fēng)道概述

1.1 除霜原理

由除霜風(fēng)道吹出的氣流在汽車玻璃內(nèi)表面形成一道熱風(fēng)幕。其作用是將車內(nèi)的空氣與玻璃隔開，并通過對流以及輻射向玻璃內(nèi)表面散熱，使玻璃的內(nèi)表面溫度升高，從而除去風(fēng)窗上形成的霜。

1.2 除霜風(fēng)道的基本結(jié)構(gòu)

常見的重型卡車的除霜風(fēng)道一般都由前除霜風(fēng)道、側(cè)除霜風(fēng)道、導(dǎo)風(fēng)板、出風(fēng)口格柵等組成。見圖1所示。

1.3 除霜風(fēng)道常見結(jié)構(gòu)及工藝

常規(guī)情況下，除霜風(fēng)道一般用PE吹塑而成，這種結(jié)構(gòu)的風(fēng)道體積小，模具簡單、成型快、密封性好。特殊情況下，當(dāng)受門護(hù)板造型和車門鈑金結(jié)構(gòu)限制，留給除霜風(fēng)道的空間有限，無法布置吹塑風(fēng)道時，也可采用PP材料添加一定比例的滑石粉注塑成型，與門護(hù)板扣到一起，形成一個封閉的腔體。

圖1 除霜風(fēng)道結(jié)構(gòu)

2 側(cè)除霜風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 邊界條件

側(cè)除霜風(fēng)道布置于門護(hù)板和白車身車門鈑金之間，確保從前除霜風(fēng)道引流過來的氣流可以吹到側(cè)窗玻璃正確的位置，并沿著側(cè)窗玻璃向上流動，盡可能覆蓋視野區(qū)域。因此側(cè)除霜風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要考慮的邊界條件主要有白車身車門鈑金、門護(hù)板、側(cè)窗玻璃等。

2.2 除霜區(qū)域劃分

風(fēng)道設(shè)計之前，需要將駕駛室地板、座椅、儀表臺、側(cè)窗玻璃、后視鏡等數(shù)據(jù)搭建完整，由人機(jī)工程師確定駕駛員視野范圍，進(jìn)而得出側(cè)除霜區(qū)域。見圖2所示。

圖2 側(cè)除霜區(qū)域

2.3 風(fēng)道設(shè)計

收到門護(hù)板CAS面、白車身車門鈑金、車門進(jìn)風(fēng)口、側(cè)除霜區(qū)域等輸入條件以后，就可以開始風(fēng)道設(shè)計了。風(fēng)道設(shè)計時，要求走向盡量平滑，避免出現(xiàn)急劇收窄或者變大的結(jié)構(gòu)。截面形狀盡量規(guī)整，避免出現(xiàn)異形截面。

由于門護(hù)板與白車身車門內(nèi)鈑金之間Y向距離較小，而吹塑風(fēng)道需要一定的Y向尺寸為風(fēng)道走向變化提供空間。因此經(jīng)過分析，風(fēng)道結(jié)構(gòu)采用PP材料注塑而成，與門護(hù)板螺釘連接，形成空腔。氣流從車門進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入空腔，受導(dǎo)風(fēng)板和風(fēng)道壁的導(dǎo)向作用，從門護(hù)板出風(fēng)口吹到側(cè)窗玻璃的正確位置，達(dá)到除霜效果。初版除霜風(fēng)道見圖3所示。

圖3 初版風(fēng)道結(jié)構(gòu)

3 CFD仿真分析

傳統(tǒng)的除霜風(fēng)道設(shè)計主要依賴經(jīng)驗，該方法無法知道除霜風(fēng)道內(nèi)的空氣流動情況，使得除霜風(fēng)道的優(yōu)化過程沒有理論可以依照，必須通過試驗測量以后才可以知道優(yōu)化后風(fēng)道的除霜性能的好壞。所以傳統(tǒng)的除霜風(fēng)道設(shè)計方法不能為問題整改提供依據(jù)。甚至需要反復(fù)試制和測試，增加車輛開發(fā)成本，延長開發(fā)時間。而CFD分析能夠得到詳細(xì)的流場信息，不但可以驗證設(shè)計的合理性，也可以為改進(jìn)設(shè)計提供依據(jù)。能夠大大縮短開發(fā)時間，大幅降低開發(fā)成本。

3.1 輸入條件

參照重型卡車使用工況和以往實際試驗數(shù)據(jù)，進(jìn)行CFD仿真分析時，環(huán)境溫度設(shè)置為-18℃，入口流量為510m3/h，溫度曲線如圖4所示：

圖4 溫升曲線

風(fēng)量分配見表1所示：

表1 風(fēng)量分配表

除霜要求：

a:40min除去駕駛員側(cè)側(cè)窗A區(qū)的100%；

b:40min除去副駕駛員側(cè)側(cè)窗A區(qū)的100%。

3.2 分析結(jié)果

CFD分析結(jié)果顯示，角窗處出風(fēng)口平均風(fēng)速比后窗出風(fēng)口平均風(fēng)速高41%，風(fēng)速分析結(jié)果見圖5。

圖5 風(fēng)速分析結(jié)果

根據(jù)圖2可知，主駕的A、B區(qū)位于后窗，副駕的A、B區(qū)位于角窗。因此對于除霜結(jié)果最直接的影響，就是角窗實際風(fēng)量大于后窗，駕駛員A區(qū)和副駕駛C區(qū)的40分鐘除盡率分別為57.4%和60.1%,不滿足要求。除霜效果云圖見圖6所示。

圖6 除霜效果云圖

4 風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化

從CFD分析結(jié)果來看，角窗處出風(fēng)口的風(fēng)量比后窗大，根據(jù)劃分的視野區(qū)域來看，主駕的A、B區(qū)在后窗，副駕的A、B區(qū)在角窗。因此進(jìn)行風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化時，左、右風(fēng)道不能依照常規(guī)做成對稱件。主駕側(cè)風(fēng)道結(jié)構(gòu)要求后窗出風(fēng)量更大，副駕側(cè)風(fēng)道結(jié)構(gòu)要求角窗出風(fēng)量更大。

4.1 優(yōu)化方案

4.1.1主駕側(cè)風(fēng)道優(yōu)化方案

主駕側(cè)風(fēng)道優(yōu)化時，需要重新進(jìn)行風(fēng)量分配，將風(fēng)量更多的引到后窗去?？梢栽诮谴疤幵黾訉?dǎo)風(fēng)板，減少角窗流量分配。同時將后窗處風(fēng)道壁收窄，使氣流在此處的流向盡量直吹A(chǔ)、B區(qū)。同時，需要增大門護(hù)板上后窗出風(fēng)口的尺寸。優(yōu)化后的主駕側(cè)風(fēng)道見圖7。

圖7 優(yōu)化后的主駕側(cè)風(fēng)道

4.1.2副駕側(cè)風(fēng)道優(yōu)化方案

由于副駕的A、B區(qū)位于角窗，優(yōu)化前的風(fēng)道結(jié)構(gòu)角窗風(fēng)量大，已經(jīng)可以滿足副駕A、B區(qū)的除霜需求。因此副駕風(fēng)道不需要再增加隔板將風(fēng)量分配到后窗，只需要增加門護(hù)板后窗出風(fēng)口的尺寸，使后窗氣流能夠沿著后窗玻璃更多的向上流動，最大限度的覆蓋C區(qū)。

4.2 優(yōu)化結(jié)果及對比

對優(yōu)化后的左、右風(fēng)道重新進(jìn)行CFD分析，輸入條件相同。分析結(jié)果顯示，主副駕的氣流趨勢基本合理，基本可以覆蓋整個視野區(qū)。視野區(qū)的駕駛員A區(qū)的40min除盡率為100%，副駕駛C區(qū)的除盡率為74.3%。除霜效果比優(yōu)化前的結(jié)構(gòu)均有很大提升，滿足除霜要求。優(yōu)化前后的除霜效果對比見表2，除霜云圖見圖8。

表2 優(yōu)化前后的視野區(qū)40min除盡率對比

5 總結(jié)

文章針對門護(hù)板和白車身車門鈑金結(jié)構(gòu)的特殊性，摒棄傳統(tǒng)的吹塑結(jié)構(gòu)風(fēng)道，設(shè)計了一種利用注塑工藝成型的風(fēng)道。并對風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行CFD分析，針對分析結(jié)果，對風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，驗證了優(yōu)化效果。為后續(xù)門護(hù)板除霜風(fēng)道設(shè)計提供了思路和依據(jù)。

[1] 鐘凌.淺析汽車空調(diào)除霜風(fēng)道設(shè)計.[J]汽車零部件,2015年第3期.

[2] 李朔.儀表板除霜風(fēng)道設(shè)計.[J]機(jī)械,2017年第10期.

[3] 孫剛,徐海港.某車型除霜性能CFD優(yōu)化分析.[J]農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2016年第6期.

Design and Optimization of Defrosting Duct for Heavy Truck Door Guard

Han Xue, Zhang Xinjie, Xia Pan

（Automotive Engineering Research Institute, Shaanxi Heavy-duty Automobile Co., LTD, Shaanxi Xi'an 710200）

With the rapid development of social economy, people are demanding more and more on truck comfort, reliability and safety. Defrosting effect the quality of the truck directly affects the comfort and safety of the truck. According to the door guard plate and boundary structure of a certain vehicle model, an injection molded defrosting air duct for the door guard plate is designed. Through CFD analysis, the defrosting effect was verified and the air duct structure was optimized according to the analysis results. It provides the train of thought and theoretical basis for the subsequent design of defrosting duct for door guards.

Side defrosting; Air duct; Structure; CFD analysis

A

1671-7988(2019)18-61-03

U463.85+1

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1671-7988(2019)18-61-03

U463.85+1

韓雪，就職于陜西重型汽車有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.021