辛 偉，管慶禹，趙金剛

（山東朗進科技股份有限公司，山東 濟南 266400）

1 前言

客車空調(diào)自誕生以來，始終為提升居民乘車舒適性發(fā)揮著重要作用，已經(jīng)逐漸成為整車不可缺少的一個重要部件。近年來，國內(nèi)各大客車廠，紛紛響應(yīng)國家政策號召，積極布局新能源客車的研發(fā)制造，如今純電動客車和燃料電池客車已經(jīng)推廣普及，取代燃油燃氣客車的趨勢已經(jīng)不可逆轉(zhuǎn)，這也給客車空調(diào)制造企業(yè)提出了更高的要求，單純的空調(diào)制冷功能已經(jīng)無法滿足乘客、客車廠、運營公司的需要，空調(diào)制造企業(yè)需要站在市場需求的角度，更多的考慮空調(diào)集成熱泵功能，應(yīng)用變頻節(jié)能技術(shù)，集成電池冷卻功能。

本文介紹一種集成電池冷卻功能的純電動客車空調(diào)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，主要從功能兼容性設(shè)計、機械接口設(shè)計、外觀設(shè)計、結(jié)構(gòu)細節(jié)設(shè)計4大方面詳細介紹空調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計的思路和方法，希望能夠提升空調(diào)產(chǎn)品的功能集成性、接口兼容性、可靠性、可維修性等性能。

2 功能集成性設(shè)計

無論是純電動客車還是燃料電池客車，電池在正常的充放電過程中，都會產(chǎn)生熱量，導致電池溫度升高，需要對電池進行降溫處理，使電池始終工作在合理安全的溫度區(qū)間內(nèi)，提升電池的性能和使用壽命。

目前給電池降溫普遍有兩種方案，獨立的電池水冷機組和頂置客車空調(diào)集成電池冷卻功能，后者因為可以降低整車的質(zhì)量、節(jié)省整車安裝空間、采購成本低、安裝對接方便等優(yōu)點，得到客戶青睞，市場推廣迅速。

空調(diào)制造企業(yè)在新產(chǎn)品研發(fā)時，完全可以將頂置客車空調(diào)機組設(shè)計成集成電池冷卻功能的一體式空調(diào)機組，空調(diào)內(nèi)部合理布置電池冷卻水路系統(tǒng)的水箱、水泵、板式換熱器及冷卻液管路等部件，并設(shè)計合理的部件安裝固定方式，預留水箱加液口等。根據(jù)不同客戶的具體要求，在標準配置基礎(chǔ)上做選配處理即可快速響應(yīng)客戶需求。

圖1是一種集成電池冷卻功能的一體式客車空調(diào)機組示意圖。

圖1 集成電池冷卻一體式空調(diào)機組示意圖

3 機械接口兼容性設(shè)計

要保證空調(diào)機組的正確順利安裝，空調(diào)機組機械接口的設(shè)計非常重要?？蛙嚳照{(diào)與整車的機械接口主要包括4個方面，即客車空調(diào)的安裝固定、空調(diào)機組送風口及回風口的安裝密封、電池冷卻水路系統(tǒng)進出水管的安裝對接、空調(diào)機組高壓線束和低壓線束的連接。

其中，空調(diào)機組的安裝固定和風口密封對接，客車廠需根據(jù)空調(diào)的接口調(diào)整整車的安裝接口，空調(diào)可根據(jù)部件布局進行自主設(shè)計。不同客車廠同一長度的車型，整車電池的布置位置，整車多合一控制器的安裝位置不同，空調(diào)機組與整車端水路進出水管和高低壓線束的對接位置會有差別。這兩項接口的位置均布置在整車的兩側(cè)風道中，空調(diào)機組的送風口下方。為減少客車廠的頻繁改動，將空調(diào)機組的水冷系統(tǒng)進出水管接口和高低壓線束的接口位置設(shè)計成兩側(cè)送風口對稱布置，根據(jù)具體的項目要求，選擇相應(yīng)的進出水管和高低壓線束對接位置即可。這樣可以減少客車廠的設(shè)計改動，提高訂單項目的執(zhí)行效率。

圖2是一種進出水管和高低壓線束接口兩側(cè)可選的客車空調(diào)機組機械接口示意圖。

圖2 空調(diào)機械接口示意圖

4 空調(diào)殼體材料選擇

客車空調(diào)殼體材料的選擇，對空調(diào)機組的外觀造型和空調(diào)機組的結(jié)構(gòu)性能都起著至關(guān)重要的作用。

玻璃鋼材料質(zhì)量輕、強度高，具有較好的耐候性和耐腐蝕性，非常適合戶外環(huán)境的應(yīng)用，而且可以做出過渡平滑的流線型造型，非常適合空調(diào)機組的頂蓋。玻璃鋼材質(zhì)頂蓋可進行二次加工制作，根據(jù)不同車頂弧度的圖紙匹配預裝效果，靈活裁切空調(diào)頂蓋兩側(cè)邊的高度尺寸，使空調(diào)安裝完成后，與車頂?shù)目p隙均勻一致，保證整車的外觀更加勻稱美觀。玻璃鋼頂蓋的可視外表面為模具加工面，表面品質(zhì)高，可根據(jù)具體車型的顏色要求，與整車一起噴涂。

鋁合金材料是一種質(zhì)量輕、強度高、價格低廉的合金材料，可制造性可加工性強、批量化生產(chǎn)效率高，非常適用于空調(diào)機組底殼，與玻璃鋼材質(zhì)的加工工藝相比，鋁合金材質(zhì)加工的底殼主要有3大優(yōu)點。

1）空間利用率更高，不會存在因為增加強度而設(shè)計的空腔造型，不會存在因玻璃鋼脫模需要增加的脫模角度、工藝圓角等，可以最大程度地利用空間，增加空調(diào)部件安裝的可操作性。

2）加工精度高，玻璃鋼產(chǎn)品的模具會存在一定的變形收縮，制作的產(chǎn)品誤差大，一致性不強。手糊玻璃鋼產(chǎn)品的預埋標準件及開孔，為脫模后人工制作，精度很難保證，這些都給空調(diào)機組部件的裝配帶來很多不便，影響空調(diào)整機裝配線的生產(chǎn)效率。而鋁合金材質(zhì)的殼體，采用激光切割下料、數(shù)控折彎、焊接鉚接成型等工藝加工制作而成，標準化程度高、產(chǎn)品尺寸精度準確、一致性好，適合大批量的流水線作業(yè)。

3）結(jié)構(gòu)強度高，鋁合金材質(zhì)的底殼可以設(shè)計成框架式結(jié)構(gòu)，在空調(diào)設(shè)計階段，對空調(diào)底殼三維模型進行結(jié)構(gòu)強度的有限元仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果，有針對性地進行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)補強和優(yōu)化設(shè)計，保證空調(diào)底殼在滿足結(jié)構(gòu)強度的前提下，做到質(zhì)量最輕，為整車減負，增加電池的續(xù)航里程。

5 結(jié)構(gòu)細節(jié)設(shè)計

當然，空調(diào)設(shè)計除了要從宏觀層面把控空調(diào)的功能性集成設(shè)計、接口兼容性設(shè)計、外觀造型美觀、結(jié)構(gòu)強度可靠等，還要注重空調(diào)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計的細節(jié)，只有細化結(jié)構(gòu)設(shè)計，才能保證空調(diào)功能的正常實現(xiàn)，保證空調(diào)使用的可靠性。下面分別從空調(diào)風場、空調(diào)密封、空調(diào)排水3個方面分別介紹空調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

5.1 風場設(shè)計

客車空調(diào)的風場設(shè)計主要包括兩方面，蒸發(fā)風場和冷凝風場。

從外界進入空調(diào)機組的新風和從客車內(nèi)的回風混合后，通過蒸發(fā)器降溫，進入送風腔，并由蒸發(fā)風機送入客車風道內(nèi)，形成蒸發(fā)風場的循環(huán)。新風口和回風口的進風面積需要根據(jù)理論風量進行計算確定，不能隨意開設(shè)，導致出現(xiàn)風量不足或者風速過大引起噪音過大的問題。新風口建議左右兩側(cè)各設(shè)置一個，這樣可以保證一處新風閥故障的情況下，另一個正常工作，能夠為客車內(nèi)提供新風供應(yīng)，使乘客不會感覺到呼吸發(fā)悶?？照{(diào)兩側(cè)送風口的中心距尺寸，要能滿足落入客車的風道內(nèi)，送風口中心距設(shè)計過小，會出現(xiàn)擋風和窩風的問題，嚴重的會導致空調(diào)無法與整車匹配安裝。另外，空調(diào)機組兩側(cè)送風口及回風口的周邊，需在底殼內(nèi)部設(shè)計加強筋，以保證空調(diào)風口安裝密封時有足夠的支撐強度，不會因為底板強度不足引起底板變形，進而引起空調(diào)機組風口密封不良、漏風、漏水的問題。

外界空氣從空調(diào)機組冷凝風進風口進入，通過冷凝器換熱后重新返回外界空氣當中，形成冷凝風場的循環(huán)。冷凝風場設(shè)計的重點是要保證足夠的冷凝風進風面積。在限定的空調(diào)機組外形尺寸和高度情況下，建議將冷凝器設(shè)計成截面為平行四邊形的結(jié)構(gòu)，冷凝風進風腔設(shè)計成與冷凝器斜邊近乎平行的結(jié)構(gòu)，以保證冷凝器底部有足夠的進風，減小風場阻力，保證換熱效率。除此以外，在冷凝器的兩個端部及四周也設(shè)計端部進風口，盡可能地加大進風面積。蒸發(fā)風場的流向和冷凝風場的流向示意圖見圖3。

圖3 空調(diào)風場示意圖

5.2 密封設(shè)計

客車空調(diào)的密封設(shè)計主要是蒸發(fā)腔的密封設(shè)計。蒸發(fā)腔密封一是防止漏風影響空調(diào)性能，二是防止出現(xiàn)雨天漏水的問題。空調(diào)蒸發(fā)腔頂蓋的密封結(jié)構(gòu)，在空調(diào)鋁合金殼體蒸發(fā)腔四周卡密封膠條，蒸發(fā)腔頂蓋的內(nèi)表面粘貼保溫棉，利用密封膠條和保溫棉的互相壓縮，形成閉合的密封圈，保證整個蒸發(fā)腔與外界完全隔絕。蒸發(fā)器頂部粘貼保溫棉，與蒸發(fā)腔頂蓋內(nèi)表面保溫棉互相壓縮形成密封，保證風場不會短路。空調(diào)蒸發(fā)腔密封結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 空調(diào)蒸發(fā)腔密封區(qū)域示意圖

通過理論計算密封結(jié)構(gòu)所需要的配合尺寸鏈后，將蒸發(fā)腔頂蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計成鉸鏈、撐桿、螺栓組合使用的固定型式，方便頂蓋的打開和固定，提升了后續(xù)空調(diào)機組車頂維修作業(yè)的可操作性。

5.3 排水設(shè)計

客車空調(diào)的排水設(shè)計主要包括冷凝水的排放和雨水的排放兩方面。

冷凝水的排放采用集中排水的方式，蒸發(fā)器底部設(shè)計接水盤，用于冷凝水的存放，接水盤傾斜放置，方便冷凝水的排放。在相對位置較低的接水盤的側(cè)壁沿蒸發(fā)器長度方向的兩端各設(shè)置一處排水孔，焊接排水管，排水管的一側(cè)與接水盤相連接，另一側(cè)在送風口處，保證空調(diào)安裝在車上后，可以連接PVC鋼絲軟管，從整車風道中引致車輛后尾部排出車外。鋼絲軟管的末端需要連接鴨嘴閥，形成水封，防止外界空氣沿軟管倒吸入接水盤，發(fā)生吹水問題。設(shè)置兩處排水孔的優(yōu)點在于可以保證車輛在上下坡過程中的正常排水。空調(diào)在整車上的冷凝水流向見圖5。

圖5 空調(diào)冷凝水排放示意圖

雨水的排放，需要確保外界的雨水不會進入到空調(diào)的回風腔和蒸發(fā)腔內(nèi)，除了要做到蒸發(fā)腔頂蓋的密封之外，還需要保證雨水的及時快速排放，以及在雨水流路中空調(diào)底殼的密封設(shè)計。整個冷凝腔與回風腔利用一張完整的板折彎而成，實現(xiàn)內(nèi)外分離。利用車輛在行進過程中的速度與慣性，在冷凝腔的兩端設(shè)計排水口，實現(xiàn)雨水快速排放到車頂，不容易積水?？照{(diào)冷凝腔雨水排放見圖6。

圖6 空調(diào)雨水排放示意圖

6 結(jié)束語

本文從功能集成、機械接口兼容、外殼材料、結(jié)構(gòu)細節(jié)4個方面，對空調(diào)的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了詳細的探討，希望對空調(diào)制造企業(yè)有所幫助，設(shè)計出功能更加齊全、性能更加可靠、標準化程度更高的空調(diào)產(chǎn)品，與各大客車廠一起積極推動新能源汽車行業(yè)的發(fā)展，不斷實現(xiàn)空調(diào)技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展。