柴油机冷却系统设计-毕业设计（论文）.pdf

摘要柴油机运转时气缸内的燃烧温度达到1800C到2000C,瞬时温度高达3000C,与高 温燃气相互接触的零件（如缸盖，活塞，气缸，气阀，喷油器等）受到强烈的加热，如不 加以适当的冷却，发动机会过热，充气系数下降，燃烧不正常，发生早燃和爆燃现象，与 高温接触零件过热，导致材料机械性能降低，和产生严重的热应力，导致变形和裂纹，另 外温度过高会使得机油变质，烧损和结焦失去润滑性能，破坏润滑油膜，零件的摩擦和磨 损加剧，从而导致发动机的动力性，可靠性，经济性，耐久性，全面恶化。如果系统的冷却能力过强，机油被燃油稀释（即因缸壁过冷，可燃混合气体在缸壁冷 凝并聚集，冲刷缸筒上的润滑油膜，未蒸发的燃油经缸壁流到油底壳，稀释机油），同时 恶化混合气体形成及燃烧，增加机油粘度和摩擦效率，造成零件间的磨损加剧，摩擦损失 增加，柴油机工作粗暴，另外通过冷却系统带走的热量是燃油燃烧的热量，一般约占燃烧 热量的20%-30%,这是一种损失，如果冷却过强，散热损失增加，会降低发动机的经济性。因此发动机过冷或者过热（即发动机冷却能力过强或者过弱）都会对发动机的动力性,经济性，工作可靠性带来不利的影响。因此设计良好的冷却系统，能够保证发动机始终处 于最适宜的温度下工作，已获得较高的发动机经济性能，动力性能，工作可靠性指标等。冷却系统的功用就是使发动机在各种工况下都保持在适当的温度范围内，冷却系统既要防 止发动机过热，又要防止冬季发动机过冷，在冷态下的发动机启动之后，冷却系统还要保 证发动机迅速升温，尽快达到正常的工作温度。关键词：散热器；风扇；冷却水泵；硅油风扇禺合器；节温器AbstractCylinder diesel engine running inside the combustion temperature reaches 1800 to 2000,the instantaneous temperature up to 3000,and the high temperature gas components in contact with each other(such as cylinder head,piston,cylinder,valve,injector,etc.)by the strong heating,If not properly cooled,the engine will overheat,inflatable coefficient decreased,abnormal combustion,burning and exploding phenomenon occurred early,with the high temperature contact parts overheat,resulting in lower mechanical properties of materials,and severe heat stress,leading to deformation and crack In addition,the oil temperature is too high will cause deterioration,loss of coke burning and lubricating properties,destruction of oil film,part of the friction and wear increased,resulting in engine power,reliability,economy,durability,overall deterioration.If the systems cooling capacity is too strong,oil is the fuel dilution(ie,cooling due to cylinder wall,combustible gas mixture in the cylinder wall,condensation and aggregation of erosion on the cylinder lubricating oil film,not by evaporation of the fuel flow to the sump cylinder wall,diluted oil),while deterioration of gas mixture formation and combustion,increasing efficiency of oil viscosity and friction,causing increased wear between parts,friction losses increase in gross engine work,while the heat through the cooling system is the fuel burn away the heat,generally about burning calories-30%to 20%,which is a loss,if the cooling is too strong,increase the heat loss will reduce the engines economy.So the engine cold or hot(ie,engine cooling is too strong or too weak)will be the engine of power,economy,adversely affect the reliability of work.Therefore,well-designed cooling system ensures the engine always work under the most suitable temperature,the engine has been high economic performance,dynamic performance,operational reliability indicators.Function of the cooling system is to make the engine in various operating conditions are maintained at the appropriate temperature range,cooling systems,it is necessary to prevent the engine overheating,and also to prevent the winter cold engine,the engine under cold nstart,the cooling system also ensure that the engine quickly warming up to normal operating temperature as quickly as possible.Keywords:radiator；fan;cooling water pump;silicon oil fan clutch;Thermostats辽宁工程技术大学毕业设计目录1 绪论.11.1 汽车发动机冷却系统概述.11.2 汽车发动机冷却系统的发展和现状.21.3 汽车发动机冷却系统向高效化发展.52散热器的设计.62.1 发动机散热量计算.62.2 散热器材料的选择.62.3 结构设计及选择.63节温器的设计.133.1 节温器的功能.133.2 节温器的结构及工作原理.133.3 节温器的设计.134.硅油风扇离合器结构及工作原理.155冷却风扇的选择.186冷却水泵的设计.246.1 确定泵的进出口直径.246.2 叶轮轴面投影尺寸.256.3 其余几何参数的确定和这些参数对泵的性能的影响.276.4 叶片数的确定.31刘丽：柴油机冷却系统设计6.5排挤系数%317冷却液的选择a8技术经济性分析.349结论和展望.36结论a*.36展望.36参考文献.37致谢.38附录A译文.错误！未定义书签。附录B外文文献.错误！未定义书签。辽宁工程技术大学毕业设计1绪论1.1 汽车发动机冷却系统概述组成：发动机冷却系统由散热器、冷却水泵、冷却风扇、节温器等主要部件组成图1-1:为发动机冷却系统的组成Figure 1-1:For engine cooling system composition车用内燃机是车辆的动力源，它将燃料燃烧所释放出的热能装化成为驱动车辆行驶的 机械能，其工作可靠性在很大程度上决定着车辆有效而可靠的工作，而影响内燃机工作可 靠性和耐久性的重要因素之一就是热负荷，如果内燃机零部件受温度过高超出材料的受热 极限，将直接导致内燃机零件受到损坏。因此，内燃机受热部件的适度冷却是极其重要的。良好的冷却系统不仅能保证发动机正常工作，而且能够提高发动机的使用寿命，减少 受热零部件的热损耗，这也减少了维修和更换受热部件的费用，间接的降低了车辆的维修 成本，而良好的冷却系统也提高了车辆的行驶质量臼。现有冷却系统的冷却方式共两种：风冷和水冷。车辆应用的主要以水冷为主，故不对风冷做更多研究，此方式以水及防冻液作为介质,将发动机高温部件释放的热量带走，以保证发动机能够正常运行。其中按照冷却水在内燃 机循环的方式分为自然循环冷却和强制循环冷却。自然循环冷却主要利用水在不同温度下密度变化的性质，产生自然对流，使冷却水在 冷却系内循环流动，分为蒸发式和热流式。1刘丽：柴油机冷却系统设计由于本设计以强制循环冷却作为冷却水的循环方式，故对自然循环冷却的循环方式不 做更多说明。强制循环冷却方式是利用离心泵高速旋转产生的离心力，迫使冷却水不段循环，分开 式和闭式两种形式。我设计的冷却系统主要是，利用离心泵的高速旋转产生的压力使冷却水循环，通过散 热器将热量散发到外界中去，使水的温度降低，进入下水箱，在水泵的作用下继续循环冷 却内燃机的高温部件，如此反复循环，以达到降低发动机高温部件的温度的目的。1.2 汽车发动机冷却系统的发展和现状国内冷却系统的现状：目前国内的冷却系统仍采用传统的冷却节温器、保温帘和冷却风扇。节温器仍主要以 石蜡和乙醛作为反应介质，反应缓慢，截面损失大，失效率高。保温帘则由人工控制，冷 却风扇由发动机曲轴驱动，且三者之间控制互不协调，导致机械能损失。发动机冷却系统主要由发动机冷却水套、散热器、冷却水泵、节温器及冷却风扇等部 件组成。散热器是冷却系统中最重要的一部分，其作用是通过流动的空气将冷却系统中流 过散热器的循环水温度降低，以达到降低发动机受热零部件的温度的目的。散热器的制造 材料现如今有两种：铝和铜。由于铜的导热性能好，而且经过与一些材料进行结合（表面 镀锌或将锌块附在散热器的表面）能够耐腐蚀，且易于钎焊加工。所以我国大部分车辆都 应用这种铜质的散热器。况且铜制管片式散热器是我国散热器行业的传统产品，其优点是 散热器芯子结构强度高，刚性好，散热芯部不易被尘土和油垢等堵塞。缺点是同等芯子的 正面面积下，散热面积小，散热效果明显较差。且由于铜的价格和资源问题，不仅在散热 器厚度上有所改进，也在结构上有所突破。上世纪70年代后期开始研制和生产管带式散 热器，以达到代替管片式散热器，但由于国内加工工艺水平的限制，生产管带式散热器仍 具有一定的困难。自从国家采用了新的标准来制造铜散热器，导致散热器的寿命明显降低,腐蚀严重，使铜散热器失去了原本具有的耐腐蚀的特性，于是将铝制散热器推到了人们的 眼前，由于铝资源较铜资源丰富，并且密度小，仅为2.3g/m3,导电及导热性能优良，再 加上其表面易形成氧化膜，所以耐腐蚀性能好，且铝的融化温度较低，流动性好，很容易 按照模具的形状生产出各种复杂形状的产品，根据上面的阐述可以总结出铝制散热器的儿 大优点：质量轻，成本低，散热效果好，节约能源，使用寿命长，装卸方便，可以看出在 经济性和实用性上铝制散热器很明显要优于铜制散热器。从以上可以看出铝制散热器将取 2辽宁工程技术大学毕业设计代铜制散热器。据相关资料介绍，我国对于铝制散热器的研究和开发要相对于国外落后一段时间，现 在的铝制的散热器也只是应用到轿车和微型车的冷却系统中。其制作工艺基本属于国际上 70年代的水平，采用圆铝管加百叶窗式翅片经胀管工艺成型。随着科技的进步，世界上 的散热器的生产工艺的进步，国内对散热器的加工工艺也在不段进步，国内部分的生产企 业已可以生产质量稍好的散热器，随之而来的工艺上的问题也摆在人们的面前，既生产效 率低，产品外观粗糙，废品率高和生产成本增加等。一汽集团于1996年向美国某汽车企 业进口的铝制散热器的生产线已达到国际水平。哈尔滨某企业也应用该进口工艺生产铝制 散热器，铝材料选用国内自制的铝复锌板，在无腐蚀和无污染的环境下，使用自制的国际 先进，国内首创的焊接技术，确保了焊接质量3 所生产的铝制散热器外观不氧化，达到 了产品的设计要求和使用标准，及产品的性能指标，尤其是焊接工艺达到了和国际同等产 品和国内先进水平。该公司由于设备和原材料均使用国内产品，投资少，成本低，工艺灵 活性很大，适合了我国汽车工业生产规模小和品种规格多种多样的现状，具有高起点，高 性能，高技术，低成本和国家化的特点。这不仅推动了我国汽车生产工业水平的进步，同 时也拉进了我国汽车生产工艺与国际汽车生产工业的距离。我国从“八五”期间开始进行扁圆管的试制，经过了失败，改进再失败再改进的相当 艰苦的历程，最后从设备，工夹具到工艺过程摸索出一套成熟的扁圆管生产工艺，再配以 开窗翅片经过高温钎焊制成高性能散热器，改产品的生产工艺和成型工艺与一汽进口的美 国汽车生产企业所生产的产品属于同一类型，虽然我国生产的产品相对于进口工艺的质量 和散热效果还有差距，但国产的产品与进口的生产工艺所生产出的产品在竞争上还有一定 的优势。我国生产的铝制散热器以通过了长春散热器研究所的检测，成功的通过了耐高温 压力脉冲性能、耐震动性能、负压密封性能、散热性能这四项实验，这四项实验满足德国 大众汽车公司TL-VW874标准。这是国内唯一通过这响标准的新产品。而这也预示着国 内汽车生产工艺已和国际汽车生产工艺的差距越来越小。我国的汽车工业起步较晚，所以和汽车工业相关的产业都相对滞后，国内自行设计和 50年代从苏联引进的发动机普遍采用，钢板风扇，钢板风扇是以圆钢板制成托架再与薄钢 板叶片钾接而成，由于加工误差的积累和结构上设计的不足，风扇的效率较低，性能较差，功率消耗和噪声都很大，明显不能满足汽车生产的节能和无污染的要求，自从70年代以 来，国外的汽车生产企业生产的冷却风扇主要以塑料风扇为主，而当时我国的汽车生产企 业仍然生产和使用钢板风扇。不过随着科技的进步和国内汽车生产企业的研发投入，我 3刘丽：柴油机冷却系统设计国的工程塑料的开发和研制及生产工艺也相对成熟，已有部分车型应用了塑料风扇，国内 工程塑料风扇年产量也达到了数十万只。风扇在冷却系统中虽然不是最重要的，但缺了风扇冷却系统将陷入瘫痪的状态，好的 风扇和一个质量一般的散热器配合只能起到一般的散热效果，而好的散热器和一般的风扇 配合起到的效果也只能是一般冷却效果，只有让好的风扇和好的散热器配合才能达到良好 的冷却效果。目前国内的轻型货车和客车的风扇仍采用传统的定传动比的控制方式，这种 控制方式是以发动机曲轴通过V带以固定比驱动风扇，由于受到曲轴的转速的变化的限制,冷却风扇的转速及冷却能力只能随发动机的转速变化而变化，不能随着发动机的热符合的 增大和改变风扇的转速提高冷却速度，进行自动调节，这直接导致发动机受热部件的温度 过高而影响发动机的使用寿命，也影响发动机的工作质量。近年来国内各汽车企业也不 断开发自动电控冷却风扇，并且已通过实践证明此种产品的生产技术性能的可靠性，不仅 能减少发动机的磨损而且能提高发动机的使用寿命。据相关资料介绍，轻型载重汽车改装 自动电控冷却系统后比原装风扇每100公里节约汽油2.32升，节油率高达14%o国产轿车 上基本都已采用电动电子控制方式。电子控制方式的优点是预热迅速，自动电控冷却风扇 根据发动机水温的反馈信号来控制电扇的开关，使风扇的启动迅速。由于冷却风扇脱离了 发动机曲轴的限制，只要水温达到95度风扇立刻开始转动，高温的冷却水和冷却空气温 差增大，使散热器的散热效率更高，解决了冷却水温度过高的问题。由于电控冷却风扇的 开关有电子设备控制，在冷却水温过低的时候风扇停止转动，减少了冷却系统的能量损失,另外冷却风扇和曲轴脱离后，风扇和风罩及散热器等可以安装到一起，保证了风扇和风罩 的同心度，增大了容积效率。与传统冷却风扇相比，功率消耗减少了 90%,节省燃油10%o 国外汽车发动机冷却系统的现状：国外的冷却系统的技术水平比较先进，我国的汽车散热器生产工艺水平与国际相比 仍有20年的差距。长期以来，铜一直是散热器的首选材料，为达到节约能源和减少环境 污染，汽车工业向轻量化发展，提出了“全铝汽车”的口号，从这个角度看，铝自然成为 最佳的选择材料，上实际50年代后期，国际上就开始研制铝制散热器。当然国外在研制该散热器的时候也遇到了很多的困难，首先是焊接问题，铝在自然状 态下是不能焊接的，于是随后就开发出气胀的方式，还有油胀和机械膨胀的方式和方法使 管子与散热片结合在一起。到1993年，伏特汽车公司将无针钎焊技术应用到汽车散热器 上，此技术是最先进的散热管与带结合技术，金属表面的氧化膜在钎焊温度时受钎焊合金 中的合金物质作用而被变质和去除，钎焊前对金属表面进行脱脂利用蒸汽和化学方法，在 4辽宁工程技术大学毕业设计惰性气体和真空状态下对部件进行焊接。传统的冷却方式已明显不能满足现代汽车工业发展的速度，基于以上的情况，于是有 各种各样新型设备相继出现在现代汽车的冷却系统中，比如；由电动冷却风扇取代了原来 的皮带传动冷却风扇，德国大众汽车公司在中国申请的专利。该专利在汽车散热器前方设 置空气吸入口和辅助通口，加快了散热器的冷却速度，减少了电动风扇的电能消耗。但散 热器辅助通口在自下向上吸入冷却空气，很容易将道路上的尘土和杂物吸入，造成散热器 脏污和堵塞，使散热器散热效率降低。随着科技的进步，冷却风扇已由传统的控制方式改 为只能控制方式，风扇的冷却能力随着发动机散热的需要而自动精确的调节，提高了发动 机的预热速度，使其始终保持最佳的工作温度，减少功率消耗90%,节省燃油10%。1.3 汽车发动机冷却系统向高效化发展由于现如今能源危机，世界各国都提倡利用各种新型能源作为内燃机动力源，比如将 汽油和酒精的混合气作为内燃机的燃料，也有的直接采用酒精作为内燃机的燃料，更换燃 料就会使内燃机的缸体所散发出的热量也不同，这就为产生新型的发动机冷却系统创造了 更新换代的环境，同时也迫使发动机冷却系统向节能化方向和高效化方向发展，而种种更 新的结果将导致冷却系统的进步和更新。5刘丽：柴油机冷却系统设计2散热器的设计2.1 发动机散热量计算本文以发动机(CA4GE3)作为设计对象，类型:水冷四冲程，四缸，其额定功率为 85kw 5200r/m,最大转矩 190N.m 3200r/m,低端转矩 165N.m 1500r/m,压缩比 9.7:1 发动 机排量2254ml,并进行计算，冷却系统散热量理论上发动机的散热量应该在发动机 的热平衡实验中确定，由于条件限制，故本文中参数以相关书籍的介绍为参考，并利用该 数据进行计算冷却系统散热量计算公式：Q(=(0.600.75)N,(2-1)或用经验公式OjAg*1A/3600(2-2)式中：A为传给冷却系统的热量占燃料热能的百分比，本文中取A=0.25,凡为燃料消 耗率，kg/kwh/.为发动机有效功率，kw,4为燃料低热值，kj/kg,汽油取儿=43100kj/kg,根据以上公式将研究对象的各数值p=26.5kw,g,=265g/kwh计算得。=21(kj/s)2.2 散热器材料的选择我将采用铝作为冷却器的材料，主要是铝质散热器相对于铜质散热器经济，而且铝的 密度相对于铜也小，也既同样大的散热器铝质的要比铜质的轻很多，而散热效果基本相同。铝质散热器的缺点是不易纤焊，若设计一种免焊的铝质散热器取代铜质散热器是可行的。本文将通过对散热器的散热量的计算和结构分析，设计出能够满足生产需要和工作需要的 散热器。2.3 结构设计及选择本设计采用横流式结构(图1所示)，散热器水室呈左右布置，左水室从中间隔成进水室3 和出水室1,右水室8为贯通。6辽宁工程技术大学毕业设计图2-1为散热器的总体构成Fig 2-1 for radiator overall constitution1.为出水室2.为隔板3.为进水室4.散热片5.散热管6.密封胶垫 7.主片 8.右水室水室,冷却水从进水室流入，经上半部散热水管，到达右水室，再经下半部散热水管到达 出水室，水流在散热器中流经的路程比直流式散热器增加，散热效果更好。散热器的芯子是 由铝水管5穿过铝散热片4的孔而成，孔的一面压有翻边，以增加孔与水管的接触面积。主 片6上有带翻边圆孔的密封垫7,芯子的水管穿过密封垫及主片对应的孔后，露出部分被胀开,紧压密封垫，实现水管与主片之间的密封。此外，密封垫还起着左、右水室与主片之间的密 封作用。上述结构免去了散热片与水管，主片与水管，左、右水室与主片之间的钎焊。铝制散热器的优点在上面已经有阐述，故不再说明选铝做为散热器的原因，下面简单 介绍下本铝制散热器的特点：根据资料介绍，本铝制散热器经过实验测定相对于铜制散热 器的燃油消耗率特性的曲线图：7刘丽：柴油机冷却系统设计功率/KW图2-2为耗油特性对比Fig2-2 for fuel consumption characteristic contrast1.铜散热器 2.铝散热器图2-3为功率特性对比Fig 2-3 for power characteristic contrastL铜散热器 2.铝散热器辽宁工程技术大学毕业设计从上面的计算中可以得到该铝质散热器与铜质散热器相比其重量为3kg,而铜质散热 器的质量为10kg,此散热器要比铜质散热器轻很多，而且铝相对于铜又便宜很多，所以在 本系统中我选择铝作为散热器的材料。综上所述可以确定铝制散热器无论在性能，经济性，以及机动车安装了铝制散热器 后的动力特性等方面都相对于铜制散热器有很大的提高，所以我选择了铝制散热器作为本 冷却系统的散热器。通过发动机散热量的数值可以直接算出冷却系统中冷却水的循环量和冷却空气的需 要量；V=纥一(m3/s)；V=(根3/s)期；(2-3)加。4容 At.PaCp式中加。冷却水在内燃机中循环时的允许温升，对强制循环冷却系t”空气进入散热器以前与通过散热器以后的温度差,0,水的密度，kg/m3pa-空气密度，kg/而Q水的比热容，kj/(kg)Cp空气的比热容，kj/(kg)式中的冷却水温度变化量是4。=12,空气经过散热器的温度变化量是A4=15,水的密度取%=1000kg/m3,空气密度取0=l.Olkg/w3,水的比热容取q=4.187kj/(kg),空气的比热容取C1.047kj/(kg)代入后得 Vw=4.3*10-4m3/s,V=1.362m3/s散热器散热面积的计算可根据有关参考文献进行计算，rnh=Q：(+-+!)(2-4)3小2江皿4搠2uafahcpa式中 a高温水回路散热量，kjKh单节高温部分传热系数，9刘丽：柴油机冷却系统设计fh单节高温散热面积，加2fwh单节高温通水面积，m2fah-单节高温通风面积，/h-高温水流速，m3/spwh-高温水密度，m2/s kg/m3Cpwh高温水定压比热，kj/(kg)Cpa冷却空气定压比热，kj/(kg)Ua-通过散热器的风速，根/stwlh单节高温水进口温度，。C，ta,高温散热器单节进风温度，,式中单节高温部分传热系数勺=48.5。产叫 单节高温散热面积力,=9.2根2,高温水密度夕皿=968kg/加3；高温水定压比热Cpa=4205kj/(kg),将以上各参数代入上式(1)中，可得；%(2-5)同理可得：rn,=(+-!-+-)(2-6)KJ 2向九40阿式中%低温散热器单节个数；a低温水回路散热器，kj单节低温散热面积，m2九单节低温通水面积，/着单节低温通风面积，m2&单节低温部分传热系数，10辽宁工程技术大学毕业设计%-低温水流速，ml spwX-低温水密度，kg/m3Cpwl低温水定压比热，kj/(kg.)twn单节低温水进口温度，。C，“一一低温散热器单节进口温度，,式中单节低温部分传热系数(=112.1 6,低温水密度夕M=978kg/m3，低温水定压比热=4186)/依-C,由上式(1)(3)计算可知，在风速相同的情况下，高低温单节的数量是不同的，两 者之间存在着冲突的现象。而实际上，对于双流道散热器的单节，因为结构上的原因，所 以式r=加=的是成立的，但每个单节的高低温部分的散热面积却是不相同的。综合考虑 了发动机冷却系统的高低温水回路散热器的冷却效率，可以认为，在计算过程中，取散热 器单节的个数为，r=0.6rilh=0Arnl(2-7)根据上式可以计算出散热器的散热面积，F=rf=r(fh+力)(2-8)式中：f双流道散热器单节的散热面积，同时，在散热器设计中，散热器应散出的热量即冷却水的循环量V。应当等于流过散 热器水管的流量;冷却空气量匕应当等于流过散热器的空气量，则散热器的正面积匕，F=Va/va(m2)(2-9)式中匕为散热器正前面的空气流速，取乜=8m/s,则工=0.17/；取散热芯子高为0.32m,宽为0.56m,散热器的水管数i为3i=%/(%)(2-10)式中 勿为水在散热器水管中的流速，取匕=0.8m/s;工为每根水管的横断面积，选直径为6.5mm的铝管,fo=0.332*10m2计算出i=16.2根，取i=17根，上、下两部分散热芯共计34根。散热器的散热表面积F为F=Q。(Kr A?)(m2)(2-11)11刘丽：柴油机冷却系统设计式中Kr散热器传热系数,Kr=0.07z散热器冷却水和冷却空气的平均温度差，式中的勺=0.07,散热器的冷却水温度的变化范围是加=61.5;计算出F=5.02/12辽宁工程技术大学毕业设计3节温器的设计3.1节温器的功能节温器是控制冷却液流动路径的阀门。当发动机冷起动时，冷却液的温度较低，这时 节温器将冷却液流向三热器的通道关闭，使冷却液经水泵入口直接流入机体或气缸盖水 套，以便使冷却液能够迅速升温。如果不安装节温器，让温度较低的冷却液经过散热器冷 却后返回发动机，则冷却液的温度将长时间不能升高，发动机也将长时间在低温下运转。同时，车厢内的暖风系统以及用冷却液加热的进气管、化油器预热系统都在长时间内不 能发挥作用能。由于国内汽车行业发展水平的限制，许多国内生产的节温器基本都是利用乙醛和石蜡 等作为反应介质来控制节温器的开启和关闭，我认为如果将节温器的开关与冷却风扇的电 控系统连接并应用电控系统对其进行控制，那将使发动机冷却系统的冷却效率有大的改 观，由于资料限制，本问将采用传统的石蜡作为反应介质对节温进行开启和关闭的控制。3.2节温器的结构及工作原理蜡式节温器有单阀型及双阀型之分，单阀型蜡式节温器主要结构含弹簧、石蜡、胶管、感温体、节温器阀、阀座、隔圈、密封圈、节温器盖、螺母、推杆、上支架、下支架等。当冷却液温度低于规定值时，节温器在弹簧作用下关闭冷却液流向散热器的通道。冷却液 经旁通孔和水泵返回发动机，进行小循环。当冷却液温度达到规定值后，石蜡开始熔化逐 渐变成液体，体积随之增大并压迫橡胶管使其收缩。在橡胶管收缩的同时对推杆作用以向 上的推力。由于推杆上端固定，因此，推杆对胶管和感温体产生向卜的反推力使其阀门打 开。这时冷却液经节温器进入散热器，并由散热器经水泵流回发动机，进行大循环。3.3节温器的设计石蜡节温器的关键主要是应用了石蜡在温度变化的情况下其物理形态发生改变的特 性，当温度在低于规定值的时候，石蜡呈固态，节温器阀在弹簧的作用下关闭冷却页流向 三热器的通道，冷却液经旁通孔和水泵返回发动机，进行小循环。当冷却液温度达到规定 值后，石蜡开始熔化逐渐变成液体，体积随之增大并压迫橡胶管使其收缩。在橡胶管收缩 的同时对推杆作用以向上的推力。由于推杆上端固定，因此，推杆对胶管和感温体产生向 下的反推力使阀门开启。这时冷却液经节温器阀进入散热器，并由散热器经水泵流回发动 机，进行大循环。13刘丽：柴油机冷却系统设计此节温器的特性是：当冷却液温度达到85度的时候，节温器阀开始打开。当温度达 到105度的时候，节温器阀全开，其升程为7mm。虽然这将导致冷却系统的冷却效率的降低，但出于生产成本考虑，再加上节温器在该 冷却系统中所占的比重要明显低于散热器和冷却风扇等构件，所以我设计了此种节温器。3.4节温器的布置一般水冷系统的冷却液在机体进，从汽缸盖流出，大多数节温器布置在汽缸盖出水管 路中，这种布置方式的优点是结构简单，容易排出冷却系统内的气泡，器缺点是节温器在 工作时会产生振荡现象，例如，在冬季冷启动发动机时，由于冷却液温度低，节温器阀关 闭，冷却液在进行小循环时，温度很快升高，节温器阀开启，与此同时，散热器内的低温 冷却液流入机体，使冷却液又冷了下来，节温器阀重新关闭，等到冷却液温度再次升高，节温器阀又再次打开，直到全部冷却液温度稳定后，节温器阀才趋于不在重复开闭，节温 器阀在短时间反复开闭的现象，称为节温器振荡，当出现这种现象时候，讲增加汽车的燃 油消耗量。节温器也可以布置在散热器的出水管路中，这种布置方式可以减轻或消除节温器振荡 现象，并能精确地控制冷却液温度，但其结构复杂，成本较高，多用于高性能的得汽车及 在冬季经常告诉行驶的汽车上。14辽宁工程技术大学毕业设计4.硅油风扇离合器结构及工作原理图1硅油M隔离合勘的结构图硅油风扇离合器是用硅油作介质，利用硅油高粘度的特性来传递转矩，发送机负荷增 加时，水温升高，从散热器吹来的热空气使得双金属片感温片受热而扭转变形带动阀销转 动，并通过感温片变形量的大小控制进油阀的开度，进油孔打开时，硅油从贮油腔进入工 作腔内，在液体摩擦作用下，风扇离合器啮合，从动板随主动板转动，风扇开始工作，发 动机温度降低时气流温度随之降低，当经过感温片的气体温度低于某一温度时，感温片回 转带动阀销关闭阀孔，工作腔内的硅油在惯性力的作用下流回贮油室，风扇离合器回到分 离状态，从而起到调节发动机水温的目的。4.1 硅油风扇禺合器的功能汽车在行驶过程中，由于环境条件和运行工况的变化，发动机的热状况也在改变，因 此，必须随时调节发动机的冷却强度，例如，在炎热的夏季，发动机在低速，大负荷下工 作，冷却液的温度很高时，风扇应该告诉旋转，以增加冷却风量，增强散热器的散热能力，而在寒冷的冬天，冷却液的温度很低时，或在汽车高速行驶有强劲的迎面风吹过散热器时 候，风扇继续工作就变的号无意义了，不仅白白消耗发动机功率，而且还产生很大的噪声,试验证明，水冷系统只有25%的时间需要风扇，而在冬季需要风扇的时间就更短，因此，根据发动机的热状况随时对冷却体统加以调节就变得十分重要了，在风扇与冷却风扇之间 装置硅油风扇离合器，是实现这种调节的方法之一，而硅油风扇离合器是一种能够根据发 动机的工作温度自动调节风扇转速以维持正常的发送机工作温度的装置，硅油风扇离合器 不仅可以有效地减少发动机有效功率的损耗，改善发送机的经济性，提高发动机的寿命，而且可以有效地降低发动机的噪声，具有广阔的发展前景。4.2 设计计算15刘丽：柴油机冷却系统设计设计指标主动轴转速4=3500r/min;全啮合风扇转速叼23290r/min;全啮合差转率 46%；风扇轴功率N/=69.5kw；风扇风量。/=1.44m3/s。主动板与离合器壳体间隙的优化设计硅油离合器常用的回油机构为突台式，台阶附近的压力如图所示。油槽硅油碰到凸台 后，因为流动受阻产生挤压力，该力克服回油孔的阻力后，硅油经回油孔流回贮油腔。进 油口在开启状态时，实现硅油在离合器内的循环；在开启状态时，实现离合器工作腔的排 空，使得离合器调速。所以回油机构泵油压力及端面泄油量的大小，对离合器的调速灵敏 性和传递转矩有很大的影响。合理确定回油机构尺寸，可以有效地提高硅油离合器的性能。对于凸台回油机构，流体一元流动的Renolds的方程为：P/x(/z3/u-p/x)=-6vh/x(1)在区域为内有h=/2尸常数，之内有h=%=常数，4在等温条件下为常数，压力梯度dp/dx为常量，对上式积分得：(dp/dx)=峰/月(2)(dp/dx)2=PmaJB2(3)单位时间内沿x方向流过单位宽度的流量qx为：hq=l*，2 J/%dy=u*/Z/2-/2；/i2*(dp/dx)=uxh2/2-h1/.2/*(dp/dx)2(4)o将式(2)、式(3)、代入式(4)得：pmax=6u(.h3-h2)/Q h：/B?+h；IB-=6u(k-1)IB2)式中的k=%/2，要得到max，需合理确定回油机构各参数，由图2得用=8-%,当硅 油离合器整体结构确定后，B也随之确定，因此p中只有k、B2为变量，故取16辽宁工程技术大学毕业设计物/朋2=0(5)前/既=0(6)由式(5)得：B=B2(K2 3+1)(7)由式(6)得:B=B2(2k3-3k2+l)(8)由式(7)、式(8)得：(k2/3+l)/(2k3-3k2+l)(9)解得：k=l+V2,此时p有最大值,相应的耳/%=k2(2k-3)=3.66.3.3主要参数的设计计算根据设计要求,取。2=0.3mm4=(.1+2)小=0.724,取 4=0.7mm,取=0.4mm,则 B2=B1/3.655=1.094mm,IX B2=l.lmm,离合器的扭矩 M=9550p/n=190N.m,硅油动力粘度 =*10-5=3*10-581112 o式中为硅油运动粘度，则卜=3*l(/mm2/s,则主动板直径 为。0=2*班而丽=469mm。发热量Q=6324%=1317.80KJ,为离合器差转消耗功率。17刘丽：柴油机冷却系统设计5冷却风扇的选择在发动机冷却系统中，散热器的空间体积占机车冷却室的大部分体积，冷却风扇的大 小直接影响到冷却系统散热效果和散热效率，而冷却风扇的功率消耗作为机车的性能参 数，又占机车辅助功率消耗的大部分。散热面积过大，将增加设备的投入成本，但冷却系 统的运用功率却相应减小，减少冷却系统的年运行费用，而散热面积过小，冷却系统的运 用功率便相应增加。因此，研究两者之间的相互关系是致关重要的，本文将假定在40。的 环境温度下对风扇的工作特性进行了解和相应的计算分析，以及在某环境温度下选择良好 的冷却风扇与散热器进行配合，以达到提高散热效率的目的。风扇消耗的功率可以表示为N二0 2Pli式中：K单个风扇范围内的通过散热器的空气量，m3/5；H-风扇的全压，Pa；rjf-风扇的效率，kwp冷却空气密度，kg/m在内燃机车中，风扇全压主要是由散热器单节空气阻力、风道阻力和出口气流动压组 成。在计算过程中，风道阻力取散热器单节空气阻力的10%计算。散热器单节空气阻力采用公式；=15.422。751(5-3)出 口气流动压；2(5-4)2 Ff式中 Ff 一风扇的旋转截面积，m2由以上各式计算可得；Nf=-一(5-5)冷却风扇与散热器之间的配合，在冷却系统中起的作用明显不同，只有使冷却风扇与 18辽宁工程技术大学毕业设计散热器间功率和散热面积符合一定的散热要求，才能达到良好的散热效果。在环境温度和其他参数已知相同的情况下，根据上面的公式（1）（2）（4）,得到图14060M S N旅谷遵区C；/8(6-5)26辽宁工程技术大学毕业设计式中的/为冷却介质的粘稠度，r为水泵的内径，丸为冷却介质与叶轮的磨榛系数，p 为冷却介质的密度。同时可以根据相关公式计算适当冷却液在冷却系统中循环时受到管路的内径的限制 而产生的沿程损失公式