发动机冷却风扇驱动方式对比.pdf

第 3 0卷第 l期 2 0 1 3年 2月 内燃机与动力装置 I c E P o w e r p l a n t Vo 1 3 O No 1 F e b 2 0 1 3 综合评述 发动机冷却风扇驱动方式对比 周龙刚 孟祥龙 李伟 徐会敢 长安大学 道路施工技 术与装备教育部重点实验 室 陕西 西安7 1 0 0 6 4 摘要 文章主要分析了机械驱动式 液压驱动式 硅油离合器式和磁 电流变离合器式冷却 风扇的工作原理及其优缺点 并指 出智能化的驱动及控制方式将有效改善工程车辆的动力性 燃油经济性和环保噪声等性能 这也是冷却风扇驱动方式的发展方向 关键词 冷却风扇 驱动方式 功率消耗 噪声 智能控制 中图分类号 T K 4 0 3 文献标志码 A文章编号 1 6 7 3 6 3 9 7 2 0 1 3 0 1 0 0 5 5 0 3 Co mpa r i s on An a l y s i s o n M e t ho d s Driv i ng En g i n e Co o l i n g Fa n Z HOU L o n g g a n g ME NG Xi an g l o n g L I We i XU Hu i g a n K e y L a b o r a t o r y f o r Hi g h w a y C o n s t r u c t i o n T e c h n o l o g y a n d E q u i p m e n t o f Mi n i s t ry o f E d u c a t i o n C h a n g a n U n i v e r s i t y X i a n 7 1 0 0 6 4 C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r ma i n l y a n a l y z e s t h e wo r k i n g p r i n c i p l e a n d a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f t h e f a n s t h a t a r e d ri v e n b y me c h a n i c a l h y d r a u l i c a n d me t h o d s o r s i l i c o n o i l c l u t c h a n d e l e c t r o ma g n e t i c c l u t c h me t h o d s a n d p o i n t s o u t t h a t t h e i n t e l l i g e n t d ri v i n g a n d c o n t r o l me t h o d s ma y e f f e c t i v e l y i mp r o v e v e h i c l e s i n p o we r f u e l e c o n o my a n d n o i s e p e rfo r ma n c e Th i s p r e s e n t s a t r e n d o f t h e f a n d r i v i n g me t h o d K e y W o r d s Co o l i n g F a n Dr i v i ng Me t h o d Po we r Co ns u mp t i o n No i s e I n t e l l i g e n t Co n t r o l 引 言 冷却风扇是工程车辆冷却系统的重要部件之 一 与散热器及附属部件等构成复杂的冷却系统 其 性能的好坏直接影响发动机的动力性 经济性 可靠 性和环保噪声等性能 一般的 机器的最佳工作范 围在 6 0 8 0 oI 之间 为了保证发动机及液压系统等 工作在最佳的温度范围 则需要设计独立的冷却系 统来散热 由于人们对工程车辆环保节能要求 的不 断提高 冷却风扇 的驱动方式也 由机械驱动式向着 更加智能和环保节能的驱动方式发展 1 机械驱动式冷却风扇 机械驱动式冷却风扇安装于发动机前端 通过 皮带直接驱动冷却风扇 如图 1 所示 对冷却液散热 器 液压油散热器 中冷器等进行冷却 使散热系统 保持在一定的温度范围内 这种类型风扇的直径和 转速是按照机器的最大热负荷工况来设计的 通过 散热器芯部的风量决定了整机的散热能力 因此 一 旦风扇设计选型确定 风扇将按发动机转速以定 传动比驱动 这虽然能满足发动机在极端工况下的 热平衡 但在常用工况下 冷却装置的散热能力偏 大 引起过度冷却 机械驱动式冷却风扇结构简单 性能可靠 但噪 声突出 风 扇 能耗 大 一般 占到发 动 机有 效功 的 1 0 左右 机械驱动式冷却风扇在发 动机低速重 载工况时冷却能力不足 而在发动机高速低 负荷工 况下冷却过度 且 发动机 的启 动阻力大 预 热时间 长 此外 冷却系统不能随着发动机及其液压系统 的热负荷变化而自动调节 也不能 自动适应环境温 作者简介 周龙刚 1 9 8 8一 男 陕西岐山人 硕士研究生 研究方向为工程机械理论与减振降噪技术研究 收稿 日期 2 0 1 2 1 2 2 1 2 0 1 3年第 1 期 周龙刚 等 发动机冷却风扇驱动方式对 比分析研究 5 7 图 4 硅油离合器式风扇 2 电子硅油离合器能够实时地根据发动机冷 却系统的需要 调节风扇转速 降低了冷却风扇 的功 耗 且硅油离合器 的啮合和分离是柔性缓慢变化过 程 这样可以减少风扇转速突然增加而造成的空气 冲击噪声 据统计 采用电子硅油离合器式风扇 与 机械式风扇 的冷却 系统 相 比 可 减少 发动机 功耗 4 2 硅油离合器式风扇不仅可以有效减少发动机的 功率损耗 提高发动机寿命 改善发动机 的经济性 而且还能有效降低发动机噪声和排放 因而具有广 阔的应用前景 4 磁 电流变离合器式冷却风扇 磁 电流变离合器风扇是指磁 电流变液在磁场 或电场作用下其弹性模量和剪切屈服强度等性能会 随磁场或 电场强弱而发生变化 利用这种磁流变效 应或 电流变效应制成离合器驱动的冷却风扇 下面 以磁流变离合器冷却风扇为例来说明其工作原理 磁流变液是一种可磁极化的固体微粒颗粒在基 液中形成的悬浮液 作为一种新型的智能化材料 其 流变特性随着外加磁场的变化而急剧变化 冷却风 扇的磁流变离合器就是根据磁流变液的剪切应力来 传递转矩的 该离合器的工作过程如下 首先控制 系统通过信息采集单元读取发动机各冷却系统的实 时温度信号 然后控制单元将读取到的实时温度信 号进行处理 并按照设定 的控制程序输 出对应 的电 流 从而控制磁流变风扇 电磁线圈的通 断电流及其 大小 当电磁线 圈通人电流后 磁流变液 中的悬浮 粒子在磁场 的作用下被磁 化 沿磁场方 向相互吸引 而形成链状 这种链状结构大大增强 了磁流变液的 屈服剪切应力 甚至当磁场强度达到一定值时 磁流 体停止流动而固化 从而将主动件与从动件结合起 来 离合器处于结合状态来驱动冷却风扇 而当控制 器切断 电磁线圈中的电流时 磁流变液呈 N e w t o n流 体 此时流体中的悬浮粒子不会阻碍主动件和从动 件之间的相对运动 主动片只需克服呈牛顿流体 的 磁流变液的粘性剪切力来传递很小的扭矩 这个扭 矩甚至不足以带动风扇转动 因而离合器处于分离 状态 主动轴空转 J 磁流变离合器式风扇的结构紧凑 可控性好 运 转噪声低 反应速度快 冷车启动性能好 离合器传 递的扭矩可以由外加磁场连续调控 且主动片可以 使磁流变液体在主动片与被动件形成 的空间内反复 流动 不但有利于散热 而且还延长了磁流变液体的 使用寿命 基于电 磁流变离合器控制方便 反应快速 容 易实现 自动化控制 且控制过程可逆 能够实现冷却 风扇的软启动 该风扇控制方案将是解决风扇驱动 问题 的又一有效途径 5 结束语 随着新工艺 新材料的出现以及国内对排放 噪 声及油耗等法规的出台和 日趋严格 机械驱动式风 扇将会被能够实现 自动化智能控制的液压驱动式 电子硅油离合器式和电 磁流变离合器式冷却风扇 所代替 冷却风扇的驱动方式正朝着更加智能化的 控制方向发展 这些驱动控制技术瓶颈的突破及通 用件成本等方面的降低 将不断提升冷却系统的性 能 这将会对工程车辆的整机经济性 动力性 舒适 性 可靠性 耐久性和环保噪声等性能产生积极的影 响 而这些技术的突破和整机性能的提高将有助于 提升工程车辆等产品的市场竞争力 参考文献 1 高久好 何绍华 工程机械冷却风扇技术研究综述 J 工程机械 2 0 0 7 3 8 1 3 3 3 6 2 周龙刚 赵金鹏 孟祥龙 工