液力耦合器調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的試驗研究

□ 謝曉丹 □ 李飛宇 □ 易 峰

湖南天雁機械有限責(zé)任公司 湖南衡陽 421005

冷卻風(fēng)扇是工程車輛冷卻系統(tǒng)的主要部件之一。發(fā)動機產(chǎn)生的熱量除極少數(shù)通過傳遞、輻射方式對外傳播外，絕大部分熱量由冷卻風(fēng)扇的強制對流散發(fā)，故而冷卻風(fēng)扇的性能直接影響發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性、可靠性和噪聲等性能。傳統(tǒng)的機械驅(qū)動式冷卻風(fēng)扇，在發(fā)動機低速重載工況時冷卻能力不足，而在高速低負(fù)荷工況時冷卻過度，且發(fā)動機啟動阻力大，預(yù)熱時間長。液力耦合器驅(qū)動冷卻風(fēng)扇能夠根據(jù)散熱系統(tǒng)的實時溫度調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，改善發(fā)動機在不同負(fù)荷工況下冷卻系統(tǒng)的散熱性能。

1 液力耦合器調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速

1.1 液力耦合器的傳動原理

液力耦合器主要由泵輪、渦輪、外體組成。運轉(zhuǎn)時，主動軸帶動泵輪旋轉(zhuǎn)，同時泵輪中的工作液體也一起旋轉(zhuǎn)，葉輪流道中的油在葉片帶動下，因離心力的作用由泵輪內(nèi)側(cè)（進口）流向外緣（出口），形成高壓高速油流沖擊渦輪葉片，使渦輪跟隨泵輪作同方向旋轉(zhuǎn)，油在渦輪中由外緣（進口）流向內(nèi)側(cè)（出口）的流動過程中減壓減速，然后再流入泵輪進口，如此循環(huán)。在這種循環(huán)流動中，泵輪將輸入的機械功轉(zhuǎn)換為油的動能和勢能，而渦輪則將油的動能和勢能轉(zhuǎn)換為輸出的機械功，從而實現(xiàn)由主動軸到從動軸的動力傳遞。通過改變工作油腔的充滿度，可在輸入轉(zhuǎn)速不變的情況下，無級地改變輸出轉(zhuǎn)速。

1.2 液力耦合器調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的工作原理

如圖1所示，冷卻風(fēng)扇主動軸右端與發(fā)動機連接，左端與液力耦合器泵輪連接。發(fā)動機啟動后，通過主動軸帶動泵輪一起旋轉(zhuǎn)。工作介質(zhì)從油箱中吸入，通過進油孔進入泵輪隨泵輪一起旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，帶動渦輪同向旋轉(zhuǎn)。渦輪與從動軸過盈配合，從動軸與葉輪緊固連接，從而帶動葉輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生風(fēng)，達到冷卻發(fā)動機的目的。工作后的介質(zhì)通過外體與從動軸間隙流入靜葉輪腔內(nèi)，由出油孔返回油箱中，同時靜葉輪腔內(nèi)的介質(zhì)可以對軸承進行冷卻和潤滑。在進油孔前面裝有節(jié)溫器，節(jié)溫器根據(jù)發(fā)動機溫度的不同，打開程度也不同，調(diào)節(jié)進入液力耦合器泵輪的工作介質(zhì)流量，改變耦合器內(nèi)部工作液的充滿度，可無級調(diào)整風(fēng)扇葉輪的轉(zhuǎn)速，保證發(fā)動機處于最佳工作狀態(tài)。

1.3 液力耦合器調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的優(yōu)點

（1）對冷卻風(fēng)扇實現(xiàn)自動控制，根據(jù)發(fā)動機的不同溫度，自動調(diào)節(jié)耦合器內(nèi)部工作液的充滿度，有效防止發(fā)動機的冷卻能力不足和冷卻過度。

（2）發(fā)動機啟動時，液力耦合器泵輪轉(zhuǎn)速低、力矩小，故而啟動阻力小，預(yù)熱時間短。

（3）風(fēng)扇葉輪出現(xiàn)卡滯時，輸入軸仍可轉(zhuǎn)動，不至于造成對發(fā)動機的損壞。

（4）液力耦合器輸入軸與輸出軸間靠液體聯(lián)系，無機械磨損，工作構(gòu)件間無剛性連接，消除沖擊和振動，降低噪聲。

（5）能在環(huán)境惡劣的條件下工作，無需特殊維護，使用壽命較長。

1.4 影響因素

由液力耦合器調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的工作原理可知，改變液力耦合器輸入端轉(zhuǎn)速、工作介質(zhì)溫度、工作介質(zhì)流量等，會影響冷卻風(fēng)扇的壓力、效率、風(fēng)量、滑差等性能參數(shù)。

▲圖1 液力耦合器調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速示意圖

2 試驗

試驗的示意如圖2所示，試驗的目的是通過改變液力耦合器的輸入端轉(zhuǎn)速、工作介質(zhì)溫度、工作介質(zhì)流量，觀測風(fēng)扇關(guān)鍵性能參數(shù)的變化情況。

2．1 耦合器輸入端轉(zhuǎn)速的影響

工作介質(zhì)（柴油機油CD15W/40）溫度100℃，流量4．5L/min，輸入轉(zhuǎn)速 （主動軸轉(zhuǎn)速）選擇5個點：3600r/min、4 200 r/min、4800 r/min、5300 r/min、5600 r/min， 每 個轉(zhuǎn)速維持5 min，測量流量差、靜壓頭壓力、動葉輪轉(zhuǎn)速、扭矩和功率，按照GB/T1236-2000計算后，得到靜壓、全壓、風(fēng)量、動葉輪轉(zhuǎn)速、滑差等參數(shù)。實驗曲線見圖3、圖4。由圖3、圖4可以看出，隨著耦合器輸入端轉(zhuǎn)速的升高，風(fēng)扇的全壓、靜壓、風(fēng)量和動葉輪轉(zhuǎn)速均在升高，并且升高的速度逐漸放緩，滑差保持在94%～95%內(nèi)微小變化。

2．2 工作介質(zhì)溫度的影響

輸入轉(zhuǎn)速 4950r/min，流量 4．5L/min，工作介質(zhì)（柴油機油） 溫度選擇 6個點：70℃、80℃、90℃、100℃、110℃、120℃，轉(zhuǎn)動穩(wěn)定后維持5min，測量計算數(shù)據(jù)。試驗曲線如圖5、圖6所示。由圖5、圖6可以看出，隨著工作介質(zhì)溫度的升高，風(fēng)扇的全壓、靜壓、風(fēng)量、動葉輪轉(zhuǎn)速和滑差均在升高，升高幅度較小，并且升高的速度逐漸放緩。

2．3 工作介質(zhì)流量的影響

輸入轉(zhuǎn)速3900r/min，工作介質(zhì)（柴油機油）溫度100℃， 流量選擇 7 個點：1L/min、1．5L/min、2L/min、2．5L/min、3．5L/min、4．5L/min、5．5L/min，轉(zhuǎn)動穩(wěn)定后維持5min，測量計算數(shù)據(jù)。實驗曲線如圖7、圖8所示。由圖7、圖8可以看出，當(dāng)工作介質(zhì)（柴油機油）流量增大時，風(fēng)扇的全壓、靜壓、風(fēng)量、動葉輪轉(zhuǎn)速和滑差逐漸升高；在流量2L/min時，風(fēng)扇性能參數(shù)迅速升高；在流量大于2．5L/min后，繼續(xù)增大流量，風(fēng)扇性能基本不變。

▲圖2 液力耦合器調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速試驗圖

▲圖3 風(fēng)扇輸入轉(zhuǎn)速與全壓、靜壓和風(fēng)量的關(guān)系圖

▲圖4 風(fēng)扇輸入轉(zhuǎn)速與動葉輪轉(zhuǎn)速和滑差的關(guān)系圖

▲圖5 工作介質(zhì)溫度與全壓、靜壓和風(fēng)量的關(guān)系圖

▲圖6 工作介質(zhì)溫度與動葉輪轉(zhuǎn)速和滑差的關(guān)系圖

▲圖7 工作介質(zhì)流量全壓、靜壓和風(fēng)量的關(guān)系圖

▲圖8 工作介質(zhì)流量與動葉輪轉(zhuǎn)速和滑差的關(guān)系圖

3 結(jié)論

通過對液力耦合器調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的試驗，結(jié)果表明，使用柴油機油CD15W/40作為工作介質(zhì)時，液力耦合器輸入端轉(zhuǎn)速和工作介質(zhì)的流量變化對冷卻風(fēng)扇的性能影響明顯，工作介質(zhì)的溫度變化對冷卻風(fēng)扇的性能影響較小。

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