冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

閉蘭蘭　王許梅

摘 要：本文針對(duì)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)做相關(guān)介紹（僅介紹燃油車），介紹內(nèi)容包括整車?yán)鋮s系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程、冷卻系統(tǒng)工作原理及相關(guān)零部件介紹和環(huán)模實(shí)驗(yàn)。不同車企采用的冷卻策略和實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)各有千秋，本文的介紹不具通用代表性，請(qǐng)讀者按需采納借鑒。

關(guān)鍵詞：開(kāi)發(fā)流程 冷卻系統(tǒng) 環(huán)模實(shí)驗(yàn)

Design and Development of Automotive Cooling System

Bi Lanlan Wang Xumei

Abstract：In this paper， the design and development of automotive cooling system is introduced （only fuel vehicles）， including the design and development process of the vehicle cooling system， the working principle of the cooling system and the introduction of relevant parts and ring mold experiments. The cooling strategies and experimental standards adopted by different automobile companies have their own strengths and weaknesses. The introduction in this paper is not representative of any general purpose. Readers are invited to adopt and learn from them as needed.

Key words：development process， cooling system， ring mold experiment

1 引言

眾所周知，發(fā)動(dòng)機(jī)是燃油車的“心臟”，是動(dòng)力之源，而發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)而言，是不可或缺的部分，下面對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)做簡(jiǎn)單介紹。

2 整車?yán)鋮s系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程

在整車開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，不同零件開(kāi)發(fā)起止點(diǎn)不同，流程細(xì)化起來(lái)非常繁瑣，下文就冷卻系統(tǒng)零部件的開(kāi)發(fā)流程做簡(jiǎn)單介紹，大致可分為6個(gè)階段（如圖一所示）：對(duì)標(biāo)、騾子車、軟工裝、試驗(yàn)（包括工裝樣件認(rèn)可、耐久試驗(yàn)和環(huán)模實(shí)驗(yàn)）、試生產(chǎn)和量產(chǎn)。

新車立項(xiàng)時(shí)，根據(jù)市場(chǎng)需求和對(duì)標(biāo)其他車企的車明確定位目標(biāo)，對(duì)標(biāo)工作主要是研究對(duì)標(biāo)車?yán)鋮s系統(tǒng)的工作原理，各冷卻部件的重量、外觀、材料、內(nèi)部設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和安裝方式等等，如有必要，還將測(cè)試其性能參數(shù)、特征曲線。

騾子車階段主要驗(yàn)證動(dòng)力、底盤和車身結(jié)構(gòu)的可行性;而軟工裝階段則是要驗(yàn)證零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性，以保證后期零件生產(chǎn)或總裝安裝時(shí)不會(huì)出現(xiàn)不合理的人為設(shè)計(jì)而影響造車進(jìn)度。

軟工裝驗(yàn)證合理后，便進(jìn)入試驗(yàn)認(rèn)證階段，包括：1）冷卻部件工裝樣件認(rèn)可;2）整車耐久試驗(yàn);3）環(huán)模實(shí)驗(yàn)。工裝樣件認(rèn)可是指零件通過(guò)工裝模具生產(chǎn)出來(lái)后，并進(jìn)行一系列的零件材料和性能測(cè)試。后兩個(gè)驗(yàn)證開(kāi)始的前提是冷卻部件已經(jīng)通過(guò)了工裝樣件認(rèn)可，認(rèn)可時(shí)要做的零件材料和性能試驗(yàn)是國(guó)標(biāo)和企標(biāo)規(guī)定的。整車耐久試驗(yàn)歷時(shí)30～40天，試驗(yàn)道路包括壞路、高速、坡路、洼地等，在經(jīng)過(guò)各路段時(shí)，零件的安裝、結(jié)構(gòu)和性能問(wèn)題都將“爬坡式”暴露，工程師需在此階段需完成零件的相關(guān)整改。環(huán)模實(shí)驗(yàn)下文會(huì)做相關(guān)介紹，在此先不詳述。試驗(yàn)認(rèn)證完成后到量產(chǎn)之前，會(huì)有個(gè)車間試裝的過(guò)渡時(shí)期，主要是為量產(chǎn)前選擇一個(gè)合理的最優(yōu)的生產(chǎn)工藝和整車裝配流程。

3 冷卻系統(tǒng)工作原理及相關(guān)零部件介紹

冷卻系統(tǒng)的功用是保證發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工況條件下都能保持在適當(dāng)?shù)臏囟确秶?，一般?lái)說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作溫度在1000℃～2500℃之間。

3.1 冷卻系統(tǒng)工作原理

燃油車的冷卻系統(tǒng)分兩條水路，即小循環(huán)和大循環(huán)，如圖二。為避免發(fā)動(dòng)機(jī)在冷啟動(dòng)或怠速的情況下溫度過(guò)低，大循環(huán)是關(guān)閉的，只開(kāi)啟了小循環(huán)，因此，小循環(huán)不會(huì)流經(jīng)散熱器。在發(fā)動(dòng)機(jī)出水口有一個(gè)冷卻溫度傳感器和節(jié)溫器，冷卻溫度傳感器能時(shí)刻監(jiān)控循環(huán)的冷卻液在流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)出水口后的溫度，當(dāng)這個(gè)溫度大于預(yù)設(shè)值時(shí)，節(jié)溫器里的固體蠟會(huì)融化，里面的彈簧將大循環(huán)的閥門頂開(kāi);小于預(yù)設(shè)值時(shí)，節(jié)溫器里的固體蠟便凝固收縮，同時(shí)將彈簧拉回，大循環(huán)的閥門就關(guān)上了。大循環(huán)是冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵水路，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在惡劣工況下，需打開(kāi)電子扇加大流經(jīng)散熱器的風(fēng)速，以此提高散熱效果 ，電子扇的打開(kāi)、關(guān)閉和調(diào)速是由發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊控制的。膨脹箱雖然沒(méi)有冷卻功用，但它是水路循環(huán)中必不可少的部分，它能調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)的壓力，保證冷卻液在管路中循環(huán)暢通。在高配置的車中，主動(dòng)進(jìn)氣格柵和導(dǎo)風(fēng)板還用來(lái)改善發(fā)動(dòng)機(jī)艙的進(jìn)氣，以提高燃油經(jīng)濟(jì)性。

3.2 散熱器

散熱器分縱流式和橫流式兩種，縱流式散熱器顧名思義冷卻液在散熱器內(nèi)自上而下流，橫流式是從左到右或從右到左流。散熱器由散熱器支架、緩沖膠、減震墊、上水室（左水室）、下水室（右水室）、散熱器芯體等零部件構(gòu)成。散熱器支架在設(shè)計(jì)之初會(huì)做CAE仿真測(cè)試其強(qiáng)度和動(dòng)剛度，至于采用橫流式還是縱流式散熱器，得受限于裝配空間和散熱量考慮 。散熱器芯體主要包括散熱管和散熱帶，不同廠家生產(chǎn)的散熱器，主要區(qū)別就在于散熱管和散熱帶。

風(fēng)洞試驗(yàn)是檢測(cè)散熱器散熱性能的一個(gè)重要指標(biāo)，相關(guān)的還有氣密性、耐腐蝕性、耐高溫、振動(dòng)性和沖擊性實(shí)驗(yàn)。

3.3 電子扇

電子扇通過(guò)提升散熱器的散熱性能來(lái)達(dá)到冷卻效果，我們知道，單位時(shí)間通過(guò)散熱面的風(fēng)量對(duì)散熱器的散熱量有影響，那么，電子扇的作用就顯得相當(dāng)重要了。電子扇按檔位控制分為單級(jí)調(diào)速和無(wú)極調(diào)速，按電子扇個(gè)數(shù)分為單電子扇和雙電子扇。單級(jí)調(diào)速一般分兩檔，即電子扇只有兩個(gè)檔位;無(wú)極調(diào)速是通過(guò)改變單位時(shí)間內(nèi)脈沖個(gè)數(shù)（占空比）來(lái)調(diào)節(jié)電子扇轉(zhuǎn)速。一般，在電子扇導(dǎo)風(fēng)罩上會(huì)設(shè)計(jì)些導(dǎo)流口，平衡電子扇的氣壓，為減小電子扇的噪音，電子扇動(dòng)平衡還得控制在一定范圍。事實(shí)上裝車后，電子扇要如何設(shè)計(jì)才能兼顧風(fēng)量大且動(dòng)平衡又好，這是電子扇開(kāi)發(fā)過(guò)程中的一大難題。

噪音試驗(yàn)和動(dòng)平衡試驗(yàn)是檢測(cè)電子扇的重要試驗(yàn)，其次，堵轉(zhuǎn)電流也是一個(gè)重要指標(biāo)，這對(duì)線束接插件、電線和保險(xiǎn)絲的選擇很重要，選擇不當(dāng)有可能造成電子扇灼燒而引發(fā)安全事故。

3.4 膨脹箱

膨脹箱的作用是平衡冷卻系統(tǒng)內(nèi)部的壓力和補(bǔ)充冷卻液，膨脹箱的最低液位應(yīng)比冷卻系統(tǒng)最高液位高。膨脹箱從制作工藝上分注塑件和非注塑件，從性能上分為承壓式和非承壓式。膨脹箱蓋是個(gè)很微妙的設(shè)計(jì)，蓋子內(nèi)部有兩個(gè)閥：當(dāng)冷卻系統(tǒng)壓力過(guò)大時(shí)，氣體通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)、暖風(fēng)芯子、散熱器集聚到膨脹箱內(nèi)，膨脹箱的壓力達(dá)到一定值可將排氣閥頂開(kāi)，氣體便可經(jīng)由密封圈縫隙排到外界;當(dāng)膨脹箱內(nèi)部壓力過(guò)小時(shí)，壺內(nèi)形成低壓真空閥被往下吸，這時(shí)外界空氣就能進(jìn)入膨脹箱內(nèi)。膨脹箱有MAX線和MIN線，一般膨脹箱的膨脹系數(shù)要大于等于某一值，才能使整個(gè)冷卻系統(tǒng)的壓力維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境。不同車企發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液所含溶劑和配比都不一樣，一般冷卻液工作溫度范圍為-40℃～120℃。

3.5 冷卻管路

冷卻管路分膠管和硬管，膠管的結(jié)構(gòu)為內(nèi)膠、加強(qiáng)層和外膠，加強(qiáng)層的材料有聚酯線、PET、芳綸線和人造絲等，按照材料和耐溫強(qiáng)度分為不同等級(jí)膠管，一般膠管的耐溫范圍在-40℃～120℃，膠管與硬管之間是過(guò)盈配合，對(duì)不同尺寸的膠管過(guò)盈配合的公差不一樣，膠管壁厚也不一樣。

膠管要做的實(shí)驗(yàn)有材料性能和氣密性實(shí)驗(yàn)，其中材料性能包括硬度、拉伸強(qiáng)度、耐臭氧老化性、爆破壓力、耐低溫、粘合強(qiáng)度等。

3.6 主動(dòng)進(jìn)氣格柵/導(dǎo)風(fēng)板

從字面上理解，主動(dòng)進(jìn)氣格柵和導(dǎo)風(fēng)板都有擋風(fēng)的作用，兩者的不同在于：主動(dòng)進(jìn)氣格柵自身帶有電機(jī)，能通過(guò)調(diào)節(jié)葉片來(lái)改變風(fēng)向，導(dǎo)風(fēng)板僅僅是擋風(fēng)的作用。主動(dòng)進(jìn)氣格柵有降油耗的功效，在冷機(jī)啟動(dòng)和大冬天時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)有處在低溫的時(shí)候，這時(shí)需要主動(dòng)進(jìn)氣格柵將冷風(fēng)隔絕，讓發(fā)動(dòng)機(jī)的熱量不至于過(guò)快散發(fā)到環(huán)境中，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的效果。

4 環(huán)模實(shí)驗(yàn)

環(huán)模實(shí)驗(yàn)對(duì)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)比較重要的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)模擬幾個(gè)極限工況來(lái)摸底冷卻性能。一般采用工裝車做環(huán)模實(shí)驗(yàn)，因?yàn)榇藭r(shí)整車的所有零件都接近量產(chǎn)的正式樣件，就算量產(chǎn)后零件有稍微更改，對(duì)冷卻性影響不大。實(shí)驗(yàn)主要是收集在各種模擬的道路工況和不同的溫度、濕度和光照下，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫的變化情況。對(duì)水溫?cái)?shù)據(jù)的采集，我們采用熱敏電阻布點(diǎn)法，就是在需要收集溫度的地方布點(diǎn)（可布在下圖的任意位置）。實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們是在滿載的情況測(cè)試，冷機(jī)下冷卻液要加到MIN線和MAX線之間，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中若溫度超過(guò)120℃時(shí)需熄火以防“開(kāi)鍋”現(xiàn)象，若出現(xiàn)了“開(kāi)鍋”，需等水溫下降后再進(jìn)行接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)，且需觀察冷機(jī)時(shí)冷卻液液位是否還在MIN線之上，不然需補(bǔ)充冷卻液再進(jìn)行試驗(yàn)。

5 結(jié)論

純汽油車?yán)鋮s系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，大致如上文所述，望讀者按需采納借鑒，謝謝！

參考文獻(xiàn)：

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