某型車輛的散熱器產(chǎn)品改進設(shè)計分析

谷 操，姜紅霞，蘆柯京

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

某型車輛的散熱器產(chǎn)品包括有水散熱器、空－空中冷器和傳動油散熱器，其中水散熱器為銅雙波浪帶管帶式結(jié)構(gòu)，空－空中冷器和傳動油散熱器為鋁板翅結(jié)構(gòu)，三者為各自獨立的單體產(chǎn)品，這3種散熱器通過鋼結(jié)構(gòu)的安裝框架裝配成一個整體(見圖1)，吊裝在車輛的冷卻空氣進氣百葉窗下面.

該產(chǎn)品在隨車進行的各項試驗以及正常使用中均較好地滿足了各項要求，但隨著車輛使用環(huán)境的變化，該車在高原高溫惡劣環(huán)境下使用時，當(dāng)車輛運行較長的時間后，有時會發(fā)生水散熱器散熱能力不足的現(xiàn)象，因此提出了希望能進一步提高水散熱器的散熱能力以及減輕整體質(zhì)量的需求.

圖1 車輛改進前用散熱器總成三維圖

1 改進設(shè)計方案

1.1 車輛總體提出的改進要求

根據(jù)車輛的改進要求，該產(chǎn)品在改進過程中所有的對外安裝及接口不變、系統(tǒng)的冷卻風(fēng)扇不變、各散熱器產(chǎn)品的散熱性能指標(biāo)要求不變，保證與原方案的互換性，但希望能將水散熱器的散熱能力提高10%～20%，產(chǎn)品的整體質(zhì)量能減輕10%～20%.

1.2 對高原高溫環(huán)境下水散熱器散熱能力不足原因的分析

對于該車在高原高溫惡劣環(huán)境下使用時，當(dāng)車輛較新、散熱器上覆蓋的雜物灰塵較少時，可以滿足車輛的散熱要求，說明散熱器的設(shè)計，無論是在平原還是在高原，其散熱能力能夠滿足散熱需求.

但是當(dāng)運行較長的時間，散熱器上覆蓋上較多的雜物灰塵后，會發(fā)生水散熱器散熱能力不足的現(xiàn)象.說明當(dāng)車輛運行一段時間后，散熱器上的灰塵、雜物增多后會影響換熱器的散熱，其原因主要在于高原環(huán)境下冷卻空氣的密度降低、冷卻空氣質(zhì)量流量會下降.由于水散熱器采用的銅雙波浪帶的節(jié)距比其他兩個散熱器的節(jié)距要小得多，容易造成水散熱器的散熱帶堵塞，從而使流經(jīng)水散熱器的冷卻空氣減少更多;另一方面，由于該散熱器整體是吊裝在冷卻空氣進氣百葉窗的下面，若進行保養(yǎng)，就需要放水、放油，將百葉窗與散熱器整體從車輛上拆下來后再將散熱器與百葉窗分開，因此日常沒有辦法對散熱器的進氣表面進行保養(yǎng).

再有就是散熱器在設(shè)計時，雖然留有一定的裕度，但是沒有充分考慮灰塵雜物對散熱性能的影響程度，散熱器在設(shè)計時留有的散熱設(shè)計裕度不是很充足.

1.3 改進設(shè)計思路分析

針對以上分析，對其進行改進的整體思路是提高換熱器的散熱面積

思路之一:根據(jù)對高原高溫環(huán)境下水散熱器散熱能力不足原因的分析，由于改進設(shè)計時依然要采用整體吊裝在進氣百葉窗上的安裝方式，不能通過采取加強日常保養(yǎng)散熱器進氣表面的辦法來改善水散熱器的使用中的散熱能力，因此在改進設(shè)計時3種散熱器要采用同樣節(jié)距的氣側(cè)散熱帶，以保證3種散熱器產(chǎn)品對氣側(cè)堵塞的敏感度一致，不至于出現(xiàn)其中某一種散熱器相對容易暴露出散熱能力不足的現(xiàn)象.

思路之二:由于系統(tǒng)的冷卻風(fēng)扇不變，因此只能通過提高散熱器的散熱面積來獲得散熱器本體散熱能力的提高，以及通過增加散熱器的冷卻空氣側(cè)有效流通面積、合理設(shè)計散熱器芯體厚度、在保證散熱能力要求的前提下盡可能減小散熱器的冷卻空氣側(cè)阻力，提高系統(tǒng)的冷卻空氣流量以保證系統(tǒng)散熱能力的提高.

思路之三:通過近幾年對整體式散熱器技術(shù)的深入研究與使用驗證，采用全鋁板翅式焊接結(jié)構(gòu)的整體式散熱器設(shè)計技術(shù)，減少部件的數(shù)量以及黑金屬的使用，優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局減小部件間的結(jié)合距離來增加空氣側(cè)有效流通面積，合并及公用部件間的連接界面，減少零件數(shù)量，以獲得減輕散熱器整體質(zhì)量的效果.

1.4 改進設(shè)計方案

根據(jù)以上改進設(shè)計思路，完成了改進設(shè)計［1］，改進后的散熱器總成如圖2所示.

圖2 車輛改進后用散熱器總成三維圖

2 改進設(shè)計方案與原產(chǎn)品的對比分析

2.1 設(shè)計計算結(jié)果對比

表1列出了原產(chǎn)品與改進方案設(shè)計計算各項指標(biāo)的對比情況.

2.2 臺架試驗結(jié)果對比

根據(jù)各散熱器部件單體試驗件臺架性能試驗結(jié)果進行推算，得到各部件的額定工況的性能，對比情況見表2.

表1 改進前后換熱器有關(guān)性能技術(shù)指標(biāo)及設(shè)計計算結(jié)果

表2 額定工況臺架試驗性能對比

2.3 對改進方案的分析

根據(jù)對設(shè)計計算結(jié)果及部件臺架試驗結(jié)果的對比分析［2］，表明改進設(shè)計方案很好地滿足了車輛總體提出的在不改變其他任何部件及安裝的前提下，水散熱器散熱能力提升及部件整體質(zhì)量減輕的要求.

由于散熱器的整體厚度較原方案減薄，有助于改善冷卻風(fēng)道的流動阻力;同時散熱器本體的風(fēng)阻下降，有助于提升系統(tǒng)的冷卻風(fēng)量，從而提高整個冷卻系統(tǒng)的散熱量.

采用鋁制板翅式整體式散熱器技術(shù)，與原結(jié)構(gòu)相比，取消了原散熱器安裝框架、簡化了總成的裝配環(huán)節(jié)，同時整體焊接式結(jié)構(gòu)對產(chǎn)品一致性的保證要好于螺栓壓緊式固定結(jié)構(gòu).

整體式結(jié)構(gòu)因?qū)?種散熱器焊接在一起，是不可拆分的，存在即使一種散熱器報廢必須整體報廢的隱患，需要進一步加強對產(chǎn)品品質(zhì)的控制.因整體拼焊完成后，要比原狀態(tài)增加一次3種產(chǎn)品分別進行氣密及耐壓強度性能試驗的過程，故從過程控制方面已經(jīng)采取了相應(yīng)的加嚴措施。此外，這種整體式散熱器技術(shù)產(chǎn)品在其他車輛及工程機械的長期使用表明均未暴露出散熱器產(chǎn)品的故障，表明可靠性是有保證的.

3 結(jié)論

分析結(jié)果表明散熱系統(tǒng)改進設(shè)計方案可以提高整個系統(tǒng)的散熱性能，能夠滿足車輛在高原環(huán)境的散熱要求.

1)增加散熱器的換熱面積、改善冷卻風(fēng)道的流動阻力可以提高整個散熱系統(tǒng)的散熱量.

2)散熱器整體式結(jié)構(gòu)可以增大散熱器的換熱面積，提高換熱空間的利用率，同時簡化總成裝配環(huán)節(jié).

3)由于高原環(huán)境比平原環(huán)境的空氣密度小很多，同樣溫度條件下所使用的散熱器，需要留有更大的散熱裕度.

4)散熱器在設(shè)計時應(yīng)根據(jù)散熱要求選擇翅片的形式和結(jié)構(gòu)，但也要兼顧考慮污垢對其散熱性能的影響，尤其是要注意在灰塵、雜物較多的環(huán)境條件，應(yīng)盡量選擇可以兼顧性能和流動阻力的翅片形式.

［1］章慧錦，李仁業(yè).車輛冷卻系統(tǒng)設(shè)計手冊 ［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1984.

［2］羅森諾，WM.謝 力，譯.傳熱學(xué)應(yīng)用手冊 ［M］.北京:科學(xué)出版社，1992.