（机械制造及其自动化专业论文）管带式散热器的设计及其参数化设计系统的研究.pdf

摘要 摘要 散热器是发动机冷却系统中的重要部件，对发动机的动力性、经济性和可靠 性有很大影响。在车用散热器中，管带式散热器以其优良的传热性能，较高的紧 凑性指标，在目前的汽车行业中应用最为广泛，并具有良好的前景。本文以管带 式散热器为研究对象，进行了它与发动机的匹配设计和校核，并通过散热器风洞 试验验证了理论匹配的合理性，最终研究开发了管带式散热器参数化设计系统。 基于管带式散热器与发动机的匹配，以发动机要散掉的最大散热量为目标， 进行了管带式散热器的设计，得到了管带式散热器芯体的总体尺寸、冷却水管和 散热带的参数。以潍柴w d 6 1 5 5 0 和三菱4 g 6 9 s 4 m 两款发动机为例，进行了管带式 散热器的匹配设计和校核，并且根据匹配得到的散热器芯体零件的参数制备散热 器试件，进行了风洞试验验证试件的实际散热性能。通过分析试验结果得出结论： 制备的散热器试件的散热能力完全能满足发动机的散热需求，证明了通过理论匹 配得到的管带式散热器芯体几何参数的合理性。 以管带式散热器与发动机匹配得到的散热器芯体参数为基础，以s o l i d w o r k s 为参数化平台，使用v i s u a lb a s i c6 0 作为开发工具，进行管带式散热器的参数化设 计。研究开发了管带式散热器参数化设计系统，该系统可以根据用户界面的输入 值，进行管带式散热器与发动机的匹配设计；以匹配出的管带式散热器芯体参数 为基础，进行管带式散热器零件图、装配图和工程图等的参数化设计。 关键词：管带式散热器；参数化；匹配；s o l i d w o r k s 本文得到了泰山学者专项基金的资助 v a b s l r a c t a b s t r a c t t h er a d i a t o ri s 锄i m p o r t a n tp a r to ft h ee n g i n e sc o o l i n gs y s t e m ，i th a ss t r o n g i n f l u e n c e so nt h ep o w e r , e c o n o m ya n dd e p e n d a b i l i t yo ft h ee n g i n e a m o n gt h er a d i a t o r f o rv e h i c l e ，i na u t oi n d u s t r y , t h ec o r r u g a t e dr a d i a t o ri sw i d e l yu s e da n dh a sn i c e p r o s p e c t ，d u i n gt oi t se x c e l l e n tp e r f o r m a n c eo f h e a tt r a n s f e ra n dh i g hc o m p a c t n e s s a s t h ec o r r u g a t e dr a d i a t o rw a si n v e s t i g a t e di n t h i sa r t i c l e ，c o n d u c t e dt h ed e s i g na n d c h e c k i n gf o rm a t c h i n gu pi tw i t l lt h ee n g i n e p e r f o r m i n gw i n dt u n n e lt e s t , p r o v i n gt h e r a t i o n a l i t yo ft h e o r e t i c a lm a t c h i n gt h r o u g ht h et e s t u l t i m a t e l y , t h ea u t h o rd e v e l o p e da p a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e mf o rc o r r u g a t e da u t o m o t i v er a d i a t o r b a s e do nm a t c h i n gu pc o r r u g a t e dr a d i a t o r 埘t ht h ee n g i n e ，a i m i n go ft h eb i g g e s t h e a td i s s i p a t i n gc a p a c i t yt h a tt h ee n g i n ec a l lp r o d u c e ，t h ea u t h o rd e s i g n e dc o r r u g a t e d r a d i a t o r , o b t a i n e dc o r eb o d y ss i z e ，p a r a m e t e r so fc o o l i n gw a t e rt u b ea n dh e a t d i s s i p a t i o nf i n t a k ew e i c h a iw d 6 1 5 5 0a n dm i t s u b i s h i4 g 6 9 s 4 mf o re x a m p l e ，t h e a u t h o rp r o c e e d e dt h e m a t c h i n gd e s i g n a n d c h e c k i n gf o rc o r r u g a t e d r a d i a t o r m a n u f a c t u r i n gr a d i a t o rt e s t - p i e c ef o rw i n dt u n n e lt e s t , b a s e do np a r a m e t e r so b t a i n e d b yt h e o r e t i c a lm a t c h i n g ，i no r d e rt ov e r i f yt h e i rp r a c t i c a lh e a td i s s i p a t i o nc a p a b i l i t y t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：h e a td i s s i p a t i o nc a p a b i l i t yo fr a d i a t o rt e s t - p i e c ec a r lp e r f e c t l y m e e th e a td i s s i p a t i o nr e q u i r e m e n to ft h ee n g i n e i ti s p r o v e d t h a tc o r eb o d y s p a r a m e t e r so fc o r r u g a t e dr a d i a t o rw e nr e a s o n a b l eo b t a i n e db yt h e o r e t i c a lm a t c h i n g b a s e do np a r a m e t e r so b t a i n e db yt h e o r e t i c a lm a t c h i n g ，u s i n gs o l i d w o r k sa s p a r a m e t r i cp l a t f o r ma n dv i s u a lb a s i c6 0 a sd e v e l o p m e n tt o o l ，p a r a m e t r i cd e s i g nf o r c o r r u g a t e dr a d i a t o rw a sp e r f o r m e d p a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e mf o rc o r r u g a t e dr a d i a t o r w a sd e v e l o p e d a c c o r d i n gt oi n p u tp a r a m e t e r sa n ds e l e c t i o n si nu s e ri n t e r f a c e s ，t h i s s y s t e mc a nm a t c hu pc o r r u g a t e dr a d i a t o r 晰t lt h ee n g i n e ，p a r a r n e t r i z ed e s i g nf o rp a r t d r a w i n g ，a s s e m b l yd r a w i n g ，e n g i n e e r i n gd r a w i n go fr a d i a t o r v i i 山东大学硕十学位论文 k e yw o r d s ：c o r r u g a t e dr a d i a t o r ；p a r a m e t e r i z a t i o n ；m a t c h i n g ；s o l i d w o r k s v i i i 第l 章绪论 第1 章绪论 汽车工业是国民经济发展的支柱产业之一，发展速度较快。随着汽车工业的 发展，散热器的需求量也在增长，并且对散热器提出了新的要求。在车用散热器 中，带百叶窗的管带式散热器以其优良的传热性能，较高的紧凑性指标，在目前 的汽车行业中应用最为广泛，并具有良好的前景i l 】。本章介绍了汽车散热器的基本 知识，综述国内外的研究现状，阐明课题的研究背景与意义，提出课题的研究内 容和论文的研究框架。 1 1 汽车散热器溉述 汽车散热器【2 删俗称水箱，它是发动机冷却系统中的重要部件之一，如图1 1 所示。由于发动机在运转时，其内部温度很高，必须进行冷却，才能保证它在最 适宜的温度下进行工作。而发动机冷却系统中的散热器就是为了使发动机保持适 宜的工作温度，使其正常运行，从而防止发动机在工作过程中发生过冷或者过热【7 1 。 图1 1 汽车散热器 卜一散热器芯体：2 一上水室：3 一下水室：4 侧板 散热器主要是由散热器芯体、上水室和下水室等组成的2 1 。散热器芯体是散 山东大学硕十学位论文 曼曼曼曼鼍曼曼皇曼曼曼曼皇曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼i1 曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼! 曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼皇曼曼皇曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼 热器最重要的部分，起主要的散热作用。散热器芯体由冷却水管、散热片或者散 热带、上下主片等零部件通过高温钎焊工艺焊接而成，必须使芯体具有足够的正 面面积和散热面积，这样才能保证将发动机水套中的热量通过对流等形式散发到 外界环境中f 1 3 】。另外，散热器还包括一些附件，如侧板等，这些附件上面的定位 特征，可以保证散热器在安装时的精确定位。 发动机车用散热器采用紧凑式散热器芯体【1 4 】。目前车辆上使用的散热器芯体 的结构形式主要有两种：管带式和管片式，如图1 2e 5 1 和图1 - 3 f 15 1 所示。管带式散热 器从2 0 世纪6 0 年代开始大量生产，至今已经得到广泛的应用，我国很多型号的轿 车都是采用的管带式散热器。 图1 2 管带式图1 3 管片式 管片式和管带式这两种散热器，由于散热器芯体样式的不同，使得它们在结 构和性能上有着很大的差别，主要体现在传热能力和结构刚性上，从而也使得它 们的应用范围有所差异，如表1 1 所示。 在散热器结构的发展过程中，2 0 世纪6 0 年代开始出现了带百叶窗的管带式散 热器，它具有重量轻、散热性能好等优点，已在国内外广泛应用【i 刚。带百叶窗的 管带式散热器的类型很多，根据流道的形式及布置方式，常见的有以下四种，如 图1 4 1 1 7 】，这四种类型的散热器，其管侧都是扁管，气侧有三角形或矩形的流道。 而带百叶窗的管片式散热器常见的如图1 3 所示。 第1 章绪论 表1 1 管片式散热器与管带式散热器的结构性能对比 管片式散热器管带式散热器 散热器芯体样式由许多冷却管和散热片构成， 由波浪状的散热带与冷却水 冷却管截面采用扁平或圆形管相间排列组成，冷却管截面 截面。在散热片上，按冷却管多采用扁平形截面，加上主片 的截面形状和尺寸以一定的和护板，然后再一定温度下进 排列冲孔，再将它套串在冷却行高温钎焊，整体焊接构成芯 管上，然后在一定的温度下进体。 行整体焊接构成芯体。 散热带散热片 散热带散热片上一般有一系列百叶窗孔，它们可以破坏在散 热带散热片表面上形成的空气流边界层，提高散热能力。开 百叶窗管带式散热器的传热效率是管片式散热器2 6 倍【1 8 1 。 优缺点 管片式散热器芯体的优点是相同条件下，管带式散热器的 刚性好、阻力小、芯体不易阻散热面积是管片式散热器的 塞，缺点是工艺复杂，比管带1 1 2 倍。另外，管带式散热器 式散热器的传热能力低。的制造工艺简单、质量小、成 本低，但结构刚度不如管片式 散热器。 应用场合广泛用于使用环境恶劣、道路多用于轿车上，随着我国道路 条件差的车型，如工程机械及条件的改善，目前在中小型货 越野车辆上。车上也开始使用。 实践证明，带百叶窗的管带式散热器可以显著提高散热器的气侧换热能力，所 以在轿车、中小型货车上，带百叶窗的管带式散热器的采用最为广泛。散热器进 行冷却的过程中，空气不断穿过翅片上的百叶窗孔，百叶窗上的边界层经历不断 生成、破坏、生成的过程，可以降低热阻，从而有效的提高传热效率。同时由于 波浪状翅片较小的当量直径，也可以使散热器达到很高的传热效率。此外，带百 叶窗的管带式散热器的散热带和冷却水管的原材料为铝合金，并且芯体采用整体 3 山东大学硕士学位论文 高频钎焊，使得散热器轻巧牢固，比铜散热器具有较好的经济性。 舒 + t ；崩：五 ( a ) 管带式( 三角形流道) 土li n 。i ( b ) 管带式( 矩形流道) 分隔板 ( c ) 带有隔板的管带式( 矩形流道) ( d ) 带有隔板的管带式( 三角形流道) 图1 4 常见的带百叶窗的管带式散热器示意图 近年来，带百叶窗的管带式散热器的冷却水管的形状也在发生着变化：从刚 开始的圆铝管，发展到现在的扁圆铝管。而且根据专家估算，扁圆铝管的散热能 力是圆铝管的1 2 倍。 当然带百叶窗的管带式散热器也有其自身的缺点： 1 ) 扁管截面宽的狭小，容易引起堵塞，进而增大流动阻力； 2 ) 散热器芯体是整体焊接的，结垢后清洗十分困难： 3 ) 散热器芯体的冷却水管和散热带的材料为铝合金，在一定程度上，水侧会 存在腐蚀，当散热器的工作环境恶劣时，气侧的腐蚀也会相当严重。气侧 或水侧的腐蚀都会影响散热器的换热性能。若水侧腐蚀比较严重，则会产 生泄漏，并且很难修补。 虽然带百叶窗的管带式散热器存在以上的缺点，但其突出的优点使得它的应 4 第1 章绪论 用越来越广泛。 1 2 汽车散热器国内外研究现状 散热器是发动机冷却系统中的重要部件，对发动机的动力性、经济性和可靠 性有很大影响【1 5 】。散热器从使用以来，经过一百多年的研究和改进，它的结构变 得越来越精巧，其散热性能得到不断的提高。而随着发动机技术的进步，对散热 器散热性能的要求也越来越高，人们对散热器的研究愈加重视，新技术、新材料 不断涌现。 对于散热器的研究方向大体可以分为四个方面：散热器材料性能、散热器生 产技术、散热器散热性能、散热器的结构设计及优化。而近年来对于散热器的研 究重点在其散热性能和结构设计及优化上，国内外学者通过理论分析、实验研究 及数值模拟对上述两个研究方向进行着重研究。 1 2 1 散热器材料和生产技术的发展概述 传热系数作为评价散热器散热性能的重要参数，对其影响很大的因素之一为 散热器材料。处于工作中的散热器要经受工作环境的影响、反复的热循环和周期 性的振动，也要承受冷却液的腐蚀。因此，为保证散热器有效的发挥冷却作用， 必须要求散热器芯体原材料有良好的性能，主要包括：传热性能、耐腐蚀性、强 度、加工性能及钎焊性能、经济性等【1 9 捌。 散热器芯体的冷却水管和散热带，根据散热器的用途和操作条件等的不同， 所选用的材料也不同。目前，实际应用最多的散热器原材料是铜和铝。 在2 0 世纪7 0 年代以前，散热器芯体的原材料都为铜，这是因为：铜能较好的 传热、抗腐蚀、有足够的强度、良好的钎焊性能、易于n - r 成型及好的经济性【2 1 1 。 而2 0 世纪7 0 年代，由于铜的资源和价格等问题，产生了铝散热器。和铜相比， 铝的最大优势是密度小，资源丰富，且成本远低于铜。虽然铝的热传导率比铜的 低，但是铝散热器表面上的处理工艺，使得铝散热器的散热效率反而要高于铜散 热器。铝散热器具有重量轻、散热效果好、节能耐用、装拆方便、实用性和经济 性等诸多优点。同时铝散热器也有缺点，比如制造工艺较难、焊接工艺性差、生 产设备投入大等，这些大大限制了铝散热器的广泛应用。 山东大学硕十学何论文 直到2 0 世纪8 0 年代中期，美国研发成功的钎焊工艺，才使得铝散热器得到了 广泛的应用。铝散热器在实际中的应用，不但提高了企业的经济效益，而且改革 了散热器的生产工艺【2 2 1 。2 0 0 0 年之后，随着中国汽车产业的迅猛发展，国内铝散 热器应用发展很快2 3 1 。 而在2 0 世纪9 0 年代末，奥托昆普铜带公司与国际铜业协会( i c a ) 合作开发出了 铜硬钎焊( c u p r o b r a z e ) 散热器生产技术。铜硬钎焊技术通过采用特殊的铜、锡和磷 的钎焊合金，将黄铜材料的冷却水管和紫铜材料的散热带钎焊成一个整体。据奥 托昆普宣称，新型铜硬钎焊散热器的成本最多是铝质散热器的9 0 e 1 9 1 。 随着汽车技术的不断发展，为了减轻散热器重量，许多新材料开始应用在散 热器上。在实际生产中，散热器上下水室材料逐渐由工程塑料取代了金属原材料。 常用的是尼龙6 6 ( p a 6 6 ) 注塑加工成散热器的水室，并以压装等方式与散热器芯体 连接，通过橡胶密封圈使其与主片达到密封的目的2 0 1 。 目前，从世界范围来看，铜散热器和铝散热器在发动机冷却系统中占有同等 地位。铝散热器在轻量化上的明显优势，使得其在轿车与轻型车领域逐步取代铜 散热器；同时，铜散热器在客车、工程机械、重型卡车等方面优势明显。 1 2 2 散热器散热性能的研究现状 散热器的散热性能直接影响发动机的动力性能和安全可靠性，而其有色金属 耗量和能耗，又影响到发动机装置的经济性和节能，因此，随着汽车工业的高速 发展，散热器散热性能的研究以及强化传热技术的开发得到了相当程度的重视【2 4 】。 由于散热器的结构比较复杂，影响的因素比较多，许多计算项目是相互关联的， 因此对于散热器散热性能的研究，国内外主要运用的手段是数值模拟，根据s a e 资料【2 5 之引，计算机模拟在汽车发动机冷却系统领域的开发应用始于2 0 世纪7 0 年代 初期。对于带百叶窗的管带式散热器来说，研究内容主要集中在其百叶窗翅片上， 许多学者对翅片上百叶窗的开法、排列和几何尺寸等一系列参数对散热性能及阻 力的影响进行了研究 2 9 。3 1 1 。 1 9 6 5 年，b e a u v a i s 3 2 1 通过烟气流动试验，定性的观察了翅片中的气流方向，试 验证明了气流在通过百叶窗翅片时，主流方向平行于百叶窗孔的倾角方向。1 9 7 3 年，w o n g 和s m i t h t 3 3 在5 ：l 的模型上测量了传热和流动数据，同时发现气流在百 6 第1 苹绪论 叶窗翅片中的流动是向百叶窗开孔的倾角方向倾斜的。1 9 8 0 年，d a v e n p o r t 3 4 1 在1 0 ： 1 的模型上进行了烟气可视化试验，通过试验他发现百叶窗翅片中气流的流动状态 和雷诺数有关：在低数下，气流通过翅片时，主流方向不发生倾斜；但在高 数下，气流通过翅片时，主流方向几乎平行于百叶窗开孔的倾角方向。c o w e l l 等【5 】还通过可视化试验得出了翅片中气流主流方向的流动角度的关联式，与百叶窗 开孔的倾角相差很小的角度。 2 0 世纪5 0 年代，l o n d o n 3 5 】是第一个测试百叶窗式翅片的传热和压降数据的。 9 0 年代，s a h n o u n 和w e b b 1 6 】从理论上分析计算百叶窗散热器传热能力和流动阻力， 他们把空气侧翅片分为四个计算区域，分别计算各部分的传热系数和阻力系数。 s u g ak 【3 6 】等采用数值模拟的方法对百叶窗翅片的几何参数进行了研究，数值 结果表明：百叶窗翅片参数存在最优解，相对于不同的百叶窗孔的开角存在一个 相应的百叶窗孔间距和翅片间距的比值。； i t o h ，s h i g e n o b u ，k u r o d a 和m a s a t o 3 7 】等对带百叶窗的翅片式散热器的速度场 和温度场进行了数值模拟，并且为了观察该散热器中的气流流动状况，在l ：1 模 型上对百叶窗翅片列进行了可视化试验。结果显示，数值模拟和可视化试验结果 有较好的吻合性。 z h a n gx ，t m i dk 网采用数值模拟方法研究了翅片厚度与翅片间距比值对百 叶窗翅片内气流流动的影响，发现：翅片厚度与翅片间距的比值对流动效率有着 显著的影响，特别是百叶窗孔倾角较小的时候。 重庆大学的漆波f 】通过三维数值模拟的方法，对百叶窗翅片的传热和冷却空气 的对流换热进行耦合，分析了百叶窗翅片的几何参数对散热器性能的影响，最后 得出：当百叶窗角度为2 7 。，百叶窗间距和翅片间距的比值为1 2 5 时，具有较好的 传热性能和综合性能。 1 2 3 散热器结构设计及优化的研究现状 随着汽车工业的不断发展和汽车性能的不断提高，发动机冷却系统的工作负 荷日益加大，研究人员不断地对散热器结构进行优化来满足实际应用需求。目前 国内外散热器的结构形式大多为百叶窗翅片式，对散热器结构设计和优化的研究 也主要集中在散热器芯体结构上。 7 山东大学硕十学位论文 奥托昆普铜带公司( o u t o k u m p us t r i p ) 技术部门研发成功一种新型传热元件 双波浪带，该种类型的波浪带比普通波浪带更加坚固、散热性能更好。它的 制作原理：将比普通波浪带更薄的铜带滚压成波峰更小的波浪带，然后把两条波 浪带通过锡焊固定在一条中心带上制成【3 9 1 。对比实验研究表明，使用该种散热带， 可以提高散热器的散热性能，减小散热器本身的厚度2 0 1 。 李政h 0 1 等研究了平底形散热带。平底形散热带指的是波浪散热带上的过渡圆 角变为平面，从而增加散热带与冷却水管之间的接触面积，增加散热器的散热性 能。 黄虹刭4 1 】等提出内燃机散热器设计的h - n e 数学模型。该模型是建立在多重非 线性回归技术的基础上，并采用二次拟合方法拟合原始数据，通过对散热器优化 设计的精确分析，得到一些充要的约束条件。研究表明：该模型用于散热器的设 计，可使散热器性能提高，散热面积减小。 1 3 课题的研究目的、意义及主要内容 1 3 1 课题的研究目的、意义 目前国内对散热器与发动机的匹配设计研究能力，在实验方面和理论分析计 算方面都比较欠缺。并且国内生产散热器的企业大多是利用二维c a d 软件绘图， 产品生产周期长，图纸修改也很不方便。同时c a d 软件只是给设计人员提供了一 般的设计方法和手段，对散热器行业缺乏针对性和专业性。 而且，随着汽车工业的不断发展，汽车新产品推出速度加快，发动机新产品 的不断出现，我国的散热器制造企业面临着国内外市场的激烈竞争，为了扩大竞 争和生存空间，必须要增强产品创新能力、缩短设计周期。为了适应国内外市场 的激烈竞争，快速设计已经成为企业在市场竞争中占据有利地位的重要技术【4 2 4 3 1 。 参数化设计( p a r a m e t r i cd e s i g n ) 作为实现产品快速设计的关键技术，在产品开发设 计上的应用越来越广泛。 现今，散热器产品的生产模式已向小批量、多品种生产模式转变，传统的产 品开发流程已经落伍。为了解决这一难题，加快散热器的开发流程，研发一种散 热器参数化设计系统，来进行散热器产品设计，是十分必要的，对提高我国散热 8 第1 苹绪论 器产品设计研发水平具有重要的意义和实用价值；同时，对企业缩短产品开发周 期、降低开发成本、提高生产效率具有重要的意义。而目前，国内根据发动机散 热量匹配设计散热器，并基于三维绘图软件对散热器进行参数化设计几乎是一片 空白。 1 3 2 课题主要研究内容 本课题结合泰山学者专项基金项目、山东大学博士后项目和山东同创汽车散 热装置股份有限公司进行，主要开展以下研究工作： ( 1 ) 基于发动机散热量的管带式散热器设计的研究 基于发动机要散掉的最大散热量，结合散热器与发动机的匹配要求和管带式 散热器结构设计要求，进行了管带式散热器的设计，通过计算发动机最大散热量、 散热器芯体正面面积和散热面积等，得到管带式散热器的芯体尺寸、冷却水管和 散热带的参数。并以潍柴w d 6 1 5 5 0 和三菱4 g 6 9 s 4 m 两款发动机为例，进行管带式 散热器的匹配设计和校核。根据匹配潍柴w d 6 1 5 5 0 和三菱4 g 6 9 s 4 m 两款发动机得 到的管带式散热器芯体的参数，制备散热器试件，进行风洞试验试验验证试件的 实际散热性能。通过试验结果，分析制备的散热器试件的散热能力，确定通过理 论匹配得到的管带式散热器芯体参数的合理性。 ( 2 ) 管带式散热器参数化设计系统 以管带式散热器与发动机的匹配得到的散热器芯体相关参数为基础，以 s o l i d w o r k s 为参数化平台，使用v i s u a lb a s i c6 0 作为开发工具，进行管带式散热器 的参数化设计。研究设计管带式散热器参数化设计系统，该系统可以根据用户界 面的输入值，进行管带式散热器与发动机的匹配设计；以匹配出的管带式散热器 芯体参数为基础，进行管带式散热器零件图、装配图和工程图等的参数化设计。 9 第2 章管带式汽车散热器与发动机的匹配研究 第2 章基于发动机散热量的管带式散热器设计的研究 2 1 散热器与发动机的匹配意义 工作良好的冷却系统可以使发动机维持在最佳的工作温度，使车辆获得最好 的经济性和动力性指标【1 4 】。统计资料表明，汽车故障的5 0 左右来自发动机，而 发动机故障的5 0 左右是由冷却系统故障引起的f 删。 汽车发动机最佳工作温度在8 0 9 0 ，而发动机在工作时温度很高，尤其气缸 内的最高温度可达1 8 0 0 2 0 0 0 。如果发动机冷却不当发生过热现象，发动机温度 太高，将会导致充气系数下降，燃烧不正常；同时零件之间的润滑油变质和烧损， 加剧零件的摩擦和磨损，使得发动机零部件使用寿命和可靠性下降，引起发动机 的动力性、经济性和耐久性等性能的全面恶化。反之，如果发动机冷却系统冷却 能力过强发生过冷，这时冷却介质带走了过多的热量，导致发动机输出功率减小 和油耗增加；润滑油由于温度太低而粘度变大，加剧了运动零件间的磨损，因此 过度冷却也会使得发动机的工作效率大大降低。 综上所述，必须为发动机匹配合适的冷却系统以保证它的正常工作。散热器 作为发动机冷却系统的重要组成部分，它的匹配设计对发动机性能的改善与提高 有十分重要的现实意义。 2 2 基于发动机散热量的管带式散热器参数的确定 进行散热器设计时，它的散热能力必须以满足发动机的最大散热量需求为目 标。散热器与发动机匹配的具体流程如图2 1 所示，主要分为匹配设计和匹配校核： 1 ) 匹配设计( 确定散热器的关键参数) ：根据发动机参数确定发动机冷却系统 需要散掉的热量，通过计算冷却水的循环量、冷却空气的循环量，最终确定散热 器正面面积和散热器的散热面积等的理论设计值。 2 ) 匹配校核( 散热器芯体参数合理性校核) ：通过选择管带式散热器芯体总体 尺寸、冷却水管和散热带的参数，计算出实际的散热器正面面积和散热面积，跟 匹配设计值进行理论校核，如果实际值大于设计值，则理论校核成功，反之重新 山东大学硕士学位论文 校核；之后制各散热器试件，进行风洞试验，测定散热器试件的实际散热性能， 来进行最终的散热器与发动机匹配的风洞试验校核。 1 2 r 开始 、 匹配设计和校核 工况点的选择 ! 散热 - i 冷却水循环量 器与 根据发动 发动 机参数等 l 机匹 计算冷却 - l 冷却空气需要量l- i 散热器芯体正面面积f 系统散走 l 配设 的热量 l 计- l 散热器散热面积l- i 散热器的芯厚 一 选择散热器芯高和芯宽，并选取冷却水管和散热带参数 计算芯体实际尺寸和芯体实际正面面积 n l ：冀 偿 计算散热器实际散热面积 ：翥 n l 銎 配 i 蓑 确定散热器芯体尺寸，冷却 水管和散热带参数 i 试制散热器样品，在不同风速和水流量工况下，进 行风洞试验，验证匹配出的散熟器参数的正确性 咱赢磊矗：高沁 n l i l ， ( ， 完成 、) 图2 1 散热器与发动机匹配设计流程 第2 章管带式汽下散热器与发动机的匹配研究 2 2 1 散热器设计和校核工况点的选择 根据车辆类型的不同在进行散热器与发动机的匹配时，选择的设计和校核工 况点也不同。选取时，主要把车辆类型分为轿车及轻型载货车和中型及以上的载 货车两大类。 轿车及轻型载货车经常在额定功率下工作，应把该工况点作为散热器的设计 工况点。这类车辆在最大扭矩工况工作时，此时由于散热器的工作条件比较恶劣， 因此，应把该工况点作为校核点【4 5 1 。 中型及以上的载货车，发动机经常在最大扭矩工况下工作，这时一般车辆处 于低速行驶状态，此时风扇及水泵的工作转速较低，应把该工况点作为散热器的 设计工况点。这类车辆的发动机在额定功率工作时，需要散掉的热量虽然比最大 扭矩工况时多，但是由于冷却风扇和水泵的转速比最大扭矩工况时要大，工作条 件反而有所改善，因此把该工况点作为校核点m 5 1 。 2 2 2 管带式散热器关键参数的确定 由于发动机内部经过高温加热后的水要流入散热器进行热交换，以便使发动 机保持在适宜的温度下工作，所以散热器冷却水管要求有足够的横截面积，让冷 却水通过；与此同时，让冷却空气将冷却水传给散热器的热量带走，散热器必须 有足够的空气通过面积，以便让足够的空气量通过；还必须有足够的散热面积， 完成冷却水、冷却水管、散热带、空气之间的热量交换。 在设计计算时，首先需要确定发动机所要散掉的最大散热量，并且根据热平 衡的热量分配，发动机传到散热器中的热量应当通过热对流等形式由冷却介质散 到环境中，因此，可以由发动机的最大散热量来确定所需的冷却水循环量、冷却 空气循环量，进一步确定散热器芯体正面面积和散热面积等，图2 2 为散热器与发 动机匹配设计计算流程。 1 ) 冷却系统散走的热量q w 冷却系统应散发出去的热量即散热量，是设计冷却系统的原始数据，它受发 动机的结构形式及其工作方式、压缩比、功率大小等许多复杂因素影响，很难进 行精确计算。因此，设计时，通常采用经验公式确定冷却系统散走的热量q ，( 1 ( j s ) f 2 1 ： 山东大学硕十学何论文 瓯= 锵( 2 - 1 ) 式中：a 为传给冷却系统的热量占燃料热能的百分比，汽油杌4 = o 2 3 o 3 0 ，柴 油机彳= o 1 8 o 2 5 ；函为发动机燃料消耗率( k g ( k w h ) ) ；m 为发动机功率( k w ) ；h 刀 为燃料低热值( k j k g ) ，柴油和汽油的燃料低热值分别取4 1 8 7 0k j k g 和4 3 1 0 0k j k g 。 图2 - 2 散热器与发动机匹配设计计算流程 2 ) 冷却水循环量 冷却水循环量是指水冷式发动机中冷却水的循环体积流量，可由热平衡方程 计算冷却水循环量v w ( m 3 s ) 2 1 ，如下： 圪= 丧 z y c ( 2 2 ) 式中：“为冷却水在发动机内循环时的容许温升，对于现代强制循环冷却系， 可取铲6 1 2 ；y w 为水的比重，可近似取y w = 1 0 0 0k g m 3 ；c w 为水的比热， 可近似取c w = 4 1 8 7k j ( k g ) 。 3 ) 冷却空气需要量圪 冷却空气需要量圪( m 3 s ) 是指冷却风扇的供风量。 圪=尝l(2-3) 一 乞儿c p 式中：乙为空气进入散热器以前与通过散热器以后的温度差，通常a t a = l o 3 0 ；y 口为空气的重量，一般y 口- 1 0 1k g m 3 ：白为空气定压比热，可取旷1 0 4 7 k j ( k g ) 。 4 ) 散热器芯体正面面积几 1 4 第2 章管带式汽下散热器与发动机的匹配研究 足= 老 ( 2 4 ) 式中：圪为计算出的需求冷却空气流量；为散热器芯体迎面的空气流速，一般， 轿车取1 2m s ，载重车取8 1 0m s ，矿用车取8m s 。根据使用经验推荐正面面积 凡应达到3 4c m 2 l ( w 。 5 1 散热器散热面积f f t = 盟 k r “ “= f w 一乙 ( 2 - 5 ) 0 = 0 1 一厶0 2 乞= 乙l + 乙2 式中：6 - 为散热器在设计工况下的传热系数( k j ( m 2 s ) ) ；a t 为散热器冷却水和 冷却空气的平均温差；o 为冷却水的平均温度；乙为冷却空气的平均温度；“1 为 散热器进水温度，通常取9 5 1 0 0 ；a “为冷却水进出温差，通常取0 1 2 ； 如l 为散热器冷却空气的进口温度，通常取4 0 ；，口为散热器冷却空气进出口 温差，通常取2 0 3 0 。 考虑经过散热器的冷却空气流速不可能均匀；散热带蒙上灰尘时，散热性能 要有所降低，实际选取的散热面积f 要比结果f 大一些，通常取 。 f = p f 。 ( 2 - 6 ) 式中：卢为散热面积储备系数，一般取1 1 1 1 5 ，轿车和轻型车散热器设计时取 下限，中型及以上的载货车散热器设计时取上限。 6 ) 散热器的芯厚丁 r=尝(2-7) f 式中：西为散热器芯体的容积紧凑性系数，它表示单位散热器芯体容积所具有的 散热面积，一般取# = 5 0 0 - - 1 0 0 0m 2 m 3 。 2 2 3 管带式散热器芯体参数的合理性校核 在发动机冷却系统的匹配校核理论中，轿车及轻型载货车应把最大扭矩工况 1 5 山东大学硕十学何论文 点作为校核点，中型及以上的载货车应把额定工况点作为校核点。而一般，在进 行散热器与发动机的匹配校核时，主要是通过散热器芯体正面面积和散热器散热 面积来进行理论校核的。 以管带式散热器为研究对象，图2 3 为管带式散热器与发动机匹配理论校核流 程：通过选择散热器芯体总体尺寸、冷却水管和散热带的参数，计算出实际的散 热器芯体正面面积和散热器散热面积，跟匹配设计值进行比较，如果实际值大于 设计值，则理论校核成功，反之重新校核。 图2 3 管带式散热器与发动机匹配理论校核流程 进行理论校核时，对管带式散热器本身结构设计和具体参数选择也有要求， 主要指以下三个方面： 1 ) 在设计散热器时，主要是散热器芯体的设计，散热器芯体设计必须考虑汽 车车身型式和发动机机舱容积空间所受限制的情况m 。 2 ) 在管带式散热器芯体的结构参数中，按对散热器散热性能影响的大小，各 第2 章管带式汽下散热器与发动机的匹配研究 参数排列次序为：芯体正面面积一散热带形状参数一冷却水管尺寸与排量一芯厚 一散热面积。所以，设计散热器芯体时，在发动机机舱容积空间允许的前提下， 尽量采用大的芯体正面面积。而且大量试验结果表明，在其他条件不变的情况下， 散热器芯体正面面积增7 ) 1 1 1 7 ，散热能力提高11 1 4 7 1 。同时，芯高和芯宽的尺寸选 取，最合理的是芯高和芯宽相等，成正方形结构，但在一般情况下，往往是芯体 呈长方形结构。 3 ) 冷却水管管距、散热带波距及冷却水管当量直径不宜太小，以免阻力过大 或发生阻塞h 8 4 9 】。 下面介绍管带式散热器与发动机匹配理论校核的具体过程： 首先根据公式( 2 4 ) 计算得到的芯体正面面积，在散热器总体布置允许的空间 尺寸范围内，按照表2 1 确定散热器芯体的芯宽形和芯高日。在表2 1 中，管带 式散热器芯体按照冷却水管在芯厚方向从- n 五的排数可分为d l ，d 2 ，d 3 ，d _ ， d 5 五种型式，罗马数字i v 代表的是散热器冷却水管型号。 利用工厂现有的工艺设备和管带式散热器的设计经验，选取冷却水管规格和 散热带的参数，在选取散热带的参数时可以参考表2 2 。根据采用的散热器散热 带和冷却水管的参数，去调整理论计算出的芯厚丁和选取的芯宽形和芯高凰芯 体的实际芯厚丁实和散热带的带宽数值应该相等。这时可以根据选取的散热器 芯体的宽度形去计算散热带的带数，如式( 2 8 ) ，必须取散热带带数2 为不小 于。的整数，散热器冷却水管单排的数目比2 少一个。 n 2 1 - - - - 糕+ ， p 8 ， 式中：f h 为散热带波高；矾为冷却水管横截面宽。 散热器芯体的实际芯宽形实为： = 2 ( e + ) 一 ( 2 - 9 ) 由于散热带的波峰数飓为整数，即要求比值h f p 为整数( 昂为散热带波距) ， 从而对选取的芯高h 进行细微的调整，使得该比值为整数，就可以得到实际芯高 ht o 1 7 山东大学硕士学位论文 1 8 o o o n 占 卜 q n o _ 卜 n 。 q 卜 占 心 邕 o q n 口 皇 占 o 皇 占o - 叫 o n o n n 邕 o o o n =q o o - 一 寸 o n 寸 o n 寸 乏、 8 o 寸 絮 o 昌q o _ 叫 n o 口 n 。 l 心 审| 癸 刮 o oo oooo oo o oo ooo oo。ooo i n心 o寸口o n n onon卜 一 no n nnnn、n、寸寸 寸寸 nni n口 口o卜 卜 啦 h 暑 |=| 佥 (m)懈揖缎毯霞1惺搀票憾构造杓稚鬃轻铽鞍啦i-n僻 第2 章管带式汽车散热器与发动机的匹配研究 表2 2 散热带的尺寸 尺寸值( m m ) 散热带波高 散热带波距 4567 ( 7 5 ) 8 ( 8 5 ) 9 81 01 2 2 5 ( 2 8 ) 3 ( 3 2 ) 3 54 ( 4 2 ) 4 55 注：括号内的尺寸在新产品设计时不得采用。 散热器芯体的实际正面面积斥实，如式( 2 一l o ) 所示： 最实= 魄 ( 2 1 0 ) 散热器的实际散热面积f 实，如式( 2 - 1 1 ) 所示： 噍= + 艺 昂= 2 ( 厶+ 形) 日实l ( 2 - 1 1 ) 纠孵鲁吩m 式中：所为散热器水侧的散热面积；f a 为散热器气侧的散热面积；l l 为冷却水 管横截面长；l 为冷却水管数；w 2 为散热带的带宽；飓为散热带带数。 运用芯体正面面积和散热器散热面积进行校核，必须满足公式( 2 - 1 2 ) ，如果该 公式不能成立，则需要重新去选择散热器冷却水管和散热带的参数，重新进行校 核，直到该公式满足为止。 b 实 = 局 r 一f 戈 ( 2 1 2 ) 根据公式( 2 1 ) 至l j ( 2 1 2 ) 的计算和校核，可以最终得到散热器芯体的核心参数： 芯体的总体尺寸，散热带的尺寸以及冷却水管的尺寸。 综上所述，散热器与发动机匹配校核主要以满足散热器的散热性能使发动机 在各种工况下能工作在最适宜的温度为目的的，理论校核完还需要制备散热器试 件，对其进行风洞试验，看散热器试件的散热能力是否能满足实际需要，如果试 件的散热能力不满足则要重新进行校核，直到散热器试件的散热性能满足发动机 的散热要求。 1 9 山东大学硕士掌何论文 2 3 匹配发动机散热量的管带式散热器芯体设计实例 基于散热器与发动机的匹配理论，分别针对潍柴w d 6 1 5 5 0 和三菱4 g 6 9 s 4 m 两款发动机进行了散热器的匹配工作，匹配的散热器类型为管带式，它们的参数 值如表2 3 所示。 表2 3 发动机参数 参数参数值 潍柴w d 6 1 5 5 0 柴油发动机用于某重型汽车，经常在低速高负荷下工作，即发 动机经常处在最大扭矩工况下，因此采用最大扭矩工况为设计工况点。根据 w d 6 1 5 5 0 柴油机外特性曲线( 如图2 - 4 ) 可以得出，当该发动机处于最大扭矩工况时， 发动机的功率为1 9 2k w 。 三菱4 g 6 9 s 4 m 汽油发动机用于某型号轿车，经常在高速、高负荷下工作，即 发动机经常处在额定功率工况下，因此采用额定功率工况为设计工况点。 根据发动机的参数和选择的设计工况点，结合公式( 2 1 ) 至( 2 7 ) 来进行散热器 和发动机的匹配设计计算。表2 - 4 和表2 5 分别为潍柴w d 6 15 5 0 和三菱4 g 6 9 s 4 m 两 款发动机匹配散热器的理论计算内容，其中包括了公式中各参数的选取及计算结 果等内容。 表2 6 为两款发动机匹配设计计算结果，包括发动机需要散掉的最大散热量、 第2 章管带式汽下散热器与发动机的匹配珂f 冗 曼皇曼皇皇曼量皇量曼曼曼曼皇曼皇曼曼鼍曼曼曼曼舅i i 鼍皇曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼皇曼舅皇曼曼皇曼曼曼曼量皇曼曼曼曼曼蔓 冷却水的循环量、冷却空气需要量、散热器芯体正面面积和散热器散热面积等。 根据该表中的散热器芯体正面面积，在散热器总体布置允许的空间尺寸范围内， 按照表2 1 确定散热器芯体的芯宽卿芯高凰并利用工厂现有的工艺设备和散热器