冷卻風(fēng)扇結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

夏煥文，劉 焱，買靖東，匡晉安，于艷秋

(中國(guó)北方車輛研究所，北京 100072)

冷卻風(fēng)扇是車輛散熱系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，其高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的壓力能，通過(guò)熱交換器帶走整車熱量，維持車輛的熱平衡，保證車輛正常工作.而冷卻風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)又直接影響冷卻風(fēng)扇性能及可靠性，一旦因結(jié)構(gòu)原因?qū)е吕鋮s風(fēng)扇性能異常、故障或失效，將使車輛停止工作，或損壞相關(guān)聯(lián)部件乃至損壞發(fā)動(dòng)機(jī).因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須十分慎重，確保冷卻風(fēng)扇性能及可靠性符合使用要求.

1 冷卻風(fēng)扇結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 冷卻風(fēng)扇結(jié)構(gòu)

冷卻風(fēng)扇原始結(jié)構(gòu)主要由風(fēng)扇葉輪、風(fēng)扇靜子、馬達(dá)、連接盤(pán)、壓板、螺栓等主要元件組成，其原始結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示.

圖1 冷卻風(fēng)扇原始結(jié)構(gòu)

冷卻風(fēng)扇改進(jìn)結(jié)構(gòu)主要由風(fēng)扇葉輪、風(fēng)扇靜子、馬達(dá)、連接盤(pán)、套軸、平鍵、軸承、潤(rùn)滑油管等主要元件組成，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示.

圖2 冷卻風(fēng)扇改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

冷卻風(fēng)扇原始結(jié)構(gòu) (圖1)工作原理是:固定在風(fēng)扇靜子上的馬達(dá)工作時(shí)，其花鍵軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)通過(guò)壓板、螺栓固定在馬達(dá)花鍵軸上的連接盤(pán)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的連接盤(pán)與風(fēng)扇葉輪固定而帶動(dòng)風(fēng)扇葉輪旋轉(zhuǎn)，冷卻風(fēng)扇工作.工作時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇葉輪產(chǎn)生的合力通過(guò)連接盤(pán)直接作用在馬達(dá)花鍵軸上，亦即馬達(dá)上，再通過(guò)馬達(dá)傳遞到風(fēng)扇靜子上，最終作用在車輛上.

冷卻風(fēng)扇改進(jìn)后的結(jié)構(gòu) (圖2)工作原理是:固定在風(fēng)扇靜子上的馬達(dá)工作時(shí)，其花鍵軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)套軸旋轉(zhuǎn)，套軸通過(guò)平鍵與連接盤(pán)固定使連接盤(pán)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的連接盤(pán)與風(fēng)扇葉輪固定而帶動(dòng)風(fēng)扇葉輪旋轉(zhuǎn)，同時(shí)，旋轉(zhuǎn)的套軸通過(guò)軸承支撐在風(fēng)扇靜子上，通過(guò)馬達(dá)回油經(jīng)潤(rùn)滑油管供油給軸承潤(rùn)滑，冷卻風(fēng)扇工作.工作時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇葉輪產(chǎn)生的合力通過(guò)連接盤(pán)、平鍵直接作用在套軸上，再通過(guò)套軸上的軸承傳遞到風(fēng)扇靜子上，最終作用在車輛上，此時(shí)馬達(dá)僅承受風(fēng)扇葉輪的純扭矩作用.

2 冷卻風(fēng)扇失效分析及其結(jié)構(gòu)改進(jìn)

2.1 冷卻風(fēng)扇的原始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

冷卻風(fēng)扇的原始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) (圖1)是依據(jù)冷卻風(fēng)扇參數(shù)及馬達(dá)樣本［1］相關(guān)參數(shù)計(jì)算、校核設(shè)計(jì)而成，臺(tái)架性能試驗(yàn)滿足設(shè)計(jì)要求.樣車使用時(shí)，發(fā)現(xiàn)冷卻風(fēng)扇失效，外部特征表現(xiàn)為風(fēng)扇葉輪、風(fēng)扇靜子碎，風(fēng)扇靜子的支撐筋斷，馬達(dá)軸斷，見(jiàn)圖3、圖4，可靠性不能滿足實(shí)車使用要求.

圖3 冷卻風(fēng)扇失效圖

圖4 馬達(dá)失效圖

2.2 冷卻風(fēng)扇失效分析

經(jīng)過(guò)分解失效冷卻風(fēng)扇，并對(duì)其失效零部件進(jìn)行分析、計(jì)算、校核、檢測(cè)、試驗(yàn)，得出:

1)風(fēng)扇靜子的支撐筋與葉片之間的距離小、支撐筋的截面形狀不合理.冷卻風(fēng)扇工作時(shí)，氣體流動(dòng)經(jīng)過(guò)支撐筋，其后產(chǎn)生卡門(mén)渦街，卡門(mén)渦街的強(qiáng)度與支撐筋的截面形狀直接相關(guān)，現(xiàn)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較強(qiáng)的卡門(mén)渦街;卡門(mén)渦街對(duì)高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇葉輪產(chǎn)生附加外力，該附加外力的大小又和支撐筋與葉片間的距離直接相關(guān)，由于距離過(guò)小，產(chǎn)生了較大的附加外力.

2)風(fēng)扇葉輪與風(fēng)扇靜子集成后，風(fēng)扇葉輪本身的固有頻率對(duì)應(yīng)的耦合轉(zhuǎn)速在風(fēng)扇葉輪工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，在氣動(dòng)力和卡門(mén)渦街產(chǎn)生的作用力共同激勵(lì)下，風(fēng)扇葉輪與風(fēng)扇靜子產(chǎn)生了共振.

3)高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇葉輪產(chǎn)生的合力通過(guò)連接盤(pán)直接作用在馬達(dá)的花鍵軸上，該力已到馬達(dá)承力極限邊緣.

2.3 冷卻風(fēng)扇結(jié)構(gòu)改進(jìn)

依據(jù)冷卻風(fēng)扇失效分析結(jié)果，對(duì)相關(guān)零部件進(jìn)行了理論計(jì)算、校核，作了如下結(jié)構(gòu)改進(jìn):

1)將風(fēng)扇靜子支撐筋的截面形狀由原來(lái)的近似橢圓形 (圖5)改成類似機(jī)翼形 (圖6).

圖5 原支撐筋截面形狀

圖6 改進(jìn)后支撐筋截面形狀

2)將風(fēng)扇葉輪葉片根部圓角加大、葉片頂部變薄 (圖7);將風(fēng)扇葉輪與連接盤(pán)固定處移至風(fēng)扇葉輪中心，并增加風(fēng)扇葉輪與連接盤(pán)固定處的厚度 (圖2).

圖7 改進(jìn)后的風(fēng)扇葉輪

3)增加套軸、平鍵、軸承、潤(rùn)滑油管等結(jié)構(gòu)件，集成風(fēng)扇靜子組成新的傳動(dòng)裝置 (圖2).

4)改變風(fēng)扇靜子支撐筋的角度，使支撐筋與葉片間保持平行，且支撐筋與葉片間距離盡可能放大 (圖1、圖2).

2.4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的效果

1)風(fēng)扇靜子支撐筋的截面形狀由原來(lái)的近似橢圓形改成類似機(jī)翼形，可改變卡門(mén)渦街形態(tài)，減小卡門(mén)渦街的強(qiáng)度.

2)將風(fēng)扇葉輪葉片根部圓角加大、葉片頂部變薄、風(fēng)扇葉輪與連接盤(pán)固定處移至風(fēng)扇葉輪中心、并增加風(fēng)扇葉輪與連接盤(pán)固定處的厚度，可減小葉片根部應(yīng)力水平［2-3］，改善應(yīng)力分布;改變風(fēng)扇葉輪本身固有頻率，避開(kāi)風(fēng)扇葉輪與風(fēng)扇靜子的耦合轉(zhuǎn)速在風(fēng)扇葉輪工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，消除氣動(dòng)力和卡門(mén)渦街的激勵(lì)而產(chǎn)生的共振.

3)增加套軸、平鍵、軸承、潤(rùn)滑油管等結(jié)構(gòu)件，集成風(fēng)扇靜子組成新的傳動(dòng)裝置，完全改變了馬達(dá)花鍵軸的受力狀態(tài)，馬達(dá)花鍵軸只傳遞扭矩;套軸通過(guò)平鍵與連接盤(pán)及風(fēng)扇葉輪連接，使高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇葉輪運(yùn)行更加穩(wěn)定.風(fēng)扇葉輪除扭矩外的一切作用力通過(guò)連接盤(pán)、套軸、軸承經(jīng)風(fēng)扇靜子直接傳到車體，改善了風(fēng)扇葉輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)也改善了冷卻風(fēng)扇的工作狀態(tài).

4)改變風(fēng)扇靜子支撐筋的角度，使支撐筋與葉片間保持平行，且支撐筋與葉片間距離盡可能放大，盡量消除或減小卡門(mén)渦街對(duì)風(fēng)扇葉輪的影響，減小或避免了卡門(mén)渦街對(duì)風(fēng)扇葉輪的激勵(lì).

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 風(fēng)扇葉輪固有頻率試驗(yàn)

通過(guò)激振試驗(yàn)，其平均固有頻率為466 Hz，比未改進(jìn)的風(fēng)扇葉輪平均固有頻率提高63 Hz，風(fēng)扇葉輪與風(fēng)扇靜子的耦合轉(zhuǎn)速為5592 r/min，已避開(kāi)風(fēng)扇葉輪工作轉(zhuǎn)速.

3.2 冷卻風(fēng)扇臺(tái)架強(qiáng)化有限壽命考核試驗(yàn)

依據(jù)車輛使用壽命，進(jìn)行了臺(tái)架強(qiáng)化有限壽命考核試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 考核時(shí)間分配表

強(qiáng)化試驗(yàn)結(jié)果表明:總試驗(yàn)時(shí)間達(dá)502.5 h后，冷卻風(fēng)扇工作正常.樣車使用狀況良好，滿足車輛可靠性要求.

4 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)冷卻風(fēng)扇的改進(jìn)設(shè)計(jì)，掌握了該冷卻風(fēng)扇的設(shè)計(jì)方法，積累了經(jīng)驗(yàn)，為同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ).

2)各種試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明:改進(jìn)后的冷卻風(fēng)扇，結(jié)構(gòu)合理，各部件之間匹配良好，滿足車輛設(shè)計(jì)要求、系統(tǒng)要求、可靠性要求及使用要求.

［1］博世力士樂(lè) (中國(guó))有限公司，行走機(jī)械用液壓及電子控制元件樣本 ［M］.RC 64017，2008.

［2］JIFENG Wang，QUBOLI，NORBERT MULLER.Me chanical And Optimization Analyses For Novel Wound Composite Axial Impeller［C］.//2009 ASME International Mechanical Engineering Congress And Exposition，2009.

［3］陶春虎，習(xí)年生，張衛(wèi)方.斷口反推疲勞應(yīng)力的新進(jìn)展 ［J］.航空材料學(xué)報(bào)，2000，20(3):158-163.