汽車冷卻系統(tǒng)匹配設計

1、一、 冷卻系統(tǒng)說明二、 散熱器總成參數(shù)設定及基本性能要求三、 膨脹箱總成參數(shù)設定及基本性能要求四、 冷卻風扇總成參數(shù)設定及基本性能要求五、 橡膠水管參數(shù)設定及基本性能要求一、 冷卻系統(tǒng)說明 內(nèi)燃機運轉(zhuǎn)時 ，與高溫燃氣相接觸的零件受到強烈的加熱，如不加以適當?shù)睦鋮s，會使內(nèi)燃機過熱，充氣系數(shù)下降，燃燒不正常（爆燃、早燃等），機油變質(zhì)和燒損，零件的摩擦和磨損加劇，引起內(nèi)燃機的動力性、經(jīng)濟性、可靠性和耐久性全面惡化。但是，如果冷卻過強，汽油機混合氣形成不良，機油被燃燒稀釋，柴油機工作粗爆，散熱損失和摩擦損失增加，零件的磨損加劇，也會使內(nèi)燃機工作變壞。因此，冷卻系統(tǒng)的主要任務是保證內(nèi)燃機在最適宜的溫度狀

2、態(tài)下工作。1.1 發(fā)動機的工況及對冷卻系統(tǒng)的要求一個良好的冷卻系統(tǒng)，應滿足下列各項要求：1） 散熱能力能滿足內(nèi)燃機在各種工況下運轉(zhuǎn)時的需要。當工況和環(huán)境條件變化時，仍能保證內(nèi)燃機可靠地工作和維持最佳的冷卻水溫度。2） 應在短時間內(nèi)，排除系統(tǒng)的壓力。3） 應考慮膨脹空間，一般其容積占總?cè)莘e的4-6%；4） 具有較高的加水速率。初次加注量能達到系統(tǒng)容積的90%以上。5） 在發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)，系統(tǒng)壓力蓋打開時，水泵進口應為正壓；6） 有一定的缺水工作能力，缺水量大于第一次未加滿冷卻液的容積；7） 設置水溫報警裝置；8） 密封好，不得漏水；9） 冷卻系統(tǒng)消耗功率小。啟動后，能在短時間內(nèi)達到正常工作溫度。

3、10） 使用可靠，壽命長，制造成本低。1.2 冷卻系統(tǒng)的總體布置冷卻系統(tǒng)總布置主要考慮兩方面：一是空氣流通系統(tǒng)；二是冷卻液循環(huán)系統(tǒng)。在設計中必須作到提高進風系數(shù)和冷卻液循環(huán)中的散熱能力。提高通風系數(shù)：總的進風口有效面積和散熱器正面積之比30%。對于空氣流通不順的結構，需要加導風裝置使風能有效的吹到散熱器的正面積上，提高散熱器的利用率。在整車空間布置允許的條件下，盡量增大散熱器的迎風面積，減薄芯子厚度。這樣可充分利用風扇的風量和車的迎面風，提高散熱器的散熱效率。一般貨車芯厚不超過四排水管，轎車芯厚不超過二排水管。在整車布置中散熱系統(tǒng)中，還要考慮散熱器和周邊的間隙，散熱器到保險杠外皮的最小距離10

4、0毫米，如果發(fā)動機的三元崔化在前端的話，還要考慮風扇到三元催化本體距離至少100毫米，到三元催化隔熱罩距離至少80毫米。一般三元催化的隔熱罩到本體大概有15毫米，隔熱罩厚度為0.51毫米，一般材料為st12。散熱器布置貨車散熱器一般采用縱流水結構，因為貨車的布置空間也較寬裕。而且縱流水結構的散熱器強度及懸置的可靠性較好，轎車多采用散熱器橫流水結構，因為轎車車身較低，空間尺寸緊張。橫流水結構散熱器能充分地利用轎車的有限空間最大限度地增加散熱器的迎風面積。散熱器分成水冷和風冷兩種冷卻形式，風冷主要用在行駛在沙漠地帶的車輛的冷卻，但是決大多數(shù)的車輛采用水冷冷卻形式。散熱器懸置布置：散熱器通常為四點懸

5、置，也可以采用三點懸置。其中主懸置點為2個，輔助懸置點為2個或1個。所有懸置點應布置在同一個部件總成上，改善散熱器受力情況，以盡量減少散熱器的振動強度。主懸置點與其連接的部件總成之間以膠墊或膠套等柔性非金屬材料過渡以達到減震的目的。主懸置點的膠墊壓縮量一般為其自由高度的1/5左右。少數(shù)轎車因其整車的減振膠墊或膠套而進行剛性連接。中，重型載貨汽車由于散熱器的質(zhì)量大及使用環(huán)境較差，一般要在散熱器的外部增加一個剛性較大的保護框架，以防止振動等外界力直接作用在散熱器上。懸置點設置在框架上。輕型貨車和轎車一般不加保護框架，懸置點設置在散熱器的側(cè)板或水室上。為提高散熱器強度一些車散熱器上加有十字拉筋。護風

6、罩布置護風罩的作用是確保風扇產(chǎn)生的風量全部流經(jīng)散熱器，提高風扇效率。護風罩對低速大功率風扇效率提高特別顯著。風扇與護風罩的徑向間隙較小，風扇的效率越高。但間隙過小，車在行駛中由于振動會造成風扇與護風罩之間的干涉。風扇與護風罩之間的徑向間隙一般控制在5mm25mm。當風扇與護風罩之間的干涉。風扇與護風罩安裝在同一零部件總成上（如同在底盤或同在車身上）其徑向與相對運動，風扇與護風罩之間的間隙可以下線，否則取上限。風扇與護風罩的軸向位置一般為：風扇徑向投影寬度的2/3在護風罩內(nèi)，1/3在護風罩外，以增加導流減小背壓。在大批量生產(chǎn)的車型中多采用塑料護風罩。鐵護罩多用于批量小或直徑較大的車型中。在某些車

7、型中，特別是轎車，護風罩在常開有多個窗口并加以單向簾布。當車速較高，風扇停止運轉(zhuǎn)時簾布打開減小護風罩的風阻，當風扇啟功后，簾布關閉提高風扇效率。風扇布置風扇直徑大小應和散熱器的形狀相協(xié)調(diào)，條件允許時可增大風扇的直徑，降低風扇轉(zhuǎn)速。以達到減小功率消耗和降低噪音的目的。在某些散熱器長，寬比例相差較大時，如轎車散熱器，有時采用兩個直徑較小的風扇所取代。特別是要求轉(zhuǎn)速較高的風扇中已全部采用塑料風扇。電動風扇是由電動機來驅(qū)動風扇，電動機的啟動與停止是受水溫直接感應的溫度開關來控制。電動風扇具有起動溫度與設定溫度一致，布置位置靈活，不受發(fā)動機轉(zhuǎn)速的影響，汽車在低速怠速時冷卻效果好等優(yōu)點，冷車啟動時水溫上升

8、較快。但也多用于發(fā)動機橫置的轎車。調(diào)溫器布置目前汽車上應用的調(diào)溫器均采用蠟式感應體調(diào)溫器。當冷卻水溫溫度升高時蠟膨脹，調(diào)溫器開啟，冷卻水流經(jīng)散熱器進行大循環(huán)。當冷卻水的溫度降低時蠟體積縮小，調(diào)溫器關閉，冷卻水不經(jīng)過散熱器，短路流經(jīng)發(fā)動機剛體進行小循環(huán)。調(diào)溫器一般布置在發(fā)動機的出水口處。要求調(diào)溫器的泄漏量小，全開時流通面積大。增大調(diào)溫器的流通面積可以通過提高調(diào)溫器閥門的升程和增加閥門的直徑來實現(xiàn)。國外較先進的調(diào)溫器多通過提高閥門升程來增大流通面積，這樣可以減少因增大調(diào)溫器閥門直徑帶來的卡滯，密封不嚴等問題。但是增大調(diào)溫器的升程，對調(diào)溫器技術要求較高。有些發(fā)動機為增加調(diào)溫器的流通面積多采用兩只調(diào)溫

9、器并聯(lián)結構。水泵布置水泵的流量及揚程根據(jù)不同的發(fā)動機而定。流量一般為發(fā)動機額定功率的1.52.7倍。，揚程一般為0.7kpa1.5kpa，揚程過高對冷卻系統(tǒng)的密封性會產(chǎn)生不利的影響。水泵的可靠性主要取決于水封和軸承，軸承普遍采用軸連軸承及永久式潤滑結構，水封采用陶瓷，碳化硅動環(huán)和石墨靜環(huán)整體式水封。軸承的游隙及水封的氣密性要嚴格控制。膨脹箱布置盡量靠近散熱器布置，使得水管長度最短；膨脹箱的高度要高于冷卻系統(tǒng)所有部件。變速箱冷卻布置中冷氣布置1. 3冷卻系統(tǒng)主要部件匹配設計要點在整車總布置空間允許的條件下，盡量增大散熱器的迎風面積。在保證風量不變的條件下，可以適當增加風扇直徑，降低風扇轉(zhuǎn)速，減少

10、噪聲和功率消耗。冷卻系統(tǒng)的最高水溫應以發(fā)動機的允許使用水溫為標準。調(diào)溫器的全開溫度應為發(fā)動機正常工作水溫范圍的中限，開啟溫度應為發(fā)動機正常工作水溫范圍的下限。但因調(diào)溫器的自身特性，開啟溫度一般低于全開溫度10攝氏度左右。風扇離合器嚙合溫度應設定在調(diào)溫器初開溫度和全開溫度的中間溫度。但應注意硅油風扇離合器嚙合溫度與冷卻水的實際溫度間存在一定差異（水溫是通過空氣溫度間接反應在風扇離合上），在設定硅油風扇離合器嚙合溫度時應充分考慮到這一點。1.4冷卻系統(tǒng)輪廓圖（例子）1.散熱器張緊板 2.六角法蘭面螺栓 3.橡膠襯套 4.散熱器總成 5.彈性卡箍 6.發(fā)動機出水管 7.彈性卡箍8.水管膨脹箱至散熱器

11、 9.水管卡片 10.六角法蘭面螺栓 11.管夾 12.六角法蘭面螺栓 13.膨脹箱總成 14.彈性卡箍 15.水管膨脹箱至水泵 16.水管發(fā)動機至膨脹箱 17.彈性卡箍 18.發(fā)動機進水管 19.彈性卡箍 20.彈性卡箍 21.暖風機進水管 22.彈性卡箍 23.暖風機出水管 24.橡膠軟墊 25.六角法蘭面螺栓 26.風扇電機帶護風圈總成 二、 散熱器總成布置及設計參數(shù)1 設計參數(shù) 散熱器散熱量的計算散熱器正面積概念、散熱器的總散熱面積、散熱器的散熱系數(shù)2 主要設計參數(shù)的決定因素和最優(yōu)化的目標。 冷卻系統(tǒng)散走的熱量Qw，受許多復雜因素的影響，很難精確計算，初估Qw時，可以用下列經(jīng)驗公式估算

12、。其中Qw與A傳給冷卻系統(tǒng)的熱量占燃料熱能的的百分比，對汽油機A=0.230.30；ge內(nèi)燃機燃油消耗率（千克/千瓦·小時）；Ne內(nèi)燃機功率（千瓦）；hn燃料低熱值，hn=43100千焦/千克有關。傳熱系數(shù)K是評價散熱效能的重要參數(shù)。提高散熱系數(shù)可以改善三熱效能，減少尺寸和材料消耗。傳熱系數(shù)受散熱器芯部結構、水管中冷卻水的流速、通過散熱器的空氣流速、管帶材料以及制造質(zhì)量（特別是焊接質(zhì)量）等許多因素的影響。散熱器的另一質(zhì)量指標是空氣阻力P，它主要取決與散熱器芯的結構和尺寸。散熱器的傳熱系數(shù)和空氣阻力，只能是通過專門的試驗才能實現(xiàn)。影響傳熱系數(shù)最主要的因素是通過散熱器芯的空氣流速，當空氣

13、流速提高時，傳熱系數(shù)增大，但同時使空氣阻力按平方關系更急劇的增長，使風扇功率消耗很快增加。當散熱器外形尺寸不變時，增加散熱帶的間距，可以提高傳熱系數(shù)，但是由于散熱面積減少，總散熱量反而下降。3 環(huán)境條件 環(huán)境溫度45，日照950W/M2系統(tǒng)設置最低溫度 -35。4 基本設計要求關于散熱器的規(guī)格，因以下的理由，應根據(jù)供應商的推薦決定其規(guī)格。1.雖然有散熱器的設計計算公式（參考），但最近的傾向是不通過計算公式來決定散熱器的參數(shù)。另外，因為試驗經(jīng)驗得出的系數(shù)較多，所以理論數(shù)據(jù)與實際不符。2.從最近的散熱器的技術、傾向及成本等考慮的話，從散熱器供應商所設定的標準件中選擇合適的規(guī)格更有利。三 膨脹箱總成

14、設計1設計原則冷卻液在發(fā)動機冷卻回路流動，隨溫度升高體積膨脹，為吸收這部分膨脹體積而設置了膨脹箱。具有膨脹箱的冷卻系統(tǒng)根據(jù)膨脹箱有無加壓分為兩種：系統(tǒng)A：在加壓系統(tǒng)內(nèi)具有冷卻液的膨脹空間（膨脹箱），冷卻液循環(huán)到膨脹空間中，進行氣液分離。膨脹箱應耐熱、耐壓，位置高于散熱器并保持系統(tǒng)內(nèi)壓力適宜。系統(tǒng)B：在加壓系統(tǒng)內(nèi)具有冷卻液的膨脹空間（膨脹箱），僅在溢流至膨脹箱時進行氣液分離。膨脹箱耐熱性、容量、位置要求低些。膨脹箱由兩個注塑件組成，通過焊接（熱焊、超聲波焊接）組成一體。形式不一 膨脹箱蓋要求附錄特征測試條件限制目測2.3尺寸、外型、誤差、材料、處理2.4參考圖紙標識2.5尺寸的穩(wěn)定性2.60.5

15、，用手可以將蓋順利的旋下溫度循環(huán)測試2.7無泄露，用手可以將蓋順利的旋下模擬老化測試2.8無泄露，褪色，或者破裂爆破測試新23±22.9經(jīng)過實驗后的膨脹箱與新的測試數(shù)據(jù)相差2090±2溫度循環(huán)后23±2模擬老化后加壓疲勞測試后壓力溫度疲勞測試后四 冷卻風扇總成設計1設計要點 為了加強足夠的空氣量通過散熱器，必須在冷卻空氣道中安置風扇。在水冷內(nèi)燃機機上，一般采用軸流式風扇，其結構簡單，在系統(tǒng)中布置方便，在低壓頭下風扇風量大。2主要設計參數(shù)的決定因素和最優(yōu)化的目標。 風扇的外徑略小于散熱器芯部的寬度和高度，其值在0.30.7米之間，風扇輪轂半徑與風扇外徑比稱為輪轂比，

16、一般取0.20.25左右，風扇葉片長與風扇外徑之比0.340.36之間。風扇葉片所掃過的圓環(huán)面積與散熱器芯部正面積之比為0.450.60。風扇葉輪葉數(shù)z和葉寬度b由風扇計算確定。當z 和 b 增加時，扇風量和風壓都增加，但風扇功率消耗也增加。輪葉寬度從葉根到葉頂逐漸減小，不僅從輪葉強度考慮合理，而且有助于提高風扇效率。因為風扇的排量、風壓和功率消耗分別與風扇的轉(zhuǎn)速一次、二次、三次成正比，所以提高轉(zhuǎn)速是增加風量和風壓的有效方法，但功率的消耗也急劇增加。而且風扇轉(zhuǎn)速太高，會發(fā)生很大的尖銳噪音。在散熱器與風扇之間要設導流風罩，并且必須密封導風罩與散熱器的聯(lián)結處，防止風扇抽風時，外界空氣從不密封處短路

17、流入風扇，使流過散熱器的風量減少，使散熱器的散熱效果下降。2 詳細設計要求和試驗要求2.1 電機應符合本標準及成文程序批準的圖紙及設計文件制造。2.2 使用環(huán)境條件在表1所列的環(huán)境條件下，電機應能正常工作。表1 電機工作環(huán)境溫 度相對濕度氣 壓kPa振 動沖擊加速度m/s2-40+11012%95%861065 Hz 60HzA=±0.5mm100（峰值）2.3 外觀、裝配質(zhì)量及測試技術指標2.3.1 外觀質(zhì)量檢查 電機表面不應有銹蝕，涂敷層剝落，碰傷和劃痕，緊固件應牢固，銘牌標志的字跡和內(nèi)容應清楚無誤。 電機軸向間隙測試 電機軸向間隙不大于0.4mm。 風扇跳動量檢查風扇的徑向跳動

18、量不大于1.5mm，軸向跳動量不大于2mm。 主要尺寸檢查主要尺寸按圖紙檢查應合格。 2.3.5 工作電壓檢查在9 V 15V直流電壓下，電機應能正常運轉(zhuǎn)，無異常聲響。2.3.6 旋向檢查 從軸伸端看，電機應按順時針方向旋轉(zhuǎn)。2.3.7 負載特性12 V±0.1 V直流電壓下，電機各檔轉(zhuǎn)速及風扇總成最大電流消耗符合圖紙技術要求規(guī)定。2.3.8 絕緣介電強度 在70，500V、50Hz正弦交流電壓狀態(tài)下，持續(xù)1s應無擊穿及表面放電現(xiàn)象。2.3.9 剩余靜不平衡量要求 風扇總成剩余靜不平衡量不大于40g·mm。2.3.10 風量檢測要求在指定風壓及12V±0.1V直流

19、電壓下，各檔風壓應符合圖紙技術要求規(guī)定。2.3.11 噪聲試驗12V±0.1V直流電壓，風扇總成帶冷凝器和散熱器的工況下，單風扇、雙風扇最大聲壓級不大于75dB（A）。2.3.12 過電壓試驗要求試驗電壓16.5VDC，通電1h，試驗后電機應能正常工作。 2.3.13 短時過電壓要求試驗電壓24VDC，歷時2min，試驗后電機應能正常工作。2.3.14 無載循環(huán)空氣貯存在-40±2下存放1h，轉(zhuǎn)換1h，+110±2下存放1h，試驗后電機應能正常工作。2.3.15冷起動性能要求0條件下存放5h，試驗后立即通以12V直流電壓，電機應能立刻起動并在30s內(nèi)達到額定轉(zhuǎn)速。

20、2.3.16 鹽霧要求工作室溫度35時，經(jīng)受5%Nacl溶液，試驗6h后，鍍鋅層無腐蝕現(xiàn)象；連續(xù)96h，試驗后的金屬件可抗8級以上銹蝕，連續(xù)144h后，通以12V±0.1V直流電，測試電機負載特性應與第款項之規(guī)定相同。 振動要求 經(jīng)受振幅A=±0.5mm，頻率f=5 Hz 60 Hz 5Hz，循環(huán)持續(xù)時間約1min，歷時24h的垂直方向振動后，在12 V±0.1V直流電壓下，測電機負載特性應與第款之規(guī)定相同，且緊固件無松動。2.3.18 抗干擾要求12 V±0.1V直流電壓下，風扇或風扇總成工作時對隨車無線電設備產(chǎn)生的干擾限值應滿足下表2中規(guī)定之范圍，當

21、用戶有特殊要求時，干擾度應符合圖樣的規(guī)定。表2 風扇電機電磁干擾限值諧波頻率 （MHz）最大干擾電壓（dBV）低頻（LW）0.150.380中頻(MW)0.51.6550高頻(KW)5.952840超高頻(UKW)68108242.3.19 最大水穩(wěn)定性要求 風扇電機在水流沖擊作用下運轉(zhuǎn)，總檢驗時間為144h。每小時接通時間為15s，在風扇電機不轉(zhuǎn)時，以30s/h沖擊。在電機上的水噴射直徑d100mm，水壓p1.5bar，吹風管到目標的距離s500mm，吹風管形式采用lechler公司的DR112型，鼓風和固定與在汽車的裝入位置相符，試驗后通以直流電壓12 V±0.1V，電機負載特性

22、應符合款中有關規(guī)定。2.3.20 壽命要求該試驗旨在對電機及各零件的壽命進行全面考核，總運轉(zhuǎn)時間為1000h，檢驗電壓為直流電壓13.0 V±0.2V。不許風泄漏，接通時間為45s，斷開時間為15s，（但至少要等到停止狀態(tài)后再重新起動），壽命試驗后，轉(zhuǎn)速、電流消耗及聲壓級應滿足圖紙規(guī)定。2.3.20.1 單速風扇的運轉(zhuǎn)a) 在100，相對濕度12%情況下，運轉(zhuǎn)400h；b) 在50，相對濕度95%情況下，運轉(zhuǎn)600h。2.3.20.2 雙速風扇的運轉(zhuǎn)a) 在100，相對濕度12%情況下，高速運轉(zhuǎn)400h；b) 在50，相對濕度95%情況下，高速運轉(zhuǎn)400h；c) 在50，相對濕度95

23、%情況下，低速運轉(zhuǎn)200h。2.3.20.3 三速風扇的運轉(zhuǎn)a) 在100，相對濕度12%情況下，高速運轉(zhuǎn)400h；b) 在50，相對濕度95%情況下，中速運轉(zhuǎn)400h；c) 在50，相對濕度95%情況下，低速運轉(zhuǎn)200h。五 橡膠水管參數(shù) 發(fā)動機冷卻回路中的水管具有吸收發(fā)動機振動和散熱器相對運動的作用。因此，耐熱性、耐臭氧性、耐壓性、對冷卻液的適應性及柔軟性是水管應具有的性能。在實際使用中，壁厚4mm以上的橡膠硬度為6070HS。從柔軟性方面考慮，中間加強型管子用60HS，純橡膠為70HS。從管子連接處的密封考慮，管子內(nèi)徑比與其連接管的外徑小1mm，膠管兩端與其它管相連接時，應有30mm的插

24、入量。1、散熱器橡膠水管結構參數(shù)1.1結構：內(nèi)膠層、骨架層、外膠層1.2材料品種：內(nèi)膠層：EPDM、骨架層：聚脂線1500D×1、外膠層：EPDM1.3基本規(guī)格尺寸：內(nèi)徑24 + 0.5 -1、27、30、3338、壁厚4 + 0.5 -0或5±0.31.4技術要求：項目指 標內(nèi)膠層外膠層硬度 (邵爾A)60±5或70±5拉伸強度 MPa 9.89.8扯斷伸長率 % 250300熱空氣老化120×70h拉斷強度變化率 %±30拉斷伸長變化率 %-50以內(nèi)硬度變化 （邵爾A）+20以下耐冷卻液沸點 70h拉斷強度變化率 %±25拉斷伸長變化率 %±30體積變化率 %-5+10硬度變化 （邵爾A）±10耐機油性 2（100×24h）硬度變化 （邵爾A）0-18拉斷強度變化率 %±20拉斷伸長變化率 %±30體積變化率 %0100壓縮永久變形 120×24h % 65脆性溫度 -40耐臭氧（50±5）pphm×(70±2)h×