汽车前除霜风道设计及其有限元分析

游 瀚

汽车前除霜风道设计及其有限元分析

游 瀚

（江西五十铃有限公司 产品开发技术中心，江西 南昌 330001）

随着汽车行业的发展，汽车空调系统作为汽车安全性和舒适性的重要总成之一，其除霜除雾性能对汽车行驶安全性起着至关重要的作用，必须满足国家强制性法规要求，而汽车前除霜、除雾风道设计得好坏直接影响汽车除霜除雾系统的性能。文章从汽车前除霜风道的布置、材料的选择、制作工艺方法以及与仪表板的匹配关系等方面阐述了汽车前除霜风道的设计，目的在于为后续车型开发提供相应的参考。并利用有限元分析软件HyperMesh和Fluent对某一皮卡车型前除霜风道进行计算流体动力学（CFD）分析，结果表明，在前挡玻璃区，'区和区的除霜百分比满足本公司规范要求，避免因前除霜风道设计不合理导致汽车满足不了属性要求。

供热通风与空气调节；除霜除雾；制造工艺；前除霜风道

随着汽车市场的不断发展与成熟，人们对汽车舒适性、安全性的要求越来越高，汽车空调的除霜性能不但直接影响汽车的舒适性[1]，更对汽车行驶安全性能有影响。因此，汽车驾驶舱内的空调系统越来越受到重视，其中前除霜风道的设计直接影响车内气流的分配、走向及噪声。本文介绍了前除霜风道的布置要求，材料选择以及与仪表板的匹配关系等设计要点，并利用有限元方法对其进行计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）仿真分析，并结合本公司的标准，验证了某皮卡前除霜风道设计的合理性，为后续车型的研发提供了一定的参考。

1 前除霜风道方案设计

1.1 前除霜风道的布置

前除霜风道主要作用是把经过暖风芯加热后的空气，引导到仪表板除霜出风口，溶化前挡风玻璃内外表面以及侧玻璃的雾和霜，使其恢复清晰视野，保证驾驶的安全性。根据《汽车风窗玻璃除霜和除雾系统的性能和试验方法》（GB11555—2009），每辆车辆需装备有除霜除雾系统，能够确保在寒冷或潮湿天气条件下恢复风窗玻璃的能见度[2]，且应满足以下要求：

1）试验开始后20 min，区域有80%已完成除霜；

2）试验开始后25 min，'区域有80%已完成除霜；

3）试验开始后40 min，区域有95%已完成除霜。

要满足以上要求，前除霜风道开口的布置应满足以下要求（见图1）：

1）前除霜风道开口尺寸一般为18～40 mm；

2）前除霜风道开口中心到前挡玻璃水平距离一般为60～80 mm；

3）前除霜风道开口中心线与前挡玻璃夹角一般在25～60°之间，本公司优选 16～30°；

4）气流在前风挡玻璃上的冲击点中心一般要求在A区底部的±10 mm；

5）前除霜风管需要35 mm长的直段，便于导风。

图1 前除霜风道布置要求

1.2 前除霜风道材料选择及设计原则

前除霜风道包括中央除霜风道、左除霜风道、右除霜风道三部分。前除霜风道材料应选择具有良好的耐热性和耐寒性，化学稳定性好，刚性和韧性较高，机械强度好的材料。中央除霜风道一般采用注塑工艺制成，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为填充物[3]，如PP-TD20，PP-TD10，料厚一般为2～2.5 mm。侧除霜风道材料可采用HDPE，厚度1～1.5 mm，采用吹塑成型工艺，其与前除霜风道一般采用对接连接，对接时中间加海绵密封。

风道设计原则需满足如下要求：

1）风道的腔体形状应尽量保证光顺，截面面积的变化尽可能的小，避免突然转折而产生涡流和紊流，减少空气流动所引起的噪音；

2）风道的入口截面积应等于空调的出口截面积；

3）由于受仪表板空间布置限制，通常前除霜风道和周边零件的最小间隙为6 mm，在间隙小的地方需增加毛毡或者海绵，减少在行车过程中由于车体振动，前除霜风道和周围的零件碰撞产生噪音；

4）前除霜风道在设计时，其拔模方向应尽量保证在平面内，分型线一般选取风道的最大轮廓线；拔模方向确定后，产品的加强筋、卡扣、螺钉boss柱等结构尽可能设计成与开模方向一致，以避免抽芯，延长模具寿命，减少生产成本。风道光滑表面的脱模斜度应大于3°，局部可以减小到1°。前除霜风道结构如图2所示。

图2 前除霜风道

1.3 前除霜风道与仪表板匹配关系

前除霜风道与仪表板一般通过振动摩擦焊连成一体，形成封闭的风道，根据本公司的规范，除霜风道出风口在向的尺寸建议在800～ 900 mm之间。振动摩擦焊是将熔接工件，在加压状态下相互摩擦，能量沿熔接口部位传导生热而熔化继而在保压下冷却固化，其接口强度相当于本体强度，适合焊接不规则，形状复杂以及大型的零件。焊接筋一般向布置，且布置在前除霜风道上，焊接筋高度一般为1.5～2.0 mm，焊接深度一般为0.8～1.0 mm。为保证良好的外观，前除霜风道与仪表板本体的面差A一般为0.5～1.0 mm，且前除霜风道低于仪表板本体，如图3所示。风道一般是和仪表板本体装配完成后一起装到车身上的，前除霜风道上一般布置有定位销，中间定位销作为仪表板总成与车身连接的主定位，两侧各有一个定位销作为副定位，控制方向。

图3 前除霜风道与仪表板的匹配关系

2 CFD仿真分析

除霜风道应对于除霜的风量进行合理有效的分配：50%～55%传递给驾驶员侧，45%～50%传递给副驾驶侧[4]，因此，除霜风道的设计需进行CFD仿真分析，需满足以下要求：

出风口的流量分配满足要求：气流吹在整个挡风玻璃和侧窗玻璃的内表面，并保证大部分气流不会从玻璃上脱落；气流必须具有足够的动量，能继续吹到挡风玻璃的上边缘。

有限元模型的建立：将三维软件搭建好的模型（包含前除霜风道、供热通风与空气调节（Hea- ting, Ventilation and Air Conditioning, HVAC）总成、前挡玻璃、侧窗玻璃、车身等）导入到Hyper- Mesh有限元软件中，有限元分析模型如图4所示，并进行网格划分，本次分析关注重点为空调箱、除霜风道以及挡风玻璃表面的流动情况，因此，将空调 HVAC总成、除霜风道以及关键视野区域处的玻璃表面网格进行加密处理，单元尺寸3 mm，其余区域的面网格尺寸可以适当加大，以减少网格总数，提高计算效率[5]。单元类型为四面体网格，整个有限元模型共有1 484 462个单元。

图4 有限元分析模型

表1为此次CFD分析的边界条件，从图5和图6，并结合表2本公司的合格判断标准来看，此皮卡车型的前除霜风道CFD分析结果满足要求。

表1 边界条件设定

序号内容设置 1计算模型K-Epsilon Turbulence 2壁面处理方式Two-Layer Ally+Wall Treatment 3入口边界条件进口流量：450 m3/h 4出口边界条件压力出口：静压0 Pa 5空气物性参数空气密度：1.225 kg/m³ 空气粘度：1.85508E-5 Pa-s

表2 有限元分析结果

视野区除霜百分比目标 风挡A区>2 m/s97.4%≥97% 风挡A'区>2 m/s97.5% 风挡B区>1.5 m/s97%

图5 前挡风玻璃表面附近速度分布云图

图6 前挡风玻璃处速度迹线分布图

3 结论

1）本文介绍了汽车前除霜风道的设计要点，如前除霜风道的布置要求、材料选择、制作工艺以及与仪表板的匹配关系，对后续车型前除霜风道的设计具有一定的参考。

2）前除霜风道设计得好坏直接影响其除霜性能，因此，本文利用HyperMesh和Fluent有限元分析软件对某一皮卡车型的前除霜风道进行CFD分析，分析结果表明，在前挡玻璃区，'区以及区的除霜性能分别为97.4%，97.5%以及97%，满足本公司标准除霜百分比不小于97%的要求，验证了此除霜风道设计是合理的。

[1] 李伟.基于CFD分析的某车型空调除霜风道优化设计[J].汽车零部件,2016(6):32-35.

[2] 李朔.仪表板除霜风道设计[J].机械,2017,44(10):51- 54.

[3] 陈其亮,姜建.一种新型仪表板前除霜风道结构探讨[J].汽车零部件,2019(1):43-45.

[4] 张钊,李鑫,李玉珠.汽车空调除霜风管内部优化设计及验证[J].机械设计与制造工程,2022(4):107-109.

[5] 詹佳,赵福全,郑海,等.汽车空调除霜性能分析[C]//第六届中国CAE工程分析技术年会论文集.北京:中国机械工程学会机械工业自动化分会,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，工程师，研究方向为底盘系统开发，E-mail:you.han@jiangxi-isuzu.cn。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.011.016