轎車前端冷卻模塊的設計與仿真

文遠滿

（空調國際有限公司，上海 201108）

0 引言

前端冷卻模塊設計如不合理，轎車發動機冷卻系統會出現水溫過高、過低的情況，且空調系統制冷效果會變差，而此類故障又很難簡單解決，這便影響了整車的正常使用。因此，整車廠以及相關零部件供應商對前端冷卻模塊的設計研究給予了越來越多的關注和重視。空調國際有限公司（以下簡為本公司）對轎車前端冷卻模塊進行研究已有10余年，在轎車前端冷卻模塊開發和應用方面積累了豐富的經驗。我們認為，計算機輔助設計的應用，可以極大地縮短產品開發周期，大量節約開發成本。

1 前端冷卻模塊簡介

1.1 前端冷卻模塊組成

前端冷卻模塊由水箱、冷凝器、電子風扇、膨脹水壺、膠管組成，如圖1所示。

圖1 前端冷卻模塊組成

1.2 前端冷卻模塊功能

水箱的功能是冷卻發動機冷卻液，保證發動機在最適宜的溫度狀態下工作，以獲得較高的動力性、經濟性及可靠性。冷凝器的功能是冷卻空調系統制冷劑，確?？照{系統正常運行，讓乘客感覺舒適。電子風扇的功能是通過冷凝器或管路上的傳感器將壓力信號轉化為電信號以及水箱溫度傳感器將溫度信號轉化為電信號傳遞給控制模塊，當冷凝器壓力或水箱溫度高于設定值時，控制模塊就接通電子風扇電源，使電子風扇開始工作，冷卻冷凝器中的制冷劑和水箱中的冷卻液。膨脹水壺的功能是儲存冷卻液，當水箱內部壓力高于水箱蓋開啟壓力時，冷卻液頂開水箱蓋出液閥，通過膠管流進膨脹水壺；當水箱內部壓力低于水箱蓋真空閥壓力時，膨脹水壺的冷卻液通過膠管流進水箱。

1.3 前端冷卻模塊零件結構

（1）水箱結構：橫置式和縱置式。（2）冷凝器結構：平行流式和管帶式。（3）電子風扇結構：按結構分為單風扇和雙風扇；按控制方式分為調速電阻和調速模塊。（4）膨脹水壺分為開式水壺和閉式水壺，膨脹水壺容積應為整個冷卻系統容量的6%左右。

2 前端冷卻模塊設計

2.1 轎車發動機參數

根據主機廠提供，本公司為其開發的一款車的發動機參數如下：發動機排量2.4 L，氣缸數 4，額定功率 102.8 k W／5 500 r／min，最大扭矩206.6 N·m（2 500 r／min）。

發動機對冷卻模塊的要求：（1）水箱性能要求：水流量1 L／s，進水溫度85℃，表面進風溫度25℃，風速8 m／s時水箱散熱量≥62 k W。（2）電子風扇技術要求：風量≥2 350 m3／h（靜壓100 Pa），電流≤25 A，功率300 W（max），無負載條件下，高速N＝（2 800±200）r／min，低速N＝（1 800±200）r／min，噪聲要求小于70 dB。（3）冷凝器性能要求：進風溫度38℃，進氣壓力1.67 MPa，過熱度25℃，過冷度5℃，風速7 m／s時散熱量≥15.2 k W。

2.2 水箱設計

2.2.1 水箱芯子正面面積Ff理論計算

（1）依據《汽車設計手冊》提供的公式Ff≥0.1＋0.032Vn（Vn為發動機排量），發動機水箱芯子正面面積Ff≥0.1＋0.032×2.4＝0.177 m2。

（2）依據《汽車設計手冊》提供的公式Ff＝（0.002 7～0.003 4）Nemax，Nemax＝102.8 k W，由于是帶電子風扇冷卻的轎車水箱，所以取最小系數0.002 7，發動機水箱芯子正面面積Ff＝0.002 7×102.8＝0.277 6 m2。

根據上述2次計算，水箱芯子正面面積理論值Ff應不小于0.277 6 m2。

2.2.2 水箱芯子尺寸確定

根據發動機機倉總布置允許的空間尺寸范圍，該車水箱選用縱置式結構，按照標準JB2291—78，初步選擇水箱芯寬700 mm、芯高400 mm。

根據本公司現有工藝設備，采用波高6.1 mm、波距2.4 mm、寬18.5 mm 的散熱帶和1.5 mm×18.5 mm 的散熱管，以實現系列化生產。

散熱管數n＝（700－6.1）／（1.5＋6.1）＝693.9／7.6＝91.3。

散熱管數量取整數，所以散熱管數n＝91，散熱帶數＝n＋1＝92。

水箱芯子寬度＝91×1.5＋92×6.1＝697.7 mm。

水箱芯子正面面積：Ff＝697.7×400＝0.279 m2＞0.277 6 m2。

水箱芯子初步確定尺寸：697.7 mm（芯寬）×400 mm（芯高）×18.5 mm（芯厚）。

2.2.3 水箱散熱面積S理論計算

依據《汽車設計手冊》提供的公式S＝S比Nemax，轎車S比為0.07 m2／k W，發動機水箱散熱面積理論值S＝0.07×102.8＝7.2 m2。

2.2.4 水箱散熱面積校核

根據水箱芯子正面面積確定的水箱尺寸校核散熱面積是否滿足理論要求，散熱面積S為散熱管的散熱面積與散熱帶的散熱面積之和。

散熱帶的波峰數＝400（芯高）／2.4（波距）＝166.7。

波峰數取整數，所以波峰數＝167。

散熱帶展開長度＝167×（6.1×2＋1.6）＝2 305 mm。

其中，（6.1×2＋1.6）為一個波距的展開長度，1.6為一個波距展開時增加長度的經驗值。

水箱散熱面積：S＝2Sf＋St＝2×92×2 305×18.5＋91×400×（1.5＋18.5）×2＝9.3 m2（Sf為散熱帶面積，St為散熱管面積）。

水箱散熱面積9.3 m2大于理論值7.2 m2，因此，本車選擇的水箱芯子尺寸697.7 mm（芯寬）×400 mm（芯高）×18.5 mm（芯厚）滿足要求。

2.2.5 水箱結構設計優化

水箱結構設計完成后，用散熱器Fluent軟件對冷卻液在水箱中的流量分布及水箱表面溫度進行模擬，盡可能使水箱中的每根扁管流速一樣，水箱同一高度處溫度一樣。如果模擬的結果水箱同一高度處溫度相差比較大，則必須對水箱中的水室進行設計更改，保證水箱的設計達到最優化。

2.2.6 水箱散熱性能模擬計算

確定了水箱結構參數，其散熱性能是否能滿足要求，按照以前的做法是先做樣件，再進行試驗，根據試驗結果調整水箱結構參數，這樣既費時又費力。如今用HEX模擬軟件進行性能模擬非常方便，輸入散熱管和散熱帶參數以及試驗工況條件，軟件就可以計算出水箱散熱量，根據模擬計算結果繪制出散熱量與風速的曲線圖（圖2）。風速8 m／s時，水箱散熱量為64.2 k W，大于目標值62 k W，滿足主機廠的水箱散熱量要求。

圖2 水箱散熱量與風速曲線圖

2.3 冷凝器設計

水箱結構參數確定后，冷凝器結構參數就比較容易確定了，水箱芯高400 mm，考慮到冷卻模塊周邊邊界條件，冷凝器芯子高度不能超過358 mm，本公司冷凝器扁管規格1.8 mm×16 mm，翅片波高8 mm，扁管根數＝（358－8）／（1.8＋8）＝35.7。扁管根數取整數，所以扁管數為35根，翅片數為35＋1＝36條。計算冷凝器芯子高度H＝1.8×35＋8×36＝351 mm，根據主機廠給出的冷凝器散熱量要求，用HEX軟件進行模擬計算，最后確定冷凝器芯子寬度尺寸為668 mm。根據模擬計算結果繪制出散熱量與風速的曲線圖（圖3）。風速7 m／s時，冷凝器散熱性能模擬值為15.5 k W。所以，冷凝器芯子尺寸668 mm（寬）×351 mm（高）×16 mm（厚）滿足主機廠對冷凝器的性能要求。

圖3 冷凝器散熱量與風速曲線圖

2.4 風扇選型

風扇選用調速電阻控制2檔風速，根據水箱正面面積尺寸（400 mm×697.7 mm），葉輪直徑選擇381 mm。

3 前端冷卻模塊模態分析

主機廠要求前端冷卻模塊模態頻率≥40 Hz，以免其與車體本身產生共振。用NASTRAN模擬軟件對前端冷卻模塊初始數模進行模態分析，模態頻率為32 Hz，發現風扇中間位置抖動比較大，風扇剛性不好，不能滿足主機廠要求。更改風罩結構，風罩中間位置增加上下2個支架與水箱固定，風罩本體增加加強筋，再次對前端冷卻模塊進行模態分析，模態頻率為43 Hz，如圖4所示，滿足了主機廠的要求。

4 前端冷卻模塊裝車狀態氣流模擬

前端冷卻模塊前有格柵，通過FLUENT和KULI軟件模擬空氣通過汽車格柵、冷凝器、水箱表面的氣流分布（圖5），為優化格柵設計，合理布置前端冷卻模塊提供依據，同時也可模擬發動機機倉內是否產生回風和漏風（不經過前端冷卻模塊），從而確定是否要在前端冷卻模塊周邊增加密封墊。如果發動機機倉內產生大量回風和漏風，將會影響冷凝器和水箱散熱。

圖5 氣流模擬

圖4 模態分析

5 結語

隨著我國汽車工業的飛速發展，汽車廠家對前端冷卻模塊的設計要求越來越高，除了要求前端冷卻模塊滿足整車性能外，還要求重量輕，價格便宜。這就要求設計人員既要有豐富的設計經驗，又要有運用CAE軟件模擬的能力并了解材料性能。

前端冷卻模快設計完成后，樣件還需要進行先進的風洞試驗測試、環模測試及路試，這些測試通過后，前端冷卻模塊樣件才算合格。