汽车冷却系统设计.docx
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汽车冷却系统设计
一、冷却系统说明
内燃机运转时，与高温燃气相接触的零件受到强烈的加热，如不加以适当的冷却，会使内燃机过热，充气系数下降，燃烧不正常（爆燃、早燃等），机油变质和烧损，零件的摩擦和磨损加剧，引起内燃机的动力性、经济性、可靠性和耐久性全面恶化。
但是，如果冷却过强，汽油机混合气形成不良，机油被燃烧稀释，柴油机工作粗爆，散热损失和摩擦损失增加，零件的磨损加剧，也会使内燃机工作变坏。
因此，冷却系统的主要任务是保证内燃机在最适宜的温度状态下工作。
1.1发动机的工况及对冷却系统的要求
一个良好的冷却系统，应满足下列各项要求：
1）散热能力能满足内燃机在各种工况下运转时的需要。
当工况和环境条件变化时，仍能保证内燃机可靠地工作和维持最佳的冷却水温度。
2）应在短时间内，排除系统的压力。
3）应考虑膨胀空间，一般其容积占总容积的4-6%；
4）具有较高的加水速率。
初次加注量能达到系统容积的90%以上。
5）在发动机高速运转，系统压力盖打开时，水泵进口应为正压；
6）有一定的缺水工作能力，缺水量大于第一次未加满冷却液的容积；
7）设置水温报警装置；
8）密封好，不得漏水；
9）冷却系统消耗功率小。
启动后，能在短时间内达到正常工作温度。
10）使用可靠，寿命长，制造成本低。
1.2冷却系统的总体布置
冷却系统总布置主要考虑两方面：
一是空气流通系统；二是冷却液循环系统。
在设计中必须作到提高进风系数和冷却液循环中的散热能力。
提高通风系数：
总的进风口有效面积和散热器正面积之比≥30%。
对于空气流通不顺的结构，需要加导风装置使风能有效的吹到散热器的正面积上，提高散热器的利用率。
在整车空间布置允许的条件下，尽量增大散热器的迎风面积，减薄芯子厚度。
这样可充分利用风扇的风量和车的迎面风，提高散热器的散热效率。
一般货车芯厚不超过四排水管，轿车芯厚不超过二排水管。
在整车布置中散热系统中，还要考虑散热器和周边的间隙，散热器到保险杠外皮的最小距离100毫米，如果发动机的三元崔化在前端的话，还要考虑风扇到三元催化本体距离至少100毫米，到三元催化隔热罩距离至少80毫米。
一般三元催化的隔热罩到本体大概有15毫米，隔热罩厚度为0.5－1毫米，一般材料为st12。
1.2.1散热器布置
货车散热器一般采用纵流水结构，因为货车的布置空间也较宽裕。
而且纵流水结构的散热器强度及悬置的可靠性较好，轿车多采用散热器横流水结构，因为轿车车身较低，空间尺寸紧张。
横流水结构散热器能充分地利用轿车的有限空间最大限度地增加散热器的迎风面积。
散热器分成水冷和风冷两种冷却形式，风冷主要用在行驶在沙漠地带的车辆的冷却，但是决大多数的车辆采用水冷冷却形式。
散热器悬置布置：
散热器通常为四点悬置，也可以采用三点悬置。
其中主悬置点为2个，辅助悬置点为2个或1个。
所有悬置点应布置在同一个部件总成上，改善散热器受力情况，以尽量减少散热器的振动强度。
主悬置点与其连接的部件总成之间以胶垫或胶套等柔性非金属材料过渡以达到减震的目的。
主悬置点的胶垫压缩量一般为其自由高度的1/5左右。
少数轿车因其整车的减振胶垫或胶套而进行刚性连接。
中，重型载货汽车由于散热器的质量大及使用环境较差，一般要在散热器的外部增加一个刚性较大的保护框架，以防止振动等外界力直接作用在散热器上。
悬置点设置在框架上。
轻型货车和轿车一般不加保护框架，悬置点设置在散热器的侧板或水室上。
为提高散热器强度一些车散热器上加有十字拉筋。
1.2.2护风罩布置
护风罩的作用是确保风扇产生的风量全部流经散热器，提高风扇效率。
护风罩对低速大功率风扇效率提高特别显著。
风扇与护风罩的径向间隙较小，风扇的效率越高。
但间隙过小，车在行驶中由于振动会造成风扇与护风罩之间的干涉。
风扇与护风罩之间的径向间隙一般控制在5mm－25mm。
当风扇与护风罩之间的干涉。
风扇与护风罩安装在同一零部件总成上（如同在底盘或同在车身上）其径向与相对运动，风扇与护风罩之间的间隙可以下线，否则取上限。
风扇与护风罩的轴向位置一般为：
风扇径向投影宽度的2/3在护风罩内，1/3在护风罩外，以增加导流减小背压。
在大批量生产的车型中多采用塑料护风罩。
铁护罩多用于批量小或直径较大的车型中。
在某些车型中，特别是轿车，护风罩在常开有多个窗口并加以单向帘布。
当车速较高，风扇停止运转时帘布打开减小护风罩的风阻，当风扇启功后，帘布关闭提高风扇效率。
1.2.3风扇布置
风扇直径大小应和散热器的形状相协调，条件允许时可增大风扇的直径，降低风扇转速。
以达到减小功率消耗和降低噪音的目的。
在某些散热器长，宽比例相差较大时，如轿车散热器，有时采用两个直径较小的风扇所取代。
特别是要求转速较高的风扇中已全部采用塑料风扇。
电动风扇是由电动机来驱动风扇，电动机的启动与停止是受水温直接感应的温度开关来控制。
电动风扇具有起动温度与设定温度一致，布置位置灵活，不受发动机转速的影响，汽车在低速怠速时冷却效果好等优点，冷车启动时水温上升较快。
但也多用于发动机横置的轿车。
1.2.4调温器布置
目前汽车上应用的调温器均采用蜡式感应体调温器。
当冷却水温温度升高时蜡膨胀，调温器开启，冷却水流经散热器进行大循环。
当冷却水的温度降低时蜡体积缩小，调温器关闭，冷却水不经过散热器，短路流经发动机刚体进行小循环。
调温器一般布置在发动机的出水口处。
要求调温器的泄漏量小，全开时流通面积大。
增大调温器的流通面积可以通过提高调温器阀门的升程和增加阀门的直径来实现。
国外较先进的调温器多通过提高阀门升程来增大流通面积，这样可以减少因增大调温器阀门直径带来的卡滞，密封不严等问题。
但是增大调温器的升程，对调温器技术要求较高。
有些发动机为增加调温器的流通面积多采用两只调温器并联结构。
1.2.5水泵布置
水泵的流量及扬程根据不同的发动机而定。
流量一般为发动机额定功率的1.5－2.7倍。
，扬程一般为0.7kpa－1.5kpa，扬程过高对冷却系统的密封性会产生不利的影响。
水泵的可靠性主要取决于水封和轴承，轴承普遍采用轴连轴承及永久式润滑结构，水封采用陶瓷，碳化硅动环和石墨静环整体式水封。
轴承的游隙及水封的气密性要严格控制。
1.2.6膨胀箱布置
尽量靠近散热器布置，使得水管长度最短；膨胀箱的高度要高于冷却系统所有部件。
1.2.7变速箱冷却布置
1.2.8中冷气布置
1.3冷却系统主要部件匹配设计要点
在整车总布置空间允许的条件下，尽量增大散热器的迎风面积。
在保证风量不变的条件下，可以适当增加风扇直径，降低风扇转速，减少噪声和功率消耗。
冷却系统的最高水温应以发动机的允许使用水温为标准。
调温器的全开温度应为发动机正常工作水温范围的中限，开启温度应为发动机正常工作水温范围的下限。
但因调温器的自身特性，开启温度一般低于全开温度10摄氏度左右。
风扇离合器啮合温度应设定在调温器初开温度和全开温度的中间温度。
但应注意硅油风扇离合器啮合温度与冷却水的实际温度间存在一定差异（水温是通过空气温度间接反应在风扇离合上），在设定硅油风扇离合器啮合温度时应充分考虑到这一点。
1.4冷却系统轮廓图（例子）
1.散热器张紧板2.六角法兰面螺栓3.橡胶衬套4.散热器总成5.弹性卡箍6.发动机出水管7.弹性卡箍
8.水管－膨胀箱至散热器9.水管卡片10.六角法兰面螺栓11.管夹12.六角法兰面螺栓13.膨胀箱总成14.弹性卡箍15.水管－膨胀箱至水泵16.水管－发动机至膨胀箱17.弹性卡箍18.发动机进水管19.弹
性卡箍20.弹性卡箍21.暖风机进水管22.弹性卡箍23.暖风机出水管24.橡胶软垫25.六角法兰面螺栓26.风扇电机带护风圈总成
二、散热器总成布置及设计参数
1设计参数
散热器散热量的计算
散热器正面积概念、散热器的总散热面积、散热器的散热系数
2主要设计参数的决定因素和最优化的目标。
冷却系统散走的热量Qw，受许多复杂因素的影响，很难精确计算，初估Qw时，可以用下列经验公式估算。
其中Qw与A─传给冷却系统的热量占燃料热能的的百分比，对汽油机A=0.23～0.30；ge─内燃机燃油消耗率（千克/千瓦·小时）；Ne─内燃机功率（千瓦）；hn─燃料低热值，hn=43100千焦/千克有关。
传热系数K是评价散热效能的重要参数。
提高散热系数可以改善三热效能，减少尺寸和材料消耗。
传热系数受散热器芯部结构、水管中冷却水的流速、通过散热器的空气流速、管带材料以及制造质量（特别是焊接质量）等许多因素的影响。
散热器的另一质量指标是空气阻力P，它主要取决与散热器芯的结构和尺寸。
散热器的传热系数和空气阻力，只能是通过专门的试验才能实现。
影响传热系数最主要的因素是通过散热器芯的空气流速，当空气流速提高时，传热系数增大，但同时使空气阻力按平方关系更急剧的增长，使风扇功率消耗很快增加。
当散热器外形尺寸不变时，增加散热带的间距，可以提高传热系数，但是由于散热面积减少，总散热量反而下降。
3环境条件
环境温度45℃，日照950W/M2
系统设置最低温度-35℃。
在试验压力0.35Mpa和0.01Mpa下，不允许有泄露
4基本设计要求
关于散热器的规格，因以下的理由，应根据供应商的推荐决定其规格。
1.虽然有散热器的设计计算公式（参考），但最近的倾向是不通过计算公式来决定散热器的参数。
另外，因为试验经验得出的系数较多，所以理论数据与实际不符。
2.从最近的散热器的技术、倾向及成本等考虑的话，从散热器供应商所设定的标准件中选择合适的规格更有利。
三膨胀箱总成设计
1设计原则
冷却液在发动机冷却回路流动，随温度升高体积膨胀，为吸收这部分膨胀体积而设置了膨胀箱。
具有膨胀箱的冷却系统根据膨胀箱有无加压分为两种：
系统A：
在加压系统内具有冷却液的膨胀空间（膨胀箱），冷却液循环到膨胀空间中，进行气液分离。
膨胀箱应耐热、耐压，位置高于散热器并保持系统内压力适宜。
系统B：
在加压系统内具有冷却液的膨胀空间（膨胀箱），仅在溢流至膨胀箱时进行气液分离。
膨胀箱耐热性、容量、位置要求低些。
膨胀箱由两个注塑件组成，通过焊接（热焊、超声波焊接）组成一体。
形式不一
膨胀箱盖要求
附录
特征
测试条件
限制
目测
2.3
尺寸、外型、误差、材料、处理
2.4
参考图纸
标识
2.5
尺寸的稳定性
2.6
≤0.5％，用手可以将盖顺利的旋下
温度循环测试
2.7
无泄露，用手可以将盖顺利的旋下
模拟老化测试
2.8
无泄露，褪色，或者破裂
爆
破
测
试
新
23±2℃
2.9
经过实验后的膨胀箱与新的测试数据相差≤20％
90±2℃
温度循环后
23±2℃
模拟老化后
加压疲劳测试后
压力温度疲劳测试后
四冷却风扇总成设计
1设计要点
为了加强足够的空气量通过散热器，必须在冷却空气道中安置风扇。
在水冷内燃机机上，一般采用轴流式风扇，其结构简单，在系统中布置方便，在低压头下风扇风量大。
2主要设计参数的决定因素和最优化的目标。
风扇的外径略小于散热器芯部的宽度和高度，其值在0.3~0.7米之间，风扇轮毂半径与风扇外径比称为轮毂比，一般取0.2~0.25左右，风扇叶片长与风扇外径之比0.34~0.36之间。
风扇叶片所扫过的圆环面积与散热器芯部正面积之比为0.45~0.60。
风扇叶轮叶数z和叶宽度b由风扇计算确定。
当z和b增加时，扇风量和风压都增加，但风扇功率消耗也增加。
轮叶宽度从叶根到叶顶逐渐减小，不仅从轮叶强度考虑合理，而且有助于提高风扇效率。
因为风扇的排量、风压和功率消耗分别与风扇的转速一次、二次、三次成正比，所以提高转速是增加风量和风压的有效方法，但功率的消耗也急剧增加。
而且风扇转速太高，会发生很大的尖锐噪音。
在散热器与风扇之间要设导流风罩，并且必须密封导风罩与散热器的联结处，防止风扇抽风时，外界空气从不密封处短路流入风扇，使流过散热器的风量减少，使散热器的散热效果下降。
2详细设计要求和试验要求
2.1电机应符合本标准及成文程序批准的图纸及设计文件制造。
2.2使用环境条件
在表1所列的环境条件下，电机应能正常工作。
表1电机工作环境
温度
℃
相对湿度
气压
kPa
振动
冲击加速度
m/s2
-40~+110
12%~95%
86~106
5Hz~60Hz
A=±0.5mm
100（峰值）
2.3外观、装配质量及测试技术指标
2.3.1外观质量检查
电机表面不应有锈蚀，涂敷层剥落，碰伤和划痕，紧固件应牢固，铭牌标志的字迹和内容应清楚无误。
2.3.2电机轴向间隙测试
电机轴向间隙不大于0.4mm。
2.3.3风扇跳动量检查
风扇的径向跳动量不大于1.5mm，轴向跳动量不大于2mm。
2.3.4主要尺寸检查
主要尺寸按图纸检查应合格。
2.3.5工作电压检查
在9V~15V直流电压下，电机应能正常运转，无异常声响。
2.3.6旋向检查
从轴伸端看，电机应按顺时针方向旋转。
2.3.7负载特性
12V±0.1V直流电压下，电机各档转速及风扇总成最大电流消耗符合图纸技术要求规定。
2.3.8绝缘介电强度
在70℃，500V、50Hz正弦交流电压状态下，持续1s应无击穿及表面放电现象。
2.3.9剩余静不平衡量要求
风扇总成剩余静不平衡量不大于40g·mm。
2.3.10风量检测要求
在指定风压及12V±0.1V直流电压下，各档风压应符合图纸技术要求规定。
2.3.11噪声试验
12V±0.1V直流电压，风扇总成带冷凝器和散热器的工况下，单风扇、双风扇最大声压级不大于75dB（A）。
2.3.12过电压试验要求
试验电压16.5VDC，通电1h，试验后电机应能正常工作。
2.3.13短时过电压要求
试验电压24VDC，历时2min，试验后电机应能正常工作。
2.3.14无载循环空气贮存
在-40℃±2℃下存放1h，转换1h，+110℃±2℃下存放1h，试验后电机应能正常工作。
2.3.15冷起动性能要求
0℃条件下存放5h，试验后立即通以12V直流电压，电机应能立刻起动并在30s内达到额定转速。
2.3.16盐雾要求
工作室温度35℃时，经受5%Nacl溶液，试验6h后，镀锌层无腐蚀现象；连续96h，试验后的金属件可抗8级以上锈蚀，连续144h后，通以12V±0.1V直流电，测试电机负载特性应与第3.3.7款项之规定相同。
2.3.17振动要求
经受振幅A=±0.5mm，频率f=5Hz~60Hz~5Hz，循环持续时间约1min，历时24h的垂直方向振动后，在12V±0.1V直流电压下，测电机负载特性应与第3.3.7款之规定相同，且紧固件无松动。
2.3.18抗干扰要求
12V±0.1V直流电压下，风扇或风扇总成工作时对随车无线电设备产生的干扰限值应满足下表2中规定之范围，当用户有特殊要求时，干扰度应符合图样的规定。
表2风扇电机电磁干扰限值
谐波频率（MHz）
最大干扰电压（dBμV）
低频（LW）
0.15~0.3
80
中频（MW）
0.5~1.65
50
高频（KW）
5.95~28
40
超高频（UKW）
68~108
24
2.3.19最大水稳定性要求
风扇电机在水流冲击作用下运转，总检验时间为144h。
每小时接通时间为15s，在风扇电机不转时，以30s/h冲击。
在电机上的水喷射直径d≈100mm，水压p≈1.5bar，吹风管到目标的距离s≈500mm，吹风管形式采用lechler公司的DR112型，鼓风和固定与在汽车的装入位置相符，试验后通以直流电压12V±0.1V，电机负载特性应符合3.3.7款中有关规定。
2.3.20寿命要求
该试验旨在对电机及各零件的寿命进行全面考核，总运转时间为1000h，检验电压为直流电压13.0V±0.2V。
不许风泄漏，接通时间为45s，断开时间为15s，（但至少要等到停止状态后再重新起动），寿命试验后，转速、电流消耗及声压级应满足图纸规定。
2.3.20.1单速风扇的运转
a）在100℃，相对湿度12%情况下，运转400h；
b）在50℃，相对湿度95%情况下，运转600h。
2.3.20.2双速风扇的运转
a）在100℃，相对湿度12%情况下，高速运转400h；
b）在50℃，相对湿度95%情况下，高速运转400h；
c）在50℃，相对湿度95%情况下，低速运转200h。
2.3.20.3三速风扇的运转
a）在100℃，相对湿度12%情况下，高速运转400h；
b）在50℃，相对湿度95%情况下，中速运转400h；
c）在50℃，相对湿度95%情况下，低速运转200h。
五橡胶水管参数
发动机冷却回路中的水管具有吸收发动机振动和散热器相对运动的作用。
因此，耐热性、耐臭氧性、耐压性、对冷却液的适应性及柔软性是水管应具有的性能。
在实际使用中，壁厚4mm以上的橡胶硬度为60~70HS。
从柔软性方面考虑，中间加强型管子用60HS，纯橡胶为70HS。
从管子连接处的密封考虑，管子内径比与其连接管的外径小1mm，胶管两端与其它管相连接时，应有30mm的插入量。
1、散热器橡胶水管结构参数
1.1结构：
内胶层、骨架层、外胶层
1.2材料品种：
内胶层：
EPDM、骨架层：
聚脂线1500D×1、外胶层：
EPDM
1.3基本规格尺寸：
内径Ф24+0.5-1、Ф27、Ф30、Ф33～Ф38、壁厚4+0.5-0或5±0.3
1.4技术要求：
项目
指标
内胶层
外胶层
硬度（邵尔A）
60±5或70±5
拉伸强度MPa≥
9.8
9.8
扯断伸长率%≥
250
300
热空气老化
120℃×70h
拉断强度变化率%
±30
拉断伸长变化率%
-50以内
硬度变化（邵尔A）
+20以下
耐冷却液沸点70h
拉断强度变化率%
±25
拉断伸长变化率%
±30
体积变化率%
-5～+10
硬度变化（邵尔A）
±10
耐机油性
№2（100℃×24h）
硬度变化（邵尔A）
0～-18
拉断强度变化率%
±20
拉断伸长变化率%
±30
体积变化率%
0～100
压缩永久变形120℃×24h%≤
65
脆性温度℃
-40
耐臭氧（50±5）pphm×（70±2）h×（40±2）℃
无龟裂
水管成品性能
项目
性能
耐高温性120℃×168h
无裂纹
耐臭氧性50pphm×40℃×72h
无龟裂
耐低温性-40℃×24h
无断裂
常态耐压性
外观
无龟裂、局部凹凸现象
爆破压力MPa≥
0.5
外径变化率（0.2MPa×5min）%
15以内
粘合强度KN/m≥
1.2
2、暖风机橡胶水管开发指南
2.1结构：
内胶层、骨架层、外胶层
2.2材料品种：
内胶层：
EPDM、骨架层：
聚脂线1000D×1、外胶层：
EPDM
2.3基本规格尺寸：
内径Ф13+0.3-0.5、Ф16、Ф19壁厚4+0.5-0
2.4技术要求：
项目
指标
内胶层
外胶层
硬度（邵尔A）
60±5或70±5
拉伸强度MPa≥
9.8
9.8
扯断伸长率%≥
250
300
热空气老化
120℃×70h
拉断强度变化率%
±30
拉断伸长变化率%
-50以内
硬度变化（邵尔A）
+20以下
耐冷却液沸点70h
拉断强度变化率%
±25
拉断伸长变化率%
±30
体积变化率%
-5～+10
硬度变化（邵尔A）
±10
耐机油性
№2（100℃×24h）
硬度变化（邵尔A）
0～-18
拉断强度变化率%
±20
拉断伸长变化率%
±30
体积变化率%
0～100
压缩永久变形120℃×24h%≤
65
脆性温度℃
-40
耐臭氧（50±5）pphm×（70±2）h×（40±2）℃
无龟裂
成品性能
项目
性能
耐高温性120℃×168h
无裂纹
耐臭氧性50pphm×40℃×72h
无龟裂
耐低温性-40℃×24h
无断裂
常态耐压性
外观
无龟裂、局部凹凸现象
爆破压力MPa≥
0.8
外径变化率（0.2MPa×5min）%
15以内
粘合强度KN/m≥
1.2
升级会员 