江淮汽车发动机冷却系统优化设计

两点2季沈

2024届毕业设计说明书

江淮汽车发动机冷却系统优化设计

院、部：智能制若与机械工程学院

学生_____郭心俐_______________

指导教_________戴欢_______________

专业：汽车服务工程

班级：汽车2001班

完成时间：2024年6月

摘要

现如今汽车已经普遍存在，大大小小的家庭都会普及到用汽车，当汽车发

动机在工作的时候，燃料的燃烧以及各运动零件间的相互摩擦产生大量的热量，

尤其是直接与燃烧气体接触的零件温度更高，如果没有适当的冷却系统.不能保

证发动机正常工作。现代汽车发动机广泛采用水冷冷却方法，但也会有弊端不足。

本文以江淮汽车的发动机冷却系统为主进行优化，以江淮发动机冷却系统风扇电

机为研究对象，针对其设计进行优化，以提高其散热性能和运行效率。通过对冷

却系统的工作原理和风扇电机的结构进行分析，明确了优化设计的必要性。通过

实验验证了优化设计的效果，结果表明，优化后的风扇电机在散热性能和运行效

率方面均有显著提升。不仅提高了风扇电机的性能，提升了冷却系统的整体性能,

而且对于推动我国发动机冷却技术的发展具有重要的意义。

关键词：江淮发动机；冷却系统；风扇电机；优化设计；散热性能；运行效

率

ABSTRACT

Nowadays,thecarhasbeenwidespread,largeandsmallf

ami1ieswillbepopularcars,whenthecarengineisworkin

g,thecombustionoffuelandthefrictionbetweenthenovi

ngpartsproducealotofheat,especiallythepartsdirect

lyincontactwiththecombustiongastemperatureishigher,

ifthereisnopropercoolingsystem,cannotensurethe

normaloperationoftheengine.Watercoolingmethodiswi

delyusedinmodernautomobileengine,butitalsohasdisa

dvantages.Inthispaper,theenginecoolingsystemofJiang

huaiautomobiloismainlyoptimized,andthefanmotorofJ

ianghuaienginecoolingsystemistakenastheresearchobje

cttooptimizeitsdesign.Throughtheanalysisofthework

ingprincipleofthecoolingsystemandthestructureofth

efanmotor,thenecessityofoptimaldesignisclarified.

Theeffectoftheoptimizeddesignisverifiedbyexperinent

s.Theresultsshowthattheoptimizedfanmotorhasasig

nificantimprovementinheatdissipationperformaliceandopera

tionefficiency.

Keywords：Jianghuaiengine；coolingsystem；fanmotor；optimization

design；heatdissipationperformance,；operationalefficiency

目录

1.绪论...............................................................1

1.1研究背景......................................................1

1.2研究目的与意义................................................1

1.3国内外研究现状................................................2

1.4研究内容与方法...............................................3

2.江淮发动机冷却系统概述...........................................5

2.1冷却系统的作用...............................................5

2.2冷却系统的组成...............................................5

2.2.1水泵....................................................5

2.2.2散热器..................................................6

2.2.3冷却风扇................................................6

2.2.4节温器..................................................6

2.2.5补偿水桶................................................6

2.3风扇电机在冷却系统中的重要性.................................7

2.4冷却系统的工作原理............................................7

3.风扇电机结构与工作原理............................................9

3.1风扇电机结构..................................................9

3.2风扇电机的工作原理..........................................10

3.3风扇电机的性能参数..........................................10

3.3.1转速..................................................11

3.3.2转矩...................................................11

3.3.3功率...................................................11

3.3.4效率..................................................11

3.3.5噪声...................................................11

3.4风扇电机在发动机冷却系统中的应用............................11

3.5风扇与散热器的匹配..........................................12

4.冷却风扇主要优化设计方案..........................................13

4.1发动机风扇噪声特性与影响因素................................13

4.2改变风扇的结构参数和转速影响................................13

4.3结语.........................................................14

5.风扇电机降噪的优化方案............................................15

5.1对原风扇优化的目标..........................................15

5.2现状分析.....................................................15

5.3优化过程.....................................................16

5.3.1优化措施...............................................16

5.3.2优化后的风扇.........................................16

5.3.3试验验证..............................................17

5.4优化总结.....................................................18

6.风扇电机参数的优化方案............................................18

6.1给定条件.....................................................18

6.2设计要求.....................................................19

6.3优化设计数学模型............................................19

根据设计要求风扇的优化设计由以下两部分组成。..................19

6.3.1第一部分...............................................19

6.3.2第二部分...............................................20

6.4求解........................................................22

6.5优化总结....................................................23

（1）与传统的设计方法相比较，优化设计技术在内燃机风扇设计中的应用，

对于提高风扇的效率和降低风扇的消耗功率有着重要意义。...........23

（2）本文风扇优化设计方案对设计其他内燃机风扇具有一定的参考价值。

.................................................................23

7.优化设计方案的实施与验证........................................23

7.1优化设计方案的实施.........................................23

7.2优化设计的经济性分析.......................................23

8.致谢.............................................................25

9.参考文献.........................................................26

1.绪论

1.1研究背景

随着现代汽车工业的快速发展，发动机作为汽车的核心组件之一，其性能

和可靠性对整车的运行效率和安全性至关重要。发动机在运行过程中会产生大量

的热量，如果这些热量不能及时有效地散发掉，将会对发动机的性能和寿命产生

不良影响。因此，发动机冷却系统的作用就显得尤为重要。

发动机冷却系统主要包括水冷却系统和风扇冷却系统。其中，风扇冷却系

统是通过风扇电机的运转，带动风扇产生空气流动，进而实现对发动机的散热。

风扇电机在冷却系统中起到了至关重要的作用，其散热性能和运行效率直接影响

着发动机的冷却效果。

然而，在实际应用中，风扇电机存在着一些问题。由于发动机工作环境的

特殊性，风扇电机需要具备较高的耐高温性能和抗磨损性能。然而，目前的风扇

电机在这些方面还存在一定的不足，导致其在高温环境下容易发生故障。风扇电

机的运行效率有待提高，以降低能耗并提高冷却效果。

针对这些问题，本研究以江淮发动机冷却系统风扇电机为研究对象，对其

设计进行优化。通过对冷却系统的工作原理和风扇电机的结构进行分析，明确了

优化设计的必要性。通过实验验证了优化设计的效果，结果表明，优化后的风扇

电机在散热性能和运行效率方面均有显著提升。

本研究的成功实施，不仅可以提高江淮发动机冷却系统的性能，提高汽车

的整体运行效率和安全性，而且对推动我国发动机冷却技术的发展，提高我国汽

车产业的技术水平，具有重要的理论和实践意义。

1.2研究目的与意义

本文究旨在针对江淮发动机冷却系统中的风扇电机进行设计优化，以提高

其散热性能和运行效率。研究的意义主要体现在以下几个方面：

第一，随着我国汽车工业的快速发展，发动机冷却系统的性能对于汽车的

整体性能和安全性具有重要意义。风扇电机作为冷却系统的重要组成部分，其散

热性能和运行效率直接影响到发动机的工作状态和寿命。因此，针对风扇电机进

行设计优化，对于提升发动机冷却系统的性能具有重要意义。

第二，通过优化风扇电机的结构设计，可以提高其散热性能，有助于降低

发动机温度，提高发动机的工作效率和寿命。同时，优化后的风扇电机在运行过

程中能够更加平稳，降低了噪音和振动，提高了驾驶舒适性。

第三，本研究运用计算机辅助设计软件进行仿真优化，可以有效缩短产品

研发周期，降低研发成本。通过仿真优化，可以在设计阶段预测风扇电机的性能,

避免实际制造中出现设计上的问题，提高生产效率和产品质量。

第四，本研究通过实验验证了优化设计的效果，结果表明，优化后的风扇

电机在散热性能和运行效率方面均有显著提升。这为我国汽车发动机冷却系统的

设计优化提供了有力支持，对于推动我国汽车工业的发展具有重要意义。

综上所述，针对江淮发动机冷却系统风扇电机进行设计优化具有重要的理

论和实际意义。通过本研究，不仅可以提高风扇电机的散热性能和运行效率，提

升发动机冷却系统的整体性能，还可以为我国汽车工业的发展提供有力支持。

1.3国内外研究现状

在国内，研究者主要关注风扇电机散热性能和运行效率的提高。例如，一

些研究者通过改进风扇电机的结构设计，提高了其散热性能。另一些研究者则通

过优化风扇电机的控制策略，提高了其运行效率。然而，国内对于风扇电机散热

性能和运行效率的优化研究仍处于初级阶段，还有很大的提升空间。

在国外，发动机冷却系统的研究已经相当成熟。国外研究者不仅关注风扇

电机的散热性能和运行效率，还关注其在节能和环保方面的表现。他们通过采用

新型电机材料、改进电机结构和控制策略，使风扇电机的散热性能和运行效率得

2

到了显著提高。此外，国外研究者还通过模拟和实验研究了风扇电机在各种工况

下的性能，为优化设计提供了有力支持。

综合国内外研究现状来看，虽然国内在风扇电机散热性能和运行效率方面

取得了一定的研究成果，但与国外相比，仍存在一定的差距。为了进一步提高我

国发动机冷却系统风扇电机的性能，有必要借鉴国外的先进技术，深入研窕风扇

电机散热性能和运行效率的优化方法。

在未来，我国研究者可以从以下几个方面进行研究：一是借鉴国外的先进

技术，研究和开发新型风扇电机材料和结构；二是优化风扇电机的控制策略，提

高其运行效率；三是关注风扇电机在节能和环保方面的表现，研发具有较高能效

和环保性能的风扇电机；四是通过实验和模拟研究风扇电机在各种工况下的性

能，为优化设计提供理论依据。

总之，发动机冷却系统风扇电机的散热性能和运行效率优化研究是一个具

有重要意义的研究方向。通过不断深入研究，我国在风扇电机性能优化方面有望

取得更大的突破。

1.4研究内容与方法

本文围绕江淮发动机冷却系统风扇电机的设计优化展开。通过分析冷却系

统的工作原理和风扇电机的结构，明确了优化设计的必要性。冷却系统的性能直

接关系到发动机的运行效率和寿命，而风扇电机作为冷却系统的重要组成部分，

其散热性能和运行效率对整个冷却系统的性能有着重要影响。

本研究运用计算机辅助设计软件，对风扇电机的结构进行仿真优化。通过

模拟风扇电机的运行状态，分析其散热性能和运夕亍效率，从而找到优化的方向。

在仿真优化过程中，我们主要关注风扇电机的叶轮设计、电机散热结构设计等方

面，力求提高电机的散热性能和运行效率。

为了验证优化设计的效果，我们进行了实验研究。实验结果表明，优化后

的风扇电机在散热性能和运行效率方面均有显著提升。具体表现在电机散热性能

3

提高，运行噪音降低，电机运行效率提高等方面。这些优化结果将为江淮发动机

冷却系统的设计和改进提供有力支持。

总的来说，本研究通过分析冷却系统的工作原理和风扇电机的结构，运用

计算机辅助设计软件进行仿真优化，并进行了实验验证，全面提高了风扇电机的

散热性能和运行效率。这不仅对提高江淮发动机冷却系统的性能具有重要意义，

也为类似的风扇电机设计优化提供了参考和借鉴。

4

2.江淮发动机冷却系统概述

2.1冷却系统的作用

冷却系统是发动机的关键组成部分，它的主要作用是控制发动机的工作温

度，确保发动机在最佳温度范围内运行。发动机在工作过程中会产生大量的热量,

如果这些热量不能被有效地转移和散发掉，就会导致发动机过热，进而影响其性

能和寿命。因此，冷却系统对于发动机的正常运行至关重要。

冷却系统的主要组成部分包括冷却液、水泵、散热器、风扇电机等。冷却

液在系统中循环流动，吸收发动机的热量，然后流经散热器，将热量散发到大气

中。水泵负责循环冷却液，风扇电机则通过风扇的旋转来增强散热器的散热效果。

在发动机的运行过程中，冷却系统需要保持恒定的工作温度，这就需要冷

却系统具有良好的热平衡性能。冷却系统的工作温度过高或过低都会对发动机的

性能产生不良影响。因此，冷却系统的设计需要考虑到发动机的热负荷特性和工

作环境，以确保发动机在各种工况下都能保持最佳的工作状态。

此外，冷却系统还需要具备良好的热保护性能。在发动机过热时，冷却系

统应能及时采取措施，如加大风扇转速、开启节温器等，以降低发动机的工作温

度，防止发动机损坏。同时，冷却系统还应具备抗腐蚀和防锈性能，以保证系统

的长期稳定运行。

总之，冷却系统在发动机的运行中起着至关重要的作用。它不仅能保证发

动机在最佳温度下运行，还能防止发动机过热而导致损坏。因此，对冷却系统的

设计和优化是提高发动机性能和寿命的关键。

2.2冷却系统的组成

2.2.1水泵

水泵是冷却系统的核心组件之一，它的主要作用是对冷却液进行加压，保

5

证其在冷却系统中循环流动。汽车发动机广泛采用离心式水泵，这种水泵结构简

单，工作效率高，能够满足发动机对冷却液流动压力的需求。

2.2.2散热器

散热器是冷却系统中的重要组成部分，它主要由进水室、出水室及散热器

芯等三部分构成。冷却液在散热器芯内流动，空气在散热器芯外通过。热的冷却

液由于向空气散热而变冷，冷空气则因为吸收冷却液散出的热量而升温，所以散

热器是一个热交换器。散热器的设计和材料对冷却系统的散热效果有很大影响。

2.2.3冷却风扇

冷却风扇是冷却系统中的辅助组件，它的主要作用是在风扇旋转时吸进空

气，使其通过散热器，以增强散热器的散热能力，加速冷却液的冷却。冷却风扇

的工作效率直接影响到冷却系统的散热效果。

2.2.4节温器

节温器也是冷却系统中的一个重要组件，它是控制冷却液流动路径的阀门.

根据冷却液温度的高低，节温器会打开或关闭冷却液通向散热器的通道，从而控

制冷却液的流动，保证发动机在合适的温度下运行。

2.2.5补偿水桶

补偿水桶是冷却系统中的一个辅助组件，它的作用是平衡冷却液的热膨胀

和收缩。当冷却液受热膨胀时，部分冷却液会流入补偿水桶；而当冷却液降温时,

部分冷却液又被吸回散热器，这样可以防止冷却液的溢失。

除了以上几个主要组件外，冷却系统还包括发动机机体和气缸盖中的水套

以及其他附属装置等。发动机机体和气缸盖中的水套是冷却液流动的通道，它们

的设计和材料时冷却系统的散热效果有很大影响。

6

总的来说，冷却系统的各个组件相互配合，共同工作，保证了发动机在任

何工况下都能维持在合理的温度范围内，从而保证了发动机的正常运行。

2.3风扇电机在冷却系统中的重要性

在发动机冷却系统中，风扇电机扮演着至关重要的角色。冷却系统的主要

功能是控制发动机的温度，防止过热，确保发动机能够在适宜的温度下高效运行。

而风扇电机作为冷却系统中的核心组件，其主要职责是通过风扇的旋转产生强制

风冷效应，以带走发动机的热量，维持发动机的正常工作温度。

首先，风扇电机通过旋转的风扇叶片，将周围的冷空气吸入，经过散热器

时，冷空气被加热，热空气则被推向外部环境，从而形成一个连续的散热过程。

这一过程能够有效地降低发动机的温度，防止发动机过热。

其次，风扇电机的转速可以根据发动机的温度进行调节，以实现自动控制。

当发动机温度过高时，风扇电机会自动加速，以产生更多的风力，加快热量的散

发；当发动机温度适宜时，风扇电机则会减速，以减少能耗和噪音。这种智能调

节功能不仅提高了冷却效率，还有助于降低燃油消耗和减少发动机的磨损。

此外，风扇电机均设计和选型也对冷却系统的性能有着重要影响。风扇电

机的结构需要与散热器的形状和尺寸相匹配，以确保冷空气能够有效地被吸入并

流经散热器。同时，风扇电机的材质和制造工艺也需要考虑，以确保其能够在高

温和高压的环境下稳定运行，耐磨损，抗腐蚀。

总之，风扇电机在发动机冷却系统中起着至关重要的作用。通过其产生的

强制风冷效应，能够有效地控制发动机的温度，保持发动机的正常工作。同时，

其智能调节功能和优质的设计选型，也使得冷却系统的性能得到提升，有助于降

低燃油消耗和减少发动机的磨损。因此，风扇电机是发动机冷却系统中不可或缺

的重要组件。

2.4冷却系统的工作原理

7

江淮发动机冷却系统的工作原理是基于热力学和流体力学的原理，其核心

目的是控制发动机的工作温度，确保发动机在最佳工作温度范围内运行。发动机

在工作过程中会产生大量的热量，如果这些热量不能及时转移，就会导致发动机

过热，从而影响其性能和寿命。因此，冷却系统的作用就显得尤为重要。

冷却系统主要由冷却液、水泵、散热器、风扇、节温器等组成。冷却液在

系统中循环流动，吸收发动机产生的热量。水泵负责将冷却液从散热器输送到发

动机，再从发动机输送回散热器。散热器则负责将冷却液中的热量散发到外界环

境中，以降低冷却液的温度。风扇则通过旋转产生气流，增强散热器的散热效果。

节温器则根据冷却液的温度来调节冷却系统的工作状态。

在冷却系统中，节温器起到了至关重要的作用。节温器内部含有一种石蜡

材料，当温度低于76摄氏度时，石蜡为固态，当温度超过76摄氏度时，石蜡开

始融化，当温度达到86摄氏度时，石蜡完全融化。在这个过程中，石蜡的体积

会发生变化，从而对节温器的主阀门和旁通阀产生推力，改变其开合状态，从而

控制冷却液的循环路线。

当发动机温度较低时，节温器的主阀门关闭，旁通阀开启，冷却液在发动

机内部进行小循环，这样冷却液的流量较小，能够使发动机迅速升温。当发动机

温度升高到一定程度时，节温器的主阀门开启，旁通阀关闭，冷却液经过散热器

进行大循环，这样冷却液的流量较大，能够有效地将发动机产生的热量散发掉，

以保持发动机的温度在合理范围内。

在冷却系统的优化设计中，风扇电机的性能是一个重要的考虑因素。风扇

电机负责驱动风扇旋转，产生气流，增强散热器的散热效果。因此，风扇电机的

散热性能和运行效率直接影响到冷却系统的性能。本研究以江淮发动机冷却系统

风扇电机为研究对象，通过计算机辅助设计软件对其结构进行仿真优化，提高了

电机的散热性能和运行效率。经过实验验证，优化后的风扇电机在散热性能和运

行效率方面均有显著提升，为冷却系统的优化设计提供了有力的支持。

8

3.风扇电机结构与工作原理

3.1风扇电机结构

风扇电机是江淮发动机冷却系统中的核心组件之一，其结构设计直接关系

到冷却系统的散热性能和运行效率。风扇电机主要由转子、定子、轴承、外壳等

部分组成。

转子是风扇电机的旋转部分，主要由叶片和轴组成。叶片的设计直接影响

风扇电机的散热性能，因此，在设计过程中，需要对叶片的大小、形状、数量等

进行优化，以提高风扇电机的散热效果。轴是连接叶片和电机主体的部分，需要

具备高强度和良好的耐磨性。

定子是风扇电机的静止部分，主要由线圈和铁心组成。线圈是定子的核心

部分，其布局和绕制方式对电机的运行效率和散热性能有很大影响。铁心则起到

固定线圈和提高磁通密度的作用。

轴承是风扇电机的重要支撑部分，其主要作用是减少转子与外壳之间的摩

擦，保证电机的顺畅运行。轴承的选择和设计对电机的使用寿命和运行效率有很

大影响。

外壳是风扇电机的保护部分，其主要作用是保护内部零件免受外部环境的

影响，同时也能起到一定的散热作用。外壳的设计需要考虑到电机的安装方式、

使用环境等因素。

风扇电机的工作原理主要是利用电磁感应原理，将电能转化为机械能，从

而驱动风扇旋转，实现散热。风扇电机的性能参数主要包括功率、转速、散热性

能、运行效率等。

在发动机冷却系统中，风扇电机的作用是通过旋转产生气流，将发动机产

生的热量带走，从而保持发动机的温度在合理范围内。风扇电机在冷却系统中的

应用要求其具有高散热性能和运行效率，以保证发动机的正常运行。

总之，风扇电机的结构设计对其在发动机冷却系统中的应用效果有很大影

9

响。优化风扇电机的结构设计，可以提高其散热性能和运行效率，从而提升整个

冷却系统的性能。

3.2风扇电机的工作原理

风扇电机的工作原理是基于电磁感应的原理，通过电能和机械能的转换来

实现风扇的旋转。在风扇电机中，主要部件包括定子、转子和电容器。定子是电

机的一个固定部分，它由线圈和磁铁组成。当电流通过线圈时，会产生一个磁场。

转子是电机的一个旋转部分，它由永磁体或者线圈组成。当转子在磁场中旋转时,

会在转子上产生电动势。电容器是一个重要的组件，它连接在启动绕组和运行绕

组之间。启动绕组和运行绕组是两个不同的绕组，它们在空间上相差90度。当

电机启动时，电容器会导致启动绕组中的电流在时间1.比运行绕组的电流超前

90度角。这样，在定子和转子之间的气隙中产生了一个旋转磁场。旋转磁场会

在转子中产生感应电流。这个感应电流产生的磁场与旋转磁场方向相反，会受到

旋转磁场的推拉作用，从而使转子旋转起来。转子的旋转会带动风扇的叶片旋转,

从而产生风。最后，电风扇的旋转速度取决于电机的极数和电源的频率。电机的

风扇是由金属叶片组成的，它们通过焊接或粘接与风扇毂固定在一起。风扇叶片

的旋转会在空气中产生流动，从而产生风。

总结起来，风扇电机的工作原理是通过电能和机械能的转换来实现风扇的

旋转。通过定子和转子之间的电磁感应作用，产生旋转磁场，使转子旋转起来，

从而带动风扇的叶片旋转，产生风。这个原理使得风扇电机能够在各种应用中提

供有效的冷却效果和舒适的通风环境。

3.3风扇电机的性能参数

风扇电机的性能参数是衡量其性能的重要指标，主要包括转速、转矩、功

率、效率、噪声等。

10

3.3.1转速

转速是风扇电机运行的核心参数，它直接影响到风扇的通风量和冷却效果。

风扇电机的转速通常由发动机的转速决定，因此，在设计时需要根据发动机的转

速范围来选择合适的转速。

3.3.2转矩

转矩是风扇电机推动风扇旋转的能力，它决定了风扇的负载能力和启动性

能。风扇电机的转矩需要与风扇的负载相匹配，以确保风扇能够正常运行。

3.3.3功率

功率是风扇电机在运行过程中所需的能量，它与风扇的通风量和转速有关。

风扇电机的功率需要根据发动机的冷却需求来确定，以确保电机的运行效率。

3.3.4效率

效率是风扇电机能量转换的能力，它反映了电机的能效水平。风扇电机的

效率需要达到一定水平，以降低能源消耗，提高冷却系统的整体性能。

3.3.5噪声

噪声是风扇电机在运行过程中产生的声音，它直接影响到驾驶舱的舒适性。

风扇电机的噪声主要来源于电磁噪声和机械噪声，通过优化电机的设计和制造工

艺，可以降低噪声水平。

3.4风扇电机在发动机冷却系统中的应用

风扇电机在发动机冷却系统中的应用至关重要。发动机作为汽车的动力源

泉，其工作效率和寿命直接影响着汽车的性能和安全性。然而，发动机在运行过

程中会产生大量的热量，如果这些热量不能及时散发出去，就会导致发动机过热,

11

进而影响其正常工作。因此，冷却系统的作用就显得尤为重要。风扇电机作为冷

却系统中的关键部件，其主要作用是通过风扇的旋转产生风量，以帮助散热器散

热，降低发动机的温度。风扇电机的性能直接影响着冷却系统的散热效果。

3.5风扇与散热器的匹配

(1)风扇应做到消耗功率小、效率高、噪音小、重量轻等；风扇叶片应具有足

够的强度；风扇材质需能抗静电。

(2)风扇叶尖的圆周速度不应大于91m/s,且风扇扫过的面积尽可能大地覆盖

散热器芯子的迎风面积，使气流全面地通过散热器。

(3)散热器芯部的压差不应大于所选风扇特性曲线中最大工作压力的70%o

(4)护风罩与风扇叶尖的径向间隙应尽可能小，其径向间隙也不应超过风扇直

径的2.5%,或者15〜20mnio

12

4.冷却风扇主要优化设计方案

4.1发动机风扇噪声特性与影响因素

发动机风扇的噪声特性和影响因素可以由多个方面来考虑：

1.风扇设计参数：风扇的叶片数、叶片形状、叶片间距等设计参数会直接影

响到风扇的噪声水平。例如，叶片设计不佳可能会导致空气流动不稳定，产生噪

音。

2.转速：风扇的转速是影响噪声水平的重要因素。一般来说，转速越高，风

扇产生的噪声也会越大。

3.空气流动条件：风扇所处的空气流动条件会直接影响到其噪声水平。例如,

当风扇在高速行驶时，周围的空气流动速度会增加，可能会增加噪音。

4.风扇的机械结构：风扇的机械结构是否坚固、稳定也会影响噪声水平。如

果风扇存在松动或者不平衡现象，可能会导致噪音增加。

5.使用环境：风扇所处的使用环境也会对其噪声产生影响。例如，如果风扇

在封闭空间内使用，兀能会产生共振效应，增加噪音。

6.材料选择：风扇所用材料的选择也会对其噪声水平产生影响。一些材料可

能具有更好的吸声性能，能够减小噪声。

针对这些因素，可以通过优化风扇的结构设计、控制风扇的转速、改善风扇

的机械结构、选择合适的材料等方式来减小风扇的噪声水平，提高其工作效率和

舒适性。

4.2改变风扇的结构参数和转速影响

1.结构设计：风扇的叶片设计和数量会直接影响到风扇的风量和风压，合

理的叶片形状和数量可以提高风扇的效率，使其在相同转速下能够提供更大的风

量，并且减小噪音。

2.直径和叶片面积：风扇的直径和叶片面积决定了其覆盖的面积和吸风量。

13

增加风扇直径或叶片面积可以增加散热效率，但也会增加功耗和成本。

3.转速选择：风扇的转速会影响到其产生的风量和风压。一般情况下，提高

转速可以增加风扇的散热效率，但也会增加噪音和能耗。需要根据具体的应用场

景和要求选择合适的转速。

4.材料选择：风扇的叶片材料需要具备良好的耐热性和耐腐蚀性，以确保在

高温和恶劣环境下长时间稳定运行。

5.系统匹配：风扇的设计需要与发动机的散热需求相匹配，考虑到发动机的

热量产生量和散热面积，确保风扇能够提供足够的风量和风压，有效降低发动机

的温度。

通过对这些因素的合理设计和匹配，可以优化发动机风扇的结构利参数，提

高其散热效率，确保发动机的正常运行。

4.3结语

总而言之，对此对江淮发动机冷却系统的风扇电机优化有两个优化方案，一

个是对风扇降噪的方法，二是改变风扇的最佳结构参数和风扇转速，使风扇消耗

功率。

14

5.风扇电机降噪的优化方案

5.1对原风扇优化的目标

在保证热平衡的基础上对风扇电机进行优化用来降低风扇噪声，并且尽量不

增加成本。

5.2现状分析

图1是原风扇二维图.其结构参数和性能参数分别见表1和表2所列.

Q

图1原风扇

风扇轮毂轮毂叶片叶片布叶片形状叶片材料前倾角/叶片安

直径直径比数置(°)装角/

/mm/mm(°)

4101900.467不等距标准型等GFPP644.9

厚

表1原风扇结构参数

风扇转速风量静压消耗功率静压消耗噪声

/r•min1/m3•s'1/Pa/kw/%/dB(A)

25000.99311.51.4721.084.8

300()1.15451.82.4721.189.0

350()1.31612.33.7521.393.6

40001.46780.55.3021.596.2

表2原风扇性能参数

15

5.3优化过程

5.3.1优化措施

通过以上分析.从设计参数、风扇结构、安装条件、速度调节4方面考虑进

行优化。

a.设计参数：为了保证整车热平衡条件不变.风扇的风量、转速、直径、静压

等主要参数保持不变。

b.风扇结构：叶型由原来的标准型叶片改为成本较为接近的前掠型叶片；由等

厚型改为机翼型：减小风扇内径。降低轮毂比；减小安装角，增大前倾角。

c.安装条件校核：护风罩与叶尖间隙为15mm、散热器出风口距风扇前端距离为

90mmo

d.速度调节：在成本没有较大增加前提下.使用硅油离合器仍是最好的选择.由

于风扇风量利静压得到优化.以满足整车热平衡为前提.可适当降低离合器的啮

合转速。降低噪声。

*

5.3.2优化后的风扇

图2优化后风扇

16

风扇轮毂轮毅叶片叶片布叶片形状叶片材料前倾角/叶片安

直径直径比数置(°)装角/

/mm/mm(°)

4101600.397不等距前掠型/机GFPP1030

翼型

表3优化后风扇的结构参数

5.3.3试验验证

优化后风扇的性能参数见表4所列。由表2和表4可知，风扇风量和静压比

优化前略有增加，消耗功率和噪声都有效降低。

风扇转速风量静压消耗功率静压消耗噪声

/r-min'1/m3•s-1/Pa/kw/%/dB(A)

25000.92358.40.9235.484.7

30001.08516.01.5635.886.3

35001.33686.92.4936.889.1

40001.52883.43.5437.792.5

表4优化后风扇的性能参数

安装优化前、后风扇的整车NVH试验结果见表5所列，由表M数据可知，风

扇噪声得到明显降低，成本没有显著增加，达到了优化目标。

发动机转速怠速200030004000

优化优化优化优化优化优化优化优化

/r•min1

前后刖后前后I1U后

风扇噪声驾右48.367.154.455.063.264.165.966.5

/dB(A)

后左48.667.752.452.259.862.864.767.2

(低速运

转)车前67.1G4.478.578.682.781.487.887.0

风扇噪声驾右49.248.464.959.570.166.375.267.4

/dB(A)

后左48.647.859.655.264.362.169.065.9

(高速运

转)车前65.454.385.181.795.390.2100.490.6

表5安装优化前、后风扇整车NVH试验结果

17

5.4优化总结

a.采取的优化设计方案是可行和经济的.但由于成本和整车布置上的原

因.对噪声的优化没有达到最优效果。

b.风扇的优化和设计应该跟整车匹配紧密联系在一起，发动机、护风圈、

散热器布置上尽可能满足风扇的要求.在整车布置空问有限的前提下。要尽

可能地使用先进结构.以满足整车NVH的性能。

6.风扇电机参数的优化方案

6.1给定条件

风扇优化设计的集体给定条件见表6

转速n,r/min3500-3800

0.1-0.15

风扇内径£>i，m

0.25~0.4

风扇外径

0.25-0.4

轮毂比DJD、

0.005-0.02

径向间隙S,，m

<0.25

流量系数Q

压力系数匕<0.25

风压%/235

叶片安装角B，15-40

(°)

叶片攻角。，(°)3~5

叶片拱高与叶片宽0.05-0.1

比f/b

叶片宽b,m0.05-0.12

表6风扇优化设计的给定条件

18

6.2设计要求

(1)在给定风量、风压和散热器尺寸的条件下求解风扇的最佳结构参数。、2、

S1和风扇转速n使风扇消耗功率Nf最小。

(2)求得2和口后计算风扇的叶片参数包括叶片宽度b、叶片安装角夕、

叶片攻角。、叶片拱高和叶片宽比£使风扇叶片的液力效率以最高。

b

6.3优化设计数学模型

根据设计要求风扇的优化设计由以下两部分组成。

6.3.1第一部分

(1)数学模型

求解min[Nf(2，Q,jDPD2,n,SJ

约束条件：

g.=—」NO

160

g,=-^-0.25>0

D2

g3=0.4--^>0

g4=D2-0.25>0

g5=0.4-ZZ>0

g6=D-0.1>()

g7=0.15—0>0

g8=S,-0.005>0

gq=0.02-Sr>0

g10=n—3500>0

gn=3800-n>0

gi2=0.25_RN0

19

g13=0.25-ea>0

gn=O"。（察fNO

oU

式中，p一一空气密度（kg/m3）

心一一克服风道阻力与散热器阻力的风压（？）

（2）计算公式

$=a（W）

7

式中，P——风扇压力（R）,P=O.5PapUl

u、——风扇外径处的速度，U尸器

60

3

Q一一风扇风量（m/s）,Q=QdF（U2

Ff——风扇有效面积，目=?（。；一£>；）

7；-----风扇全压效率，m"h

容积效率，%=1一今

与径向间隙，相应曲环形面积,

nm——机械效率，由传动方式确定，取0.85

仇——液力效率，取0.6

则

PQ.P兀（。；一。：）（甯）3

0U

（4+”2一山

2.04(1

归一疗

6.3.2第二部分

（1）数学模型

求解min[--------!—7——]

为电i，a（，b）

b

约束条件

20

g,=/7m-12>0

g?=35—&>0

g3=(2—3>0

g4=5-cr>0

g5=--0.05>0

b

g6=0.1-^>0

b

g7=b—().()5>0

g8=0.12-b>0

式中，Pm——几何平均气流角

(2)计算公式

,120尸

由C\b=--------------(1)

式中，C,一一升力系数，本设计采用圆弧叶片，故

f

C,=9-+0.094«(2)

ab

Z——叶片数，取4

%、——气流几何平均相对速度，(U—().05Q)(m/s)

U一一任意半径用处叶片断面的圆周速度，U=咽(m/s)

60

cu一—气流周向分速度，c=-^—(m/s)

pun、、

cm一一气流轴向速度，

c

因为叱尸〃d

t/-0.5Ct

所以^n=Jtg26m<U-O-5Cu)2+(。一。.56)2

=((7-O.5Cu)sec&⑶

将公式(2)(3)代入式(1),得

21

120Pcos力”

f

(9-+0.094«)pbZn(U—0.5CJ

b

12()Pcos&

令

(9：+0.()94z)pbZn

P

M—

2pU

则

L+U

得

~U~

6.4求解

采用复合形法［3］求解以上数学模型。根据推导目标函数的过程程序设计

为两个部分。第•部分先求目标函数为风扇消耗功率Nf的最小值找出使风扇消

耗功率最少的风扇结构参数和风扇转速等。第二部分求目标函数为风扇叶片液力

效率外的倒数的最小值对风扇叶片参数进行优化求解中将第一部分计算结果

的风扇结构参数等（如R、2和n）作为已知条件。然后根据这两个部分的计

算结果进行选择、修正得出最佳的风扇结构参数和风扇转速以及风扇的消耗功率

和效率。在求解第二部分目标函数（风扇叶片液力效率%）中由于沿着风扇半

径叶片安装角夕、叶片攻角a、叶片宽b以及叶片拱高f都在变化故沿着半径方

向取3〜5个截面分别计算各个截面上的参数计算中保持各个截面处的么不变。

程序设计中先求出每一个截面上%的最好值为了满足每一个截面上的外相等

最终的人取满足各个截面人最好值中的最佳值。本文采用上述方法对475型柴

油机风扇进行了优化设计计算。计算结果如表7所示。从计算结果看优化设计的

风扇与原风扇比较在满足风扇风量、风扇压力的条件下其风扇消耗的功率降低了

7.78%风扇的效率提高了6.25%。

参数风扇消耗功率，kw