汽車調溫器圓錐彈簧設計

吳飛，劉瀟

（武漢理工大學機電工程學院，湖北 武漢 430070）

汽車調溫器圓錐彈簧設計

吳飛，劉瀟

（武漢理工大學機電工程學院，湖北 武漢 430070）

汽車發(fā)動機調溫器的閥門開啟是由石蠟和圓錐彈簧共同控制的，彈簧必須達到一定的剛度和靈敏度。將彈簧的設計與石蠟的調配相結合，通過solidworks對圓錐彈簧建模，solidworks simulation對其進行有限元分析，并給出了建模分析的具體過程。綜合彈簧的行程規(guī)律與石蠟溫度膨脹力規(guī)律，繪制圓錐彈簧溫度行程曲線。實驗表明，所設計的調溫器圓錐彈簧能使調溫器閥門順利開啟，在規(guī)定的時間內(nèi)達到最大開啟量，溫度行程曲線符合預定要求。

調溫器；圓錐彈簧；solidworks simulation

Kerwords:Thermostats; Conical spring; solidworks simulation

CLC NO.:U467.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)05-55-03

引言

調溫器是汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)中的重要部件，需求量很大。但是通過實驗和調查，目前市場上很多調溫器無法在其標定的溫度下順利開啟。對調溫器的研究往往僅僅局限于調溫器的感溫介質，通過尋找新的感溫介質以及改變感溫介質的調配比例、成分使調溫器達到要求，而對調溫器圓錐彈簧的研究比較少，沒有將彈簧的設計與石蠟的調配相結合。本文將彈簧的設計與石蠟的膨脹規(guī)律相結合，更有利于調溫器的設計，更能達到預期的效果。

1、彈簧在調溫器中的作用

當發(fā)動機水溫較低時，密封在調溫器薄壁銅本體內(nèi)的石蠟是固體，調溫器在彈簧力的作用下處于關閉狀態(tài)，冷卻液直接流回發(fā)動機。當水溫升高時，熱敏石蠟膨脹，推桿受到向上的推力頂住頂端，但是頂端固定不動通過推桿產(chǎn)生反作用力，克服彈簧力，打開閥門。這時熱水通過調溫器流經(jīng)散熱器后回到發(fā)動機，水溫降低，石蠟收縮，彈簧回位，閥門關閉。如圖1。

通過閥門開啟的高度即彈簧的壓縮量來控制流入散熱器的冷卻液的流量，實現(xiàn)對溫度的控制。在膨脹力一定的情況下，彈簧的參數(shù)決定了閥門的開啟高度，開啟的規(guī)律。因此對其中圓錐彈簧的設計顯得非常重要。

2、彈簧的設計

2.1 設計要求

根據(jù)調溫器設計的行業(yè)標準，要求閥門在 82℃剛剛開啟，在100℃時達到最大開啟量10mm，所需時間小于120s。要求溫度-行程曲線圖與預設接近。

2.2 彈簧參數(shù)的確定

彈簧的參數(shù)應該如何選擇才能達到這種要求呢？如果用傳統(tǒng)的方法建立調溫器的二階微分方程，變量太多，尤其對于圓錐彈簧，不能直接利用彈簧的剛度公式以及胡克定律來求解，不僅非常繁瑣，而且不一定準確。

如果彈簧的剛度K過大，則溫度很高的情況下也無法開啟致使發(fā)動機過熱。如果剛度過低，在較低溫度下就開啟了，噴油器只能通過多噴油來提高水溫，燃燒效率降低。

（2）成本的確定，藥物經(jīng)濟學成本由直接成本、間接成本、隱性成本組成，由于間接成本和隱性成本難以把握，故忽略不計只考慮直接成本。直接成本主要包括檢查和藥品費用，而本組掛號費、診療費、檢查費基本相同，所以只考慮藥品費用，恩替卡韋零售價240.0元，阿德福韋酯零售價151.0元，根據(jù)公式“藥品費用=療程用藥量×藥品零售價”計算，恩替卡韋組和阿德福韋酯組的藥品成本分別為24 597.0、19 423.0元。

在尺寸28mm中去除其他的厚度，得到彈簧的安裝高度為 24mm，而彈簧的高度為 47mm，所以在裝配的時候已經(jīng)有23mm的預壓縮量。為了在溫度升高的時候，閥門能順利開啟，使冷卻液流進散熱器，彈簧的剛度必須滿足一定的條件。根據(jù)溫度，需要的冷卻液的流量，以及調溫器的尺寸，可以確定閥門的最大開啟量。這里要求最大開啟量為10mm，即彈簧的工作行程為 10mm，那么彈簧的最大壓縮量應該達到33mm。

根據(jù)設計要求，彈簧的預緊力為137N。根據(jù)調溫器的尺寸，錐形彈簧上下兩個圓的直徑都確定了，D1=20.5mm，D2=32.5mm。

能夠變化的只有n，d還有材料。假設n=3，4，5，d=2，2.5，3. 因為彈簧要浸泡在冷卻液里面，材料選擇不銹鋼。選擇一個適中的高度。不能直接在彈簧兩端施加載荷，于是增加了兩個圓托盤，這樣符合彈簧實際的工作條件。

最后確定n=3，d=2.5。高度47mm。不銹鋼。如圖所示。

2.3 是三維模型的建立

（1）首先選擇上視基準面繪制草圖，繪制一個直徑為32.5mm的圓。

（2）點擊特征，選擇參考幾何體，基準面，偏移距離選擇 47mm，建立基準面 1。插入曲線、螺旋線，定義方式選擇高度和圈數(shù)，勾選錐形螺紋線，去掉錐度向外張。通過調節(jié)錐形角度來保證上面的小圓直徑為 20.5mm，這是建模的關鍵，SolidWorks無法直接設定上下圓的直徑。如圖所示。

（3）以右視面為基準面繪制一個小圓，點擊添加幾何關系，使螺旋線穿透小圓圓心。通過智能尺寸設置小圓的圓心為2.5mm。最后點擊掃描，輪廓選擇小圓，路徑選擇螺旋線，點擊對勾。這樣，彈簧的三圍模型就建立好了。如圖所示。

3、彈簧的有限元分析

應用材料選擇不銹鋼（鐵素體），不銹鋼的具體參數(shù)如圖所示。

（2）不能直接在彈簧兩端施加載荷，于是增加了兩個圓托盤[1]，這樣符合彈簧實際的工作條件。這樣更能模擬出彈簧的受力環(huán)境和狀態(tài)。這是建模的第二個關鍵點。夾具選擇固定幾何體，并在下方的圓托盤上添加約束。外部載荷選擇力137N，施加在上方的托盤上。如圖，紅色箭頭表示力，綠色箭頭表示約束。

（3）接著進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分的節(jié)點數(shù)、單元數(shù)如表所示。

（4）最后運行，求解，生成報表，得到應變圖。

由應變圖圖8和圖9可以看出在137N的力作用下，彈簧的最大壓縮量為23.19mm。用同樣的方法可以得到彈簧在不同力作用下的最大壓縮量從而得到對應的行程，如下表。

表1 彈簧受力與壓縮量的關系

廠家可根據(jù)彈簧的設計，調配一種石蠟，使得82℃到100℃的溫度-壓強曲線盡量滿足所設計的彈簧的要求，在一定溫度下達到一定的壓強，如圖所示，就是根據(jù)以上彈簧的設計調配的一種石蠟。石蠟膨脹的受力面積是一定的，那么受力面積為而不同溫度下產(chǎn)生的壓強由石蠟本身決定[2]。通過溫度-壓強曲線得到石蠟產(chǎn)生不同膨脹力時的溫度。

表2 石蠟產(chǎn)生不同膨脹力時的溫度

根據(jù)上圖和表可以繪制實際的溫度行程曲線：

4、實驗驗證

把設計好的彈簧裝入調溫器，將細鐵絲與閥門口相固定，將刻度尺平行放置在鐵絲附近，把調溫器放到水里面煮，用電磁爐調節(jié)水溫，看刻度尺上的刻度，觀察到82℃時調溫器順利開啟，100℃時達到 10mm的最大開啟量，秒表記錄的時間為111s。

5、結論

采用solidworks對圓錐彈簧建模分析更加直觀，提高了調溫器彈簧設計的效率和質量，避免了復雜的數(shù)學模擬計算。對調溫器圓錐彈簧的設計是對調溫器設計的一個重要補充。同時，將彈簧與感溫材料的設計相結合，避免了將彈簧的設計與石蠟的調配割裂開來的問題。所設計的圓錐彈簧能夠使調溫器閥門順利開啟，成功解決了工程實際中遇到的問題。通過曲線的對比，所設計的彈簧與廠家的要求基本吻合。實驗也驗證了這一點。彈簧對溫度的反映非常靈敏，在 120s內(nèi)完成最大開啟是沒有問題的。所以以上彈簧符合設計要求。調溫器的性能有了較大提升。

[1] 江有永.基于 SolidWorks 在彈簧設計中的應用［J］.機械設計與制造,2011（9）：73-74.

[2] 陳兵芽,劉瑩,孫長存. 石蠟的熱膨脹驅動特性［J］.機械工程材料,2008，32（7）：60-63.

Automobile temperature controller circular cone spring design

Wu Fei, Liu Xiao
( Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan University of Technology, Hubei Wu han 430070 )

The car engine thermostat valve opening is jointly controlled paraffin and conical spring, the spring must meet certain stiffness and sensitivity. The spring design and deployment of a combination of paraffin by solidworks modeling of conical springs, solidworks simulation of its finite element analysis, and gives specific process modeling analysis. Integrated spring travel rules and paraffin temperature expansion force the laws, conical spring temperatures draw stroke curve. Experimental results show that the designed conical spring allows the thermostat thermostat valves open smoothly, the maximum open amount within the stipulated time, the temperature curve in line with pre-trip requirements.

U467.4

A

1671-7988(2015)05-55-03

吳飛，就職于武漢理工大學機電工程學院。