（机械工程专业论文）车用双波浪带散热器的设计研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 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，使车辆获得最大的经济 性和动力性指标，提高整车的可靠性。随着汽车动力性能的不断提高，冷却系统的工作 负荷日益加大，对汽车冷却系统的散热性能、体积占用和生产成本提出了严峻的挑战。 在汽车冷却系统中，影响散热能力的关键零部件是散热器。在冷却系统设计开发阶 段，通过冷却系散热能力计算，合理选择散热器的结构型式和结构参数，辅以匹配试验 验证，就可以提高设计合理性，缩短开发周期，增强汽车产品竞争力，早日投放市场， 赢得更多的用户，从而增加企业的经济效益，提升企业的综合实力。目前国内外车用散 热器的结构形式为百叶窗波带式，主要通过材料性能和结构尺寸来改善和提高散热性 能。双波浪带散热器是目前国际上比较先进、比较成熟的技术，在国外的汽车公司采用 比较广泛，在国内的应用尚属起步阶段。 本文结合“东风之星”车型冷却系统的开发，针对双波浪带散热器的结构形式、芯子 的传热和阻力特性进行了试验研究和理论分析。由于采用了在两排散热管之间焊接双波 浪带散热带技术，与单波浪带散热器相比，在散热器正面积相同的条件下，散热面积提 高了2 0 3 0 ：管排数减少，降低了流经散热器的风阻和散热器自身的重量，提高了 冷却系的冷却效率和整车的可靠性。以r l w c b b 提出的汽车散热器的传热和流动阻力 的理论分析为基础，针对双波浪带散热器建立了预测传热和阻力的数学模型，即传热因 子j 和摩擦因子f 的计算关联式，并且编制了相应的计算程序，计算值和实测值在常规 的工况范围内基本吻合。利用所编的计算程序对散热带结构参数对散热器散热量和风阻 的影响进行了分析，结果表明：散热带的波距和百叶窗间距是影响散热器散热量和风阻 的主要参数。散热带带厚在现有的双波浪带工艺参数变化范围内对散热器散热量和风阻 的影响较小。所编的计算程序可以指导设计人员的辅助设计，用于对散热器的性能进行 预测，从而为改进散热器性能提供依据。 关键词：双波浪带，散热器，传热，风阻 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a g o o dw o r k i n gc o o l i n gs y s t e mc a nm a k ee n g i n ek e e pi nt h ew o r k i n gt e m p e r a t u r eo ft h e b e s t ，m a k ev e h i c l eg e tb i g g e s te c o n o m ya n dp o w e ri n d e x ，r a i s et r u c kr e l i a b i l i t y a l o n gw i t h t h eu n c e a s i n gr a i s i n go fa u t o m o b i l ep o w e rp e r f o r m a n c e ，t h ew o r k i n gl o a do fc o o l i n gs y s t e m i si n c r e a s e di n c r e a s i n g l y ，i sf o rt h eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c eo fa u t o m o b i l ec o o l i n gs y s t e m ， v o l u m eo c c u p i e sa n dp r o d u c ec o s th a v ep u tf o r w a r ds t e mc h a l l e n g e i na u t o m o b i l ec o o l i n gs y s t e r n ，t h ec l u c i a lc o m p o n e n tt h a ca f f e c t st h eh e a tt r a i l s f e r p e r f o r m a n c ei sr a d i a t o r i nc o o l i n gs y s t e md e s i g nd e v e l o p m e n ts t a g e ，a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s o fc a l c u l a t i o no fh e a tn - a n s f e rp e r f o r m a n c e s e l e c ts t m c t u r a lp a r a m e t e ra n dt h es t r u c t u r a lt y p e o fr a d i a t o rr e a s o n a b l y ，b yt h ea i do fm a t c ht e s tv e r i f i c a t i o n ，c a nr a i s ed e s i g nr e a s o n a b i l i t y ， s h o r t e nd e v e l o p m e n tc y c l e ，s t r e n g t h e na u t o m o b i l ep r o d u c tc o m p e t i t i o na b i l i t y ，p u ti nm a r k e t a ss o o na sp o s s i b l e ，w i nm o r ec u s t o m e r , s oi n c r e a s et h ee c o n o m i cb e n e f i t so fc o m p a n ya n d t h ec o m p r e h e n s i v es t r e n g t ho fc o m p a n y n o w ，d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lv e h i c l ep a s s e s t h r o u e hm a t e r i a lp e r f o r m a n c ea n ds t m c t u r a ls i z em a i n l yw i t ht h ec o n f i g u r a t i o no fr a d i a t o ra s s h u t t e rw a v eb e l tt oi m p r o v ea n dr a i s eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e f i l l so fd o u b l er o ww a v e f o r mr a d i a t o r sa r et on o wa d v a n c e da n dm a t u r et e c h n o l o g yo nw o r l d 。i ti sw i d eu s e di nm a n y c o m p a n i e s ，b u tt h ea p p l i c a t i o ni no u rc o u n t r yi sy e tt os t a r ts t a g e t h i st h e s i sc o m b i n e st h ed e v e l o p m e n to f ”d o n g f e n gs t a r ”l i g h td u t yt r u c kc o o l i n g s y s t e m ，r e s e a r c ho nt h ep e r f o r m a n c eo fh e a tt r a n s f e ra n df l o wr e s i s t a n c eo ff i a so fd o u b l er o w w a v ef o r mr a d i a t o r sb ye x p e r i m e n ta n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s s i n c eh a v i n gb r a z ef i n so f d o u b l e r o ww a v eb e t w e e nt w ot u b e s c o m p a r i n gw i t ho n ew a v ef o r i l lr a d i a t o ru n d e rt h es a m es e c t i o n a r e a ，h e a tt r a n s f e ra r e ah a v er a i s e d2 0 3 0 ：t h en u m b e ro ft u b e sh a sr e d u c e d ，f l o w r e s i s t a n c ea n dt h ew e i g h to fr a d i a t o ri sl o w t h ec o o l i n ge f f i c i e n c ya n dv e h i c l er e l i a b i l i t ya r e i n c r e a s e d am a t h e m a t i c a lm o d e lt op r e d i c tt h ep e r f o r m a n c eo fh e a tt r a n s f e ra n df l o w r e s i s t a n c ef o rr a d i a t o ri se s t a b l i s h e db a s e do nr l w e b b t st h e o r y n a m e l yc a l c u l a t i o n c o r r e l a t i o no ft h ec o l b u r ni f a c t o ra n df a n n i n gf r i c t i o nf a c t o r , a n dc o m p u t a t i o np r o c e d u r e s a r ec o m p i l e d t h ep r e d i c t i o ni sb a s i c a l l yi na g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa tt h e r a i l g eo f c o n v e n t i o n a lw o r k i n gc o n d i t i o n e f i e c t so ft h eg e o m e t r i cs t m c t u r eo ft h ef i no nh e a t t r a n s f e ra n df l o wr e s i s t a n c ea r ee v a l u a t e di nv i r t u eo ft h ec o m p u t a t i o np r o g r a m t h e c o m p u t e dr e s u l t ss h o wt h a tt h ew a v ed l s t a n c ea n dt h ea n g l eo f 1 0 u v e ra r et h em a j o r p a r a m e t e r st h a ta f f e c t so nh e a tt r a n s f e ra n df l o wr e s i s t a n c e t h et h i c k n e s so ff i nh a saf e w i n n u e n c e so nh e a tt r a n s f e ra n df l o wr e s i s t a l i c e t h ec a l c u l a t i o np r o g r a mc a ng u i d ed e s i g n e r u s e dt op r e d i c tt h ep e r f o r m a n c eo fr a d i a t o r ，s ot h a tt h eg i s tf o ri m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo f r a d i a t o ri sp r o v i d e d k e y w o r d ：f i n so fd o u b l er o ww a v ef o r m ； r a d i a t o r ；h e a tt r a n s f e r ；f l o wr e s i s t a n c e i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论二芑作者签名：6 砂彰 日期：2 0 0 5 年，o 月弓f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密团 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：嘭秀 日期：2 0 0 5 年i o 月弓1 日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题的提出 1 概述 本文所研究的课题来源于东风汽车股份有限公司。2 0 0 2 年，东风汽车股份有限公 司进行e q l 0 3 0 t n 4 7 d 、e q l 0 4 0 t g 4 7 d “东风之星”系列高档轻卡车型的开发，主要用 于城市物流和城际间高速公路的中短途运输。采用已有的1 2 吨轻卡驾驶室，引进日 本日产柴油汽车工业株式会社生产的c y q d 3 2 系列直列四缸、水冷、涡流室式柴油机， 排量3 1 5 3 l 。包括c y q d 3 2 ( 自然吸气) 、c y q d 3 2 e g r ( 自然吸气带e g r ) 、c y q d 3 2 t ( 增压) 和c y q d 3 2 t i ( 增压中冷) 四种产品。具有体积小、重量轻、功率强劲、使用 寿命长、起动性能好、排气污染小、噪声低等特点，由于该系列柴油机采用涡流室，在 排放和噪声方面具有很大优势。由于驾驶室和车架结构的限制，散热器的芯高、芯宽及 芯厚尺寸基本限定，风扇是发动机自带的0 4 5 0 m m 七叶非对称、轴流式吸风尼龙风扇。 整车开发初期，出现了发动机水温偏高、排放恶化的现象，严重影响了整车的开发进度。 我们承担了冷却系统散热能力攻关的课题。本课题的任务是设计开发出满足整车和发动 机散热性能要求的散热器总成。 随着国家公路建设的发展，高速公路、高等级公路的通车里程越来越长，汽车不断 向高速型发展。用户对大功率发动机的需求愿望越来越强烈。随着汽车行业竞争的加剧， 汽车动力性能的不断提高，整个行业对汽车冷却系统的散热性能、体积占用和生产成本 提出了严峻的挑战，这也使发动机冷却系统的工作负荷日益加大。在整车布置不变的情 况下，使本来就负重荷的冷却系统满足更为苛刻的要求是本课题需要达到的目的。 图1 - 1冷却系统传热图 华中科技大学硕士学位论文 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。可见冷却系统在汽车可靠性所占地位，在工程机械中这种情况也 是接近的。冷却系统的功能是保证发动机在任何符合条件下和用户所必需的任何热环境 工况下均能正常和可靠地工作而不引起发动机过热。发动机过热的后果是非常严重的， 会造成充量系数下降，燃烧不正常，发生早燃、爆燃和排放恶化现象；零件过热导致材 料力学性能降低和产生严重的热应力，导致变形和裂纹；温度过高，会使机油变质，烧 损和结焦而失去润滑性能，破坏润滑油膜，零件的摩擦和磨损加剧。这些都将引起发动 机的动力性、经济性、可靠性和耐久性全面恶化，严重时会发生拉缸、缸盖开裂等故障， 造成发动机报废。尤其是当前发动机的性能不断强化，采用增压型、增压中冷型发动机 逐渐增多，这种发动机的特征往往是结构紧凑，热负荷和机械负荷普遍提高，对发动机 的冷却问题更为敏感，必须引起足够的重视【l i 。 因此，如果在发动机冷却系统设计开发阶段，通过冷却系散热能力计算，合理选择 散热器的结构型式和结构参数，辅以匹配试验验证，就可以提高设计合理性，缩短开发 周期，增强汽车产品竞争力，早日投放市场，赢得更多的用户，从而增加企业的经济效 益，提升企业的综合实力。 1 2 国内外研究概况 车用散热器从汽车发明的第一天开始就在使用，经过一百多年的研究和改进，其结 构变得越来越精巧，但散热性能却不断得到提高。随着发动机技术的进步，其体积缩小 功率提高，对散热器的散热性能要求也节节攀升。目前国内外主要通过材料性能和结构 尺寸来改善和提高散热性能。 1 2 i 散热器散热性能的关键指标 众所周知，车用发动机冷却系统主要由散热器、护风罩、风扇、水泵、节温器、发 动机进出水管、膨胀水箱等零部件组成，发动机冷却需要带走的热量最终是由散热器与 周围的空气进行热交换而散发到大气中去的。因此，整个冷却系统的散热能力大小主要 取决于散热器的散热性能。散热器的主要零部件有：上下水室、主片、散热管、散热带、 侧板。 除结构形式外，设计散热器时首先要考虑的是散热器芯部的正面积和散热器的总散 热面积，其次，应采用高性能的散热器。代表散热器性能的是两个重要参数，即散热器 的散热系数和散热器的空气阻力( 义称风阻) 。如果采用高性能的散热器，则正面积及 总散热面积相应可以缩减。 1 散热器芯部的正面积，即宽度高度 华中科技大学硕士学位论文 在安装空间允许下，采用大的芯部正面积，对于冷却系统是有利的，这样可以缩减 芯部厚度从而可提高散热效率和降低风扇消耗功率及风扇噪声。但一般均受到可用空间 的严格限制，尤其是高度。因此往往是宽度大于高度，最合理的布置是希望高度和宽度 相等。呈正方形结构，并使风扇中心与散热器中心重合，使风扇未扫过的四角死区最小。 气流自均匀通过芯部。有时由于在车头结构不变的基础上提高发动机功率，结果往往使 上述数据偏小，造成冷却系统的冷却能力紧张。 2 散热器的总散热面积 它是所有冷却管和散热带暴露在空气中的表面积之和。芯部正面积确定之后，调整 散热器的结构和厚度，包括改变冷却管排数和管数以及散热带的尺寸、间距和数量，可 以改变散热器的总散热面积，从而增加冷却能力，这是比较常用的措施。但如果散热器 过厚，由于风阻增大，风量不足，结果不得不加强风扇能力。( 如提高转速) ，使风扇功 耗增加，因此芯厚过大，有时会适得其反，而且材料消耗增加，利用率减小。此外由于 散热带过密，芯部容易被尘土堵塞，使性能恶化，所以在正面积不变的情况下，增加总 散热面积是有限度的。散热器的散热系数是代表散热效率的重要指标，是指每单位散热 面积( 米2 ) 上，每单位时间( 小时) 内，在每度“液气温差”下的散热量，单位是千 焦米2 小时( 或千卡米2 - 小时) ，散热系数与下列因素直接有关： 冷却管内冷却液流速，这取决于发动机的水泵循环流量和冷却管断面数量，据 试验对比结果，冷却液流速由0 2 米秒提高到0 8 米秒，对散热器效率有较大提高。但 超过0 8 米，秒后，效果就不明显，超过1 4 米秒基本是没有效果。例如康明斯b 系列柴 油机在额定转速时的水泵循环流量为2 0 0 升分钟左右，如散热器的冷却管断面为 2 5 1 4 ，采用1 5 0 根冷却管，则流速大于0 8 米秒，故一般认为可满足要求。 散热器材料的导热性能和管片的厚度，当前载货汽车及工程机械普遍采用导热性 能好、焊接性能好和耐腐蚀的黄铜或紫铜等制造，管壁厚度为0 1 0 2 毫米，散热带厚 度0 0 6 - 0 1 0 毫米，国内散热器的材料基本上均已标准化，不存在较大差异。 焊接工艺。特别是冷却管和散热带之间的焊合性和焊接质量( 冷却管与散热带的 焊接程度) 必须得到保证。实践证明制造质量的优劣往往会影响散热效率2 0 一4 0 ，因 此必须重视制造质量，排出劣质散热器对冷却能力的损害。铜硬钎焊与铜软钎焊( 锡焊) 相比成本低、无污染，导热性好，是目前国际先进的生产工艺技术。 散热器芯部的结构。结构对散热效率的影响是显而易见的。散热器的结构特征如 冷却管的排列、散热带的问距、散热带的形貌等都使散热效果产生不同影响。例如，在 散热带上冲出凸凹不平的波纹或冲翻出很多小窗口，使空气通过散热带表面时加强扰流 和扩大接触，改善了二次散热表面的散热条件，可提高一定散热效果。e q l 5 3 汽车原采 用平面形管片式散热器，冷却能力较差，后改成窗口形管片式散热器，在不改变其他条 件下，散热系数由8 4 提高到1 0 1 3 ，水温相应下降了3 - 4 ，继而采用管带式散热器基本 解决了冷却能力不足的问题。管带式散热器的重量明显减轻，散热效果明显提高。同时， 华中科技大学硕士学位论文 管带式风阻大，如果不调整厚度，就难以达到应有效果。 通过散热器芯部的空气流量或风速。空气的导热系数j _ t 4 , ，因此散热器的散热能 力主要是取决于空气的强烈流动，除了改善空气接触表面的散热条件外，通过散热器芯 部的风量就起了决定性作用。风量大，散热快，风量小，散热慢。因而在评定和比较散 热器的散热性能时，必须处于同等风量的前提下进行，散热器的散热系数曲线就是以风 量作为横坐标的。据资料推荐，载货汽车通过散热器的风速在额定工况下应不小于8 1 0 米，秒，以充分发挥散热器的散热能力。 3 散热器的风阻 风阻是由散热器芯部的结构和尺寸决定的，代表散热器风阻的是一条“风量风阻”曲 线。风阻小，风量大，这是提高散热器散热能力所追求的。但是改变散热器的厚度、冷 却管的排数、散热带布置的密度以及散热器总散热面积等也是提高散热能力的重要措施， 而结果显然增加了风阻，所以风阻的大小不能说明散热器的散热能力。管带式散热器比 管片式散热器具有高的散热系数，但是它的风阻较大。所以有时必须相应加强风扇的能 力来补偿风量的不足，也就是说要增加风扇的消耗功率。因此既反映风阻又能代表散热 效能的综合指标是：“等风扇功率散热量”，单位是：千焦( 散热量) 千瓦( 风扇耗功) 。 1 2 2 材料和结构研究发展趋势 目前，散热器从材料上讲，主要有铜制和铝制两种。铝制散热器质量小，多用于乘 用车和轿车上，而铜制散热器散热效果好，多用于轻型车和中重型车上。重量轻而导热 性好的铝是理想的散热材料，适当处理后可改善耐腐蚀性，但焊接工艺复杂，成本较高， 强度不如铜制散热器，维修也不方便。铜制散热器则有结实、耐用、易维修的特点， 所以国内外载货汽车，特别是1 5 吨以上的载货车散热多数用铜散热器。实际上，铜散 热器由于改进了材料工艺，即散热管及散热带的制造工艺，以及焊接工艺即采用铜硬钎 焊后，散热能力又超过了铝散热器，加上其价格低、强度高、易维修等特点，车用散热 器将由铝制散热器时代重新回到铜散热器时代。 “生产体积更小、干质量更轻、散热性能更好、生产成本更低的教热器”是汽车整车 和散热器生产企业的不懈追求。奥托昆普公司f o u t o k u m p u ) 是家生产有色金属材料的 国际性大公司，作为拥有1 8 ，0 0 0 名员工，年销售额8 0 亿美元。该公司作为世界上铜产 品的主要生产商之一，在铜产品市场份额上约占全球市场的1 0 。作为奥托昆普公司的 全资子公司，奥托昆普铜带公司( o u t ok u m p us t r i p ) 从二十世纪八十年代末开始研究 和开发铜硬钎焊技术与生产工艺。九十年代，该公司与国际铜协会、万用热交换器公司 合作在美国建立了示范生产线，以促进产品工艺的商业化。到目前为止，该公司已经在 全球开展了1 0 0 多个评估项目，其中半数以上与汽车工业直接关联。其技术部门研发成 j j 了新型的传热元件双波浪带。通过双波浪带自动生产线，比0 0 4 m m 0 0 4 5 m 4 华中科技大学硕士学位论文 m 普通波浪带更薄的o 0 3 m m o 0 3 5 m m 铜带可以被滚制成波峰更小的波浪带，其后这 两条波峰更小的波浪带将通过锡焊接牢牢地固定在一条中心带( 普通铜带) 上，最后制 成比普通波浪带更坚固、用材更省、散热性能更好的汽车散热器用传热元件双波浪 带。近年来，瑞典o u t ok u m p u 公司会同国际铜协会、通用汽车散热器制造公司联合开 发了双波浪带铜散热器制造工艺及硬钎焊制造铜散热器的c u p r ob r a z e 工艺，其技术与 工艺都属世界领先水平。铜硬钎焊技术( c u p r o b r a z e ) 由国际铜业协会开发，奥托昆普 铜带公司实施，是专门为制造汽车和重工业热交换器而开发出的一种钎焊工艺技术。与 传统锡焊技术的联接机理相同，钎焊技术也是使填充材料和母体材料发生反应。通常是 在交界面处以合金化的形式形成金属的连接。它们的不同点就在于，钎焊技术所采用的 金属填料的熔点比锡焊更高，合成技术更复杂。因此，经过特殊研发的铜合金就成为新 型钎焊技术的最佳选择。这种合金已经由奥托昆普申请了专利m s p a t e n t5 3 7 8 2 9 4 ) ，但 是可以免费用于汽车和重工业热交换器行业【2 j 。 轧制榷f - 0 2 舟碱0 3 ；n 0 艇进波带j 5 了 h ，锕带埘瞧为札畸c 呐的阡培波敬特苎卜 图1 - 2 双波浪带与单波浪带 双波浪带技术在国内尚属起步阶段，未被广泛采用。其技术、材料及加工设备都需 从国外引进，投资较大。但双波浪带水箱与传统水箱相比，有其独特的技术含量、结构 特点和优良的散热性能。由于采用了双波浪带式的散热器，在水箱正面积相同的条件下， 散热面积提高了2 0 3 0 ；同时由于采用了新型的散热管，所以增加了散热管的数量， 同时增大了散热管与散热带的接触面积，提高了散热能力。由于散热器本身散热能力的 提高，所以同一种发动机的车型，可采用两排管，甚至是一排管的散热器即可满足车辆 对冷却系的要求。管排数的减少，降低了流经散热器的风阻和散热器自身的重量，提高 了冷却系的冷却效率和整车的可靠性。 因此，双波浪带技术及硬钎焊的应用，必将使车用散热器的发展进入一个崭新的时 代。双波浪带水箱是目前国际上比较先进、比较成熟的技术。目前在国外的汽车公司采 用比较广泛，比如美国g m c 、f o r d 公司、日本的n a j i c o 公司、韩国的m c c 公司 华中科技大学硕士学位论文 以及欧洲的v o l v o 公司等。2 0 0 3 年9 月，瑞典奥托昆普铜带公司在北京宣布，包括 北方车辆研究所、东风散热器有限公司和南宁八菱汽车配件有限公司在内的中国三家国 内著名的散热器研发及生产单位已与该公司共同完成了汽车热交换器优化设计和技术 革新项目。汽车热交换器生产材料用新型传热元件双波浪带，将被上述三家散热器 生产企业应用在新型汽车热交换器的生产中。 根据奥托昆普铜带公司与国内散热器生产企业共同进行的对比实验研究，用 0 0 3 5 m m 或更薄的双波浪带材料加工的芯子厚度为4 3 m m 的散热器与用普通波浪带加 工的芯子厚度为7 8 m m 散热器相比，散热性能提高1 0 ，风阻相同，散热器本身的厚 度减少4 5 【3 】。实验还表明，通过优化设计和采用新型原材料，一部分散热器芯子厚度 为3 4 m m 的散热器，在各项性能指标不变的情况下，芯子的厚度甚至可以减少至1 6 m m 。 抢占市场先机，意味着最先采用先进的生产技术和加工工艺。东风散热器有限公司 是东风汽车公司专业生产散热器的子公司，2 0 0 3 年初从奥托昆普铜带公司引进了双波 浪带及硬钎焊技术，购买了相应的工艺设备，已具备批量生产能力。通过与公司产品研 发部门的合作开发，必将使轻卡和重卡的散热器优化设计和技术革新迈上一个新台阶， 满足不断提高的整车设计和更加苛刻的用户使用要求。目前，国内轻卡基本采用铜制散 热器，通过“东风之星”系列车型发动机冷却系统的设计开发，探索双波浪带铜散热器的 设计方法，将为中国散热器行业的技术创新及新产品开发提供成功范例。 1 3 课题的工作内容 围绕“东风之星”系列车型双波浪带散热器的设计研究，本课题主要进行了以下的工 作内容： 1 通过阅读相关文献，了解了车用散热器的设计相关理论和双波浪带散热器的设计 方法及理论； 2 根据“东风之星”系列车型的开发要求，提出了四种散热器设计方案：管带式三排 管单波浪带铜散热器、两种管带式两排管双波浪带散热器、管带式两排管铝散热器。 设计了两种结构的两排管双波浪带散热器总成并试制了样品，进行了风洞散热性能 试验和整车转毂冷却系统散热能力试验： 3 利用东风散热器有限公司现有资源，提出双波浪带散热器的设计方案，进行产品 改进：在不增加成本的前提下，采用瑞典奥托昆普铜带公司生产的铜带材料，按设 计方案进行样品试制，提高散热器总成的散热性能。分析并讨论如何确定散热器的 迎风面积、散热面积及其主要几何尺寸。 4 建立双波浪带散热器的换热一阻力特性数学模型，用m a t l a b6 1 软件进行散热 器换热性能计算。通过散热器总成的台架风洞性能试验、整车冷却系统散热能力转 毂试验和汽车试验场高速环道试验，验证产品设计的合理性和数学模型、预测模型 华中科技大学硕士学位论文 的准确性； 5 探讨了散热器芯子结构参数对散热器的换热性能和空气通道阻力性能的影响及 预测方法； 华中科技大学硕士学位论文 2 1选型的技术方案 2 散热器选型设计 目前散热器的芯子，从材料上讲，主要有铝制和铜制两种。从结构上分主要有管片 式及管带式两种i ”，如图2 - 1 所示。 矽穆 图2 - 1 散热器芯予结构 a ) 平面型管片式；b ) 管带式 管片式散热器具有刚度大、阻力小、芯子不易阻塞等优点，广泛用于使用环境恶劣、 道路条件差的车型，如工程机械及越野车辆上。管带式散热器制造工艺性好，散热带为 波浪形，与空气接触面积大，空气流过时形成湍流。而且散热带上还开有百叶窗，角度 一般为2 1 。3 2 0 。气流掠过散热片表面时，会在表面形成一层阻碍热交换的边界层，其 厚度沿流向逐渐增大。这种边界层的存在，是妨碍二次换热的主要原因。若在散热片上 开设几排尺寸适当的窗口，使空气掠过散热片表面时，起到破坏边界层的作用，同时使 空气流动变为湍流，从而改善二次散热表面的散热条件。不利的是，风阻较大。但由于 散热性能的提高，一般可将芯厚减小3 0 r a m 左右，综合性能仍比管片式有明显的优势。 所以，从前面的分析可以知道，“东风之星”系列车型由于车身和发动机仓的空间已经确 定，是不可能更改的，因此散热器正面积( 也称迎风面积) 已定。在正面积确定后，增 大芯厚或增加冷却管、散热带的数量及散热带的折数，都可以增加散热面积。但芯厚增 加的同时会增加风阻，而散热带数量或折数的增加同样也会增大风阻或造成散热器芯子 的阻塞。要提高整车冷却系统的散热能力，在其它边界条件己定的情况下，唯一可以改 变的就是散热器的芯子结构。综合考虑的结果，就是合理选择芯子的管数、管形、管排 数、散热带的数量、波距、波高、百叶窗开窗角、卣叶窗宽度和间距。因此，根据课题 的实际情况初步制定了四种技术方案： 华中科技大学硕士学位论文 1 。东风散热器有限公司生产的管带式三排管、单波浪带铜散热器。是目前东风汽 车股份有限公司轻型车散热器普遍所采用的结构形式，生产工艺成熟、模具及刀具 均和现生产零件通用，无需生产准备周期。散热器的结构和性能均有大量的产品数 据积累，设计经验丰富、对产品的性能可以进行比较准确的分析和预测。 2 东风散热器有限公司生产的管带式两排管、双波浪带铜散热器。其技术与工艺 都属世界领先水平，但双波浪带技术在国内尚属起步阶段，未被广泛采用，其技术、 材料及加工设备都需从国外引进，投资较大。2 0 0 3 年初从奥托昆普铜带公司引进 了双波浪带及硬钎焊技术，购买了相应的工艺设备，已具备批量生产能力。 3 广西南宁八菱汽车配件有限公司生产的管带式两排管、双波浪带铜散热器。该 公司1 9 9 9 年开始从奥托昆普铜带公司引进技术，购买设备及原材料，经过几年的 实践和探索，积累了一定的开发经验，生产工艺成熟稳定。先后为解放、斯太尔、 红岩、长安汽车提供过冷却系统的工程解决方案，取得了较好的效果。 4 青岛东洋散热器有限公司生产的管带式两排管铝散热器。该公司与日本东洋公 司合资，引进全套生产设备及技术，工艺和技术都很成熟。日本轻型车全部采用铝 散热器，q d 3 2 系列柴油机在日产柴所生产的车型中匹配的全部为铝散热器，并且 具有重量轻的优点。 2 。2 技术方案的比较分析 比较四种技术方案，方案一虽然在以往的设计中被大量采用，结构参数已经优化到 了极限。随着发动机高强化、高功率、小型轻量化以及欧二排放标准的实旋，热负荷不 断上升。而整车的布置尺寸却没有改变，冷却系统的安装空间也不能增大，所以散热器 的散热能力很难再有大幅度的提高，在炎热高温的环境条件下要保证发动机的正常工作 水温非常困难。东风多利卡三吨轻卡e q l 0 6 1 g 2 a d 的开发已经验证了这一点。发动机 由原来的8 8 k w 自然吸气欧一排放升级到1 0 3 k w 涡轮增压欧二排放，功率增加了2 0 k w ， 提高了2 0 ，采用单波浪带铜散热器，经过四轮设计、改进、试制和试验验证，整车 的许用环境温度只有3 2 ，无法满足使用要求。后采用双波浪带铜散热器，经过两轮 试制和试验，整车的许用环境温度达到了4 0 ，满足设计要求。“东风之星”系列车型 开发初期，整车转毂冷却系统散热能力试验表明，采用该结构的散热器无法达到设计所 要求的许用环境温度。 方案四虽然与该发动机的原配车型采用的散热器结构和材料相同，但由于该公司前 期设备投资费用较大，从r 本东洋公司获取技术的技术转让费较高，造成其零部件成本 偏高，比同本国内生产的同类产品价格高2 0 ，比铜制散热器价格高3 0 4 0 ，对 整车的成本控制不利。从材料的传热性能来说，铜材要比铝材好，且铜散热器的强度高， 抗冲击振动能力强，更适合国内各种复杂的道路状况。即使由于用户使用不当而造成散 9 华中科技大学硕士学位论文 热器漏水，也可以很方便地进行维修，且修理费用低。综合考虑的结果，方案四显然不 是最佳方案。 方案二和方案三从技术上讲实际是同一种方案，只是生产厂家不同而已。双波浪带 铜散热器在芯子正面积不变的情况下，厚度可以减少一半，风阻减小，总的散热面积可 以增大2 0 3 0 ，散热能力提高1 5 2 0 。同时，由于散热带和散热管的材料厚度 减簿，材料消耗减少，减轻了重量，所以成本与单波浪带铜散热器持平，除制带机需重 新购买外，其余设备均可与现有铜散热器生产设备通用。双波浪带技术在国外已经是非 常成熟的技术，得到了广泛的应用。奥托昆普公司在材料工艺和结构选型方面进行了深 入研究，积累了大量经验，因此可以借鉴其成熟的技术，缩短开发周期。双波浪带锕散 热器的设计方案是切实可行的，本课题的技术方案就是进行双波浪带散热器的设计研究 和结构选择。双波浪带散热器结构如图2 - 2 所示。 2 3 技术方案的确定 图2 - 2 双波浪带散热器结构示意图 最终的技术方案为：东风散热器有限公司和广西南宁八菱汽车配件有限公司生产的 管带式两排管、双波浪带铜散热器。分别由两家公司根据各自的散热管制管工艺和散热 带制带工艺，用不同的散热管管形和不同参数的双波浪带散热带各试制两种方案的散热 器总成。通过理论计算和散热器风洞台架散热性能和风阻性能测试、整车转毂冷却系统 散热能力验证试验来选择种最佳设计方案作为最终的定型方案。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 3 散热器的设计开发 3 。1 双波浪带散热器的特征 双波浪带散热器究其本质来说，与单波浪带散热器的工作原理是相同的，都是波 带形翅片与扁平管构成的翅片管式传热面。只是在材料选用和散热带结构、焊接工艺上 有所不同。下面是“东风之星”系列轻卡所采用的双波浪带散热器实物照片。 图3 - 1双波浪带散热器 奥托昆普公司的优势在于它所生产的性能优异的铜材。表3 - 1 和表3 2 列出了其铜 材的机械性能和物理性能【5 l 口“东风之星”系列轻卡所采用的双波浪带散热器所用铜材均 为奥托昆普铜带公司生产。 表3 1奥托昆普铜和黄铜材料机械性能 性能单位波浪带铜管料黄铜 主片料 s m0 5 0 2 s m 2 3 8 5 s m 2 4 6 4 c 6 6 4 2 0c 7 4 4 0 t 3 钎焊前 钎焊后 钎焊前钎焊后 钎焊前 钎焊后 电传导率 l a c s6 09 2 3 5 3 0 屈服强度 n m m 3 4 02 6 03 4 02 7 01 1 51 0 5 抗拉强度 n m m 4 0 03 3 04 2 04 0 03 5 0 3 4 0 硬度h v1 2 01 0 01 3 0 1 1 57 06 7 延伸率a 5 0 l1 02 53 07 07 5 s m x x x x 奥托昆普牌弓指土片和侧扳，为c u 6 4 z a n i 3 掣 华中科技大学硕士学位论文 表3 - 2奥托昆普铜和黄铜材料的物理性能 物理性能单位波浪带铜管料黄铜主片 s m 0 5 0 2 s m2 3 8 5 ，c 6 6 4 2 0 s m2 4 6 4 c 7 4 4 0 0 密度 k g ，m 8 9 0 08 7 5 08 5 0 0 ( 1 b i n 3 )( 0 3 2 1 ) ( 0 3 1 6 ) ( 0 3 0 8 ) 熔点。c 1 0 8 31 0 0 0 t 0 1 0 2 5 9 1 0 t 0 9 3 0 ( 。f )( 1 9 8 1 )1 1 8 3 2t o1 8 7 7 )( 1 6 7 0t o1 7 0 6 1 比热 k 非g o 3 8 50 3 8 0 n 3 7 7 ( b t u ，l b 。nf 0 0 9 2 ) r 0 0 9 1 )f o 0 9 0 ) 热膨胀系数。c 11 7 7 1 旷1 9 1 0 41 9 1 驴 2 0 - 3 0 0 。c ( o f - 1 )f 9 ，8 l o - 6 )( 1 0 6 1 晌( 1 0 6 1 0 6 ) 杨氏模量n m m 21 1 8 0 0 01 2 2 0 0 01 0 3 4 0 0 ( k s o ( 1 7 0 9 3 )( 1 76 7 3 )( i so o o ) 在散热器设计时，考虑整车布置空间尺寸限制，对散热器总成外形尺寸进行初步确 定，冷却系统的布置如图3 2 所示。 图3 - 2 e q l 0 4 0 t g 4 7 d 一1 0 1 车型发动机冷却系统示意图 3 2 散热器设计 发动机工作中，燃料能量约有3 0 转变成机械能使发动机发出动力；约有3 0 转变 成热能随废气排出；另外约有3 0 的热能通过燃烧室周围金属壁面传导给水套内的冷却 华中科技大学硕士学位论文 液，还有约1 0 的能量以辐射形式将热量散发给周围大气，当然这种能量的分配与发动 机燃烧类型( 如汽油机或柴油机等) 及结构特征有很大关系，每种发动机的情况均有很 大差异。如发动机有较高的热效率，则其水套散热量就偏低( 水套散热量需要通过专项 的发动机性能试验进行测定后获得) 。水套散热量必须由循环的冷却液带出，通过冷却 系统将热量散发给大气，散热器是冷却系统中关键的散热元件。发动机水套内的冷却液 吸收燃烧室金属壁面传导的热量后温度升高，经发动机出水口流迸散热器的上水室，在 从上水室沿着散热管流向下水室的过程中，通过散热管管壁、散热带与流经散热器芯子 的冷却空气进行热交换，空气温度升高、冷却液温度降低，温度较低的冷却液由发动机 水泵吸入水套内再次吸收燃烧室壁面传导的热量，如此循环往复，以使冷却液的温度维 持在规定范围内，使发动机获得可靠和有效工作的热状态。这样就能保证车辆在各种不 同环境温度和运转工况下，发动机既不过热、也不过冷，既有良好的动力性和经济性， 又有良好的工作可靠性。如果冷却系统的能力不能适应，则冷却液温度会持续上升，使 水套内部高温壁面得不到适当冷却，导致某些零部件因过熟而损坏，车辆无法正常运行。 散热器的设计并非仅仅能满足车辆的冷却要求即可，而是要在达到最低要求的传热 量和压力损失的情况下，根据车辆冷却系统的要求，通过热力设计，得到散热器结构参 数的最佳方案。散热器设计工程涉及各种参数的分析和以经验为主的定性判断，根据整 车的技术要求和所选择的传热面特性数据以及流体的特性参数，即可进行散热器的热力 计算，包括传热计算和压降计算，并通过比较和分析，获得最佳的设计。 设计必须满足以下要求： 1 散热器传给空气的热量由，应该大于发动机所要求散走的热量，以保证发动 机的冷却水温度和润滑油温度维持在其允许的温度范围内。 2 散热器气侧的压力损失( 压降) ap 要尽可能小，以保证泵耗功率小，运行费 用低，减小风扇噪声。 3 在满足散热要求的条件下，又不能使散热器的换热能力过剩，使发动机在过冷 情况下工作，热效率下降。散热器应具有最小的尺寸和重量，减小金属材料的消耗。 4 散热器芯体散热带结构，应有足够的抗振强度，不易被堵塞，并且便于维护和 保养。 3 2 1 设计的输入参数( 约束条件) 设计的输入参数包括热工参数和结构参数，即车辆使用环境、整车结构参数、发动 机结构和性能参数等。散热器的设计不可能单独孤立的完成，而必须在冷却系统的整体 框架内来选择和调整参数，并要充分考虑风扇的选型与匹配，以及冷却风道的结构等诸 多因素，还要受到部件技术水平的限制。 在冷却系设计计算之前，首先必须要掌握和了解的是下列有关四方面的数据和资 1 3 华中科技大学硕士学位