某重型車駕駛室采暖系統熱負荷計算

閆博，孫鵬，張光宇

（陜西汽車集團汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

某重型車駕駛室采暖系統熱負荷計算

閆博，孫鵬，張光宇

（陜西汽車集團汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

為了實現駕駛室采暖系統的精益設計，提高設計質量，必須進行駕駛室熱負荷理論計算。通過對駕駛室熱負荷理論計算得出駕駛室需求熱量，以便對供暖設備的設計，以滿足駕駛室供暖系統需求。文章以重型車駕駛室為例，進行采暖系統熱負荷計算，供廣大設計工作者參考。

熱負荷；采暖系統；設定工況；需求熱量

CLC NO.: U463.8 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)02-62-03

前言

汽車采暖系統是汽車冬季運行時供車內采暖的設備總稱，通過將車外新鮮空氣或者液體介質送入熱交換器，吸收其中某種熱源的熱量，從而提高空氣或者液體介質的溫度，并將熱空氣或被加熱的液體送入車內，直接或間接地供車內人員取暖、車窗玻璃除霜，從而達到舒適性的要求。為了實現駕駛室采暖系統的精益設計，提高設計質量，必須進行車身熱負荷理論計算。從能量方面對其滿足采暖性能的邊界條件進行了理論分析。針對分析結果，對該重型車采暖系統進行了優化，最后通過環境艙采暖試驗，驗證和優化方案。

1、駕駛室采暖需求熱量分析計算

1.1 設定工況

為了保證車輛所裝配的采暖系統在給定的氣候條件下能正常工作，并滿足使用要求，在選型時應設定采暖系統在極限環境條件下工作，設定以下條件：

（1）室外溫度為-41℃、室內溫度為15℃；（2）車速為22.5m/s（81km/h）；（3）室內空氣流速為1.5m/s；（4）不考慮太陽輻射熱。

1.2 駕駛室采暖需求熱量

汽車冬季采暖耗熱量主要由以下幾部分構成：

式中：QH——總耗熱量，W；

Qa——車身圍護結構耗熱量，W；

Qb——冷空氣滲透耗熱量，W；

Qm——車內乘員散熱量，W；

Qn——通風換氣熱損失和前風窗除霜耗熱量，W。

1.2.1 維持車身結構散熱量Qa

維護車身結構耗熱量Qa主要由以下4部分組成，即

式中： K車頂為車身頂部導熱系數，W/（m2·K）；A車頂車身頂部導熱面積，m2； K玻璃為玻璃門、窗導熱系數，W/（m2·K）；A玻璃為玻璃門、窗導熱面積，m2； K四周為車身側部導熱系數，W/（m2·K）；A四周車身側部導熱面積，m2；K地板為車內地板導熱系數，W/（m2·K）；A地板為車內地板導熱面積，m2；ΔT為車內外空氣溫差，℃。

駕駛室由外板、隔熱層、內飾板組成，各部位車內飾的導熱系數Kt可用下式計算：

式中：δi為車身結構各部分材料厚度，mm；λi為車身結構各部分材料換熱系數，w／(m2·℃)；αw為為汽車車體外表面與室外空氣的對流換熱系數，W/m2·K；αn為汽車車體內表面與室內空氣的對流換熱系數，W/m2·K。

式中：αw可通過式（8）可得：

式中Vw為汽車行駛速度，單位為m/s，這里取Vw=22.5m/s。

式中：αn可通過式（9）可得：

式中Vn為車室內風速，單位為m/s，這里取Vn=1.5m/s。

車頂由外板（鋼板）、隔熱層（芳綸纖維）、內飾（玻璃纖維）構成，相關材料厚度及導熱系數可見表1，車身內外表面與空氣的對流換熱系數αw，αn帶入公式（7）計算可得：

玻璃相關材料厚度及導熱系數可見表1，車身內外表面與空氣的對流換熱系數αw，αn帶入公式（7）計算可得：

四周由外板（鋼板）、隔熱層（芳綸纖維）、內飾（玻璃纖維）構成，相關材料厚度及導熱系數可見表1，車身內外表面與空氣的對流換熱系數αw，αn帶入公式（7）計算可得：

地板由外板（鋼板）、隔熱層（瀝青阻尼板）、地板墊（地板革）構成，相關材料厚度及導熱系數可見表1，車身內外表面與空氣的對流換熱系數αw，αn帶入公式（7）計算可得：

車身頂部面積為3.368 m2，ΔT=56℃。由公式（3）可得：

玻璃門、窗面積為1.548 m2，ΔT=56℃。由公式（4）可得：

車身四周面積為7.394 m2，ΔT=56℃。由公式（5）可得：

車內地板面積為5.909 m2。ΔT=56℃。由公式（6）可得：

結合公式（2）計算可得：

表1 車身材料、厚度及導熱系數

1.2.2 冷空氣滲透耗熱量Qb

Qb為冷空氣滲透耗熱量，W；M為漏風量，kg/h；Cp為空氣比熱容，約為1.005KJ/(kg·℃)；t2、t1分別為車內外的溫度，℃。其中通過縫隙進入車內的通風量M為：

其中，a′為與縫隙有關的系數，車門處取2，玻璃門處取0.65。m1為通過每米縫隙長的空氣滲漏量，kg/h，此值與風速有關：當風速大于2.56m/s時，取15～30 kg/（m·h）；當風速小于2.56m/s時，取3～15 kg/（m·h）；L為縫隙長度0.35m。

由于車玻璃均固定密封，所以只考慮車門處冷空氣滲透耗熱量，a′=2；風速取小于2.56m/s。

由公式（11）計算可得：

由公式（10）計算可得：

1.2.3 車內乘員散熱量Qm

若以四個成年男子計算，車內成員散熱量為：

式中：Qs——駕駛員人體散熱量（一般取145W）；

q——乘員人體散熱量（一般取116W）；

p——成員個數，取n＝4；

p′——集群系數，取為0.89。

1.2.4 通風換氣熱損失和前風窗玻璃除霜Qn

車內乘員數取n=4，人均對新鮮空氣的需求量為25 m3/h。則車內乘員新鮮空氣的需求量和駕駛室前風窗玻璃除霜需要空氣流量共為100m3/h。

式中：Gf——新鮮空氣的總需求量，100m3/h；

ρa——車內空氣密度，取為1.29kg/ m3；

Ca——空氣比熱，取為1.005KJ/kg·K；

ΔT——室內外溫差為56℃。

2、駕駛室采暖需求熱量分析結論

經以上計算與分析某重型車車輛駕駛室的需求熱量根據公式（1）可得：

由于在實際應用時汽車采暖系統還會受到車內電氣設備散熱量、車身縫隙傳出熱量、車體溫升消耗熱量和車內設備、人體衣著、座椅等部件溫升消耗熱量的影響，且用戶要求在30min內駕駛室溫度要從-41℃升到+15℃以上，同時為保證使用壽命應盡量避免加熱器長時間滿負荷工作。所以在實際選型時應乘以一個修正系數α＇，這里α＇取為1.25。

則理論需要加熱器熱輸出量為：

綜上所述，實際供暖系統可按供暖設備產品系列圓整值設計或選擇。樣車選用熱量為12000W的供暖設備。

[1] 《汽車車身設計》第一版，主編 郭竹亭。吉林科學技術出版社，1994.12。

[2] GB/T 12782-2007 汽車采暖性能要求和試驗方法。

從表2與表3的試驗數據對比可以看出，在有意設計兩種狀態的兩副軸相對偏轉角度狀態下，兩副軸檔位齒輪相對偏轉角度越大時，兩副軸齒輪分擔的扭矩差異越大，可到30%、70%；兩副軸檔位齒輪相對偏轉角度越小時，兩副軸齒輪分擔的扭矩差異越小，越接近各50%、50%，表二、表三數據表對應的柱狀曲線圖也表明了這一點。

3、結論

通過本次試驗可知，兩副軸檔位齒輪相對偏轉角度越大，兩副軸齒輪分擔的扭矩差異越大，在現有試驗狀態下可達到30%、70%；兩副軸檔位齒輪相對偏轉角度越小，兩副軸齒輪分擔的扭矩差異越小，越接近各50%、50%。因此，雙副軸對齒工藝的意義就在于保證兩副軸各齒輪的相對偏轉角足夠小。

4、建議

為確保該HW1500系雙副軸變速箱的整體齒輪壽命，即確保兩副軸承擔扭矩向各占50%靠近，作者建議以下幾點：

（1）副軸上鍵槽與鍵的配合盡量為過盈配合，以減小偏轉角；

（2）齒輪鍵槽與鍵的配合也盡量減小間隙，以減小偏轉角；

（3）提高各相關零件的位置精度。

參考文獻

[1] 葉子郁. 變速器進入大扭矩輕量化并行時代—國內重型汽車變速器發展現狀及趨勢[J]. 物流技術與應用(貨運車輛)，2010(05).

[2] 崔振華. 雙中間軸變速箱的典型結構與常見故障及排除[J]. 硅谷. 2010(16).

The Calculations of Heat Load on Certain Heavy Vehicle Cab's Heating System

Yan Bo, Sun Peng, Zhang Guangyu
（Shaanxi Automobile Group Automotive Engineering Research Institute, Shaanxi Xi'an 710200）

In order to achieve lean design of the cab heating system, and to improve design quality, theoretical calculations of cab heat load must be carried out to calculate the cab heating demand and design heating equipment, so as to satisfy cab heating system demand. For instance of heavy vehicles cab, the paper calculate heat load of heating system for the majority of workers in the reference design.

heat load；heating system；set conditions；heat needs

U463.8

A

1671-7988(2015)02-62-03

閆博，就職于陜西汽車集團汽車工程研究院。