创新设计-内燃机冷却风扇液压驱动系统的设计.docx

景德镇陶瓷学院 创新设计题目：内燃机冷却风扇液压驱动系统的设计 院 （系）： 材料科学与工程学院 专 业： 能源与动力工程 姓 名： 学 号： 指导教师： 时 间 2015 年 12 月 7 日 摘要 内燃机在进行长时间的运行后会产生发热严重的问题，而燃料产生的热量一部分又是无用热，因此内燃机的便存在最佳工作温度，留在内燃机内部的无用热会对内燃机造成严重的损坏。内燃机的冷却系统分为液式冷却系统和风力冷却系统。两种不同的冷却方式都通过风扇的微单元体进行调控，从而实现冷却系统的自我调控。本文通过对内燃机在最佳温度下运行所需的冷却风、液体以及驱动马达进行一系列的计算，使内燃机的风扇冷却系统进行高效率的冷却进行了说明。关键词：内燃机，液式冷却，风力冷却，风扇液压驱动 前言随着现代生活的水平提高，东西越来越追求精益求精，有些时候就以为这一些东西将要淘汰。不是因为他们没有用处，而是内燃机工作时，缸内燃油燃烧所产生的热量只有一部分转化为有效功，其余大部分则损失掉，损失掉的那部分热量就需要靠内部的冷却系统将他们进行冷却，因此提高内燃机的冷却效率变成了内燃机冷却系统的意向重要任务。在内燃机中直接与高温气体接触的机件（如汽缸壁、气门、活塞及汽缸盖等），因为吸收了大量的热，温度快速的升高。这样大的一部分热量，这样高的温度，可能导致发动机负荷大，内部环境温度高且粉尘较为严重，其冷却系统不仅要保证燃油机的正常温度，同时还担负着机械液力变矩器和液力举升系统以及液力转向系统液压油的散热任务，散热强度非常大单靠内燃机本身的自然散热远远不能满足要求，那就需要尽可能地提高其中的冷却系统的能力。【1】【4】 1、 内燃机工作时的最佳温度【1】1.1内燃机温度过高会造成那些影响当内燃机冷却不足时大致会产生（1）因为活塞裙部与缸壁之间的配合间隙很小，当内燃机温度过热时，机件之间的配合间隙会因受热膨胀而遭受到破坏，活塞等机件会卡死在汽缸中，造成“拉缸”、刮伤活塞或气缸，甚至熔化在汽缸中，而且机件因长期处于高温状态，刚度、强度将会大大降低，发生变形或折断；（2）当内燃机冷却不足时，润滑油也会因过热稀释变质甚至结胶状，而不能形成油膜导致油膜强度降低，致使润滑系统工作效率不良，机件间隙的润滑油会因过热烧蚀造成干摩擦，加速了机件的磨损；（3）器件过热还会引起燃油的不正常燃烧，产生爆燃和早燃，对内燃机造成严重恶果；（4）机件过热会降低充气系数，减小进气量，使内燃机功率输出降低。1.2内燃机冷却过度会造成那些影响过度冷却的可能导致（1）冷却过度使冷却液带走的热量增多，用于做功的热量减小，从而使内燃机功率输出减小，造成动力输出不足；（2）冷却过度会使燃油雾化不良，还会使已雾化了的燃油结成颗粒状液体，并顺气缸壁流入曲轴箱，这样不仅会造成燃料消耗、尾气排放增加，而且进入曲轴箱的燃料还会使润滑油稀释，润滑性能下降，同时还会加大冷态摩擦产生的噪声；（3）机件温度过低会使混合气中的水汽凝结成水，而燃烧废气中的硫化物（4）遇水生成亚硫酸，混入曲轴箱机油中，随润滑油流入内燃机工件表面，严重腐蚀机件表面。由此可见，内燃机工作时需要进行冷却，但冷却也有一个最佳的工作条件。因此保持冷却系统的稳定平衡工作起到至关重要的作用。为了保证内燃机工作在这样一个温度，是冷却系统要解决的问题。就水冷系统而言，冷却系统由冷却液输送循环散热系统及风扇冷却系统组成。为保证内燃机工作在最佳温度，在冷却系统设计中有两个主题需要解决，一是冷却系统须满足最大热负荷工况冷却的需要，在这样一个前提下，主要解决最大散热量与冷却水泵、散热器及冷却风扇的匹配问题，并在最优匹配条件下进行零部件的统一设计，这实际上是一个传统静态设计问题，所有的传统冷却系统都基于这样的匹配关系来解决。2、 冷却风扇液压系统工作原理【3】内燃机散热器和液压油散热器分开布置，用两个风扇分别对两个散热器进行冷却。液压油冷却风扇由电机驱动，当液压油温度达到上下极限值时由单片机控制系统调节其转速 。内燃机带动齿轮驱动液压马达，液压马达驱动风扇、水泵运转，单片机根据冷却水温度的变化调节电磁比例溢流阀的溢流量通过电子微控单元ecu实现冷却风扇和水泵转速的自动调节。这样可以更好的调节冷却风扇、水泵的运转速度，从而更好的控制内燃机的工作温度。【5】3.冷却系统液力驱动的设计计算在对冷却系统设计的过程中我们常常需要知道内燃机散入冷却系统的热量来确定我们所需的冷却谁的循环量以及冷却空气的循环量。通过对风扇以及水泵消耗的功率的计算，可以反推得到液压马达以及油泵的设计参数。【2】3.1散热量的计算qw=agenehu/3600 (kj/s)a为传热冷却系统的热量所占燃烧热量的百分比，对与汽车的内燃机来说，一般a=0.180.25;ge为内燃机的消耗功率，kg/kw.h;ne为内燃机的功率，kw;hu为燃料的低热值，kj/kg；3.2冷却空气的需要量的计算va=qw/taracp （m3/s）ta为空气在进入散热器前与流过散热器以后所产生的温度差，一般来说=1030；ra为空气的密度，一般ra=1.01kg/m3；而cp为空气的定压比热，可以近似的取1.048kj/kg.。3.3冷却水的循环量的计算 【4】vw=qw/twrwcw (m3/s) tw为冷却水在内燃机中循环时的容积许可时的为温度升高量，而对于一般强制系统的话，一般tw=612；rw为水的密度，大概为1000kg/m3;cw为水的比热，近似为cw=40187kj/kg.;3.4水泵、风扇的驱动功率和驱动转矩的计算 【4】 （1）对于水泵来说，他的消耗功率np主要是根据泵水的压力以及泵水量vp来计算：vp=vw/cv.p (m3/s)v为冷却水的循环量，cv.p为水泵的容积效率，考虑到冷却水在水泵中可能有泄露，一般取0.60.85；（2） 水泵所消耗功率np的计算np=vppp/ch.pcm.p (w)ch.p为水泵的液力效率，近似取0.60.8；cm.p为水泵的机械效率，一般取0.93；pp为水泵的泵水压力，取0.25mpa。（3）风扇所消耗的功率的计算nf=vapf/ch.fcm.fcv.f va为冷却空气的需要量；pf=600pa;h.f为风扇的液力效率取0.60；cm.f为风扇的机械效率，取0.90；cv.f为风扇的容积效率，取0.60。（4）风扇及水泵转矩的计算功率的计算公式：nqp=tq*n/9550可以得到额定转速下的水泵转矩t=9550*n/n，及在额转速下的风扇的转矩tqf=9550*n/n.3.5液压马达选型设计参数的确定在液压马达的选型设计参数包含输出转矩和排量的设计。在对设计冷却系统中水泵和风扇同轴安装中，因为我们采用同一个液压马达驱动，所以要确保所选用的液压马达的最小输出转矩tm应大于或等于水泵转矩与风扇转矩之和，因此满足条件tm=tqp+tqf。但是对于液压马达内部存在一些不可避免地各种摩擦，因此实际输出转矩tm总比理论输出转矩tmo小一些，其关系为tm=tmocm.m式中cm.m为液压马达的机械效率，取值为095，则其理论输出转矩tmo=tm/0.95液压马达排量vm的确定vm=2tmo/pm.式中，pm为液压马达工作压力，取pm=12mpa。36液压马达型号的确定在知道液压马达的输出转矩、负荷压力和每转排量情况下就可以选择液压马达的型号。根据齿轮马达选用，对基本使用性能参数，如齿轮马达的输出转矩，应有1315倍的储备。系统可选择长江液压件厂生产的型号为cmg2040的齿轮马达，该马达的理论排量为4060mlr，额定工作压力为16 mpa，最高工作压力为20肌，最高转速为2 500 rmin，最低转速为500 rmin，输出理论转矩为1034 nm，满足系统动力输出要求。 图1.液压马达的工作原理a）液压马达工作原理 b）曲轴逆时针旋转90 c）曲轴逆时针旋转1801-壳体 2-柱塞 3-偏心轮 4-配流轴 5-曲轴37液压油泵选型设计参数的确定液压油泵的选型设计参数包括油泵工作压力、pp最大供油量qp及排量vb的确定。液压油泵所需工作压力的确定，主要根据液压马达在工作循环中所需最大压力嘞，再加上油泵的出油口到马达进油口处总的压力损失p1，因此有：pp=pm+p1 式中，巴为油泵最高工作压力；pm为液压马达最高工作压力为12 mpa；p1为从液压油泵出口到液压马达入口之间总的压力损失，它包括油液流经流量阀和其它元件的局部压力损失和管路沿程压力损失等，在系统管路未设计之前，可根据同类系统经验估计。由系统原理图可知，在液压油泵到液压马达之间串接有一个电磁比例溢流阀，且油路属进油路节流调速回路，进油路有调速阀及管路复杂的系统，p1=o515 mpa，在此取p1=1.2mpa。所以液压泵工作压力p。=(12+12)mpa=132 mpa。液压油泵的最大供油量qp。可按执行元件液压马达的流量及回路系统中的泄漏量来确定，即：qpkqmax式中，仉为液压油泵的最大供油量；k为考虑系统中有泄漏等因素的修正系数，一般k=1113，在此取k=12；g一为同时动作的各执行元件所需流量之和的最大值，在本设计系统中只有一个液压马达，所以在此为液压马达的流量，但该系统在工作过程中用节流调速，在工作中需要溢流阀的溢流，因而尚需加上溢流阀的最小溢流量，一般取最小溢流量为05104m3s，即3 lmin。则由公式(12)求得液压泵的最大供油量优为：qp=12(9075+3)=1125 lmin已知液压油泵的流量qp，即可求得液压泵的排量vb，即vb=qp/ne式中，ne为液压油泵的转速，在此即为发动机的标定转速。因此液压泵的排量vb为：vb=qp/ne=112.5*1000/2300=49ml/r.38液压油泵型号的确定计算得出的液压泵工作压力、最大供油量和排量及工作转速，根据机械设计手册【4可确定液压油泵的型号为cbg脚50，其额定工作压力为16mpa，最高工作压力为20 mpa，排量为50 mlr，最高转速为2 500 rmin，额定转速为2 000 rmin，容积效率不小于91，总效率不小于81。该油泵吸油口直径为25 mm，出油口直径为20 mm。图2.液压马达工作示意图 结束语通过一周的创新设计，让我更加了解了内燃机的工作是由很多步骤组成，每个步骤都有其存在的作用。而我之所以选择了内燃机的冷却系统是因为个人对内燃机有一种喜爱。觉得内燃机是现代大部分机器所必需拥有的内部结构之一。而内燃机的使用寿命又取决于内燃机的散热的好坏。通过对内燃机散热的一些改造可以更好的保护内燃机。也让我们自身有了一个很大的收货，知道了要想做一些事就必须要有一些尝试，经过多番的查阅，深入了解才能更好的完成一件事。