辛 偉，管慶禹，趙金剛

（山東朗進(jìn)科技股份有限公司，山東 濟(jì)南 266400）

1 前言

客車空調(diào)自誕生以來(lái)，始終為提升居民乘車舒適性發(fā)揮著重要作用，已經(jīng)逐漸成為整車不可缺少的一個(gè)重要部件。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)各大客車廠，紛紛響應(yīng)國(guó)家政策號(hào)召，積極布局新能源客車的研發(fā)制造，如今純電動(dòng)客車和燃料電池客車已經(jīng)推廣普及，取代燃油燃?xì)饪蛙嚨内厔?shì)已經(jīng)不可逆轉(zhuǎn)，這也給客車空調(diào)制造企業(yè)提出了更高的要求，單純的空調(diào)制冷功能已經(jīng)無(wú)法滿足乘客、客車廠、運(yùn)營(yíng)公司的需要，空調(diào)制造企業(yè)需要站在市場(chǎng)需求的角度，更多的考慮空調(diào)集成熱泵功能，應(yīng)用變頻節(jié)能技術(shù)，集成電池冷卻功能。

本文介紹一種集成電池冷卻功能的純電動(dòng)客車空調(diào)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，主要從功能兼容性設(shè)計(jì)、機(jī)械接口設(shè)計(jì)、外觀設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)4大方面詳細(xì)介紹空調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思路和方法，希望能夠提升空調(diào)產(chǎn)品的功能集成性、接口兼容性、可靠性、可維修性等性能。

2 功能集成性設(shè)計(jì)

無(wú)論是純電動(dòng)客車還是燃料電池客車，電池在正常的充放電過(guò)程中，都會(huì)產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致電池溫度升高，需要對(duì)電池進(jìn)行降溫處理，使電池始終工作在合理安全的溫度區(qū)間內(nèi)，提升電池的性能和使用壽命。

目前給電池降溫普遍有兩種方案，獨(dú)立的電池水冷機(jī)組和頂置客車空調(diào)集成電池冷卻功能，后者因?yàn)榭梢越档驼嚨馁|(zhì)量、節(jié)省整車安裝空間、采購(gòu)成本低、安裝對(duì)接方便等優(yōu)點(diǎn)，得到客戶青睞，市場(chǎng)推廣迅速。

空調(diào)制造企業(yè)在新產(chǎn)品研發(fā)時(shí)，完全可以將頂置客車空調(diào)機(jī)組設(shè)計(jì)成集成電池冷卻功能的一體式空調(diào)機(jī)組，空調(diào)內(nèi)部合理布置電池冷卻水路系統(tǒng)的水箱、水泵、板式換熱器及冷卻液管路等部件，并設(shè)計(jì)合理的部件安裝固定方式，預(yù)留水箱加液口等。根據(jù)不同客戶的具體要求，在標(biāo)準(zhǔn)配置基礎(chǔ)上做選配處理即可快速響應(yīng)客戶需求。

圖1是一種集成電池冷卻功能的一體式客車空調(diào)機(jī)組示意圖。

圖1 集成電池冷卻一體式空調(diào)機(jī)組示意圖

3 機(jī)械接口兼容性設(shè)計(jì)

要保證空調(diào)機(jī)組的正確順利安裝，空調(diào)機(jī)組機(jī)械接口的設(shè)計(jì)非常重要?？蛙嚳照{(diào)與整車的機(jī)械接口主要包括4個(gè)方面，即客車空調(diào)的安裝固定、空調(diào)機(jī)組送風(fēng)口及回風(fēng)口的安裝密封、電池冷卻水路系統(tǒng)進(jìn)出水管的安裝對(duì)接、空調(diào)機(jī)組高壓線束和低壓線束的連接。

其中，空調(diào)機(jī)組的安裝固定和風(fēng)口密封對(duì)接，客車廠需根據(jù)空調(diào)的接口調(diào)整整車的安裝接口，空調(diào)可根據(jù)部件布局進(jìn)行自主設(shè)計(jì)。不同客車廠同一長(zhǎng)度的車型，整車電池的布置位置，整車多合一控制器的安裝位置不同，空調(diào)機(jī)組與整車端水路進(jìn)出水管和高低壓線束的對(duì)接位置會(huì)有差別。這兩項(xiàng)接口的位置均布置在整車的兩側(cè)風(fēng)道中，空調(diào)機(jī)組的送風(fēng)口下方。為減少客車廠的頻繁改動(dòng)，將空調(diào)機(jī)組的水冷系統(tǒng)進(jìn)出水管接口和高低壓線束的接口位置設(shè)計(jì)成兩側(cè)送風(fēng)口對(duì)稱布置，根據(jù)具體的項(xiàng)目要求，選擇相應(yīng)的進(jìn)出水管和高低壓線束對(duì)接位置即可。這樣可以減少客車廠的設(shè)計(jì)改動(dòng)，提高訂單項(xiàng)目的執(zhí)行效率。

圖2是一種進(jìn)出水管和高低壓線束接口兩側(cè)可選的客車空調(diào)機(jī)組機(jī)械接口示意圖。

圖2 空調(diào)機(jī)械接口示意圖

4 空調(diào)殼體材料選擇

客車空調(diào)殼體材料的選擇，對(duì)空調(diào)機(jī)組的外觀造型和空調(diào)機(jī)組的結(jié)構(gòu)性能都起著至關(guān)重要的作用。

玻璃鋼材料質(zhì)量輕、強(qiáng)度高，具有較好的耐候性和耐腐蝕性，非常適合戶外環(huán)境的應(yīng)用，而且可以做出過(guò)渡平滑的流線型造型，非常適合空調(diào)機(jī)組的頂蓋。玻璃鋼材質(zhì)頂蓋可進(jìn)行二次加工制作，根據(jù)不同車頂弧度的圖紙匹配預(yù)裝效果，靈活裁切空調(diào)頂蓋兩側(cè)邊的高度尺寸，使空調(diào)安裝完成后，與車頂?shù)目p隙均勻一致，保證整車的外觀更加勻稱美觀。玻璃鋼頂蓋的可視外表面為模具加工面，表面品質(zhì)高，可根據(jù)具體車型的顏色要求，與整車一起噴涂。

鋁合金材料是一種質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、價(jià)格低廉的合金材料，可制造性可加工性強(qiáng)、批量化生產(chǎn)效率高，非常適用于空調(diào)機(jī)組底殼，與玻璃鋼材質(zhì)的加工工藝相比，鋁合金材質(zhì)加工的底殼主要有3大優(yōu)點(diǎn)。

1）空間利用率更高，不會(huì)存在因?yàn)樵黾訌?qiáng)度而設(shè)計(jì)的空腔造型，不會(huì)存在因玻璃鋼脫模需要增加的脫模角度、工藝圓角等，可以最大程度地利用空間，增加空調(diào)部件安裝的可操作性。

2）加工精度高，玻璃鋼產(chǎn)品的模具會(huì)存在一定的變形收縮，制作的產(chǎn)品誤差大，一致性不強(qiáng)。手糊玻璃鋼產(chǎn)品的預(yù)埋標(biāo)準(zhǔn)件及開孔，為脫模后人工制作，精度很難保證，這些都給空調(diào)機(jī)組部件的裝配帶來(lái)很多不便，影響空調(diào)整機(jī)裝配線的生產(chǎn)效率。而鋁合金材質(zhì)的殼體，采用激光切割下料、數(shù)控折彎、焊接鉚接成型等工藝加工制作而成，標(biāo)準(zhǔn)化程度高、產(chǎn)品尺寸精度準(zhǔn)確、一致性好，適合大批量的流水線作業(yè)。

3）結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，鋁合金材質(zhì)的底殼可以設(shè)計(jì)成框架式結(jié)構(gòu)，在空調(diào)設(shè)計(jì)階段，對(duì)空調(diào)底殼三維模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的有限元仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果，有針對(duì)性地進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證空調(diào)底殼在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，做到質(zhì)量最輕，為整車減負(fù)，增加電池的續(xù)航里程。

5 結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

當(dāng)然，空調(diào)設(shè)計(jì)除了要從宏觀層面把控空調(diào)的功能性集成設(shè)計(jì)、接口兼容性設(shè)計(jì)、外觀造型美觀、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可靠等，還要注重空調(diào)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)，只有細(xì)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，才能保證空調(diào)功能的正常實(shí)現(xiàn)，保證空調(diào)使用的可靠性。下面分別從空調(diào)風(fēng)場(chǎng)、空調(diào)密封、空調(diào)排水3個(gè)方面分別介紹空調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

5.1 風(fēng)場(chǎng)設(shè)計(jì)

客車空調(diào)的風(fēng)場(chǎng)設(shè)計(jì)主要包括兩方面，蒸發(fā)風(fēng)場(chǎng)和冷凝風(fēng)場(chǎng)。

從外界進(jìn)入空調(diào)機(jī)組的新風(fēng)和從客車內(nèi)的回風(fēng)混合后，通過(guò)蒸發(fā)器降溫，進(jìn)入送風(fēng)腔，并由蒸發(fā)風(fēng)機(jī)送入客車風(fēng)道內(nèi)，形成蒸發(fā)風(fēng)場(chǎng)的循環(huán)。新風(fēng)口和回風(fēng)口的進(jìn)風(fēng)面積需要根據(jù)理論風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算確定，不能隨意開設(shè)，導(dǎo)致出現(xiàn)風(fēng)量不足或者風(fēng)速過(guò)大引起噪音過(guò)大的問(wèn)題。新風(fēng)口建議左右兩側(cè)各設(shè)置一個(gè)，這樣可以保證一處新風(fēng)閥故障的情況下，另一個(gè)正常工作，能夠?yàn)榭蛙噧?nèi)提供新風(fēng)供應(yīng)，使乘客不會(huì)感覺到呼吸發(fā)悶?？照{(diào)兩側(cè)送風(fēng)口的中心距尺寸，要能滿足落入客車的風(fēng)道內(nèi)，送風(fēng)口中心距設(shè)計(jì)過(guò)小，會(huì)出現(xiàn)擋風(fēng)和窩風(fēng)的問(wèn)題，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致空調(diào)無(wú)法與整車匹配安裝。另外，空調(diào)機(jī)組兩側(cè)送風(fēng)口及回風(fēng)口的周邊，需在底殼內(nèi)部設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋，以保證空調(diào)風(fēng)口安裝密封時(shí)有足夠的支撐強(qiáng)度，不會(huì)因?yàn)榈装鍙?qiáng)度不足引起底板變形，進(jìn)而引起空調(diào)機(jī)組風(fēng)口密封不良、漏風(fēng)、漏水的問(wèn)題。

外界空氣從空調(diào)機(jī)組冷凝風(fēng)進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入，通過(guò)冷凝器換熱后重新返回外界空氣當(dāng)中，形成冷凝風(fēng)場(chǎng)的循環(huán)。冷凝風(fēng)場(chǎng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是要保證足夠的冷凝風(fēng)進(jìn)風(fēng)面積。在限定的空調(diào)機(jī)組外形尺寸和高度情況下，建議將冷凝器設(shè)計(jì)成截面為平行四邊形的結(jié)構(gòu)，冷凝風(fēng)進(jìn)風(fēng)腔設(shè)計(jì)成與冷凝器斜邊近乎平行的結(jié)構(gòu)，以保證冷凝器底部有足夠的進(jìn)風(fēng)，減小風(fēng)場(chǎng)阻力，保證換熱效率。除此以外，在冷凝器的兩個(gè)端部及四周也設(shè)計(jì)端部進(jìn)風(fēng)口，盡可能地加大進(jìn)風(fēng)面積。蒸發(fā)風(fēng)場(chǎng)的流向和冷凝風(fēng)場(chǎng)的流向示意圖見圖3。

圖3 空調(diào)風(fēng)場(chǎng)示意圖

5.2 密封設(shè)計(jì)

客車空調(diào)的密封設(shè)計(jì)主要是蒸發(fā)腔的密封設(shè)計(jì)。蒸發(fā)腔密封一是防止漏風(fēng)影響空調(diào)性能，二是防止出現(xiàn)雨天漏水的問(wèn)題?？照{(diào)蒸發(fā)腔頂蓋的密封結(jié)構(gòu)，在空調(diào)鋁合金殼體蒸發(fā)腔四周卡密封膠條，蒸發(fā)腔頂蓋的內(nèi)表面粘貼保溫棉，利用密封膠條和保溫棉的互相壓縮，形成閉合的密封圈，保證整個(gè)蒸發(fā)腔與外界完全隔絕。蒸發(fā)器頂部粘貼保溫棉，與蒸發(fā)腔頂蓋內(nèi)表面保溫棉互相壓縮形成密封，保證風(fēng)場(chǎng)不會(huì)短路。空調(diào)蒸發(fā)腔密封結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 空調(diào)蒸發(fā)腔密封區(qū)域示意圖

通過(guò)理論計(jì)算密封結(jié)構(gòu)所需要的配合尺寸鏈后，將蒸發(fā)腔頂蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成鉸鏈、撐桿、螺栓組合使用的固定型式，方便頂蓋的打開和固定，提升了后續(xù)空調(diào)機(jī)組車頂維修作業(yè)的可操作性。

5.3 排水設(shè)計(jì)

客車空調(diào)的排水設(shè)計(jì)主要包括冷凝水的排放和雨水的排放兩方面。

冷凝水的排放采用集中排水的方式，蒸發(fā)器底部設(shè)計(jì)接水盤，用于冷凝水的存放，接水盤傾斜放置，方便冷凝水的排放。在相對(duì)位置較低的接水盤的側(cè)壁沿蒸發(fā)器長(zhǎng)度方向的兩端各設(shè)置一處排水孔，焊接排水管，排水管的一側(cè)與接水盤相連接，另一側(cè)在送風(fēng)口處，保證空調(diào)安裝在車上后，可以連接PVC鋼絲軟管，從整車風(fēng)道中引致車輛后尾部排出車外。鋼絲軟管的末端需要連接鴨嘴閥，形成水封，防止外界空氣沿軟管倒吸入接水盤，發(fā)生吹水問(wèn)題。設(shè)置兩處排水孔的優(yōu)點(diǎn)在于可以保證車輛在上下坡過(guò)程中的正常排水?？照{(diào)在整車上的冷凝水流向見圖5。

圖5 空調(diào)冷凝水排放示意圖

雨水的排放，需要確保外界的雨水不會(huì)進(jìn)入到空調(diào)的回風(fēng)腔和蒸發(fā)腔內(nèi)，除了要做到蒸發(fā)腔頂蓋的密封之外，還需要保證雨水的及時(shí)快速排放，以及在雨水流路中空調(diào)底殼的密封設(shè)計(jì)。整個(gè)冷凝腔與回風(fēng)腔利用一張完整的板折彎而成，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外分離。利用車輛在行進(jìn)過(guò)程中的速度與慣性，在冷凝腔的兩端設(shè)計(jì)排水口，實(shí)現(xiàn)雨水快速排放到車頂，不容易積水?？照{(diào)冷凝腔雨水排放見圖6。

圖6 空調(diào)雨水排放示意圖

6 結(jié)束語(yǔ)

本文從功能集成、機(jī)械接口兼容、外殼材料、結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)4個(gè)方面，對(duì)空調(diào)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的探討，希望對(duì)空調(diào)制造企業(yè)有所幫助，設(shè)計(jì)出功能更加齊全、性能更加可靠、標(biāo)準(zhǔn)化程度更高的空調(diào)產(chǎn)品，與各大客車廠一起積極推動(dòng)新能源汽車行業(yè)的發(fā)展，不斷實(shí)現(xiàn)空調(diào)技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展。