图5芯子的种类
a.管片式b.管带式c.细胞式d.管芯式
2.3理论依据及计算
2.3.1散入冷却系统的热量
Qw受许多复杂因素的影响,很难精确计算,可以用下列经验公式估算:
Qw=AgePehu/3600,kj/s⑴
A-燃料热能传给冷却系的分数,取同类机型的统计量,%,汽油机A=0.23〜0.30,
ge-燃料消耗率,kg/kw.h;汽油机0.205〜0.320取0.25
Pe-发动机有效功率,
hu-燃料低热值,一般取43100kj/kg
若水冷式机油散热器,要增加散热量,Qw增大5%〜10%.
2.3.2冷却水的循环量
Vw=Qw/△TwywCw,m3/s⑵
tW-冷却水循环的容许温升(6-12),取8
rW-水的密度,(1000kg/m)
CW-水比热(4.187kJ/kg.C)
考虑到冷却液在各管道中的沿程阻力
实际冷却水循环量为Vp=1.2Vw
2.3.3冷却空气的需要量Va
Va一般根据散热器的散热量来确定,散热器的散热量可近似等于散入冷却系统的热量
2.3.4散热器所需的散热面积F
取A=0.25
Qw。
已知散热器散发的热量后,所需散热面积F可由下式计算:
K-散热器的传热
Ktm
系数千卡/米2"小时
澈热器贮备系数,水垢及油泥影响等,一般=1.1〜1.5,取1.1
tm-冷却水与空气的平均温差,取26
平均温差tm可由下列式计算:
ts2£tk226
22
k102千卡/米2.小时.C
11
w—从冷却水到散热器壁的放热系数,当冷却水流速为0.2〜0.6m/s时,w约为2000
3500千卡/米〔小时.C,取3500。
—散热管导热系数,纯铝导热系数为230W/m.k,换算为197.8千卡/米•小时Q
—散热管壁厚,0.0002m
L—散热管到空气的散热系数,当流过散热管的空气流速为10〜20m/s时,L=60105千卡/米〔小时.C,取105。
2.3.5散热器的高度h和宽度b
根据总体布置确定散热器的高度和宽度。
一般先确定高度h,再确定宽度bo
b=FR/h,m
2.3.6散热器芯部的选择与计算
(1)在计算出散热面积后,就是散热器芯部的选择。
从结构上分主要有管片式和管带式两种(如图
6)o这里选用管带式散热器。
管片式
图6
{2}管带式散热器芯子按照冷却管在芯厚T方向从一到五的排数可分为D1,,D2,D3,D4,D5五种形式。
见附图
(1)中示出D1,D2,D3型的排列方式。
(3)芯子中冷却管分为咬口管和高频对焊管两种型式(见附图2);其尺寸见附表
(1)。
(4)芯子中散热带的型式见附图
(1),其尺寸见附表
(2)。
(5)芯子的尺寸
芯子内部个尺寸关系见附表(3)。
(6)芯厚T、芯宽W和芯高H见附图
(1)和附图(3),尺寸见附表(4)和附表(5)。
2.4实例计算
以本田雅阁2.3自动VTI-L车型为例:
发动机主要参数:
类型:
水冷4冲程,直列4缸SOHCVTEC,16气门横置
气缸直径与行程:
86.0mmx97.0mm
发动机排量:
2254ml
压缩比:
8.9:
1
最大功率:
110kw/5700rpm
最大扭矩:
206N.m/4900rpm
2.4.1基本结构及参数设计
(1)考虑到散热器的悬置稳定性以及本田雅阁车型的引擎布置的空间结构选用散热器的结构型式选用直流式。
(2)散热器芯部的结构型式选用管带式,对于管带式散热芯子,它是由波纹状的散热带和散热管相间排列构成的而且在散热带上一般开有许多类似百叶窗的孔,以破坏空气流在散热带表面上的附着层,提高散热力。
这种散热器的芯子与管片式相比,散热能力较高,制造工艺简单、质量轻、成本低,但结构强度不如管片式好,因此多用于小客车及轿车。
故,本发动机散热器芯子的结构型式选用管带式。
(3)散入冷却系统的热
cAgePehu0.25110431000.25“「'斗
QW—82.31kJ/s70776千卡/小时
36003600
燃料低热值,一般取43100kj/kg
(4)冷却水的循环量VW
⑸冷却空气的需要量Va
(6)散热器所需的散热面积F
(7)根据汽车行业标准QC/T29025-1991,参考表1选择如下芯子:
冷却管选取高频对焊型冷却管W型号,b1=2mm,L=16m,
参考图7选用D2型双排冷却管,如图10
WAV
图10
参考芯子内部尺寸关系表3得:
C=L+4=20mmd=L+i=9mmT=(2-1)C+2d=38mm
参考散热器芯子中散热带的尺寸表3取b=10mm,t=4mm
(8)根据汽车行业标准QC/T29025-1991表芯厚T、芯宽W和芯高H
H取420mm,W取530mm,T为38mm
22
(9)散热器正面积(迎风面积)为WH=420530222600mm0.2226m
(10)每片散热带的有效散热面积(双面)
I
t22H22
()bT2210.210538162700mm0.1672m
S0=2t
故所需的管带数为44+仁45片
(14)每根冷却管表面积约为:
s2(216)42015960mm20.1596m2
2
冷却管总表面积约为0.15968814.0448m
总散热面积s14.047.321521.3615,满足散热面积要求。
2.4.2上贮水箱设计
上贮水箱又称进水室,在所设计的纵流式散热器中,散热器芯竖立布置,上接进水室,下连出水室,冷却液由进水室自上而下流过散热器芯部进入出水室。
上贮水箱上有加冷却液的进液口,也设有流经过发动机缸体水套被加热了的热冷却液的回流口。
同时上贮水箱又要储存一定量的冷却液来保证冷却液能够布满整个散热器芯部。
此外上贮水箱上还应设置有散热器悬挂所用的禁锢螺栓。
因此上贮水箱的设计也关系到整个散热器性能的好坏。
考虑到散热器的整体尺寸与安装关系,再结合散热器芯部的尺寸参数设计散热器进水室的结构寸如图()散热器上贮水箱结构使用示意图所示。
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图()散热器上贮水箱结构示意图
图中1、钓饵2、箱体3、加液口4、进液口
图中,散热器进水室水平长度为550mm是根据散热器芯部44排高频对焊管加45排管带的尺寸和再加上散热器左右框架及安装冷却风扇护风罩的之家的尺寸而定的。
散热器进水室的水平宽度为
44mm。
这是根据散热器管带的宽度在考虑到与散热器框架与整体布局而定的。
散热器进水室竖直高
度为44mm。
这是考虑到散热器进水室上焊装有与发动机缸体水套连接的进水管口,与散热器整体的悬挂空间及美观性为出发点的。
此外,加冷却液口处于进水室上部靠右边处这是考虑到人们加冷却液时的位置,加冷却液口在保证处于整个散热器最上方的同时尽量的靠边。
这样人们加冷却液与检测冷却液的多少,方便又舒适。
散热器加冷却液口得上部内的径为33mm,上部内径为20mm,这是考虑到散热器盖得下密封面,
及下密封面被内部压力顶起时泄压的顺畅性。
加冷却液口上下密封面之间距离为20mm,这综合考
虑到散热器的结构与尺寸参数,考虑到溢流管的布置位置,考虑到加冷却液口总高而定的。
溢流管的溢压口在距加冷却液口下密封面10mm的地方,它用以保证冷却系统内的压力,以及散热器盖下
密封衬垫被内部压力彻底打开时泄压与溢流的顺畅。
散热器进水室上进液口位于正视靠左靠上的位置,因为从发动机缸体内出来的高温冷却液要由此口进入到散热器降温。
因此此进液口的位置应该尽量靠上,以及保证高温的冷却液能够顺畅无阻的进入并充满整个散热器,并且抑制进水室内的水倒流,进入发动机缸体水套。
尽量地靠左边是为了避开右侧的加冷却液口,并且保证进水管的布置以及散热器与后面发动机的空间位置关系。
根据附表()得,散热器进出水管的规格尺寸。
初步选用直径34mm的进水管,再根据要求进水管安装
部分的外径必须大于进水管内径1mm。
故散热器进水口的外径35mm,内径为33mm。
进水口外径
上分布有3圈斜齿环,它是为了保证进水口与进水管的装配牢固性而设计的。
242下贮水箱的设计
下贮水箱又称出水室,冷却液由进水室自上而下流经散热器芯部进入出水室。
下贮水箱上接有冷却液流经冷却水泵进入发动机缸体水套的管道,还有更换冷却液是的排水阀。
考虑到散热器的整体尺寸与安装关系,再结合散热器芯部的尺寸参数设计散热器出水室的结构尺寸如图()所示。
图()散热器下贮水箱结构示意图
1、箱体2、冷却管对接口3、出水口4、放液口5、底座螺钉
图中,散热器出水室水平长度为556mm是根据散热器芯部44排高频对焊管加45排管带的尺寸
和再加上散热器左右框架及安装冷却风扇护风罩的之家的尺寸而定的。
散热器出水室的水平宽度为
44mm。
这是根据散热器管带的宽度在考虑到与散热器框架与整体布局而定的。
散热器进水室竖直高
度为44mm。
这是考虑到散热器进水室上焊装有与发动机水泵连接的出水水管口,与散热器整体的悬挂空间及美观性为出发点的。
散热器出水室出水管口内腔与出水室下底面相切,这是考虑到散热器出水顺畅,同时来自整个散热器内的水压也减轻了冷却系统水泵的工作阻力。
出水管口还尽量靠右,这是考虑到整个冷却系统的布置,发动机进水管的布置以及散热器与发动机的空间位置。
根据附表()得,散热器进出水
管的规格尺寸。
初步选用直径34mm的进水管,再根据要求出水管安装部分的外径必须大于纯水管
内径1mm。
故散热器出水口的外径35mm,内径为33mm。
出水口外径上分布有3圈斜齿环,它是为了保证出水口与进水管的装配牢固性而设计的。
位于左下边的带内管螺纹的为散热器的放水阀。
放水阀是在更换冷却流时打开让散热器内的冷却液流出的阀门。
因此它的内径也与散热器出水室的下底面相切,用以保证放水时散热器内的冷却液能彻底的排净以及放水时的出水压力。
它外径为8mm,内径为5mm,是考虑到出水阀的规格尺寸
而定的。
在进水室下部两锥斜面上相距中心233mm处于对称的分布有两个底座螺钉。
底座下表面相切有
在螺钉上穿着的柔性垫片,用以吸阵,保证整个散热器悬挂的稳定性。
2.4.3散热器盖设计
现代汽车发动机强制循环水冷系统都用散热器盖严密的盖在散热器冷却液口上,使水冷系统成
为封闭系统,通常称这种水冷系统为闭式水冷系统。
密闭式水冷系统可使系统内的压力提高98―-
196kpa,冷却液的沸点也相应的提高到120C左右,从而扩大散热器与周围空气的温差,提高了散热
器的换热效率。
在散热器换热能力增强的前提下就可以相应的减小散热器的尺寸,以达到材料和质量的进一步优化。
此外,闭式水冷系统可以减少冷却液外溢及蒸发损失。
散热器盖得作用是密闭水冷系统并调节系统的工作压力。
当散热器盖盖在散热器加冷却液口上并锁紧时,散热器盖的上密封衬垫在压力阀弹簧的作用下与加冷却液口上的上密封面贴紧,散热器盖的下密封衬垫在压力弹簧的作用下与冷却液口的下密封面贴紧,这时水冷系统被密封。
散热器盖的结构及工作原理如图()所示。
压力阀开启殳空冏幵启
图()散热器盖结构及工作原理图
当发动机工作时,冷却液的温度逐渐升高,冷却液的体积膨胀,使水冷系统内的压力增高。
当压力超过预定值时,压力阀开启,一部分冷却液经溢流管流入补偿水箱,以防止冷却液胀裂散热器。
当发动机停机后,冷却液的温度下降,水冷系统内的压力也随之降低。
当压力低于大气压力出现真
空时,真空阀开启,补偿水箱内的冷却液流回散热器,可以避免散热器被大气压力压坏。
补偿水箱内的液面有时升高,有时降低,而散热器缺总是被冷却液充满。
在压力阀和真空阀的作用下补偿水箱还可以消除水冷系统中的所有气泡。
不论水冷系统中有空气泡还是水蒸汽泡,都会降低传热效率,
当水冷系统中有空气泡时还会增加金属被腐蚀的危险。
因此散热器盖的设计也至关重要。
(1)散热器盖基本参数的设计
由于散热器盖是严密的盖在散热器加液口上的,因此散热器盖盖体与加液口的外径保证尺寸上的配合。
散热器盖上的密封衬垫在压力阀弹簧的作用下与加冷却液口上的上密封面贴紧,因此上密封衬垫的尺寸与加液口上密封面的尺寸也存在对应关系。
散热器盖的下密封衬垫在压力弹簧的作用下与冷却液口的下密封面贴紧,因此下密封衬垫的尺寸与加液口下密封面的尺寸也存在对应关系。
图()散热器盖结构图
1、散热器盖
2、上密封衬垫3、压力弹簧
4、下密封衬垫
5、真空阀6、压力阀
散热器盖要能完全的套在加冷却液口上,故她的内径应略大于加冷却液口得外径。
上密封衬垫
是盖在加冷却液口的上密封面上的,为了保证上下密封面的密封效果,在根据加冷却液口上密封面的尺寸参数,取散热器盖上密封衬垫的内外径分别为:
32mm、36mm。
上下密封衬垫间的距离是根
据加液口上下密封面间的距离与散热器盖盖上后的预压力而取20mm。
下密封衬垫与加液口下密封
面之间的密封程度要求比较高,因为冷却系统内的压力是考散热器盖下密封面所受弹簧的推理决定的。
考虑到冷却系统冷却系统内压力过高泄压时,下密封面要向上滑行以打开加液口,因此下密封
衬垫应尽量厚且直径略小于加液口小径。
(2)压力阀弹簧的参数设计
预设闭式水冷系统在系统内压力提高160kpa时,压力阀开启,一部分冷却液经溢流管流入补偿
水箱。
已知:
散热盖器盖下密封面受冷却系统内压力的面积
sR2102314mm20.000314m2
根据情况当冷却系统内压力超过160Kpa时,系统内压力推动散热器盖内的下密封衬垫直到溢流
1900mpa。
试算弹簧丝直径d‘
故所选d符合设计要求。
根据变形条件求出弹簧的工作圈数
所设计的弹簧的各种参数如表(
名称
公式
值(mm)
中径D
D=Cd
12
内径D1
D=D-d
10.8
外径D2
D=D+d
13.2
旋绕比C
D
C—d
10
压缩弹簧长细比b
b=D
2
自由长度H0
HoPn(1.5~2)d
24
工作长度h
hH0max
10
有效圈数n
Gd
n3max
8FmaxC
3.42
节距p
p(0.28~0.5)D
5.2
螺旋角
arctan-^-
D
2.4.4散热器放液阀设计
150多度的
放水阀是更换散热器冷却液以及维修排放冷却液不可缺少的一个部件,它要求能耐高温,耐腐蚀,耐高压,有很好的密闭型。
根据散热器放水阀口的位置及阀口开关的操作方式以及球阀:
结构简单,开关迅速,操作方便,体积小,重量轻,零部件少,流体阻力最小,密封性好的特点,通常,在双位调节、密封性能严格、磨损、缩口通道、启闭动作迅速、高压截止(压差大)、低噪音、有气化现象、操作力矩小、流体阻
力小的管路中,推荐使用球阀,因此散热器的放水阀采用速开速闭的球阀结构。
具体结构与尺寸见图()
图()放水阀结构示意图
1、阀体2、调整垫3、阀盖4、阀芯5、密封圈
6、填料垫7、填料8、压紧套9、扳手10、阀杆
3散热器材料
在选择散热器的材料时,主要考虑以下几点:
传热性能好、抗腐蚀能力强、具有足够的强度、有良好的钎焊性能、易于加工成型及好的经济性。
根据以上要求,散热器行业一直以铜及铜合金作为制
造散热器的主要材料。
铜散热器的散热管的材料一般采用H90黄铜带,其厚度为0.01〜0.20mm。
管片式散热器散热片的料一般采用H62、H68黄铜带,其厚度为0.08