□ 謝曉丹 □ 李飛宇 □ 易 峰

湖南天雁機(jī)械有限責(zé)任公司 湖南衡陽(yáng) 421005

冷卻風(fēng)扇是工程車輛冷卻系統(tǒng)的主要部件之一。發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量除極少數(shù)通過(guò)傳遞、輻射方式對(duì)外傳播外，絕大部分熱量由冷卻風(fēng)扇的強(qiáng)制對(duì)流散發(fā)，故而冷卻風(fēng)扇的性能直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和噪聲等性能。傳統(tǒng)的機(jī)械驅(qū)動(dòng)式冷卻風(fēng)扇，在發(fā)動(dòng)機(jī)低速重載工況時(shí)冷卻能力不足，而在高速低負(fù)荷工況時(shí)冷卻過(guò)度，且發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)阻力大，預(yù)熱時(shí)間長(zhǎng)。液力耦合器驅(qū)動(dòng)冷卻風(fēng)扇能夠根據(jù)散熱系統(tǒng)的實(shí)時(shí)溫度調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，改善發(fā)動(dòng)機(jī)在不同負(fù)荷工況下冷卻系統(tǒng)的散熱性能。

1 液力耦合器調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速

1.1 液力耦合器的傳動(dòng)原理

液力耦合器主要由泵輪、渦輪、外體組成。運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，主動(dòng)軸帶動(dòng)泵輪旋轉(zhuǎn)，同時(shí)泵輪中的工作液體也一起旋轉(zhuǎn)，葉輪流道中的油在葉片帶動(dòng)下，因離心力的作用由泵輪內(nèi)側(cè)（進(jìn)口）流向外緣（出口），形成高壓高速油流沖擊渦輪葉片，使渦輪跟隨泵輪作同方向旋轉(zhuǎn)，油在渦輪中由外緣（進(jìn)口）流向內(nèi)側(cè)（出口）的流動(dòng)過(guò)程中減壓減速，然后再流入泵輪進(jìn)口，如此循環(huán)。在這種循環(huán)流動(dòng)中，泵輪將輸入的機(jī)械功轉(zhuǎn)換為油的動(dòng)能和勢(shì)能，而渦輪則將油的動(dòng)能和勢(shì)能轉(zhuǎn)換為輸出的機(jī)械功，從而實(shí)現(xiàn)由主動(dòng)軸到從動(dòng)軸的動(dòng)力傳遞。通過(guò)改變工作油腔的充滿度，可在輸入轉(zhuǎn)速不變的情況下，無(wú)級(jí)地改變輸出轉(zhuǎn)速。

1.2 液力耦合器調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的工作原理

如圖1所示，冷卻風(fēng)扇主動(dòng)軸右端與發(fā)動(dòng)機(jī)連接，左端與液力耦合器泵輪連接。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，通過(guò)主動(dòng)軸帶動(dòng)泵輪一起旋轉(zhuǎn)。工作介質(zhì)從油箱中吸入，通過(guò)進(jìn)油孔進(jìn)入泵輪隨泵輪一起旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，帶動(dòng)渦輪同向旋轉(zhuǎn)。渦輪與從動(dòng)軸過(guò)盈配合，從動(dòng)軸與葉輪緊固連接，從而帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生風(fēng)，達(dá)到冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)的目的。工作后的介質(zhì)通過(guò)外體與從動(dòng)軸間隙流入靜葉輪腔內(nèi)，由出油孔返回油箱中，同時(shí)靜葉輪腔內(nèi)的介質(zhì)可以對(duì)軸承進(jìn)行冷卻和潤(rùn)滑。在進(jìn)油孔前面裝有節(jié)溫器，節(jié)溫器根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度的不同，打開(kāi)程度也不同，調(diào)節(jié)進(jìn)入液力耦合器泵輪的工作介質(zhì)流量，改變耦合器內(nèi)部工作液的充滿度，可無(wú)級(jí)調(diào)整風(fēng)扇葉輪的轉(zhuǎn)速，保證發(fā)動(dòng)機(jī)處于最佳工作狀態(tài)。

1.3 液力耦合器調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的優(yōu)點(diǎn)

（1）對(duì)冷卻風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的不同溫度，自動(dòng)調(diào)節(jié)耦合器內(nèi)部工作液的充滿度，有效防止發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻能力不足和冷卻過(guò)度。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，液力耦合器泵輪轉(zhuǎn)速低、力矩小，故而啟動(dòng)阻力小，預(yù)熱時(shí)間短。

（3）風(fēng)扇葉輪出現(xiàn)卡滯時(shí)，輸入軸仍可轉(zhuǎn)動(dòng)，不至于造成對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的損壞。

（4）液力耦合器輸入軸與輸出軸間靠液體聯(lián)系，無(wú)機(jī)械磨損，工作構(gòu)件間無(wú)剛性連接，消除沖擊和振動(dòng)，降低噪聲。

（5）能在環(huán)境惡劣的條件下工作，無(wú)需特殊維護(hù)，使用壽命較長(zhǎng)。

1.4 影響因素

由液力耦合器調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的工作原理可知，改變液力耦合器輸入端轉(zhuǎn)速、工作介質(zhì)溫度、工作介質(zhì)流量等，會(huì)影響冷卻風(fēng)扇的壓力、效率、風(fēng)量、滑差等性能參數(shù)。

▲圖1 液力耦合器調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速示意圖

2 試驗(yàn)

試驗(yàn)的示意如圖2所示，試驗(yàn)的目的是通過(guò)改變液力耦合器的輸入端轉(zhuǎn)速、工作介質(zhì)溫度、工作介質(zhì)流量，觀測(cè)風(fēng)扇關(guān)鍵性能參數(shù)的變化情況。

2．1 耦合器輸入端轉(zhuǎn)速的影響

工作介質(zhì)（柴油機(jī)油CD15W/40）溫度100℃，流量4．5L/min，輸入轉(zhuǎn)速 （主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速）選擇5個(gè)點(diǎn)：3600r/min、4 200 r/min、4800 r/min、5300 r/min、5600 r/min， 每 個(gè)轉(zhuǎn)速維持5 min，測(cè)量流量差、靜壓頭壓力、動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)速、扭矩和功率，按照GB/T1236-2000計(jì)算后，得到靜壓、全壓、風(fēng)量、動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)速、滑差等參數(shù)。實(shí)驗(yàn)曲線見(jiàn)圖3、圖4。由圖3、圖4可以看出，隨著耦合器輸入端轉(zhuǎn)速的升高，風(fēng)扇的全壓、靜壓、風(fēng)量和動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)速均在升高，并且升高的速度逐漸放緩，滑差保持在94%～95%內(nèi)微小變化。

2．2 工作介質(zhì)溫度的影響

輸入轉(zhuǎn)速 4950r/min，流量 4．5L/min，工作介質(zhì)（柴油機(jī)油） 溫度選擇 6個(gè)點(diǎn)：70℃、80℃、90℃、100℃、110℃、120℃，轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定后維持5min，測(cè)量計(jì)算數(shù)據(jù)。試驗(yàn)曲線如圖5、圖6所示。由圖5、圖6可以看出，隨著工作介質(zhì)溫度的升高，風(fēng)扇的全壓、靜壓、風(fēng)量、動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)速和滑差均在升高，升高幅度較小，并且升高的速度逐漸放緩。

2．3 工作介質(zhì)流量的影響

輸入轉(zhuǎn)速3900r/min，工作介質(zhì)（柴油機(jī)油）溫度100℃， 流量選擇 7 個(gè)點(diǎn)：1L/min、1．5L/min、2L/min、2．5L/min、3．5L/min、4．5L/min、5．5L/min，轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定后維持5min，測(cè)量計(jì)算數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)曲線如圖7、圖8所示。由圖7、圖8可以看出，當(dāng)工作介質(zhì)（柴油機(jī)油）流量增大時(shí)，風(fēng)扇的全壓、靜壓、風(fēng)量、動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)速和滑差逐漸升高；在流量2L/min時(shí)，風(fēng)扇性能參數(shù)迅速升高；在流量大于2．5L/min后，繼續(xù)增大流量，風(fēng)扇性能基本不變。

▲圖2 液力耦合器調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速試驗(yàn)圖

▲圖3 風(fēng)扇輸入轉(zhuǎn)速與全壓、靜壓和風(fēng)量的關(guān)系圖

▲圖4 風(fēng)扇輸入轉(zhuǎn)速與動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)速和滑差的關(guān)系圖

▲圖5 工作介質(zhì)溫度與全壓、靜壓和風(fēng)量的關(guān)系圖

▲圖6 工作介質(zhì)溫度與動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)速和滑差的關(guān)系圖

▲圖7 工作介質(zhì)流量全壓、靜壓和風(fēng)量的關(guān)系圖

▲圖8 工作介質(zhì)流量與動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)速和滑差的關(guān)系圖

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)液力耦合器調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的試驗(yàn)，結(jié)果表明，使用柴油機(jī)油CD15W/40作為工作介質(zhì)時(shí)，液力耦合器輸入端轉(zhuǎn)速和工作介質(zhì)的流量變化對(duì)冷卻風(fēng)扇的性能影響明顯，工作介質(zhì)的溫度變化對(duì)冷卻風(fēng)扇的性能影響較小。

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