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        汽車熱傷害設(shè)計預(yù)防及解決方法研究

        2016-05-28 01:59:26張葆華常瑞征
        北京汽車 2016年1期

        田 磊,張葆華,常瑞征

        (長城汽車股份有限公司技術(shù)中心,河北省汽車工程技術(shù)研究中心,河北 保定 071000)

        Tian Lei,Zhang Baohua,Chang Ruizheng

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        汽車熱傷害設(shè)計預(yù)防及解決方法研究

        田磊,張葆華,常瑞征

        (長城汽車股份有限公司技術(shù)中心,河北省汽車工程技術(shù)研究中心,河北保定071000)

        Tian Lei,Zhang Baohua,Chang Ruizheng

        摘要:熱傷害是引發(fā)汽車火災(zāi)的主要原因之一,其引起的失效類型和涉及部件多種多樣。發(fā)動機及排氣系統(tǒng)作為汽車主要高溫部件,其周邊受熱部件是整車熱傷害的防護重點。在設(shè)計過程中需要以熱流場分析為基礎(chǔ),在保證冷卻系統(tǒng)匹配沒有問題的前提下,識別布置、材料、結(jié)構(gòu)和工藝等因素,有針對性地進行設(shè)計預(yù)防,避免熱傷害的發(fā)生。

        關(guān)鍵詞:汽車火災(zāi);熱傷害;高溫部件;受熱部件;熱流場;設(shè)計預(yù)防

        0 引 言

        熱傷害是指由于環(huán)境高溫超過受熱部件正常工作耐受溫度,使該部件發(fā)生物理或化學(xué)變化,從而造成其不能正常運行甚至失效的后果。

        隨著汽車保有量迅猛增長,汽車火災(zāi)事故發(fā)生頻率居高不下,給人們的生命財產(chǎn)安全帶來極大威脅與損害。在汽車火災(zāi)中,由于汽車高溫部件與周圍部件布置間隙過小以及防護不當(dāng)?shù)仍蛟斐傻幕馂?zāi)屢見不鮮。因此,預(yù)防汽車火災(zāi)是汽車研發(fā)的重要領(lǐng)域,而熱傷害防護是汽車設(shè)計的重要課題之一。

        發(fā)動機和排氣系統(tǒng)作為汽車主要高溫部件,其表面溫度為150~400℃,排氣尾管管口溫度甚至可以達到500℃以上,這樣的溫度會對周邊部件產(chǎn)生惡劣影響,嚴(yán)重時會導(dǎo)致周邊部件發(fā)生變形、燒蝕甚至燃燒等問題。故機艙及排氣系統(tǒng)周邊是整車熱傷害防護的重點部位。

        1 汽車熱傷害主要關(guān)聯(lián)部件識別

        發(fā)動機內(nèi)燃油燃燒后,做功之外的能量以熱的形式通過對流換熱、熱傳導(dǎo)和熱輻射傳遞到周邊受熱部件,主要關(guān)聯(lián)部件識別如圖1所示。

        圖1 汽車熱傷害主要關(guān)聯(lián)部件識別

        發(fā)動機和排氣系統(tǒng)由于部件表面溫度高、關(guān)聯(lián)部件數(shù)量多且類型繁雜,在設(shè)計時需要重點關(guān)注。

        以排氣管為例,其外表面溫度在180~370℃之間,且由于車底復(fù)雜的布置環(huán)境,流場湍流嚴(yán)重。按圖2分布的觀測點進行溫度測量。

        圖2 排氣管溫度測量點分布

        考慮車輛實際使用情況,選取全速全負(fù)荷及滿載爬坡2種工況進行測試,如表1所示。

        表1 排氣管溫度實測工況

        溫度實測值如圖3所示。

        圖3 某車型排氣系統(tǒng)溫度實測值

        通過對實測值進行對比分析發(fā)現(xiàn):

        1)相比全速全負(fù)荷工況,爬坡工況提供的驅(qū)動能量更大,且由于車速更低,氣流帶走的熱量相對較少,導(dǎo)致滯留的熱量多,溫度甚至達到370℃,更易發(fā)生火災(zāi);

        2)因氣流帶走熱量,后部溫度普遍低于前部,消聲器將部分噪聲能量轉(zhuǎn)化成熱能,溫度升高;

        3)因后懸架布置環(huán)境復(fù)雜,氣流經(jīng)過后產(chǎn)生嚴(yán)重湍流,導(dǎo)致被帶走的熱量減少,主消聲器溫度升高明顯,高達320℃,存在嚴(yán)重的熱傷害隱患。

        如此高的溫度,給周邊受熱部件提供了極端惡劣的工作環(huán)境,會造成零部件變形、老化加速、燒蝕甚至燃燒,嚴(yán)重威脅人身及財產(chǎn)安全。

        2 汽車熱傷害問題失效類型識別

        熱傷害引起的失效類型多種多樣,其中相對隱蔽的失效有部件特性變化、老化等,較明顯的有變形、燒蝕及燃燒等。表2列出了常見的熱傷害類型及發(fā)生部件、失效模式示例和機理。

        表2 汽車熱傷害問題失效類型

        3 設(shè)計因素識別及先期預(yù)防

        為了更好地預(yù)防熱傷害的發(fā)生,識別熱傷害發(fā)生過程中的設(shè)計因素是必不可少的。以熱流場為基礎(chǔ),在保證冷卻系統(tǒng)匹配沒有問題的前提下,按照關(guān)聯(lián)程度由高到低,識別熱傷害發(fā)生的設(shè)計因素主要包括布置、材料、結(jié)構(gòu)、工藝等4類。

        3.1布置

        隨著發(fā)動機功率提高,排放要求也升高,發(fā)動機艙內(nèi)及底盤部件模塊化率日益增高,布置也越來越緊湊,這增加了熱傷害的預(yù)防難度。設(shè)計過程中,應(yīng)結(jié)合CFD分析,考慮位置分布及間隙,合理布局,避免產(chǎn)生漩渦或死區(qū)等造成熱量滯留,或者由于距離太近而產(chǎn)生高溫烘烤和灼燒。

        1)高溫布置影響流場流速及方向。圖4為某車型在Y=0mm截面速度分布圖,空濾波紋管處布置管線會導(dǎo)致氣流流速變小,不利于及時散熱,容易造成熱量滯留,產(chǎn)生熱傷害風(fēng)險,故應(yīng)該盡量減少在該位置布置管線。

        圖4 怠速工況下車身截面Y=0mm速度分布

        2)高溫氣流流經(jīng)位置處減少受熱部件布置。圖5為某車型在Z=70mm高度上速度分布圖,在此高度上,機艙左側(cè)氣流速度較高,由于氣流帶來熱量,怠速工況下會存在較多的高溫隱患,減少此處的受熱部件布置,可避免受熱部件發(fā)生熱傷害。

        圖5 怠速工況下車身截面Z=70mm速度分布

        3)受熱部件與高溫部件位置及間隙。受熱部件應(yīng)遠(yuǎn)離熱源且含油液類部件不應(yīng)布置在熱源正上方,如潤滑系統(tǒng)若布置在高溫部件附近易引起油質(zhì)變化;若布置在高溫部件上方,漏油情況下油液滴落極易引起燃燒釀成火災(zāi)。此外還有線束布置,如線束在高溫部件上方,其外部雖增加高溫防護膠帶,但若彎折時熱防護膠帶防護層在折彎應(yīng)力集中點脫落,易引起絕熱不均而導(dǎo)致導(dǎo)線熔融失效。

        3.2材料

        對于管線類受熱部件的防護產(chǎn)品材料來說,合適的防護材料產(chǎn)品選擇,需要考慮不同的防護類型、防護強度等因素,正確的選擇不僅可以對受熱部件進行針對性的有效防護,而且也不會造成直接的成本浪費,如表3所示。

        表3 防護材料類型示例

        3.3結(jié)構(gòu)

        部件結(jié)構(gòu)影響流場流速,典型例子為進氣格柵。圖6和圖7分別為格柵最上端封閉與未封閉狀態(tài)在Y=200 mm處機艙內(nèi)流場速度矢量及溫度場分布對比圖,其中2圖中的(a)為格柵最上端封閉情況,(b)為未封閉情況。圖6(b)的上進氣格柵有3股氣流,而(a)只有2股,即在進氣格柵最上端未封閉情況下,機艙上部氣流增加,氣流更為順暢;圖7(b)比圖7(a)冷卻氣流量增加,在機艙蓋附近溫度明顯降低,而機艙后部溫度也隨之降低。在設(shè)計過程中應(yīng)該避免流場內(nèi)各部件結(jié)構(gòu)阻礙氣流,導(dǎo)致散熱不及時。

        圖6 速度矢量對比

        圖7 溫度分布對比

        3.4工藝

        除去以上3種因素,在部件制造及裝配過程中產(chǎn)生的公差會使部件與高溫部件的間隙產(chǎn)生偏差,故在設(shè)計過程中必須考慮實際公差并進行間隙預(yù)留。以排氣系統(tǒng)周邊部件為例,定義了左右、前后和上下6個方向間隙預(yù)留推薦值,見表4。

        表4 排氣系統(tǒng)周邊部件間隙預(yù)留值推薦表mm

        4 問題解決實例

        4.1案例

        某車型在進行整車熱管理試驗時,后保險杠出現(xiàn)燒蝕問題如圖8所示,后保險杠耐受溫度為95℃,實測溫度高達170℃。

        圖8 某車型后保險杠燒蝕問題

        4.2原因調(diào)查

        通過對尾管處進行CFD分析發(fā)現(xiàn):a. 部分尾管熱氣流會直接噴射到尾管裝飾罩上邊沿;b. 裝飾罩上邊沿搭接邊凸出產(chǎn)生明顯湍流;c. 實車此處存在縫隙,漏氣導(dǎo)致少量熱氣流吹拂后保險杠表面。以上原因共同引起燒蝕問題,如圖9所示。

        4.3問題解決及驗證

        問題解決方法:a.排氣尾管以裝飾罩上表面為基準(zhǔn)降低15mm,同時伸長15mm;b.增加尾管裝飾罩Z向高度,同時增加密封結(jié)構(gòu)。

        再次進行CFD分析,尾氣未直接噴射到尾管裝飾罩,且新的裝飾罩密封結(jié)構(gòu)未引起明顯湍流。經(jīng)實車測量,后保險杠表面溫度為79℃,未發(fā)現(xiàn)燒蝕問題,如圖10所示。

        圖9 后保險杠燒蝕問題原因調(diào)查

        圖10 后保險杠燒蝕問題解決方案及驗證

        5 結(jié)束語

        發(fā)動機和排氣系統(tǒng)是汽車最主要的高溫部件,故機艙和排氣系統(tǒng)周邊是熱傷害的重點防護部位。由于機艙內(nèi)熱流場的復(fù)雜性以及發(fā)動機與排氣系統(tǒng)的高溫特性,熱傷害的預(yù)防往往是集布置、材料、結(jié)構(gòu)和工藝等因素于一體的綜合性課題。在設(shè)計過程中,結(jié)合CFD分析結(jié)果,對高溫部件及受熱部件進行合理的布局及間隙設(shè)定,受熱部件的防護材料要滿足防護要求,流場中各部件的結(jié)構(gòu)盡量避免阻礙氣流或造成湍流,部件的制造及安裝公差也要考慮,間隙設(shè)定要有適當(dāng)?shù)念A(yù)留值。此外必須開展實車熱管理試驗驗證,保證熱傷害問題不流入市場,影響消費者的人身及財產(chǎn)安全。

        參考文獻

        [1]鄧義斌,黃榮華,王兆文,等.車輛熱管理系統(tǒng)及其研究[J].汽車工程師,2011(01):52-56.

        [2]何適,趙旭敏.淺談汽車火災(zāi)[J].科技展望,2015(07):236.

        [3]李玉強,楊勇.汽車主要部件與系統(tǒng)的火災(zāi)分析[J].四川兵工學(xué)報,2010,31(06):145-148.

        收稿日期:2015?08?31

        文章編號:1002-4581(2016)01-0031-05

        中圖分類號:U461.91

        文獻標(biāo)志碼:A

        DOI:10.14175/j.issn.1002-4581.2016.01.009

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