汽车隔热板的主要作用
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发布时间：2022-04-20 09:39
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时间：2023-07-14 19:33
轿车车身隔热板零件的设计原理和典型结构
前言
轿车车身隔热板,也称热屏蔽板,它是传热工程上为减小辐射换热表面对其他零件的危害,在相邻表面之间放置的金属薄板。车身隔热板一般布置在发动机两侧和车身底部排气管通道上方。
它主要利用热屏的反射绝热原理,来隔断热量的传递,同时它还有一定的局部隔噪声的作用。
1、身传热的理论分析
轿车发热零件向车身内部的传热过程情况非常不稳定,受环境温度、风速、汽车本身的运动状态等因素影响较大,需要从车辆的不同运动状态结合传热理论加以分析。
轿车隔热板零件的主要作用是降低辐射热流的传递。在车辆怠速和低速时,它降低辐射热流的同时还有一定的阻隔热空气直接和车身对流换热的作用。因此,这时要求隔热板能尽快散热为好。
而在高速时,它的作用基本局限于降低辐射热流的传递,因为这时车身底部空气流动较快,对发热部件具有冷却作用,即这时的对流换热将有利于汽车底部零件散热。如果底部结构设计的不合理,气流出现严重湍流,对流换热系数会迅速增大,也会产生和车身的不良换热,这种情况需要在设计时加以避免。一些车辆在高速行驶时车身地板局部较热,此时除了由于发动机、排气管温度较高,热辐射较强烈,还与高速热气流在车底的不良流动有一定关系。图1和2示出了平行热风吹过圆柱和平板的对流换热情况。
图1 平行热风在柱面上对流换热系数的变化情况
图2 行热风在平板上对流换热系数的变化情况
对于对流换热,层流边界层厚度加厚,换热系数降低,从过渡区到湍流区换热系数不断增加。气流换热一般分为低速气流换热和高速气流换热。
一般用马赫数区分气流换热类型, 马赫数定义为当地气流速度与当地气流中声速之比,当马赫数低时,一般归为低速气流换热。汽车底部的气流换热归属于低速气流换热的情况,可以仅从气流的流动对应换热系数的变化情况来研究汽车底部的对流换热问题。
2、车身传热的主要传热模式和传热消弱措施
2.1 身隔热应对的主要传热形式
(1) 辐射传热模式: 排气管等发热零件的辐射热量部分被隔热板吸收,部分被反射。隔热板吸收热量后温度升高对车身地板等车底零件进行两次热辐射。
(2) 对流/传导模式:被排气管加热的空气与所接触的隔热板之间进行换热; 隔热板零件被加热后与车身地板之间的夹层空气; 被加热的夹层空气与所接触的车身地板、梁等零件之间进行换热;车身地板、梁等零件将热量传到车厢或梁的空腔内。
根据车辆的运动状态不同,这些传热模式的影响是不同的。汽车在高速行驶时,由于风冷的作用,辐射传热是主要传热模式。在车辆低速行驶或怠速情况下,对流、传导模式在热量传递过程中起的作用会明显增加。
2.2 车身传热消弱措施
向车身传递的热量会影响乘员的舒适感,严重的还可能导致零件功能失效和老化,甚至引起火灾,因此在汽车设计时需要处理好传热问题。
通常从传热模式过程中采取的措施是: 增加热阻、合理散热。这些措施在车身隔热中具体体现为,通过增加隔热板板厚,选用低导热系数、表面黑度小材料和多层隔热结构来提高热阻,尽量增加隔热板与车身和排气管的间隙等方法。
从热源着手的措施是:降低热源温度。对于轿车发动机热源,提高能量利用效率,使用节能的低排量发动机、小体积的发动机可以降低对车身隔热方面的负担。对于排气管热源方面,在达到消声等目的的同时,使热量在排气管中均衡分布,尽量避免出现局部过热,可以降低对车身隔热方面的负担。
3、车身隔热板的设计要求和常用材料
3.1 一般设计要求
·在各种行驶状态下车底温度不得高到使内部装备出现损坏或车内乘客被烫伤;·隔热板在车辆正常使用过程中不应有过大的变形,如边缘翘起折断、开裂等;
·隔热板的分块应尽可能少,并尽量平整、减少气流的扰动;
·对于难以避免的狭小结构,在易引起湍流的局部,可以考虑在隔热板表面增加散热栅孔以改善散热;
·隔热板与车身之间的固定形式应保证在固定可靠的同时,兼顾装配精度和装配的方便性。对于材料热膨胀系数相差较大的复合结构隔热板,要特别注意连接、固定的方式;
·根据隔热情况需要选取恰当的材料和结构,避免浪费;
·考虑车辆轻量化设计。
隔热板的设计需要在整车布置设计时通盘考虑,要考虑到隔热板周边风的流速和流量。风可以带走热源的热量,阻断热量的传递。在结构设计方面,应尽量减少隔热板的分块,增强隔热板屏蔽热空气的效果。同时要注意隔热板和热源之间,隔热板和车身之间的间隙设计,保证足够的空气夹层。
需要强调的是,设计时追求最大的热源和车身之间的间距对消弱热量传递是最有效和经济的。
排气管布置、固定对隔热板的设计也有影响。原则是,避免将排气管布置在狭长而且深的车底通道内,对降低隔热板的隔热要求和简化隔热板的结构有很大好处。在设计前进行一定的计算分析和预留较大的设计间距,这样可以减少最终匹配试验出现的匹配更改。
3.2 车身隔热板零件的常用材料
轿车上使用的隔热材料,一般都兼有隔声作用。工程上通常把导热系数λ ≥ 0.23的材料称为绝热材料,λ < 0.14的绝热材料称为保温材料。材料吸声性能的优劣以吸声系数来衡量,吸声系数是指被吸收的能量与声波原先传递给材料的全部能量的百分比。通常对125Hz、250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz、4000Hz这6个频率的平均吸声系数大于0.2的材料,称为吸声材料。根据使用特点选择隔热板零件的材料,不能简单按材料的传热系数高低来选择。汽车工程中隔热板零件的常用材料,一般多选用工业纯铝板材。工业纯铝的主要特点:质量轻,密度为2.7 ×103 kg/m3 ,约为钢铁的1 /3;导热性好,便于热量散发;黑度ε = 0.28,对热辐射有很好的屏蔽能力;塑性较好(低于一般车用冲压钢板) ,可方便地制成板材、箔材;抗大气腐蚀性好,能生成一层致密的氧化铝层,并有很好的耐热性。
4、车身隔热板零件的典型结构
车身隔热板有以下几种典型结构:(1) 一般单层铝板: 板厚一般在0.5 ～ 0.8mm,用于形状复杂、尺寸大、隔热要求不高的隔热位置。降低成本,加工方便。
(2) 单层凸包板:板厚一般在0.5 ～ 0.6mm,一般对凸包板密度有一定的要求, 由于表面经过凸包板加工时的冷作硬化,制成零件的强度好,尺寸稳定性较好,凸包板增加了隔热板的表面积,提高了隔热板对热和声波的反射能力,同时改善了空气在隔热板表面的流动状态,故隔热效果较单层平铝板好。
(3) 双层空心凸包铝板: 两层凸包板中间空气夹层。板厚一般在0.2 ～ 0.6mm,凸包板密度有一定的要求。这种结构在零件重量增加不多的情况下,能大幅提高隔声、隔热的能力。但加工工艺要求较高。
(4) 多层铝叠板: 一般是一层铝板附几层铝箔凸包板,利用铝箔凸包板间空气层的隔热效果和铝层的反射热射线能力强来达到隔热的效果。
隔热效果很好。一些车型还在铝板上均布小孔达到消声的作用。
(5) 多层复合板: 常见的是双层铝板中间空心或夹层内填加玻璃棉、石棉、铝箔等材料,也有为了降噪考虑将铝板附在纤维材料表面,达到反射型隔热同时消音的结构。如在帕萨特- B5车型上有一个隔热零件采用了铝板加高分子复合材料,但由于目前国内这一技术还不成熟,其他车型上应用较少。在汽车夹层隔热板中夹层内填加材料一般选用质轻、吸声性能好、导热率低的玻璃纤维构成的玻璃棉作为夹层材料。
(6) 双面镀铝钢板: 双面镀铝钢板制成的零件结构尺寸稳定,隔热、隔声效果较好,缺点是防腐能力略差,比重大,不利于减轻整车重量。但这种材料的抗腐蚀性不如铝板。
一般而言,复合板、多层板成本较高,隔热效果也好;双层空心凸包板其次;双面镀铝钢板隔热效果介于双层空心凸包板和单层凸包板之间。单层凸包板增大了板材的散热、反射面积,综合能力效果较一般单层平铝板好。
5、结语
轿车车身隔热作为轿车车身附件,目前国内开展的研究、消化工作和国外还有一定差距。对国外的一些新型的隔热结构和隔热材料,国内还不具备制造能力。本文对轿车车身隔热板零件的的技术原理、结构特点等方面的知识进行了初步的整理和总结,希望能起到借鉴作用。
