浅谈客车空调系统的计算机辅助设计

近年来，随着国民经济保持持续、稳定的高速发展，我国客车行业也处于高速发展时期，空调客车的需求量不断增加。但由于使用和运行环境的特殊性，客车空调系统的设计与其它空调系统相比要复杂得多。采用传统的客车空调系统设计方法计算量大，设计周期长，准确性差，不仅影响产品的性能，而且难以适应车型开发的要求。随着计算机技术的发展，计算机辅助设计作为一种新的综合学科，改善了传统的产品设计和工程技术设计方法，可以有效地提高开发效率，缩短开发周期。因此，开发一种人机界面友好、操作方便且功能完善的客车空调系统计算机辅助设计软件，具有很大的实用价值。

1 客车空调系统设计的任务与要求[ 1，2 ]

客车空调系统设计的主要任务是创造车内舒适的气候条件，以保持乘员的身体健康和提高工作效率。完整的客车空调系统应包括制冷、采暖、通风换气、除霜(雾) 和空气净化五大功能。与一般空调相比，客车空调系统功能多、负荷大、结构复杂、性能要求高、布置设计复杂，其设计好坏直接关系到整车的使用性能和空调的使用效果。为此，客车空调系统设计必须满足以下要求:

(1) 必须根据客车的使用情况合理确定客车内外气候参数，计算冷热湿负荷。
(2) 应根据车型、乘员人数和使用环境合理选择空调设备，同时要考虑适用性和经济性。
(3) 应按照不同车型的结构特点，合理选用布置方案，力求布置合理，经济性好，使用维修方便。
(4) 合理布置送风管道，尽量减少长度和弯道，降低气流阻力和热损失，使车内气流的组织和温度分布满足舒适性要求。
(5) 在车身设计的基础上合理布置空调系统，满足结构和性能要求。
(6) 设备布置、管道设计、出风口型式与布置设计应与整车和车内造型统一协调，充分满足车身整体美观要求。
(7) 通风设备的选型和布置应保证必要的通风换气要求和车内空气流通，除霜设备应保证风窗玻璃的除霜面积满足最低的视野要求。

(8) 选用强有力的密封隔热材料，减少热损失，确保空调效果。

完整的客车空调系统设计过程包括车内外气候参数确定、冷热湿负荷计算、空调设备选择、车内气流组织、风道设计、特性计算及其校核、系统布置方案确定、生产图纸绘制以及数据和图形的存储与输出等，其设计模块组成如图1 所示。这些设计工作如果继续采用传统的方法，必将大大影响产品的开发周期和设计质量，设计成本也较高。

图1 客车空调系统设计过程图

2 客车空调系统计算机辅助设计软件开发

2.1 计算机辅助设计的特点和应用

计算机辅助设计(CAD ) ，也称作设计自动化，是指利用计算机系统来辅助设计的建立、修改、分析或优化等，从而有效地提高开发效率，缩短开发周期，是近年来在各行业发展较快、应用较广的新技术[ 5 ]。它是一种人机紧密结合的交互式系统，使人、机在设计过程中可以取长补短，达到最佳的设计效果。

在空调技术的发展过程中，应用于建筑空调的计算机辅助设计软件发展很快。我国建筑空调CAD的发展从二十世纪70 年代到现在，正逐步走向成熟和完善，并呈现出建筑工程一元化和计算绘图一体化的特点。借鉴建筑空调CAD 技术的发展经验，将计算机技术和客车空调系统的设计相结合，把客车空调系统的设计理论、计算方法、设计经验与计算机的精密计算、图形绘制、数据库和图形库相结合，以提高开发效率，缩短开发周期。

汽车空调CAD 技术主要包括进行空调中各部件及系统的数值仿真，基于CFD (计算空气动力学)的车内气流组织分析与设计，风道设计和电子元器件散热分析，以及空调系统各部件受力、传热的有限元分析与设计等[ 4 ]。而客车专用的空调系统设计软件至今未见开发。

2.2 本软件系统特点

就上述客车空调系统设计的任务和要求，客车空调系统计算机辅助设计的目标，就是要建立一个初步完整的、有一定先进性的、人机交互友好的、便于在客车设计制造行业中应用的CAD 系统[ 3 ]。该系统应具备以下特点:

(1) 功能完善，具有客车空调系统设计所需的计算和分析功能。
(2) 界面友好，操作简单方便。采用人机交互流水作业方式，可由用户输入部分计算参数、布置参数，然后由计算机自动完成计算、布置和绘图。
(3) 适应性广，可以适应不同客车的空调系统设计。同时，各模块也可以单独完成某项设计工作。
(4) 专家化，简单化。设计过程与可维护数据库相连，采用查询系统，给出特定客车空调系统的各种可能的设计方案，并可借鉴吸收专家的设计经验进行计算分析和布置设计。
(5) 计算结果可以存储、输出和打印报表。内部变量应与数据库链接，以便进行数据的存储查询，形成报表。
(6) 软件安装、维护方便，运行稳定。

2.3 系统具体工作内容

客车空调系统计算机辅助设计软件包括: 设计计算、数据查询和系统布置三大模块。具体有以下几项工作:

(1) 车内外空调系统设计参数的确定。
(2) 进行交互式制冷系统、采暖系统以及除霜系统的负荷计算，尽量减少人工查表的麻烦。
(3) 制冷系统的压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器的选择及特性计算，进行机组设计。
(4) 建立客车空调制冷设备、采暖设备、除霜设备和通风换气设备数据库、图形库。
(5) 风道设计及车内气流组织方式确定。
(6) 利用绘图软件进行二次开发，实现系统设计的自动化，完成系统总布置和图形自动生成，进行二维和三维图形的绘制、造型以及动画设计。
(7) 完成空调设备选型计算。

2.4 软件结构

设计中图形库的建立和图形的自动生成以国产软件北航海尔的CAXA 为基础，用Visual Foxpro610 建立数据库，界面设计采用面向对象的可视化编程开发工具Visual C++ 6.0，以Windows2000 为开发平台。软件采用菜单式、窗口式人机对话，加入多媒体技术。整个软件开发的关键，在于解决好高级语言与数据库的接口和绘图软件与数据库的接口技术问题。软件结构如图2 所示。