轿车前端冷却模块的设计与仿真

文远满

（空调国际有限公司，上海 201108）

0 引言

前端冷却模块设计如不合理，轿车发动机冷却系统会出现水温过高、过低的情况，且空调系统制冷效果会变差，而此类故障又很难简单解决，这便影响了整车的正常使用。因此，整车厂以及相关零部件供应商对前端冷却模块的设计研究给予了越来越多的关注和重视。空调国际有限公司（以下简为本公司）对轿车前端冷却模块进行研究已有10余年，在轿车前端冷却模块开发和应用方面积累了丰富的经验。我们认为，计算机辅助设计的应用，可以极大地缩短产品开发周期，大量节约开发成本。

1 前端冷却模块简介

1.1 前端冷却模块组成

前端冷却模块由水箱、冷凝器、电子风扇、膨胀水壶、胶管组成，如图1所示。

图1 前端冷却模块组成

1.2 前端冷却模块功能

水箱的功能是冷却发动机冷却液，保证发动机在最适宜的温度状态下工作，以获得较高的动力性、经济性及可靠性。冷凝器的功能是冷却空调系统制冷剂，确保空调系统正常运行，让乘客感觉舒适。电子风扇的功能是通过冷凝器或管路上的传感器将压力信号转化为电信号以及水箱温度传感器将温度信号转化为电信号传递给控制模块，当冷凝器压力或水箱温度高于设定值时，控制模块就接通电子风扇电源，使电子风扇开始工作，冷却冷凝器中的制冷剂和水箱中的冷却液。膨胀水壶的功能是储存冷却液，当水箱内部压力高于水箱盖开启压力时，冷却液顶开水箱盖出液阀，通过胶管流进膨胀水壶；当水箱内部压力低于水箱盖真空阀压力时，膨胀水壶的冷却液通过胶管流进水箱。

1.3 前端冷却模块零件结构

（1）水箱结构：横置式和纵置式。（2）冷凝器结构：平行流式和管带式。（3）电子风扇结构：按结构分为单风扇和双风扇；按控制方式分为调速电阻和调速模块。（4）膨胀水壶分为开式水壶和闭式水壶，膨胀水壶容积应为整个冷却系统容量的6%左右。

2 前端冷却模块设计

2.1 轿车发动机参数

根据主机厂提供，本公司为其开发的一款车的发动机参数如下：发动机排量2.4 L，气缸数 4，额定功率 102.8 k W／5 500 r／min，最大扭矩206.6 N·m（2 500 r／min）。

发动机对冷却模块的要求：（1）水箱性能要求：水流量1 L／s，进水温度85℃，表面进风温度25℃，风速8 m／s时水箱散热量≥62 k W。（2）电子风扇技术要求：风量≥2 350 m3／h（静压100 Pa），电流≤25 A，功率300 W（max），无负载条件下，高速N＝（2 800±200）r／min，低速N＝（1 800±200）r／min，噪声要求小于70 dB。（3）冷凝器性能要求：进风温度38℃，进气压力1.67 MPa，过热度25℃，过冷度5℃，风速7 m／s时散热量≥15.2 k W。

2.2 水箱设计

2.2.1 水箱芯子正面面积Ff理论计算

（1）依据《汽车设计手册》提供的公式Ff≥0.1＋0.032Vn（Vn为发动机排量），发动机水箱芯子正面面积Ff≥0.1＋0.032×2.4＝0.177 m2。

（2）依据《汽车设计手册》提供的公式Ff＝（0.002 7～0.003 4）Nemax，Nemax＝102.8 k W，由于是带电子风扇冷却的轿车水箱，所以取最小系数0.002 7，发动机水箱芯子正面面积Ff＝0.002 7×102.8＝0.277 6 m2。

根据上述2次计算，水箱芯子正面面积理论值Ff应不小于0.277 6 m2。

2.2.2 水箱芯子尺寸确定

根据发动机机仓总布置允许的空间尺寸范围，该车水箱选用纵置式结构，按照标准JB2291—78，初步选择水箱芯宽700 mm、芯高400 mm。

根据本公司现有工艺设备，采用波高6.1 mm、波距2.4 mm、宽18.5 mm 的散热带和1.5 mm×18.5 mm 的散热管，以实现系列化生产。

散热管数n＝（700－6.1）／（1.5＋6.1）＝693.9／7.6＝91.3。

散热管数量取整数，所以散热管数n＝91，散热带数＝n＋1＝92。

水箱芯子宽度＝91×1.5＋92×6.1＝697.7 mm。

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

水箱芯子初步确定尺寸：697.7 mm（芯宽）×400 mm（芯高）×18.5 mm（芯厚）。

2.2.3 水箱散热面积S理论计算

依据《汽车设计手册》提供的公式S＝S比Nemax，轿车S比为0.07 m2／k W，发动机水箱散热面积理论值S＝0.07×102.8＝7.2 m2。

2.2.4 水箱散热面积校核

根据水箱芯子正面面积确定的水箱尺寸校核散热面积是否满足理论要求，散热面积S为散热管的散热面积与散热带的散热面积之和。

散热带的波峰数＝400（芯高）／2.4（波距）＝166.7。

波峰数取整数，所以波峰数＝167。

散热带展开长度＝167×（6.1×2＋1.6）＝2 305 mm。

其中，（6.1×2＋1.6）为一个波距的展开长度，1.6为一个波距展开时增加长度的经验值。

水箱散热面积：S＝2Sf＋St＝2×92×2 305×18.5＋91×400×（1.5＋18.5）×2＝9.3 m2（Sf为散热带面积，St为散热管面积）。

水箱散热面积9.3 m2大于理论值7.2 m2，因此，本车选择的水箱芯子尺寸697.7 mm（芯宽）×400 mm（芯高）×18.5 mm（芯厚）满足要求。

2.2.5 水箱结构设计优化

水箱结构设计完成后，用散热器Fluent软件对冷却液在水箱中的流量分布及水箱表面温度进行模拟，尽可能使水箱中的每根扁管流速一样，水箱同一高度处温度一样。如果模拟的结果水箱同一高度处温度相差比较大，则必须对水箱中的水室进行设计更改，保证水箱的设计达到最优化。

2.2.6 水箱散热性能模拟计算

确定了水箱结构参数，其散热性能是否能满足要求，按照以前的做法是先做样件，再进行试验，根据试验结果调整水箱结构参数，这样既费时又费力。如今用HEX模拟软件进行性能模拟非常方便，输入散热管和散热带参数以及试验工况条件，软件就可以计算出水箱散热量，根据模拟计算结果绘制出散热量与风速的曲线图（图2）。风速8 m／s时，水箱散热量为64.2 k W，大于目标值62 k W，满足主机厂的水箱散热量要求。

图2 水箱散热量与风速曲线图

2.3 冷凝器设计

水箱结构参数确定后，冷凝器结构参数就比较容易确定了，水箱芯高400 mm，考虑到冷却模块周边边界条件，冷凝器芯子高度不能超过358 mm，本公司冷凝器扁管规格1.8 mm×16 mm，翅片波高8 mm，扁管根数＝（358－8）／（1.8＋8）＝35.7。扁管根数取整数，所以扁管数为35根，翅片数为35＋1＝36条。计算冷凝器芯子高度H＝1.8×35＋8×36＝351 mm，根据主机厂给出的冷凝器散热量要求，用HEX软件进行模拟计算，最后确定冷凝器芯子宽度尺寸为668 mm。根据模拟计算结果绘制出散热量与风速的曲线图（图3）。风速7 m／s时，冷凝器散热性能模拟值为15.5 k W。所以，冷凝器芯子尺寸668 mm（宽）×351 mm（高）×16 mm（厚）满足主机厂对冷凝器的性能要求。

图3 冷凝器散热量与风速曲线图

2.4 风扇选型

风扇选用调速电阻控制2档风速，根据水箱正面面积尺寸（400 mm×697.7 mm），叶轮直径选择381 mm。

3 前端冷却模块模态分析

主机厂要求前端冷却模块模态频率≥40 Hz，以免其与车体本身产生共振。用NASTRAN模拟软件对前端冷却模块初始数模进行模态分析，模态频率为32 Hz，发现风扇中间位置抖动比较大，风扇刚性不好，不能满足主机厂要求。更改风罩结构，风罩中间位置增加上下2个支架与水箱固定，风罩本体增加加强筋，再次对前端冷却模块进行模态分析，模态频率为43 Hz，如图4所示，满足了主机厂的要求。

4 前端冷却模块装车状态气流模拟

前端冷却模块前有格栅，通过FLUENT和KULI软件模拟空气通过汽车格栅、冷凝器、水箱表面的气流分布（图5），为优化格栅设计，合理布置前端冷却模块提供依据，同时也可模拟发动机机仓内是否产生回风和漏风（不经过前端冷却模块），从而确定是否要在前端冷却模块周边增加密封垫。如果发动机机仓内产生大量回风和漏风，将会影响冷凝器和水箱散热。

图5 气流模拟

图4 模态分析

5 结语

随着我国汽车工业的飞速发展，汽车厂家对前端冷却模块的设计要求越来越高，除了要求前端冷却模块满足整车性能外，还要求重量轻，价格便宜。这就要求设计人员既要有丰富的设计经验，又要有运用CAE软件模拟的能力并了解材料性能。

前端冷却模快设计完成后，样件还需要进行先进的风洞试验测试、环模测试及路试，这些测试通过后，前端冷却模块样件才算合格。