王東亮,羅鈿,李晶,李珺,陳永哲
載貨汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)匹配選型與總布置設(shè)計(jì)
王東亮,羅鈿,李晶,李珺,陳永哲
(蘭州工業(yè)學(xué)院 汽車(chē)工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050)
針對(duì)某輕型載貨汽車(chē)在車(chē)型開(kāi)發(fā)階段的實(shí)際需求,通過(guò)冷卻系統(tǒng)的匹配計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)散熱量、冷卻液循環(huán)量和冷卻空氣需要量。在車(chē)架和動(dòng)力系統(tǒng)配置已經(jīng)確定的情況下,計(jì)算出散熱器的散熱面積、正面積和芯子厚度等參數(shù)后,對(duì)該車(chē)型冷卻系統(tǒng)中的散熱器和冷卻風(fēng)扇等核心部件進(jìn)行選型設(shè)計(jì)?;诶鋮s系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)范和布置原則,運(yùn)用三維建模軟件完成冷卻系統(tǒng)的總布置設(shè)計(jì),并對(duì)其進(jìn)行校核分析。結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的冷卻系統(tǒng)散熱能力充足、結(jié)構(gòu)匹配合理、能夠滿足使用要求。
冷卻系統(tǒng);匹配計(jì)算;選型設(shè)計(jì);總布置
汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分,其主要作用是對(duì)工作中的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行適度的降溫,保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作在適宜的溫度范圍內(nèi)[1]。冷卻系統(tǒng)的性能直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、耗油量、磨損度和使用壽命等[2]。
載貨汽車(chē)作為大功率機(jī)械,一般配置有動(dòng)力強(qiáng)勁的柴油機(jī)。隨著車(chē)輛性能的不斷提升和工程環(huán)境的嚴(yán)苛要求,柴油機(jī)呈現(xiàn)出高功率密度、高轉(zhuǎn)速、大負(fù)荷等特征[3],與此同時(shí)還要確保車(chē)輛具有較好的燃油經(jīng)濟(jì)性且尾氣排放必須達(dá)標(biāo)。這都使得載貨汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成為當(dāng)前所面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。
針對(duì)這些問(wèn)題,已有工程技術(shù)人員做了大量研究[1-3]。本文結(jié)合某輕型載貨汽車(chē)在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段的實(shí)際需求,通過(guò)冷卻系統(tǒng)的匹配計(jì)算,對(duì)冷卻系統(tǒng)的核心部件進(jìn)行選型研究,最后完成冷卻系統(tǒng)的總布置設(shè)計(jì),并進(jìn)行校核分析。
汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)主要有液冷和風(fēng)冷兩種類(lèi)型,目前,在商用車(chē)上廣泛采用的是水冷方式[4]。水冷卻系統(tǒng)主要由散熱器、冷卻風(fēng)扇、膨脹水箱、水泵、節(jié)溫器、水套、冷卻液溫度表及冷卻液溫度警報(bào)裝置等組成[1-3]。在進(jìn)行冷卻系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時(shí),需要對(duì)這些核心部件進(jìn)行匹配和選型,從而達(dá)到所要求的性能指標(biāo)。
本文研究的輕型載貨汽車(chē)動(dòng)力總成位置示意圖如圖1所示。按照整車(chē)總布置的設(shè)計(jì)要求,其車(chē)架基體結(jié)構(gòu)與動(dòng)力總成的相對(duì)位置已經(jīng)確定。在此基礎(chǔ)上,需要進(jìn)一步按要求匹配設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)。
圖1 載貨汽車(chē)動(dòng)力總成布置示意圖
水泵、節(jié)溫器和水套等發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系組件已經(jīng)確定,無(wú)需進(jìn)行設(shè)計(jì)。接下來(lái)的主要任務(wù)是基于車(chē)架和動(dòng)力系統(tǒng)的安裝位置,針對(duì)散熱器和冷卻風(fēng)扇等冷卻系統(tǒng)的核心部件進(jìn)行匹配計(jì)算和選型設(shè)計(jì)。
對(duì)象車(chē)型冷卻系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表1所示。
表1 冷卻系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)
在進(jìn)行冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),首先需要獲得發(fā)動(dòng)機(jī)本身的散熱量。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的具體性能參數(shù)和運(yùn)行情況,有[4]:
冷卻系統(tǒng)中,循環(huán)流動(dòng)的冷卻液以熱交換的原理帶走發(fā)動(dòng)機(jī)散發(fā)的熱量,在此過(guò)程中,冷卻介質(zhì)的溫度會(huì)隨著吸熱而上升。冷卻液的最高溫度必須低于發(fā)動(dòng)機(jī)的許用溫度,否則就無(wú)法發(fā)揮冷卻系統(tǒng)應(yīng)有的作用。因此,需要合理選擇冷卻水泵以及冷卻介質(zhì)。
現(xiàn)代汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)冷卻介質(zhì)一般采用乙二醇型冷卻液,則有[4]:
為確保水泵和冷卻液發(fā)揮應(yīng)有的作用,還需要對(duì)空氣系統(tǒng)進(jìn)行合理配置,使得冷卻液在流經(jīng)散熱器時(shí)所攜帶的熱量容易散發(fā),且溫度下降快速。為簡(jiǎn)化問(wèn)題,此處散熱器的散熱量取近似等于發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱量,則[5]:
以上一節(jié)計(jì)算結(jié)果為依據(jù),結(jié)合所設(shè)計(jì)車(chē)型的實(shí)際需求,對(duì)冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵部件進(jìn)行選型和設(shè)計(jì)。
散熱器通過(guò)空氣傳熱的原理把冷卻液的部分熱量帶走,從而使發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部冷卻液的溫度適度降低,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的降溫。在滿足整車(chē)布置空間的前提下,應(yīng)盡可能增大散熱器的散熱面積,并減小散熱器芯部厚度,使之有利于提高冷卻風(fēng)扇的風(fēng)量和車(chē)輛的通氣性[6]。
(1)散熱器散熱面積
已知散熱器最大散熱量,則有[4]:
計(jì)算得:Δ=35℃,=9.13~27.63 m2。
(2)散熱器正面積
根據(jù)冷卻空氣需要量,有[4]:
(3)散熱器芯子厚度
根據(jù)散熱器散熱面積和正面積,有[4]:
(4)散熱器選型
以本節(jié)計(jì)算結(jié)果為依據(jù),并結(jié)合載貨汽車(chē)配置空間相對(duì)充裕的特點(diǎn),采用縱流管片式散熱器。根據(jù)供應(yīng)商現(xiàn)有的成熟產(chǎn)品,最終選擇圖2所示的散熱器,其外廓尺寸高712 mm、寬620 mm、厚95 mm。
在發(fā)動(dòng)機(jī)和散熱器確定之后,冷卻風(fēng)扇的選型主要基于風(fēng)扇的扇風(fēng)量,有[6]:
載貨汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)的散熱器一般前置,進(jìn)風(fēng)面積較大,所采用的風(fēng)扇通常與發(fā)動(dòng)機(jī)連為一體,或者增設(shè)一個(gè)離合器。風(fēng)扇的直徑大小和葉片數(shù)量是最主要且最關(guān)鍵的基礎(chǔ)參數(shù),在保證風(fēng)扇和護(hù)風(fēng)罩徑向合理匹配的前提下,應(yīng)盡量減小風(fēng)扇的外直徑,以便降低風(fēng)扇的運(yùn)轉(zhuǎn)速度,進(jìn)一步減小功率消耗和工作噪音。
綜合考慮上述設(shè)計(jì)要求,并結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)的實(shí)際安裝要求,根據(jù)供應(yīng)商現(xiàn)有的成熟產(chǎn)品,最終確定圖3所示的冷卻風(fēng)扇。其中,風(fēng)扇葉片數(shù)為7、葉片外徑487 mm、葉片長(zhǎng)147 mm。
護(hù)風(fēng)罩的設(shè)計(jì)既要考慮與散熱器和冷卻風(fēng)扇的合理匹配,還要考慮空間位置的制約。在結(jié)構(gòu)上要設(shè)計(jì)得平滑順暢,減少阻擋氣流的死角、降低風(fēng)阻,增強(qiáng)導(dǎo)流作用、提升散熱能力。
在護(hù)風(fēng)罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,應(yīng)充分考慮總布置的需要,特別是合理確定護(hù)風(fēng)罩與風(fēng)扇之間的徑向間隙。理論上說(shuō),在確保兩者互不接觸的前提下,徑向間隙設(shè)計(jì)得越小越好。但在車(chē)輛行駛過(guò)程中,由于振動(dòng)等原因所引起的部件變形和位移,可能導(dǎo)致護(hù)風(fēng)罩與風(fēng)扇發(fā)生相互干涉[6]。因此,間隙的設(shè)計(jì)不能太小,根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),一般徑向間隙取值在5~25 mm。
目前,載貨汽車(chē)多采用塑料護(hù)風(fēng)罩,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中導(dǎo)風(fēng)圈位于散熱器中部偏上處,用于增加導(dǎo)流,進(jìn)而提高風(fēng)扇的工作效率。在本設(shè)計(jì)中,結(jié)合實(shí)際位置和空間尺寸,導(dǎo)風(fēng)圈的中心比散熱器芯中心高96 mm。護(hù)風(fēng)罩結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖2 散熱器結(jié)構(gòu)
圖3 冷卻風(fēng)扇結(jié)構(gòu)
圖4 護(hù)風(fēng)罩結(jié)構(gòu)
在進(jìn)行冷卻系統(tǒng)的整車(chē)總布置設(shè)計(jì)時(shí),要基于可用的布設(shè)空間及其間隙,如離地高度、車(chē)架左右間隙、發(fā)動(dòng)機(jī)位置尺寸等,確保散熱器、風(fēng)扇以及護(hù)風(fēng)罩的合理匹配,充分考慮其安裝布置位置對(duì)整車(chē)?yán)鋮s性能的影響。
(1)風(fēng)扇中心與散熱器芯部中心的相對(duì)位置
進(jìn)入冷卻系統(tǒng)的風(fēng)量在導(dǎo)風(fēng)罩的引導(dǎo)下,需要與散熱器進(jìn)行充分接觸,從而實(shí)現(xiàn)散熱的目的。所以,風(fēng)扇中心和散熱器芯部中心的相對(duì)位置設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能使得風(fēng)扇葉片所掃過(guò)的散熱器芯部的面積達(dá)到最大值。
如果散熱器芯部的某些區(qū)域未被風(fēng)扇掃過(guò)的區(qū)域覆蓋,會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生空氣流的死區(qū),進(jìn)而降低風(fēng)扇的性能。因此,通常情況下在進(jìn)行冷卻系統(tǒng)總布置設(shè)計(jì)時(shí),將風(fēng)扇中心布置在略高于散熱器芯部中心的位置[6-7]。
(2)風(fēng)扇與散熱器之間的距離
合理設(shè)計(jì)散熱器后端與風(fēng)扇前端之間的距離,可確??諝饬鞯木鶆蚍植?。若兩者之間的距離太小,則可能造成散熱器芯部散熱均勻性的下降,從而使散熱器的散熱性能變差。相關(guān)研究文獻(xiàn)[7-8]表明,應(yīng)在一定范圍內(nèi)可盡量增大此距離。但若距離過(guò)大,可能導(dǎo)致氣流過(guò)度發(fā)散,降低風(fēng)扇效率。
(3)風(fēng)扇與發(fā)動(dòng)機(jī)之間的距離
在商用車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,風(fēng)扇通常直接由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。為確保氣流通暢,需要盡量加大風(fēng)扇后端面與發(fā)動(dòng)機(jī)前端面之間的距離。防止氣流因沖擊發(fā)動(dòng)機(jī)前端而使其反射,導(dǎo)致風(fēng)扇前后產(chǎn)生壓力差,進(jìn)一步加劇風(fēng)扇的空氣回流。
(1)散熱器
散熱器位于發(fā)動(dòng)機(jī)前端,車(chē)輛行駛時(shí)與迎面來(lái)風(fēng)直接接觸,通常采用支架固定在車(chē)架縱梁上。本設(shè)計(jì)最終選型的散熱器外廓尺寸高712 mm、寬620 mm、厚95 mm,橫向布置在車(chē)架正中心,左右與縱梁間距為85 mm,可為支架安裝提供必要的空間,如圖5所示。
圖5 散熱器、風(fēng)扇和護(hù)風(fēng)罩布置
參照類(lèi)似車(chē)型的散熱器布置參數(shù),結(jié)合本方案中的實(shí)際空間位置,將散熱器布置在距離發(fā)動(dòng)機(jī)前端310 mm處,為護(hù)風(fēng)罩、風(fēng)扇及散熱水管提供布置空間。在垂直方向綜合考慮與風(fēng)扇的配合要求、與駕駛艙的間距、及散熱水管和安裝支架的需要,離地高度設(shè)計(jì)為350 mm。
(2)冷卻風(fēng)扇及護(hù)風(fēng)罩
在動(dòng)力總成和車(chē)架已確定的情況下,由于風(fēng)扇是直接與發(fā)動(dòng)機(jī)前端的帶輪進(jìn)行連接的,所以風(fēng)扇的位置布置主要是確定縱向尺寸。
為保證氣流的順暢流動(dòng),護(hù)風(fēng)罩與散熱器之間應(yīng)保持密封的安裝狀態(tài),所以,護(hù)風(fēng)罩的位置已無(wú)法調(diào)整,主要的考慮點(diǎn)就是風(fēng)扇伸入護(hù)風(fēng)罩的尺寸設(shè)計(jì)。
風(fēng)扇葉片伸入護(hù)風(fēng)罩的尺寸大小與進(jìn)氣效率有很大關(guān)系[9]。風(fēng)扇葉片伸入護(hù)風(fēng)罩過(guò)多或者過(guò)少,都可能導(dǎo)致風(fēng)阻增加或風(fēng)量損失,繼而降低進(jìn)風(fēng)效率,影響散熱器散熱能力。本設(shè)計(jì)參考相關(guān)研究資料和試驗(yàn)結(jié)果的推薦值[9],將風(fēng)扇葉片伸入至護(hù)風(fēng)罩內(nèi)三分之二處。
冷卻系統(tǒng)的匹配選型和總布置設(shè)計(jì)完成后,系統(tǒng)的狀態(tài)和性能參數(shù)已完全確定,需要對(duì)散熱系統(tǒng)的基本性能進(jìn)行校核分析。
基于上文對(duì)冷卻系統(tǒng)的匹配計(jì)算,結(jié)合總布置需求和實(shí)際結(jié)構(gòu),所確定出的散熱系統(tǒng)其散熱能力是否滿足要求,需要進(jìn)行校核計(jì)算。
根據(jù)式(6)、式(3),用散熱器的正面積、冷卻風(fēng)速、冷卻空氣參數(shù)和空氣通過(guò)散熱器后的溫升,計(jì)算出散熱器散熱量為79.98 kW。
對(duì)比表1,此散熱量大于發(fā)動(dòng)機(jī)在功率點(diǎn)的水套散熱量64.3 kW。因此,經(jīng)校核計(jì)算該散熱器的散熱能力滿足要求,冷卻系統(tǒng)的匹配選型結(jié)果處于合理區(qū)間。
設(shè)計(jì)方案所采用風(fēng)扇的徑向尺寸為:外徑2=487 mm、內(nèi)徑1=193 mm;散熱器芯部的尺寸為:寬度=588 mm、高度=580 mm。
風(fēng)扇在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中,有:
該值處于經(jīng)驗(yàn)值要求的46%~60%內(nèi)[5,9]。
風(fēng)扇轉(zhuǎn)速是隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化的,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速的額定工況運(yùn)行時(shí),對(duì)風(fēng)扇的最大線速度進(jìn)行校核計(jì)算:
已知:=3200 r/min,=1.1。
計(jì)算得:=89.8 m/s。
查閱文獻(xiàn)[5,9]可知,風(fēng)扇圓周速度一般需控制在70 m/s左右,最大不超過(guò)120 m/s??梢?jiàn),計(jì)算值符合要求,說(shuō)明設(shè)計(jì)較為合理。
針對(duì)輕型載貨汽車(chē)在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段的實(shí)際需求,完成了冷卻系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì):
(1)通過(guò)冷卻系統(tǒng)的理論匹配計(jì)算,對(duì)該車(chē)型冷卻系統(tǒng)中的散熱器和冷卻風(fēng)扇等關(guān)鍵部件進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。
(2)基于冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)范和布置原則,確定散熱器和冷卻風(fēng)扇的位置,合理設(shè)計(jì)護(hù)風(fēng)罩結(jié)構(gòu),完成冷卻系統(tǒng)的總布置設(shè)計(jì)。
(3)對(duì)設(shè)計(jì)完成后的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行校核分析,結(jié)果表明,散熱器的散熱量大于發(fā)動(dòng)機(jī)在功率點(diǎn)的水套散熱量,扇葉所掃過(guò)的環(huán)面面積與散熱器芯部正面積的比值、風(fēng)扇最高線速度均滿足要求。因此,所設(shè)計(jì)的冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)匹配較為合理。
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Matching Type Selection and General Layout Design of Truck Cooling System
WANG Dongliang,LUO Tian,LI Jing,LI Jun,CHEN Yongzhe
( School of Automotive Engineering, Lanzhou Institute of Technology, Lanzhou 730050, China )
According to the actual needs of a light truck in the automobile development stage, through the matching calculation of the cooling system, the engine heat dissipation, coolant circulation and cooling air demand are obtained. After calculating the heat dissipation area, positive area, core thickness and other parameters of the radiator when the configuration of the frame and power system has been determined, the core components such as radiator and cooling fan in the cooling system of the vehicle are selected and designed. Then, based on the design specifications and layout principles of the cooling system, the general layout design of the cooling system is completed by using the three-dimensional modeling software, and its verification and analysis are carried out. The results show that the designed cooling system has sufficient heat dissipation capacity, reasonable structure matching and can meet the use requirements.
cooling system;matching calculation;lectotype design;general layout
U463
A
10.3969/j.issn.1006-0316.2022.09.010
1006-0316 (2022) 09-0063-06
2022-05-05
蘭州工業(yè)學(xué)院青年科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2020KJ-06);2022年度甘肅省高等學(xué)校青年博士基金(2022QB-191)
王東亮(1988-),男,甘肅天水人,碩士,講師,主要研究方向?yàn)檎駝?dòng)噪聲控制,E-mail:lzit_wdl@163.com。