車用軸流式冷卻風扇設計分析

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I 車用軸流式冷卻風扇設計分析 摘要 ： 冷卻風扇 對于汽車來說十分的重要 ， 伴隨著 人們對汽車要求 越來越高以及現(xiàn)在的技術也慢慢的進步 ，一款合適的冷卻風扇就顯得尤為重要。一款性能合適的冷卻風扇不僅能使汽車在任何工況下都能正常工作還可以提高汽車的燃油經(jīng)濟性同時達到節(jié)能減排的效果。 所以一個好的冷卻風扇對于一輛一車來說很重要 。 文章根據(jù)冷卻風扇的 設計步驟 對冷卻風扇進行分析設計然后在繪制出 風扇選型與風扇類型的匹配在基本要求分析中進行了研究，風機是基本參數(shù)的確定，討論了風扇和冷卻系統(tǒng)的運行方式，以及風機性能的匹配是好還是壞 判斷和選擇一個散熱器風扇進行匹配。 在風扇 模設計和分析主風機的配套結構設計中，主要分析冷卻風扇葉片設計和繪制 形。 通過對上述研究設計的分析，得出了軸流冷卻風扇結構設計的設計。 關鍵詞 ：發(fā)動機軸流式冷卻風扇，匹配，造型設計 of is is of is an is A in at to of So a is a AD to of of in of is of of is or of a In of AD of of of AD of of is 錄 摘要 .................................................................. Ⅰ ............................................................. Ⅱ 目錄 ................................................................. 緒論 .................................................................. 1 言 ............................................................... 1 動機冷卻風扇的國內外研究現(xiàn)狀 ..................................... 1 動機冷卻風扇的發(fā)展現(xiàn)狀 ......................................... 1 動機冷卻風扇設計的研究現(xiàn)狀 ..................................... 3 文的意義 ......................................................... 4 2 風扇選型 與 匹配 ....................................................... 6 動機冷卻系統(tǒng)的功用及結構 ......................................... 6 卻系統(tǒng)的功用 ................................................... 6 卻系統(tǒng)的組成 ................................................... 6 動機冷卻風扇的 功用與 性能參數(shù) ..................................... 7 卻風扇的 作 用 ................................................... 7 卻風扇的類型 ................................................... 7 冷卻風扇的基本性能參數(shù) .......................................... 9 ............................................... 10 ................................................... 10 ................................................... 11 ................................... 11 扇與冷卻系統(tǒng)的匹配 ............................................ 14 ........................................................... 17 3 風扇造型 ....................................................... 18 ..................................................... 18 ................................................... 18 件對風扇進行繪制 ......................................... 20 章小結 .......................................................... 21 4 總結與展望 .......................................................... 22 ............................................................... 22 ............................................................... 22 參 考 文 獻 ........................................................... 23 致 謝 ................................................................ 24 1 1 緒論 言 因為汽車的外形不斷的改變 ， 要求 擴 大 車廂并減小發(fā)動機艙，所以發(fā)動機冷卻風扇的大小， 規(guī)劃遭 到很大的 制約 。另一方面， 由于 汽車的工作 范疇 很大，要求汽車 必須 從 連續(xù)快 速的 行駛 到在擁堵的 道路 中緩慢 工作 ，所以對汽車發(fā)動機冷卻風扇的 功用 有 嚴厲 的要求。此外由于現(xiàn)在車載空調設備的使用發(fā)動機的熱負荷也有變大打趨勢，同時汽車冷卻風扇的設計也是提高燃油經(jīng)濟性的有效途徑，對于現(xiàn)在倡導的節(jié)能減排有很好的提升效果。 在發(fā)動機冷卻風扇的設計中， 一定要 考慮 到 汽車移動 時 風速、風道系統(tǒng) 的 阻力影響 ,風扇的功能 和匹配 之間的 關系 ,把 這些 要素當作 設計冷卻 風扇時 的一部分來 思考，來 減少 冷卻 風扇 的 驅動功率 ， 確保 風扇 噪 音小 甚至是沒噪音。 同時，設計 的時候也 應該努力 的 降低 制造 成本，降低 質量 ，提高 使用壽命 。 汽車發(fā)動機 冷卻 風扇 的設計是 因 整車的 根本結構 決定的，因此很難 脫離整體自成 一套理論。 所以 ，它 平常 用近似計算 的辦法進行 設計，在風扇設計前期對風扇氣動性能進行預測， 再進行綜合的試驗，而后依據(jù) 實驗結果進行修 改 ，以達到最好的成果 。 最后 使 得 冷卻系統(tǒng)的 各種方面 和 整個汽車 達到最優(yōu)的效果 。 動機冷卻風扇的國內外研究現(xiàn)狀 動機冷卻風扇的發(fā)展現(xiàn)狀 過去舊款的風扇的 調節(jié)靈敏度比較低， 同時功率耗費特別大經(jīng)常會出現(xiàn)一些不必要的浪費，而且工作過程很繁瑣需要通過發(fā)動機來帶動 。所以出現(xiàn)了自動電冷卻風扇 來解決這個問題 。自動控制電動風扇是 通過 電動機 來對風扇進行控制 ， 所以 風扇轉速的大小 和 發(fā)動機轉速 沒有關系 。當發(fā)動機在 剛開始工作的時候 和低溫下運行時，或當 汽車高速運行 并且冷空氣吹過散熱器時，風扇 會停止工作，這樣可以節(jié)省資源 。 由于 電 動冷卻 風扇不是 經(jīng)過 發(fā)動 機 直接 驅動的，所以可以安裝擋風 的罩子 和散熱器， 并保障 風扇和風罩兩個通過風扇的 嚴厲 同心度，風扇葉片和擋風板之間的徑向間隙的 水平 最小化，這不僅使風扇的體積效率大大改善， 布置 有更大的自由度。 因為是通過 電機 來進行 驅動， 同時 減少傳輸 的過程 ， 這樣 可以 大大 2 提高 冷卻 風扇的機械效率。 所以 型號的汽車 都是采用電控風扇 。 第一臺電動冷卻風扇在 1981年 3月美國專利文獻（專利號 提出 [3]。 這項專利第一次提出 利用 電動冷風扇來代替 由 皮帶驅動 的 冷卻風扇， 按照汽車 發(fā)動機的溫度 大小 和負載 狀況 ，可以避免 冷卻 的 不必要的 運行， 防止了 功率 的 損耗 ，同時使得預熱時間大大的減小，防止了熱能的消耗 。 但是 ， 因為 沒有 罩子 ， 這項 專利技術降低 了 風 扇 的體積效率，只能用于熱負荷較小的汽車散熱器。 1992年，美國 某一 專利“汽車發(fā)動機空氣冷卻風扇”根據(jù) 汽車 發(fā)動機的溫度將冷卻風扇 在散熱器的前面進行 陳列 (專利號 同時，控制溫度的冷人 氣閥可以交替開啟和關閉 。 現(xiàn)代汽車公司生產的 車有兩個電子控制冷卻風扇其相對獨立但是又關聯(lián) 。 由冷凝器冷卻風扇和散熱器冷卻風扇聯(lián)合控制 [13]。這個系統(tǒng)是由空調的運行狀態(tài)、冷卻調節(jié)能力的大小、發(fā)動機在溫度較低時的熱能傳遞的損耗和發(fā)動機的損耗以及冷卻液溫度的高地來防止發(fā)動機過熱。所以大大減小了燃油消耗率。冷卻風扇開始運用智能的控制方式舍棄掉老的技術，該實用新型可以自動準確地調整發(fā)動機的預熱速度，讓汽車發(fā)動機一直處于最佳狀態(tài)，同時減少了 90%的風扇耗電量，節(jié)約了 10%的燃料，減少 了資源的損耗。 在過去的 日子 里，國內 自己 設計 制造的發(fā)動機 或 是 從 前 蘇聯(lián) 引入 的發(fā)動機 大多都是 使用鋼風扇，鋼 風 扇是該實用新型為圓形鋼板支架，用薄鋼 板做葉片 板釘鉚 在一起的。其 低利率、糟糕的表現(xiàn)、電力消耗和噪音更大 。從 70年代 開始到現(xiàn)在 ， 基本 所有的 外國 發(fā)動機 廠 都在生產 塑料風扇， 隨著中國塑料 研究生產的發(fā)展和技術的 日漸 成熟，塑料風扇在國 也越來越流行，很多發(fā)動機生產廠都在生產塑料風扇 。在葉片造型 的運用上 ，翼型 冷卻風扇也漸漸開始成為主流 。 從氣體動力學的角度來看，翼型風扇可以對風扇四周的氣流進行改善，增加風扇的全壓、靜壓以及工作效率，并使風扇的有效區(qū)域更寬。因為風扇的 葉片是通過 模具注塑成型， 所以其 表面 比較 光潔 這樣可以減少 功耗 降低 風 扇的噪音 。雖然 對 葉片 厚度進行了數(shù)次的調整使葉片厚度增大 ，但重量只 是 金屬葉片的31。由于 塑料的 不斷 發(fā)展和優(yōu)化， 所以其生產 成本 有所 下降， 但是 強度 卻不斷 增加。 3 此外，翼 扇 的氣 流入口具備 流線型 的 氣流， 能夠 提高 整個風扇 的空氣動力效率。塑料風扇 還有 一個 長處是 ， 它的材料 —— 塑料有 比 較大彈性變形能力， 能夠在模型的作用下注塑成柔性葉片， 可以在 扭轉方向 上上進行 變形，等效于葉片 的安裝角度 能夠按照風扇的轉速進行調整。使發(fā)動機冷卻風扇的工作效率得到顯著的進步 。 動機冷卻風扇設計的研究現(xiàn)狀 隨著汽車 生產制作 技術的 不停的進步 ， 所有的零部件生產創(chuàng)新技術正在 不斷進行， 不是單個零件就能控制的了發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的好壞 ， 它是根據(jù) 各部件 的設計和 零部件之間配合的科學性以及它的使用條件來決定的 。 整個 冷卻系統(tǒng) 的優(yōu)化 就是運用 先進的 方式 和 理論 優(yōu)化重要部件， 比如 整個冷卻系統(tǒng) 還有當中的散熱器 和 冷卻風扇 的合理化。因此， 對于 冷卻風扇 功用必須要 考慮風扇的 功用的同時也要 考慮 到整個 冷卻系統(tǒng) 中 的其他部件 的運行能不能變得最優(yōu) 。 必須考慮到 冷卻系統(tǒng) 這個整體考慮到所有的零部件 ， 才能使冷卻風扇的研究更加的科學 。 為了了解各個零件對風扇的影響 。 很多人都用了模擬法，這種方法 在 70年代初 就應用于 汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)設計的發(fā)展，密歇根大學 在 1988年開發(fā) 應用了 重卡柴油 機的 冷卻系統(tǒng)計算機模擬程序（ 并改進 了這個程序 。為了計算 剖析 康明斯發(fā)動機公司的冷卻系統(tǒng)，計算機只 要 獲得風扇 ， 發(fā)動機 ， 散熱器和 工作 環(huán)境的相關參數(shù) ，就可以進行計算分析。我國 汽車冷卻系統(tǒng) 的 設計 制造 主要是基于 很多的 選擇測試設計經(jīng)驗和 很多的 對比， 最近的這幾年 電腦仿真進展迅速。 所以很多的計算方法和數(shù)學建模得到了應用，減少了很多不必要的麻煩和過程 。 在《汽車發(fā)動機的附屬裝置》 [1]中 作者 從風扇類型， 風扇的 強度 和 結構 以及生產 材料 等多個 方面入手 。對于風扇 設計 的過程 和 設計經(jīng)歷進行了 總結。本文結尾指出， 這種 設計方法不準確，可以通過 不斷的嘗試來使 風 扇 的設計 不斷完善 。 在《汽車冷卻風扇的優(yōu)選方法》 [6]當中 作者 對冷卻風扇的構造參數(shù)、工作環(huán)境和運行情況進行了一些描述 。系統(tǒng)中的風扇 結構的 確定和優(yōu)化方法，并提出 4 了實例，通過 對 風扇樣品具有 的 不同結構 的分析進行選擇 。 按照 風機 功能成立一個 數(shù)據(jù)庫 ， 匹配和優(yōu)化類似風扇的理論應用。 在《發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的研究與優(yōu)化設計》 [2]當中 作者 提到了對冷卻風扇的構造及功能進行改善 。建立優(yōu)化目標， 構建 數(shù)學模型 ，并在計算機中編輯一些程序分析出最合理的構造，同時還可以和改善前的構造進行對比分析，對風扇的性能進行驗證。 在《發(fā)動機冷卻系統(tǒng)匹配設計及動態(tài)特性仿真》 [5]中作者 根據(jù)熱能的傳動，對 風扇和冷卻系統(tǒng) 之間的合作進行改進 。 按照某一 公司的實驗數(shù)據(jù)和理論分析，成 立了散熱器傳熱預測 的 模型 計算 散熱器電阻因子 f 相關性 和 熱傳遞因子 J 的阻流特性， 然后再通過 實驗 的結果 使用屬性比例校正方法進行。 散熱器建立 靜態(tài)特性的仿真模型以及 冷卻系統(tǒng) 計算程序 的選擇運用 已經(jīng)使用 傳遞 熱 能 單位 和溫度效率系數(shù)法寫在 了 并將結果與實驗分析進行了 對比 。基于對冷卻系統(tǒng) 在 不 一樣的 工作條件下 溫度的變動 的分析 鉆研 ，對 使 冷卻系統(tǒng)的動態(tài)仿真模型 得以完成 ， 然后再和實驗的結果放在一起進行研究 。 在《內燃機冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化》 [4]里 作者經(jīng)過一系列的實驗對幾種散熱器的功用進行了分析研究 。這幾種散熱器有 冷軋翅片 散熱器 和散熱片散熱 器 。 而后按照 散熱器散熱風扇的優(yōu)化配置選型。 基于上述的研究和實驗的結果可以得出現(xiàn)在的汽車大多都是運用電動翼型塑料冷卻風扇，而且在對風扇結構進行設計時要考慮到它在整個冷卻系統(tǒng)中的“位置”，考慮到與其他零部件之間的合作匹配，這樣才能使冷卻風扇運行的更加合理。同時還可以借助計算機來對風扇進行設計分析研究。 文的意義 在設計過程中，冷卻風扇在模具生產 時要 根據(jù)樣品需要 的 風扇 的性能參數(shù) ，通過測試風道 不斷的 進行 模具 以及樣品的 修改， 最后得到一個完整的風扇 。 全部的設計 過程需要 幾 次 的 測試，不僅花費大量 的人力物力財力還浪費時間 ，而且 進行幾次的測試使得設計成本也變大了很多 。 傳統(tǒng)的流程設計：風扇選型與匹配設計；開模生產樣品。 5 在最近的這幾年當中，伴隨著生產制造技術和計算機技術的發(fā)展， 件的慢慢變得成熟，讓利用電腦軟件對冷卻風扇進行設計這個理想成為實際。 正和剖析風扇形狀，通過不斷的修正來生產而不是昂貴的麻煩的樣品模具，并可通過風扇性能流場的數(shù)值模擬，而不是通過反復的實驗，讓風扇設計過程變得方便，高效，成本低。 但是，在冷卻風扇的設計過程中還是存在這很多的難題。比如運用 章里重點分析了如何選擇冷卻風扇，如何與冷卻系統(tǒng)進行匹配，對風扇的結構進行了設計，并繪制出 計出合理的冷卻風扇。 6 2 風扇選型 與 匹配 動機冷卻系統(tǒng)的功用及結構 卻系統(tǒng)的功用 發(fā)動機冷卻系統(tǒng)是不論在任何的條件下都可以使發(fā)動機的溫度保持正常。冷卻系統(tǒng)讓發(fā)動機不能太熱，同時還要讓發(fā)動機在寒冷的條件下不要太冷。發(fā)動機在寒冷的環(huán)境中啟動時，冷卻系統(tǒng)要把發(fā)動機的運行環(huán)境快速變暖，并穩(wěn)定在正常的工作溫度。 在發(fā)動機運行的時候，最高溫度高達 ℃2500 即便是在慢速或者怠速時，平均溫度也要比 ℃1000 高一些。結果，暴露于熱氣體的發(fā)動機部件被快速加熱。如果沒有及時的把熱量減少，會出現(xiàn)很多的不良反應 [7]。但是，假如冷卻太多，溫度過低，也會出現(xiàn)很多不良現(xiàn)象，從而導致燃油品質變差，發(fā)動機的功率降低，壽命變小，熱量浪費，燃油經(jīng)濟性下降。 卻系統(tǒng)的組成 空氣冷卻和液體冷卻這 2種形式是汽車發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)的主要分類 [14]。目前最常用的是液體冷卻。就是運用了冷卻的液體通過在循環(huán)系統(tǒng)里流動。通過冷卻散熱器冷卻發(fā)動機，來使發(fā)動機的工作環(huán)境達到正常溫度 [15]。汽車發(fā)動機不得不使用強制循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，它是使用水泵來增壓而后強制冷卻液體在發(fā)動機中不停的流動。 發(fā)動機 冷卻系統(tǒng) 如圖 圖 動機的冷卻系統(tǒng) 1—— 百葉窗； 2—— 散熱器； 3—— 水箱蓋； 4—— 風扇； 5—— 水泵； 6—— 恒 溫器； 7—— 水溫表； 8—— 發(fā)動機水套； 9—— 分水管； 10—— 放水開關 7 動機冷卻風扇的 功用與 性能參數(shù) 卻風扇的 作 用 汽車發(fā)動機冷卻風扇 的 作 用是 當發(fā)動機運轉產生熱量時 風扇旋轉吸進 冷氣讓空氣流 過散熱器， 從而將散熱能力變大，冷卻液的循環(huán)變得更快 。 所以冷卻風扇的好壞變得十分重要。 卻風扇的類型 發(fā)動機冷卻風扇是發(fā)動機冷卻系統(tǒng)中的一個重要部件 。 汽車發(fā)動機 運用了軸流式風扇， 這種風扇就是當風扇工作時 空氣沿著旋轉軸的方向流動。 風扇的分類： ① 根據(jù)材料的差別能夠分為塑料和金屬兩種風扇； ② 根據(jù)葉片的斷面形狀可分為圓弧形風扇和翼型風扇如圖 型冷卻風扇 8 圖 弧形冷卻風扇 ③ 根據(jù)風扇工作時空氣的流動方向可分為吹風式風扇和吸風式風扇； ④ 根據(jù)風扇的工作方式可分為電控風扇和發(fā)動機控制風扇。 因為常見的汽車中大多采用的都是軸流式塑料翼型電動吸風式冷卻風扇，所以在文章中將對軸流式塑料翼型電動吸風式冷卻風扇進行設計分析。冷卻風扇的原理如圖 圖 卻風扇的工作原理 9 卻風扇的基本性能參數(shù) 冷卻風扇的基本 功用 參數(shù) 蘊含了流量，轉速 ， 功率 ， 效率 和 壓力 等 [9]。 而這五種參數(shù)和冷去系統(tǒng)整體有關同時也和冷卻風扇自身的構造有關 。 ① 流量： 風 扇 流量 通常 指 的是 單位時間通過風機轉動風量，也稱風機體積流量， 通常用 符號示，單位為 h/ s/ 當風扇的設計計算時通常會 用 s/扇樣品 上 通常 標注的 單位為 h/ ② 轉速： 風扇轉速是指 葉片 每分鐘轉的次數(shù)， 通常用 位是 風扇轉速由風扇 葉片的個數(shù)，安裝角以及外徑所決定的 。 ③ 壓力： 風扇的壓力有動壓，靜壓，全壓這幾種 所謂靜壓的定義是：空氣在平面上流動時對某垂直截面的空氣的壓力。通俗的講：靜壓 是指克服管道阻力的壓力。 動壓的定義是：把空氣流動所產生的壓力。通俗的講：動壓 是帶動氣體向前運動的壓力。用 2222? ）（ 12? 風扇的全壓可以用)2()2( 21112222? ???? ）（ 22? 式中， 1P 、 2P 表示進口和出口空氣壓力，單位 1? 、 2? 表示進口和出口空氣密度，單位 3m/ 1C 、 2C 表示進口和出口的空氣流通速度，單位 m/s 。 ④ 功率： 10 電 機 在單位時間內 傳遞給風扇的 動能 叫做風扇的功率。也叫做風扇的輸入功率 用符號 在單位時間內風扇 提供給流過的空氣 的有效能量被稱為風扇的有效功率，其由符號 1000v?N）（ 32?風扇靜壓有效功率，其由符號 示 1000）（ 42?式中 位均為 W。 ⑤ 效率： 風扇的傳遞效率指 風扇的傳遞過程中要損失一些能量，所以用效率來反應功率與有效功率的比值 。 比如電機通過皮帶帶動風扇時損失能量的多少就是電動機的傳遞效率 。這個效率一般 90以上 。 風扇靜壓效率 是指風扇靜壓的有效功率 。風扇的靜壓效率 是指 風扇 里 流量的質量，這是風扇設計 時的重要參數(shù) 。 風扇靜壓有效效率，用符號 ? s 0 0 0??）（ 52? 卻風扇的選型與匹配 卻風扇的選型 完整 的汽車發(fā)動機冷卻風扇 不論是在多么 惡劣環(huán)境條件下 都能保證發(fā)動機工作溫度保持穩(wěn)定 。而 一個 優(yōu)質的發(fā)動機冷卻風扇 應該擁有 功耗 小 ， 噪聲小 ，材料使用較少 ， 工作 效率高等優(yōu)點。 在選擇風扇的類型時 ， 第一就是 要求風扇能夠滿足車輛 對其功用以及結構的一些要求 。 第二是 根據(jù)空間條件 對冷卻風扇的 尺寸和形式結構確定， 再 估算出風機的 靜壓 ， 直徑和流量 ，確定完整風機的性能 數(shù)據(jù) ， 完成第一次的選擇 。最后 把 散熱器 和 風扇 放到一個曲線圖當中，對風扇和散熱器合作進行最后的分析研究，確定怎樣才能讓汽車的工作效率達到最優(yōu)，同時還能節(jié)省資源 。 11 卻風 扇的要求 只有知道 散熱器的型號才能對風扇進行設計。如果是電動風扇也需要同時確認電機型號，因為性能不一樣，電機就不一樣，風扇的性能在相同的電池電壓下由不同的電機驅動時是不同的。下圖（ 與 A， 電機相同電壓下的臺風風扇，可驅動三種不同的性能曲線。 圖 機與散熱器關系圖 汽車在行駛的過程中會產生震動 ， 風扇會發(fā)生一點點的移動 ，容易與散熱器或通風罩碰撞 在一起 ， 因為 風扇 在工作時的 轉速較 打，所以碰撞是十分危險的。 則風扇和通風罩之間的 距離， 風扇和散熱器的 間隙會受到很大的局限 。 以某風扇生產 制造廠家所生產 的 發(fā)動機冷卻風扇為例， 生產冷卻風扇時對其功用的要求 ：在環(huán)境溫度 ℃35~15 下 風扇效率應 該比 35%大并要求 盡量 的 大 ，功率消耗占發(fā)動機功率 要比 6%小 并 要求 盡量減小 。盡量增大風扇直徑，降低轉速。 風罩和葉片之間的距離大約等于 扇 直徑 。 葉片頂端最大限速不超過 5000m/ 動機冷卻風扇的基本參數(shù)的確定 ① 冷卻風扇散熱量 ： [10， 11] 靜壓阻力 量 m3/h 12 發(fā)動機和冷卻系統(tǒng)的結構 決定了冷卻系統(tǒng)的散熱量 ， 如果 熱量 比較大 ，需要冷卻的空氣量 就會比較大 。計算公式為 ]s/[3600 ee ?? ）（ 62? 式中 ， A 表示冷卻系統(tǒng)的熱量占 發(fā)動機原料 熱量的百分比。一般為 h?表示 燃料低熱值 。 ② 冷卻風扇的流量 風扇的流量 通常都是根據(jù)散 熱量來 決定的 。 計算公式為 ]s/m[Q?）（ ?? ）（ 72? 式中 ， 體 進 到 散熱器后的 熱量 ； 體 進 到 散熱器前的熱量， 溫度 通常為 10； ? 表示空氣密度。通常為 m/ 常為 ℃?kJ/。 ③ 風扇靜壓 ： [12] 風扇提供的冷卻空氣 想要 克服空氣通道的阻力 就必須要有一定的壓力 ?？諝馔ǖ赖淖枇τ嬎愎綖? pp ???? ）（ 82? 式中 ， 示散熱器的空氣阻力，由散熱器本身和 冷卻的 風扇流量 所 決定 ； 示除了散熱器以外的冷卻系統(tǒng)的空氣阻力 ， 一般為 。 ④ 冷卻風扇的直徑 ： 風扇的外徑 就是風扇的直徑 D， 和 散熱器的 表 面積 風扇葉片的面積 大概是 13 即 21(4 s ? ）π ）（ 92? 則 ）s 2s 1(? ）（ 102?式中 ， 迎風面積。 s 表示轉子葉片的旋轉半徑與葉片旋轉半徑的比值。一般為 在 現(xiàn)實 的汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)中冷卻風扇的 外 徑一般 是 m。主要是由轉速決定的。轉速越快直徑越小。 冷卻 風扇 外 徑 D、風量 速 系為： ）（ 112? 式中 ， 風扇的直徑選擇如圖 圖 扇直徑的 選擇圖 ⑤ 風扇的消耗功率： [8] 風扇的消耗功率 ? . 02?）（ 122? 式中 ， ?常汽車發(fā)動機風扇效率為 14 扇與冷卻系統(tǒng)的匹配 通過 中所有的冷卻風扇的參數(shù) ，可以 先選擇 一個風扇和冷卻系統(tǒng)進行匹配。 比如 直徑為 260毫米的 匹配， 要有 風機流量系數(shù)，壓力系數(shù)和排放系數(shù) 風阻。 性能圖如圖 示。 圖 量與阻力關系圖 15 圖 量與壓力關系圖 圖 量與效率關系圖 16 因為 風扇性能 是在 不同轉速下通過相同的 方式 計算出來 的 ，所以風扇性能曲線的形狀在不同轉速下 是相似的 ，一維只有當高，中，低速三條曲線的性能曲線可以時， 在另一個速度曲線下可以通過曲線擬合得到，如圖 圖 量與靜壓關系圖 然后 和 散熱器性能曲線放在 一個 坐標系 里 如圖 圖 扇與散熱器的匹配圖 此奧迪風扇用于匹配分析。首先，獲得風扇流量要求為 1000 h/冷卻系統(tǒng)的阻力由風道系統(tǒng)和散熱器組成，兩者的比例通常取 這里根據(jù)風 17 量系數(shù) 算，匹配流量理論為 1428 h/即匹配流量風機和散熱器必須大于 1428 h/在現(xiàn)實中車輛正常運行時，風機風量可以提供 1000 h/上。參見圖 流量為 1428 h/，耐熱性約為 150據(jù)圖像顯示，如果要靜壓力為 150量為 1428 h/扇轉速就要大于 2900r/m 。同時，風扇流量為 1428 h/速度為 2900r/m ，交通系數(shù)約 后看看圖 風扇處在最高效率點附近時風扇的效率大約是 26%。同時，風機功耗計算為229W，符合制造商的功耗要求。 當冷卻風扇和散熱器配對成功后，確定冷卻風扇需要達到的靜壓，有效功率以及流量的參數(shù)，滿足汽車發(fā)動機冷卻風扇可以在任何工況下正常運行保持溫度正常穩(wěn)定。所以可以根據(jù)上述數(shù)據(jù)對風扇進行設計。 章小結 本章主要 對冷卻系統(tǒng)與冷卻風扇之間的關系進行論述，分析了要設計風扇就要與整個冷卻系統(tǒng)進行匹配，只有冷卻風扇和冷卻系統(tǒng)進行合理的匹配冷卻風扇才能正常工作。然后再對冷卻風扇的基本性能參數(shù)進行分析，總結了那些參數(shù)會對風扇的設計造成影響，最后進行匹配選擇一款散熱器與冷卻風扇進行匹配，并且得出風扇的一些性能要求和參數(shù)為后面的設計打好基礎。 18 3 風扇造型 件的介紹 稱為 管理軟件計算機輔助設置，指在圖形界面開發(fā)中使用計算機軟件進行管理軟件的設計 ，通過設計管理軟件的流程結構、數(shù)據(jù)結構，最終通過計算機軟件系統(tǒng)的自動數(shù)據(jù)加載、解析生成能夠獨立應用的管理軟件的過程。 制圖 的 最流行的映射軟件之一，由于其簡單的映射精度高，并且軟件地圖圖形的線條，尺寸標注負載國家標準。 使用 統(tǒng)模型可以被光陰，動畫和模擬的圖像處理所取代。 扇基本造型數(shù)據(jù) 基本建模數(shù)據(jù)包括風扇直徑，輪轂，風扇直徑比，葉數(shù)，葉和葉之間的角度，葉片尺寸，葉片質量等。由于輪轂對整個風扇的性能影響有限所以在這里只對葉片進行設計，輪轂用圓柱體來代替。 片的造型設計 在風扇中，沿著風扇的外徑用葉輪截取一個圓形，會出現(xiàn)一個由多個外形一樣，間距一樣的圖像組成一個表面稱為環(huán)形葉柵。而平面葉柵就是把環(huán)形葉柵投射到一個平面上。如圖 圖 面葉柵 將葉柵放到 19 圖 面的 標系 葉根及葉頂?shù)娜~片總寬度由計算得到而中間各截面的可按規(guī)律變化通過差值計算的出。 通過上文可以得知輪轂比為 以葉片數(shù)量的計算當輪轂比為 Z=6由式子 ）（）（π d1/?? ?Z ）（ 13? ?? ）（ 23? 當 d=?? ）（ 33? 所以 式中 ， 由上述可知當 d==葉輪的半徑截面半徑 r t ?? R ）（ 43? 當半徑為 b=θ = 當半徑為 7 3 3456 ?????????）（ 53? 翼型的彎度 20 ?????????? 2 1 2 3456）（ 63? 最后根據(jù) 風扇翼型 葉片 的 材料的密度 ? 為 g/ 求得 風扇 葉片的重量 最后是 得到葉柵最后的數(shù)據(jù)如表 表 柵的數(shù)據(jù) 截面半徑 弦長 安裝角 厚度 彎度 所以最后得到葉片的數(shù)據(jù)如表 示 表 片的數(shù)據(jù) 風扇外徑 轂比 片數(shù) 7 葉片夾角 葉片的體積為 128428葉片質量 用 件對風扇進行繪制 首先對單個葉片進行繪制如圖 圖 個葉片造型 通過第二章中所得的數(shù)據(jù)，按照葉片個數(shù)進行“環(huán)形列陣”并加上橢圓形的輪轂與外殼 可以得到風扇的整體造型 如圖 21 圖 扇的整體造型圖 章小結 本文中的 結構設計是在對發(fā)動機散熱器進行匹配以后根據(jù)發(fā)動機散熱器的與風扇的變化關系及對風扇性能的要求對風扇的葉片進行設計，得到翼型軸流式冷卻風扇。 22 4 總結與展望 結 為了能夠使冷卻風扇的工作效率得到提高，使發(fā)動機冷卻風扇可以在任何工況下正常運行，文章中按照冷卻風扇的設計步驟，對車用軸流式冷卻風扇進行設計分析。主要完成了以下工作： 1、對發(fā)動機冷卻系統(tǒng)進行初步介紹，對冷卻風扇的選型進行介紹，提出了風扇選型的總體要求以及風扇基本參數(shù)如何確定，然后再和一款發(fā)動機散熱器進行匹配，得到風扇要達到的要求的設計的基本參數(shù)。 2、根據(jù)風扇的基本要求和參數(shù)對風扇進行設計，由于在發(fā)動機軸流式冷卻風扇中輪轂對風扇的影響幾乎可以忽略不計，在本文中直接用圓柱代替，對葉片進行設計分析，并運用 圖 工具繪制三維圖形。 望 本文按照風扇的設計要求對風扇造型進行了基本的設計，但是由于時間、設備以及本人的理論知識儲備的限制無法做到更全面的研究分析，本文的研究在很多方面都需要更近一步，比如應該繼續(xù)對風扇的驅動電機進行進一步設計研究，當汽車在惡劣的路面上運行時風扇會出現(xiàn)依稀震動以及噪音方面進行進一步的研究。 23 參 考 文 獻 [1] 瀧本藤夫 . 汽車發(fā)動機的附屬裝置 . 人民交通出版社 , 1981,183[2] 黃暉 . 發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的研究與優(yōu)化設計 . 山東大學 , 2005. [3] 盧廣峰 , 郭新民 . 汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀 . 農機化研究 , 2002, 5: 129[4] 張雷鳴 . 內燃機冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化 2005. [5] 于海群 . 發(fā)動機冷卻系統(tǒng)匹配設計及動態(tài)特性仿真 . 江蘇大學 , 2007. [6] 劉越琪 . 汽車冷卻風扇的優(yōu)選方法 2004, 28（ 2） : 61[7] 張鐵柱 , 張洪信 . 內燃機冷卻風扇驅動系統(tǒng) . 青島大學學報 , 2002, 15（ 2） : 16[8] 李登龍 . 汽車發(fā)動機冷卻風扇的匹配及設計 . 機械產品與科技 , 2007, 1: 19[9] 昌澤舟 . 軸流式通風機實用技術 . 機械工業(yè)出版社 . 2005,23[10] 吳海榮 . 發(fā)動機冷卻系統(tǒng)設計參數(shù)的確定 . 農機化研究 , 2007, 1: 223[11] 姚仲鵬 ,王新國 . 車輛冷卻傳熱 . 北京理工大學出版社 , 2001, 136[12] 吉林工業(yè)大學內燃機教研室編 . 內燃機理論與設計 . 機械工業(yè)出版社 . 1977, 43 [13] 蘇延信 國科技投資， 2013. [14] 王海航 用發(fā)動機， 2015. [15] 楊平 動化儀表， 2013. 24 致 謝 這篇論文經(jīng)過韓老師的悉心教導逐漸完善并最終完成，在此我發(fā)自內心對于韓老師在各個方面對本次畢業(yè)設計中我們每一位同學和藹可親的鼓勵與幫助。韓老師用其寬廣的胸懷與豐富的知識體系，對于每件事清認真負責的優(yōu)良的工作作風，并且韓老師還有著虛懷若谷、謙虛謹慎的工作態(tài)度使我非常佩服與向往。在此，向韓老師表示最誠心的祝福和敬意。 寒來暑往，春秋幾度，轉眼在中北大學信息商務學院已經(jīng)四年了。忘不了剛剛踏入這校園的心情，那是我憧憬這對大學的美好。這里留下了我許多的汗水，得到了強壯的身體；學習了豐富的知識，更讓我在踏入社會這個大環(huán)境前有一個合適的適應期。回響著我晨讀的聲音，回憶著我對機械問題與同學的深入探討；教學樓的上課鈴聲陣陣啊，好像我仍然在教室里忙碌地記著筆記；在這最后，回首這四年以來豐富的大學生活少不了每一位同學與朋友的支持與發(fā)自內心的關懷，我逐漸成長起來，希望在以后的生活與工作當中我們都可以像雄鷹一樣展翅飛翔，施展自己的才華為祖國與 社會奉獻出自己的一份力量。 最后 再次感謝韓老師您對我的幫助。