汽车散热器的毕业设计论文.docx
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汽车散热器的毕业设计论文
汽车散热器的毕业设计论文
学校:
河北旅游职业学院
系别：
机械电子系
专业：
机械制造与自动化
班级：
机制09
（2）
姓名：
代明明
1、前言、
2、散热器的结构及对材料的要求、
3、铝散热器片材料的特点、
4、散热器的结构和种类样图、
5、用铝散热器取代铜散热器能够满足整车及发动机的性能要求、
6、铝散热器使用寿命高于铜散热器、
7、铝散热器必须使用厂家规定的防冻防锈液、
8、铝散热器必须在生产厂家进行专业维修、
9、层叠式汽车散热器、
10、散热器的计算和选用原则散热
11、使用与保养、
12、汽车散热器的发展趋势、
13、结语、
1.前言
散热器是汽车水冷发动机冷却系统中不可缺少的重要部件，其作用是将发动机的水套内冷却液所携带的多余热量经过二次热交换，在外界强制气流的作用下从高温零件所吸收的热量散发到空气中的热交换装置。
因此，冷却系统中散热器性能的好坏直接影响汽车发动机的散热效果及其动力性、经济性和可靠性,乃至正常工作和安全行驶的问题。
随着汽车发动机转速和功率的不断提高，热负荷也愈来愈大，对冷却系统的要求也越来越高，人们对包括散热器在内的冷却系统的研究愈加重视，新技术、新材料不断涌现。
汽车铝散热器产品的优势体现在轻量化、可靠性高、价格低以及生产环保，整车厂采用铝水箱替代原有铜水箱是汽车散热器技术发展的必然趋势。
目前，汽车散热器正朝着轻型、高效、经济的方向发展，国内乘用车产品90%以上采用的是铝散热器，在商用车上的使用近年也陆续采用并有扩大的趋势。
2.散热器的结构及对材料的要求
汽车水冷发动机散热器由冷却用的散热器芯部、进水室和出水室三部分组成。
冷却液在散热器芯内流动，空气从散热器芯外高速流过，冷却液和空气通过散热器芯部进行热量交换。
目前，汽车散热器的结构形式可分为直流型和横流型两大类。
散热器芯部应具有足够的通流面积，让冷却液通过，同时也应具备足够的空气通流面积，让足量的空气通过以带走冷却液传给散热器的热量。
还必须具有足够的散热面积，来完成冷却液、空气和散热片之间的热量交换。
散热器芯部的结构形式主要有管片式和管带式两大类。
管片式散热器芯部是由许多细的冷却管和散热片构成，冷却管大多采用扁圆形截面，以减小空气阻力，增加传热面积。
管带式散热器是由波纹状散热带和冷却管相间排列经焊接而成。
与管片式散热器相比，管带式散热器在同样的条件下，散热面积可以增加12%左右，另外散热带上开有扰动气流的类似百叶窗的孔，以破坏流动空气在散热带表面上的附着层，提高散热能力。
开百叶窗波状带的散热器传热效率同普通平片散热片相比可提高160%。
传热系数是评价散热器散热性能的重要参数。
影响因素众多，其中散热器材料的导热性能和焊接质量对其影响很大。
散热器的工作条件恶劣,一般位于汽车前端迎风处,不仅要经受风吹雨淋和汽车排出的废气以及砂土、泥浆的污染,而且还要承受反复的热循环和周期性的振动。
另外,散热器内长期流动着冷却液,对散热器有锈蚀及腐蚀作用。
因此,为保证散热器可靠地发挥散热作用,对散热器材料性能有如下要求:
具有良好的导热性能、具有一定的强度和较强的耐腐蚀性、良好的加工性能及钎焊性能、良好的经济性。
3.铝散热器片材料的特点
散热片选用导热系数较高的材料对提高热传导效率很有帮助，在金属的导热性方面，银的导热系数最高，其次是铜，银的价格昂贵，不适宜做散热材料，目前比较常用是铜、铝及铝合金。
铝的导热系数低，但通过增加鳍片增大散热面积，也能起到较好的散热效果。
散热片的主要材料和成型技术可分为：
全铝散热器是传统散热器，具有生产工艺简单、易于加工、材料成本低廉，价格便宜等优点。
缺点是，整体散热效果欠佳。
铝是汽车工业使用较多的金属材料，也是汽车轻量化的首选材料。
虽然铝的热传导率较铜低，仅为铜的60%，但由于铜散热器存在热传导率更低的锡保护层，使得铝散热器的热效率反而要高于铜散热器。
另外，铝还有良好的铸造加工性能。
虽然铝散热器具有质量轻、原料成本低、散热性能好等优点，但其焊接工艺性差、生产设备投入大是长期难以解决的问题，限制了铝散热器的广泛应用。
直到20世纪80年代中期，美国采用钎焊工艺制造铝散热器取得成功后，才使铝散热器的规模化生产和应用成为可能。
4.散热器的结构和种类样图
图一：
图二：
图三：
5.用铝散热器取代铜散热器能够满足整车及发动机的性能要求
从铜、铝散热器结构上来说，其产品功能没有什么不同，也不影响产品之间的互换。
铜、铝散热器都是曾遍采用管带式结构，散热带采用波浪带式结构，铜散热器散热管采用咬口式，铝散热器采用高频焊管和比较先进的B型管，只是由于原材料制造工艺和装备以及铜铝材料的性能不同，其材料和规格的选择不同。
从材料选用上看，铝散热器要比铜散热器选材厚一些，抗内部压力变形能力会比铜散热器强一些。
从物理传热特性方面看，铜的导热比铝材要优越，但是，焊接铜散热器所用的锡铅焊料导热系数比铝材焊料导热系数要小得多。
因此，从产品的整体散热效果来说，匹配同一车型，同样正面面积，采用铝散热器的散热效率要高于铜散热器。
一般情况下设计铜散热器时，经常采用芯子加厚的方案来满足整车的散热性能，同时也带来散热器的风阻增大等一系列问题。
铜散热器的常用材料：
国
名
牌号
名称
成分（%）
厚度
（毫米）
用途
有关标准
中
国
T3
紫铜
99.7铜
0.13—0.20
水管
冶金部标准YB562-65
H90
黄铜
88.0---91.0铜；余量锌
0.13-0.20
水管
冶金部标准YB562-65
H68
黄铜
67.0----70.0铜；余量锌
0.70-1.2
0.08-0.10
水室和主片
散热片
冶金部标准YB460-64
冶金部标准YB561-65
H62
黄铜
60.5---63.5铜；余量锌
0.08-0.10
散热片
冶金部标准YB561-65
美
国
CDA102
紫铜
99.95铜
0.05-0.06
散热片
CDA129
铜合金
每吨含银0.57公斤；余量铜
0.05-0.06
散热片
薄翼
铜合金
99.90铜；0.1镉
0.05-0.06
散热片
CDA194
铜合金
97.5铜；2.3铁；0.02磷
0.10
水管
CDA260
黄铜
70铜；30锌
0.11
水管
黄铜
63铜；37锌
0.55
水室和主片
英
国
铜合金
0.04---0.08银；0.03---0.05氧；余量铜
散热片
C106
铜合金
0.013---0.035磷；余量铜
散热片
英国标准
C101
铜合金
0.03---0.05氧；余量铜
散热片
英国标准BS2870
C102
铜合金
0.03---0.05氧；余量铜
散热片
英国标准BS2870
CZ105
海军黄铜
70铜；0.02---0.06砷；余量锌
水管
英国标准BS2871
CZ110
海军黄铜
76---78铜；1.8---2.3铝；0.02---0.06砷；余量锌
水管
英国标准BS2871
CZ111
海军黄铜
70---73铜；1---1.5锡；0.02---0.06砷；余量锌
水管
英国标准BS2871
CZ112
海军黄铜
主片
英国标准BS2871
日
本
CuR
紫铜
0.05-0.13
散热片
日本标准JISH3301
BsR2
黄铜
0.08-0.13
0.11-0.15
散热片
水管
日本标准JISH3321
日本标准JISH3321
BsP
黄铜
0.5-1.2
水室
日本标准JISH3201
BsR
黄铜
0.5-1.2
主片
日本标准JISH3321
6.铝散热器使用寿命高于铜散热器
由于铜、铝散热器采用的焊接设备和工艺方法上的不同，其产品的结构强度差别较大。
铝散热器焊接为硬钎焊，焊接温度为577～612℃，而铜散热器采用的是软钎焊，焊接温度低于450℃。
铝散热器焊接接头的剪切强度为50～58MPa，抗拉强度为86～96MPa，而铜散热器锡焊抗扭强度为34～37MPa;所以铝散热器的结构强度要高于铜散热器很多。
考虑到铝散热器的不易维修性，生产厂家在材料选型时必须考虑到产品的可靠性和使用寿命，因此，铝散热器的可靠性要远高于铜散热器，目的是尽量减少整车用户的后期使用维修成本。
另一方面，铝散热器在抗腐蚀性能方面存在不如铜散热器的事实，要求客户对汽车铝散热器的使用条件要比铜散热器严格些。
主要是客户必须使用整车厂家规定的防冻防锈液。
不能采用其它介质如水。
铝散热器和铜散热器相比在同等条件下，铝散热器无故障里程要远远高于铜散热器。
7.铝散热器必须使用厂家规定的防冻防锈液
铝散热器的主要失效形式是腐蚀导致的产品渗漏，腐蚀主要来源于大气腐蚀和水腐蚀，散热管的穴蚀是常见的现象之一。
铜散热器的材料是铜，铜化学活性差，在大气中难于氧化。
由于大气中还有少量的CO2、H2S、H2O等气体，它们都会加速铜的腐蚀。
但铜在大气中腐蚀后形成铜绿，该薄膜组织致密，与铜基紧密结合，从而起到保护作用，防止基体的进一步腐蚀。
铝是化学活性较大的一种金属。
在大气中会迅速氧化形成一层极薄的氧化膜，疏松多孔，容易渗透。
但在破坏后又迅速氧化形成新的氧化层。
为了提高铝在使用中的耐腐蚀性能，一般要经过阳极氧化处理，使表面形成致密、较厚的氧化层。
铝在水溶液中极易被H+置换，当水溶液中含有氯离子时，很快被腐蚀。
水温升高，特别在80℃以上时铝在水溶液中极易被腐蚀，因此铝散热器是不能使用普通水的。
所以只有铝散热器正确地选择材料和使用防冻、防锈液，才能有效地减少自身的腐蚀确保产品正常使用寿命。
一般情况下，选择防冻防锈液PH值在7.5至9.0的冷却液较为适宜。
由于生产防冻防锈液的社会厂家和规格牌号五花八门难于统一，用户可以根据整车的产品使用说明书查找到防冻防锈液规格型号。
铝散热器在使用防冻防锈液中，一般汽车在行驶2万km内不产生腐蚀，3万～5万km时逐步出现轻微的腐蚀，5万km以后时腐蚀的百分比会增加，这时应该及时更换防冻防锈液。
8.铝散热器必须在生产厂家进行专业维修
铝散热器的维修较铜散热器要困难一些。
因为铜散热器材料的基体材料熔点分别为1052～1080℃，而所采用的铜焊料（锡合金）的熔点为320℃以下，比较容易采用火焰焊接实现修补。
而铝散热器采用的复合材料其焊料硅铝合金的熔点为577～627℃，而基体材料的熔点为643～654℃。
两者仅相差46℃，因此在钎焊时温度控制要求极严格，否则焊接时易造成基体材料熔化，因此必须要用在专业设备上进行焊接，一定程度上限制了铝散热器的维修便利性。
目前，一般整车厂家的服务维修站不具备维修铝散热器的能力和手段，必须要将产品返回生产厂家进行侈理。
如果客户在使用过程中发现铝散热器出现渗漏等问题，在应急的情况下，可以采用目前市面上常见的AB胶进行临时性地粘补以应急需，但事后必须要尽快更换一台同类型产品。
对于故障件的维修，必须交给生产厂家进行专业修理。
9．层叠式汽车散热器
技术实施方案:
层叠式汽车散热器的技术实施方案：
将一种用于连通加水口、进、出水管及放水阀等外接件的层叠式组件放置于层叠式散热器中要求的位置上，与其它叠片、散热带等连接。
该组件由二种连通叠片和一种连通管组成，一种连通叠片是小孔叠片，它的一端比同一散热器上的普通叠片短，由此留出了一段空间，可以安装连通管。
另一种连通叠片是过渡叠片，该叠片的一端有二孔，上孔与连通管相连，下孔与小孔叠片上的小孔相连，这两种连通叠片的其余部分和结构则与普通叠片相同。
连通管其二端管孔与过渡叠片连接，中间孔上可以分别安装加水口、进、出水管和放水阀等外接件。
采用钢制框架封装的方法来保证层叠式散热器的结构强度符合使用要求，具体是：
框架由钢制左、右侧板和上、下底板用螺栓连接组成，将层叠式散热器紧固于框架内。
上、下底板的内侧与层叠式散热器之间有减震胶片衬垫，框架上可以分别安装护风圈、中冷器、膨胀水箱等其它部件，框架的左、右侧板上还可以装配支架以适应层叠式散热器在汽车上的悬挂式安装要求。
层叠式汽车散热器可用铝制造业可以用铜制造，它的优点：
1、较高的散热性能，匹配同等功率的汽车发动机，体积可比现在使用的相同型号的汽车散热器缩小20%以上，由此可以节省大量的贵重有色金属材料。
2、可以将电子风扇安装在散热器的钢制框架上，在容许的空间内选择有利的放置位置，这样可以优化冷风通道，减少风道阻力，增加通风流量，而不必像现在的散热器必须固定在发动机上装有风扇的一侧那样。
例如：
后置发动机的大型客车和气流通道限制严格的装甲车辆等的发动机散热状况就会由此得到改善。
3、可以使用发动机的风扇，在框架上安装导风罩，在框架的另一侧安装匹配的中冷器。
4、采用铜质材料制造时，采用硬钎焊工艺完成总成焊接，对出现的泄漏点可以用软钎焊补焊。
层叠式汽车散热器
其中，5.加水口，6.散热器盖，8.进水管，9.边板,10.出水管，12.橡胶薄板，13.框架，14.螺栓组件。
实验数据与成本估算:
经过对三台层叠式散热器的试件的测试，结论表明：
层叠式散热器比管带式散热器的散热性能可以提高30%以上，工艺制造成本可以降低40%左右；
相同工况下，层叠式散热器比管带式散热器的体积可以减小20%左右；
相同工况下，层叠式散热器比管带式散热器的冷风使用效率高30%以上，这意味着风扇的功率消耗可以降低25%左右。
10.散热器的计算和选用原则散热
散热器的设计计算：
汽车散热器的目的是使汽车在所有变化的行驶条件下，都能使发动机有着最相适宜的温度，也就是控制发动机的温度。
因此，作为设计发动机的必要条件是要求能够适应行驶条件的变化。
必须把散热器作为整个系统来考虑，（大体分为通风系和水循环系）。
具体来说散热器设计计算包括如下方面：
（1）估算空气通道的阻力，并按所需的空气流量以及空气道和散热器的总阻力，选择风扇。
（2）设计计算散热器，确定散热器的散热面积、正面面积及容积，并在任何工作情况下和驱动风扇、水泵所需的最小功率的情况下，散热器应能将发动机的热量散出。
（3）估算冷却系统中的水阻力，并按所需的水流量及水流道阻力，选择阻力。
所以散热器设计计算。
不仅只在于确定散热器的构造参数，而且还在于消耗发动机最小有效功率的情况下获得高效能的冷却装置。
但其中关键性的一项是散热器芯子的设计。
下面仅就其中一种方法概述如下：
1.散热器芯子设计所限定的条件：
作为汽车散热器芯子的设计条件之一，是必须考虑汽车车身和发动机舱容积所受限制的情况。
在这个容积的空间中，满足发动机的散热量是非常必要的。
散热器的空间容积是按车身型式、发动机要求的散热量参数以及提出的带有各种各样方向性问题而定。
为了达到这些条件，考虑所有情况来设计芯子型式是不要的。
可是由于汽车工业的特殊性（大量生产方式），其形势不宜太多。
散热器芯子型式、管距（散热带高度）、使用水管尺寸一旦大量投产就很难变动，除此以外，可以自由选择的举出下列三项：
（1）.散热片材质、片厚；
（2）.片距；
（3）.芯子厚度。
但也不是完全自由的，必须在表2的范围内。
象这样所限定的散热器空间和芯子型式，必须满足发动机散热量要求，更要注意在成本最低情况下进行设计。
管带式芯子的Hf及fl（表2）
Hf（毫米）
Fl（毫米）
7
10
12
7.7—8
11----11.5
13----13.5
散热器的选择原则
散热器是水冷式发动机冷却系统中的主要散热部件，水不断地在水套和散热器中循环，将发动机的一部分热量经由散热器而散到大气中去，来保证发动机正常工作。
若散热器尺寸不足够大，在满载时将会发生局部过热现象。
因为在这种情况下，散热器不能把水冷却到需要的程度，而造成冷却水沸腾。
又若发动机散热器散热能力过大，特别是在无冷却强度调节装置（现在通常用的硅油离合器）时，发动机在过冷的情况下工作，使冷却损失加大，发动机的经济性和有效功率将会降低。
这因为浓的润滑油在使摩擦损失增加，燃料的汽化作用变坏。
很明显，当发动机在冷起动或开始工作时要较热发动机为差。
同时，散热器若是散热能力过大时，势必造成有色金属的过量消耗。
就目前我国的实际情况来讲，若是设计有错，将会浪费数以千吨的有色金属和大量财力。
所以，正确选择汽车散热器是非常重要的，应当尽量满足下列原则：
（1）必须满足发动机的散热量要求，以适应不同行驶条件的变化。
（2）考虑整车所限制的散热量容积空间，保证安装尺寸，并使之符合尺寸系列标准。
（3）芯部结构先进，具有最适当的空气阻力和小的液体阻力。
（4）具有足够的耐震强度，特别对于矿用倾泻汽车这点尤为重要。
（5）具有耐腐蚀的材质及表面处理，使用寿命要长。
（6）重量要轻，对于小客车特别要考虑重量指标要求并且尽量减少尺寸，以扩大视野。
（7）便于维修和保养，满足用户的使用要求。
（8）保证成本在最低限度。
11.使用与保养
1、散热器不应与任何酸、碱或其它腐蚀性性质接触。
2、建议使用软硬水需软化处理后使用，避免造成散热器内部堵塞及水垢的产生。
3、在使用防冻液，为了避免散热器的腐蚀，请务必使用正规厂家生产且符合国家标准的长效防锈防冻液。
4、在安装散热器过程中，请不要损坏散热带（片）和碰伤散热器，以保证散热能力和密封。
5、散热器内完全放水再注水时，要先将发动机缸体的放水开关扭开，有水流出时，再关上，从而避免产生水泡。
6、在日常使用中应随时检查水位，要停机降温后加水。
加水时，将水箱盖慢慢打开，作业人员身体应尽量远离加水口，以防高压蒸汽油加水口喷出造成烫伤。
7、在冬季为防止结冰造成芯子破裂现象，如长期停车或间接停车时，应将水箱盖和放水开关，将水全部放出。
8、备用的散热器有效环境应保持通风、干燥。
9、视实际情况用户应在１～３个月间对散热器进行完全清洗一次芯体。
清洗时，用清水沿反进风向侧冲洗。
10、水位计应每３个月清洗一次或视实际情况，各部件拆下用温水加无腐蚀性洗涤剂清洗。
12.汽车散热器的发展趋势
散热器在限定的空间内应具有足够的散热性能和较高的使用寿命,所以整个散热器总成必须降低原材料消耗,改善生产工艺和结构,降低生产成本,实现薄壁、轻型、高效。
在焊接部位，应采取扩大焊接面积的方法来降低应力，如主片和水室采用双面焊接的窄沟槽形式，尽可能减小壁厚,不容许采用增加壁厚的方法来提高总成强度。
如散热器的主片和水室的壁厚应控制在0.6～0.8mm范围内,冷却管的料厚应在0.11～0.13mm范围内,散热带的厚度为0.043～0.06mm。
铜散热器的料厚如超过上述值会使成本增加，但强度提升有限。
采用低锡焊料、有机焊剂和高效率的氮气保护硬钎焊工艺，生产铝散热器是今后发展的趋势。
以铝代铜可以进一步减小散热器质量，特别是硬钎焊生产的铝散热器可以实现整个总成等强度，极大地提高了散热器的可靠性。
13.结语
汽车散热器材料与制造技术发展很快。
铝散热器以其在材料轻量化上的明显优势。
国外轿车配套的散热器多为铝散热器，普遍采用装配式，主要是从保护环境的角度来考虑（尤其是欧美国家）。
在欧洲新型的轿车中，铝散热器占有的比例平均为64％。
从我国汽车散热器生产的发展前景看，硬钎焊生产的铝散热器逐渐增多，其发展前景将超过装配式的铝散热器并取而代之。
在整个设计过程中，有很多人给了我很多的指导和帮助，在此谢谢他们。
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