汽車發(fā)動機電動風扇冷卻系統(tǒng)的設(shè)計
汽車發(fā)動機電動風扇冷卻系統(tǒng)的設(shè)計,汽車發(fā)動機,電動,風扇,冷卻系統(tǒng),設(shè)計
畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）
設(shè)計(論文)題目： 汽車發(fā)動機電動風扇冷卻系統(tǒng)的設(shè)計
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摘 要 III
Abstract IV
1 緒 論 1
1.1 課題研究背景 1
1.2 課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢 1
1.2.1發(fā)動機電動風扇的發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.2.2發(fā)動機電動風扇的發(fā)展趨勢 1
1.3 汽車發(fā)動機電動風扇設(shè)計綜述 2
1.4 論文的結(jié)構(gòu)安排 2
2 發(fā)動機風扇的選型與匹配 3
2.1 發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的功用及組成 3
2.1.1 冷卻系統(tǒng)的功用 3
2.1.2 冷卻系統(tǒng)的組成 3
2.2 發(fā)動機冷卻電風扇的功用、型式及性能參數(shù) 4
2.2.1 冷卻電風扇的功用 4
2.2.2 冷卻風扇的型式 4
2.2.3 冷卻風扇的基本性能參數(shù) 4
2.2.4 冷卻風扇的無因次性能參數(shù) 6
2.3 發(fā)動機電動風扇的選型及匹配 9
2.3.1 冷卻風扇的選型步驟 9
2.3.2 冷卻風扇的總體要求 9
2.3.3 冷卻風扇的基本性能參數(shù)的確定 9
2.3.4 風扇和冷卻系統(tǒng)的匹配 11
3 發(fā)動機電動風扇的設(shè)計與三維建模 15
3.1 CATIA軟件的介紹 15
3.2 風扇造型及數(shù)據(jù)計算 15
3.2.1扇基本造型數(shù)據(jù) 15
3.2.2葉片造型數(shù)據(jù) 15
3.3 風扇數(shù)據(jù)庫和用戶接口 18
3.4 風扇的三維建模 18
4 發(fā)動機電動風扇的有限元仿真 21
4.1 CAE模型的建立 21
4.1.1幾何處理 21
4.1.2網(wǎng)格劃分 22
4.2風扇的受力分析 22
4.2.1邊界條件的設(shè)定 23
4.2.2計算結(jié)果及其分析 23
4.3風扇的運動仿真 23
4.3.1運動工況的設(shè)定 24
4.3.2提交計算 24
4.3.3查看計算文件 25
4.4風扇的熱應(yīng)力分析 25
4.4.1邊界條件的設(shè)定 25
4.4.2計算結(jié)果及其分析 26
5 結(jié)論與展望 28
參考文獻 29
致 謝 30
II
摘要
汽車發(fā)動機電動風扇冷卻系統(tǒng)的設(shè)計
摘 要
在汽車發(fā)動機冷卻系中冷卻電風扇是相當重要的部分，但是以前的冷卻風扇設(shè)計進程中效率很低。電腦技術(shù)在不斷發(fā)展，現(xiàn)在使用電腦協(xié)助來做冷卻風扇設(shè)計應(yīng)該是未來的趨勢。
對汽車發(fā)動機電動風扇進行設(shè)計及仿真,設(shè)計出一款性價比高的電風扇。首先對發(fā)動機電動風扇進行設(shè)計計算；然后根據(jù)計算出的數(shù)據(jù)，利用CATIA軟件繪制工程圖并進行三維建模；然后對風扇進行受力分析和運動仿真，即分別對風扇進行運動特性和規(guī)律的分析。通過分析得出正確的理論數(shù)據(jù)和曲線，為我們作結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)和條件。
關(guān)鍵詞：發(fā)動機；電動風扇；三維建模；運動仿真
III
Abstract
The Design of Electric Fan Cooling System For Automobile Engine
Abstract
Cooling fan is an important part of engine cooling system, but traditional fan design in low design efficiency. With the development of personal computer and computational fluid dynamics, using computer to assist cooling fan design becomes more and more popular.
Design and simulation of electric fan for automobile engine,design a cost-effective fan.design and calculate the engine electric fan;And then according to the calculated data,using CATIA software to draw engineering drawings and threedimensional modeling;then making force analysis and motion simulation of the electric fan,this is meaning making simulation and analysis of the motion of the fan.Get the correct theoretical data and curves are obtained by the analysis,it provides theoretical basis and conditions for structural design and optimization design.
Key words: Engine; Electric Fan; Threedimensional Modeling; Motion Simulation
IV
第1章 緒論
1 緒 論
1.1 課題研究背景
現(xiàn)代汽車追求減小發(fā)動機體積增大車廂體積，這讓冷卻風扇的設(shè)計局限性變得很大，包括大小和分布情況?，F(xiàn)在對冷卻風扇的要求越來越高了，這主要在于現(xiàn)在汽車的行駛的地方很多，從擁擠的街道然后到高速公路上接連的高負荷運轉(zhuǎn)。
設(shè)計風扇時，必須顧及風扇特性和它的匹配、汽車駕駛時氣體的沖擊作用等彼此關(guān)系，為了保證盡量降低風扇噪聲和節(jié)能高效，應(yīng)當把上述所說作為發(fā)動機冷卻系統(tǒng)設(shè)計中很重要的一個環(huán)節(jié)。而且，耐用、重量輕以及成本盡量低在設(shè)計時也是要考慮的?；静荒軉为氃O(shè)置一套理論，主要是由于發(fā)動機冷卻系統(tǒng)處于汽車整個結(jié)構(gòu)中的。因此，很多時候會先用相近的方法來設(shè)計，然后再進行試驗并一步一步的修改，最后到達一個理想的結(jié)果。
1.2 課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢
1.2.1發(fā)動機電動風扇的發(fā)展現(xiàn)狀
現(xiàn)在汽車技術(shù)隨著不停的進步，汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的技術(shù)也在不斷進步，包含每一個零件的技術(shù)進步。于是在算發(fā)動機冷卻風扇的性能是不應(yīng)只是想到風扇自身的性能，還得估計其和冷卻系里的別的零部件是不是處于最佳匹配。要把冷卻系看成同一整體才能對算風扇性能有含義。
若要合理匹配冷卻系統(tǒng)各零件，并且可以分析各要素對冷卻系的工作產(chǎn)生影響，用計算機進行數(shù)值模擬是其他國家經(jīng)常使用的。從60年代末期開始在發(fā)動機冷卻系設(shè)計范圍研發(fā)使用中采用計算機進行模擬，美國密執(zhí)安工大學1981年研發(fā)了重型的使用柴油的貨車冷卻系統(tǒng)計算模擬程序，在1989年又做了改善。所以康明斯發(fā)動機公司算冷卻系統(tǒng)時，僅要把發(fā)動機、電風扇、散熱器的相關(guān)數(shù)據(jù)和環(huán)境條件輸進電腦就能獲得與之相關(guān)的性能參數(shù)。在我國基本是依賴經(jīng)驗設(shè)計及多次的修改實驗來設(shè)計冷卻系統(tǒng)的，在電腦模擬上面最近發(fā)展迅速，陸續(xù)有了計算方法及數(shù)據(jù)模型，極大縮減了設(shè)計周期。
現(xiàn)在，用電腦來做電風扇的設(shè)計及仿真分析已成了冷卻電風扇設(shè)計的新方法。
1.2.2發(fā)動機電動風扇的發(fā)展趨勢
風扇的設(shè)計包含正、逆向設(shè)計，也就是正、反問題。依據(jù)已確定的壓力、流量等數(shù)據(jù)，獲得風扇輪轂比、半徑、幾何形狀角及葉片數(shù)等數(shù)據(jù)的設(shè)計叫做正問題。依據(jù)已存在風扇構(gòu)造，運用電風扇基礎(chǔ)理論，獲得電風扇的壓力、流量這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)叫做反問題。
風扇設(shè)計還可以分成全新設(shè)計與相似設(shè)計。所謂正問題就是全新設(shè)計，說的是由流動計算起，然后依據(jù)所給性能數(shù)據(jù)，再根據(jù)翼型理論計算得出電風扇的輪轂比、半徑、幾何形狀角與葉片數(shù)等數(shù)據(jù)，因為過程中要反復計算以及做模型實驗，然后才可以規(guī)模生產(chǎn)，所以這樣設(shè)計的過程很漫長。相似設(shè)計是在已經(jīng)有的模型中尋找一個適合的，再通過計算得到需要的尺寸數(shù)據(jù)，這樣簡潔可行，也不要進行模型實驗。
計算機仿真技術(shù)使得風扇設(shè)計提升了很多，但對于發(fā)動機冷卻電風扇方面的的設(shè)計還是沒有顯著改變，主要原因在于：
①一些制造商對此不重視，而把主要精力放在一些重要零件的創(chuàng)新上；
②生產(chǎn)商技術(shù)相對與落后，加之資金不足，用不上國際先進技術(shù)，這才讓國內(nèi)冷卻風扇設(shè)計變得落后。
1.3 汽車發(fā)動機電動風扇設(shè)計綜述
在傳統(tǒng)的發(fā)動機冷卻風扇設(shè)計時，要制作模具先做出風扇樣品，再依據(jù)實驗獲得的數(shù)據(jù)反不斷地修改，等到最后獲得性能達標的電風扇。過程中要反復進行試驗，人力、時間成本太高，加之昂貴的模具使得設(shè)計成本極大。
現(xiàn)在隨著電腦技術(shù)及仿真軟件的迅速發(fā)展，加之CAD軟件的發(fā)展越來越成熟，這讓我們可以直接用電腦來做冷卻風扇的造型設(shè)計及模擬性能實驗。CAD軟件能夠快速的建模，并做分析、修改，替代了價格昂貴及繁瑣的樣品模具的生產(chǎn)和修改，這樣不僅降低了成本，同時也大大地縮減了設(shè)計周期。
1.4 論文的結(jié)構(gòu)安排
第一章 緒論。介紹了發(fā)動機冷卻電風扇在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，發(fā)動機風扇的設(shè)計綜述及結(jié)構(gòu)安排。
第二章 發(fā)動機風扇的選型與匹配。介紹了發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的功用及組成，動機冷卻電風扇的功用、型式及性能參數(shù)，發(fā)動機電動風扇的選型及匹配。
第三章 發(fā)動機電動風扇的設(shè)計與三維建模。介紹了CATIA軟件，確定風扇造型及數(shù)據(jù)計算，風扇數(shù)據(jù)庫和用戶接口，對風扇進行三維設(shè)計。
第四章 冷卻風扇的有限元分析。完成CAE建模以，并對風扇進行受力分析和運動仿真分析，并做相應(yīng)改善。
第五章 結(jié)論與展望。
32
第2章 發(fā)動機風扇的選型與匹配
2 發(fā)動機風扇的選型與匹配
2.1 發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的功用及組成
2.1.1 冷卻系統(tǒng)的功用
發(fā)動機冷卻系統(tǒng)是讓發(fā)動機一直維持在一個合適的溫度范圍內(nèi)。除了要以防發(fā)動機太熱，發(fā)動機冷卻系統(tǒng)還要以防在冬天發(fā)動機太冷。在冬天啟動發(fā)動機后，冷卻系統(tǒng)要能使溫度迅速升高，讓發(fā)動機能正常工作。
發(fā)動機運轉(zhuǎn)時，溫度能達到兩千五百攝氏度，燃燒室即便在怠速狀態(tài)下溫度也能達到一千攝氏度以上，所以，發(fā)動機整體被快速加熱。如果能趕快將這些熱量散發(fā)走，會造成這些不良現(xiàn)象：
① 溫度過高使?jié)櫥妥冑|(zhì)，不能讓發(fā)動機各部件間油膜維持正常。
② 各部件的縫隙因受熱膨脹太大而被破壞。
③ 金屬材質(zhì)力學性能因溫度太高而降低，使其不可以經(jīng)受通常的負載。
當然，若發(fā)動機溫度下降太低，即讓熱量浪費了，又會造成這些不良現(xiàn)象：
① 燃油會因缸壁的溫度太低而蒸發(fā)不完全，讓燃油質(zhì)量下降。
② 溫度的下降會潤滑油的粘性上升，使?jié)櫥湍げ豢梢院芎玫厣?，讓摩擦破壞增大?
③ 氣缸因溫度太低而加大了腐蝕損耗程度。
以上不良的現(xiàn)象會降低發(fā)動機功率，經(jīng)濟性下降，會使得使用年限減少。
2.1.2 冷卻系統(tǒng)的組成
圖 2.1 發(fā)動機冷卻系統(tǒng)
1—百葉窗；2—散熱器；3—水箱蓋；4—風扇；5—壓力泵；6—節(jié)溫器；
7—水溫表；8—發(fā)動機水套；9—分水管；10—放水開關(guān)
汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)包括水冷和風冷兩種，水冷式用冷卻液作介質(zhì)。汽車發(fā)動機基本使用的是強制循環(huán)水冷，也就是通過壓力泵使冷卻液壓力升高，冷卻液在發(fā)動機里往復移動。這套系統(tǒng)大概由這些部件構(gòu)成：冷卻風扇、散熱器、壓力泵、缸體與缸蓋的冷卻水套以及節(jié)溫器，如圖2.1所示。
2.2 發(fā)動機冷卻電風扇的功用、型式及性能參數(shù)
2.2.1 冷卻電風扇的功用
發(fā)動機冷卻風扇是用來使空氣可以運動起來，讓它流經(jīng)散熱器，使散熱器效果更好，讓循環(huán)水的溫度能更快的下降。冷卻電風扇耗費內(nèi)燃機6%～13%左右的輸出功率，因此冷卻電風扇功能的好壞很關(guān)鍵。
2.2.2 冷卻風扇的型式
軸流式電風扇在冷卻系統(tǒng)中用的比較多，也就是風扇轉(zhuǎn)動的時候，氣體運動的方向在風扇軸線上的。特征是構(gòu)造簡便，可以很容易的放在系統(tǒng)里，在靜壓一樣時流量很大。依據(jù)特點的不一樣可將冷卻電風扇分為以下類型：
① 根據(jù)素材可分作由鋼材沖壓的、使用塑料和合金制作而成的。
② 根據(jù)葉片的斷面造型可分作翼型以及圓弧形的。翼型風扇是仿照機翼來設(shè)計，效率高，功耗低。
③ 根據(jù)傳動類型有粘性以及剛性之分。
④ 根據(jù)驅(qū)動方法可分作電機以及發(fā)動機直接驅(qū)動。電機驅(qū)動的原理如圖2.2。
本文分析了吸風式、軸流和電機驅(qū)動的翼型風扇設(shè)計。
2.2.3 冷卻風扇的基本性能參數(shù)
冷卻電風扇基礎(chǔ)性能數(shù)據(jù)有流量、轉(zhuǎn)速、功率、壓力和效率等等，上面這些數(shù)據(jù)是依據(jù)風扇自身和冷卻系統(tǒng)的構(gòu)造和樣式來判斷的。
① 流量
圖 2.2 電動冷卻風扇原理
單位時間內(nèi)流經(jīng)風扇截面的空氣的體積稱為風扇流量，符號為，單位是、。
② 轉(zhuǎn)速
冷卻風扇的流量、功率、壓力都跟著轉(zhuǎn)速變化。符號位n，單位為r/min。
③ 功率
電機等在單位時間里面?zhèn)魉偷嚼鋮s風扇軸上面的能量，稱為風扇軸功率，符號為。風扇軸功率通常是風扇性能表里顯示的。風扇有效功率是指風扇傳送的氣體，單位時間里面所得到的有效值，符號為，大小是
（2.1）
風扇的靜壓有效功率， 符號為，大小是
（2.2）
上述所有單位都是W。
④壓力
某截面上的空氣靜壓是指在又平又直管道之中運動時，垂直于壁面上的流道某截面的空氣壓力。動壓是指這個截面因為空氣運動速度而生成的壓力，空氣的速度不是均勻的，該截面上所有氣體質(zhì)點動壓的均值就是一般所指的空氣動壓?？諝馊珘赫f的是相同截面之上的空氣靜壓與動壓相加。
風扇全壓，符號為。大小為
（2.3）
式中 、——風扇的進口與出口截面之上的空氣靜壓，單位是；
、——進口、出口截面之上的空氣密度，單位是；
、——進口、出口截面之上的空氣平均速度，單位是m/s。
風扇動壓，符號為，大小為
（2.4）
風扇靜壓，符號為，大小為
（2.5）
或 （2.6）
上述所有單位都是。
⑤效率
把原動機機械能輸送到大氣的經(jīng)過，風扇要耗費一些能量來抑制各式損耗，并不可能所有的風扇軸功率都轉(zhuǎn)變成為有效功率，因此風扇能量的損耗多少能用效率反應(yīng)出來。
風扇的靜壓效，率符號為，大小為
（2.7）
2.2.4 冷卻風扇的無因次性能參數(shù)
相似性理論包括它的運用在軸流風扇設(shè)計里相當關(guān)鍵，包括風扇相似設(shè)計和通風性換算之中的運用。
若使得氣體流動相似，一定要滿足三點：集合、動力和運動相似，換言之，一定要使得兩個風扇中所有對應(yīng)點的相同物理量間成比例干系。
兩風扇幾何樣子一樣就是幾何相似，各線性長度都相對成比例，每個對應(yīng)角度一樣。它們的比值叫作幾何相似參數(shù)，符號為。若用和來代表葉輪的外徑，和代表葉輪葉片的寬度，于是
（2.8）
風扇夾角之間干系是：；
達到以上條件可以確定兩風扇的幾何相似。
運動相似就是兩風扇每個相對速度方向一樣，尺寸對應(yīng)成比例，相對的每個氣流角一樣，也就是每個相對點的速度三角形成比例。若以、、和、、代表兩風扇的絕對速度以及相對速度、圓周速度，用代表速度的相似常數(shù)，于是
（2.9）
以及 ；；；
幾何相似是運動相似的首先要解決的前提。達到以上條件，能確保兩風扇運動相似。
動力相似就是風扇中相對的每種力的矢量方向一樣，尺寸成比例。氣體在風扇中運動關(guān)鍵有這幾種力：慣性力、重力、粘性力和壓力。這些力要是都相似，是相當難的，當然也不是必須的。于是只須在空氣運動中它的主要作用的力相近就行了。大多僅考慮這幾個力：粘性力、慣性力和總壓力的動力相似：
(2.10)
依理論力學，慣性力是：
（2.11）
式中 ——氣體密度；
——特征長度；
——氣流速度。
粘性力為：
（2.12）
式中 ——氣體的動力粘性系數(shù)。
總壓力是：
由式（2.10）， 把和的表達式代進來
然后得到：或者
式中 ——氣體的運動粘性系數(shù)
也可換成
（2.13）
式（2.13）就是雷諾系數(shù)。兩風扇一樣就可以確保粘性力近似。
由式（2.10），將及總壓力表達式代入其中，得
整理后
（2.14）
式（2.14）就是歐拉數(shù)，代表使在氣體上壓力和慣性力的比。兩風扇一樣就可以確保壓力的相似。
因此，要使得風扇相似，他們要幾何相似，各點速度三角形相似，還有一樣。
為了與其他不一樣的風扇作對比，用風扇無因次性能參數(shù)來比較不一樣樣式風扇的壓力、流量和功率等特性值的大小，并畫出曲線，用來表示風扇性能。
風扇無因次量包含：
① 流量系數(shù)
（2.15）
式中 ——體積流量，單位；
——風扇外徑，單位；
——葉輪外徑處線速度，單位。
②壓力系數(shù)
（2.16）
式中 ——靜壓，單位Pa；
——空氣密度，單位kg/m。
③功率系數(shù)
（2.17）
式中 ——風扇軸功率；
④ 效率
（2.18）
2.3 發(fā)動機電動風扇的選型及匹配
2.3.1 冷卻風扇的選型步驟
風扇選型時，先要確保風扇可以達到車整體對風扇結(jié)構(gòu)和性能的條件。再依據(jù)車前部空間大小以及發(fā)動機能散多少熱，來確定散熱器的芯子大小以及構(gòu)造樣式，然后再更深入估摸冷卻風扇的外直徑、流量以及靜壓。然后將選擇好的的風扇和散熱的性能曲線進行配對，使風扇和冷卻系統(tǒng)成最佳匹配狀態(tài)。
2.3.2 冷卻風扇的總體要求
一定要選擇好散熱器型式后再選風扇。要由電機驅(qū)動還得確定電機，圖2.3所示是一臺風扇由A、B、C三種電機在同樣電壓下帶動所獲得的3條不一樣的性能曲線。
圖 2.3 一風扇不一樣電機帶動下的性能曲線
由于汽車特殊需要，風扇和散熱器間距、風扇和導風罩距離是有要求的。
某廠家的要求大致是：
①風扇效率要不小于36%，功耗所占發(fā)動機功率不大于5%；
②盡可能加大風扇的半徑、減慢車速；
③離散熱器芯子51~101mm；
④葉尖和導風罩距離：1.6%~2.5%風扇的外徑；
⑤頂部所能達到的上限線速度：4001~5201m/min。
2.3.3 冷卻風扇的基本性能參數(shù)的確定
①冷卻系統(tǒng)散熱量
冷卻系統(tǒng)散熱量升高，所需冷卻的風量也隨之升高。
由經(jīng)驗得
（2.19）
式中 A——傳到冷卻系統(tǒng)熱量占燃料熱能的百分比；
——發(fā)動機燃料消耗率[kg/kW·h];
——發(fā)動機功率[kW];
——燃料低熱值[kJ/kg],汽油的為43101[kJ/kg].
② 風扇流量
風扇流量基本是由散熱器散熱量所決定。
公式為：
（2.20）
式中 ——空氣到散熱器里的溫度；
——空氣未流經(jīng)散熱器時的溫度。一般溫差為11℃~31℃；
——空氣密度，一般為1.05;
——空氣定壓比熱，可取=1.047[k J/kg·℃]。
③ 風扇靜壓
風扇要抵消空氣流道阻礙，因此它給出的冷卻空氣一定得有一定的壓力?？諝獾雷枇τ嬎銥椋?
(2.21)
式中 ——散熱器風阻；
——風道系統(tǒng)風阻。
④風扇直徑
風扇直徑就是說外徑，它和散熱器正面的面積有關(guān)系。風扇略過的面積大小差不多等于的二分之一。
即
則
（2.22）
式中 ——散熱器芯部正面的面積；
——輪轂比。
通常，風量、直徑以及轉(zhuǎn)速它們存在這樣的關(guān)系；
（2.23）
式中 ——比例系數(shù)
還有，風扇噪聲聲音壓級、直徑與轉(zhuǎn)速有這樣的關(guān)系：
(2.24)
由這個公式，可知風量一樣情況下，要讓噪聲下降，應(yīng)讓升高，而讓下降，就是想加大風扇的直徑讓轉(zhuǎn)速下降。
圖2.4是統(tǒng)計風扇直徑的選取情況。
圖 2.4 風扇直徑的選取統(tǒng)計資料
⑤風扇的消耗功率
風扇消耗的功率公式為：
（2.25）
式中 ——風扇效率。
2.3.4 風扇和冷卻系統(tǒng)的匹配
由2.3.3節(jié)得到的風扇基本功能數(shù)據(jù)，與已有庫進行比較，差不多大致能在庫里找到一幾個進行匹配?，F(xiàn)在用某個外徑是260mm的奧迪風扇來舉例說明，第一必須要有它的的流量系數(shù)-壓力系數(shù)圖與流量系數(shù)-效率圖及散熱器的流量-風阻圖。圖大多都是通過做實驗來得到的，風扇的性能圖也能通過查詢獲得。如圖2.5、圖2.6、圖2.7所示。
圖 2.5 散熱器的流量-風阻圖
圖 2.6風扇流量系數(shù)-壓力系數(shù)圖
圖 2.7 風扇流量系數(shù)-效率圖
最開始，按式（2.15）到式（2.18）通過無因次性能曲線來獲取了有因次性能曲線，因為不同速度之下性能曲線全部由不變的一組無因次量計算而來，因此它們的性能曲線差不多，如圖2.8所示。
圖 2.8 風扇流量-靜壓圖
再把所獲得的有因次性能曲線以及散熱器性能曲線放到一個坐標里來匹配，如圖2.9所示。
圖 2.9 風扇與散熱器性能匹配圖
以這個奧迪風扇作例子來做冷卻風扇的匹配分析。先是通過式（2.20）獲得風扇的流量要求，暫設(shè)定為1000。通過（2.21）可知，風扇所抑制的風阻的組成如此：散熱器和風道系統(tǒng)，因此它在實際工作情況下必定小于僅僅顧及風扇和散熱器之下的理想匹配流量，它們的之比叫做進風系數(shù)，一般取大小0.6~0.7。此處進風系數(shù)以0.7來算，所以理想的匹配流量是1428，也就它們的匹配流量一定在1428之上時，在實際工作情況下，風扇才可以供給1000以上的風量。查圖2.9，流量大小是1428的時候，散熱器的阻礙力大小差不多在150Pa左右。經(jīng)擬合獲得此情況下風扇的轉(zhuǎn)速大小差不多為2900 r/m時，流量系數(shù)大概是0.188。再查圖2.7，這個時候效率大概在26%左右，差不多就達到了風扇的最大效率。還有風扇消耗功率根據(jù)式（2.7）算出229W。
完成匹配之后，依據(jù)選擇的風扇從靜壓、流量、效率以及消耗功率這樣四塊和冷卻系統(tǒng)匹配的情況，對風扇性能的還壞進行評估。冷卻系統(tǒng)電路如圖2.10所示
圖2.10 冷卻系統(tǒng)電路
第3章 發(fā)動機風扇的設(shè)計與三維建模
3 發(fā)動機電動風扇的設(shè)計與三維建模
3.1 CATIA軟件的介紹
CATIA軟件是法國一家叫做達索公司的開發(fā)的。
CATIA軟件是由航空業(yè)發(fā)展起來的，航空工業(yè)是公認的領(lǐng)袖。CATIA因為準確性及安全可靠使商用以及軍用航空業(yè)可以得到滿足，如美國波音公司，法國達索飛機公司等等。在汽車行業(yè)，CATIA現(xiàn)在也漸漸成了標準。還有，CATIA在船舶、工程設(shè)計、消費品這些行業(yè)也有著較為廣泛的應(yīng)用。
本設(shè)計使用的CATIA V5R20版本，它分為好多個模塊，只用到機械設(shè)計這一個模塊，用機械設(shè)計模塊來對風扇進行三維建模。
3.2 風扇造型及數(shù)據(jù)計算
風扇在選型的時候，風扇與冷卻系統(tǒng)的匹配工況點經(jīng)常不在效率最高點之上。比如第二章奧迪風扇效率只有百分之二十六，沒達到最高效率百分之三十。這就要稍微改造一下風扇葉片形狀，讓其效率達到最高。
本著利于修改和再次開發(fā)的原則，最好把這些數(shù)據(jù)繪制成一個數(shù)據(jù)庫，其中尤為重要的是葉片的造型數(shù)據(jù)，主要是由于其對風扇性能的影響最大。風扇造型數(shù)據(jù)庫的構(gòu)成是這樣的：風扇基礎(chǔ)的造型以及葉片形狀數(shù)據(jù)庫。
3.2.1扇基本造型數(shù)據(jù)
風扇的基本數(shù)據(jù)包含有風扇的內(nèi)外徑、葉片量、輪轂之比、各葉片間角度、葉片的品質(zhì)、葉片的大小等。
3.2.2葉片造型數(shù)據(jù)
用某一直徑大小從風扇葉片上作一個圓環(huán)，把這個叫做環(huán)形葉柵，如圖3.1。再把它投影到一個平面就可以獲得平面葉柵，如圖3.2所示。
圖3.1 環(huán)形葉柵
圖3.2 平面葉柵
平面葉柵數(shù)據(jù)包含這些：前緣點、后緣點、弦線、中線、安裝角、彎度、厚度。
在建立三維坐標的時候，大多選擇的Y軸是風扇軸線方向。
如圖3.3所示，橫坐標是弦線，原點選擇的是后緣點。厚度與彎度的方程能通過多項式方程式來提供，亦能按弦長之比作為橫坐標來提供離散數(shù)據(jù)，接著再根據(jù)最小平方近似法計算出多項式方程。大多是用發(fā)動機冷卻電風扇的弦長大小，六次多項式或者十到二十個數(shù)據(jù)點完全能夠描述它的平面葉柵的形狀。
圖3.3 截面坐標系
風扇的造型數(shù)據(jù)庫應(yīng)當是由風扇基本造型數(shù)據(jù)和多個截面造型數(shù)據(jù)所構(gòu)成，依據(jù)汽車冷卻風扇尺寸形狀的大小，截面數(shù)大多是在五到十個左右。制作出來的數(shù)據(jù)庫如表3.1和表3.2所示。
表3.1 風扇基本造型數(shù)據(jù)
風扇外徑：
葉片數(shù)：
葉片體積：
輪轂比：
葉片夾角：
葉片質(zhì)量：
400mm
7
128428mm3
0.5
51.4°
141.3g
表3.2 葉片第2截面造型數(shù)據(jù)
截面半徑：
0.25
弦長：
0.225
安裝角：
25.3°
位置：
0.028,0.031
厚度方程：y/b
翼型彎度：y/b
x/b
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
厚度%
彎度%
0
0
0.43
0.12
0.88
0.24
1.3
0.51
1.78
0.77
2.26
1.01
2.74
1.43
3.21
1.43
3.55
1.34
3.21
1.04
0
0
3.3 風扇數(shù)據(jù)庫和用戶接口
風扇數(shù)據(jù)庫制作完成之后，為方便對數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容讀寫與修改，需提供給用戶一種簡便方法對數(shù)據(jù)庫中設(shè)計參數(shù)進操作。圖3.4是風扇造型開發(fā)系統(tǒng)。
圖3.4 風扇造型開發(fā)系統(tǒng)
3.4 風扇的三維建模
1） 吧CATIAV5R20打開，在“開始”菜單里找到 “零件設(shè)計”模塊，開始零件設(shè)計。
2）在工具欄中找到“凸臺”圖標并單擊，然后單擊“定義凸臺”中的按鈕，就進入到草繪界面開始進行草繪設(shè)計，如圖3.5所示。
圖 3.5 風扇草圖
3）畫完草圖單擊退出草繪界面，單擊“開始”找到并單擊“創(chuàng)成式外形設(shè)計”模塊，建立多個參考平面，并建立一個圓柱面，如圖3.6所示。
圖3.6 參考面圖
4）在各個參考面基礎(chǔ)上，根據(jù)計算數(shù)據(jù)畫出風扇的一個葉片，如圖3.7所示。
圖3.7 風扇葉片的三維圖
5）單擊工具欄中按鈕，對風扇葉片進行圓形陣列，即完成風扇的三維設(shè)計，如圖3.8所示。
圖3.8 風扇的三維圖形
第4章 發(fā)動機電動風扇的有限元仿真
4 發(fā)動機電動風扇的有限元仿真
隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，行業(yè)之間的競爭也越來越激烈。在競爭中各公司對整車汽車零部件的成本給予了相當重視，整車成本高低直接影響在行業(yè)中的競爭力，這就需要在整車設(shè)計中嚴格控制成本，來提升自身的競爭力。采用CAE 分析軟件，可在前期零件設(shè)計和零件改進工作之中提供好的設(shè)計方向，使零件做到結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到相對成本低的零件。
葉片是發(fā)動機冷卻風扇的主要零件，其形狀與載荷復雜，它強度設(shè)計的質(zhì)量直接關(guān)系到發(fā)動機的耐久性、性能和壽命。首先，根據(jù)計算的參數(shù)，選取一定的葉型，其次還要確定葉片各截面的面積與各截面之間的相對位置。再進行葉片的強度與振動計算，并且根據(jù)加工工藝等要求進行修正。為滿足強度、氣動、振動、工藝等各個方面的要求，且力求重量最輕化，上述計算過程往往要進行很多次，這就要工程技術(shù)人員不斷進行有限元前處理的工作，這無疑大大地增加了工作強度。本文采用的Altair HyperMesh 前處理程序是全球公認的功能最強大的，涵蓋行業(yè)最廣的有限元前處理器，可以處理高復雜程度的模型，前處理效率與最廣泛的求解器接口已獲得了整個行業(yè)的承認。作為獨立于CAD 系統(tǒng)與CAE求解器的產(chǎn)品，它提供了直觀并且一致的工程環(huán)境。
4.1 CAE模型的建立
4.1.1幾何處理
將所建的CATIA模型包括風道和風扇。將CATIA模型導入hypermesh進行幾何處理。消除模型導入中的一些錯誤，去除細小對仿真結(jié)果可以忽略的特征。幾何處理過的模型如圖4.1所示：
圖 4.1幾何處理的CAD模型
4.1.2網(wǎng)格劃分
使用hypermesh里面的automesh進行網(wǎng)格劃分。由于風道中氣流復雜且流速變化大將應(yīng)力集中地方進行網(wǎng)格加密。網(wǎng)格大小設(shè)置成5mm，檢查網(wǎng)格質(zhì)量，防止計算過程中網(wǎng)格質(zhì)量問題報錯，利用2D面板下qualityindex工具對不合格質(zhì)量進行修改，保證QI<1,修改后網(wǎng)格質(zhì)量如圖4.3所示。網(wǎng)格的節(jié)點數(shù)為4675，單元數(shù)量為4394。采用殼單元并賦予3mm厚度并將風扇賦予材料及屬性。有限元模型如圖4.2所示。
圖4.2風扇主要部件有限元模型
圖4.3網(wǎng)格質(zhì)量檢查
4.2風扇的受力分析
由上文得知擋流量是1428時，散熱器的阻力大約為150Pa。此時處于風扇最高效率工況，對此工況進行受力分析。
4.2.1邊界條件的設(shè)定
在hypermesh的radioss模塊下進行受力風扇受力工況設(shè)定，將風扇中心點用constrans按鈕約束X、Y和Z方向上的自由度，模擬風扇在風道中的螺栓約束。通過pressures將風扇受力部分施加150pa壓力，方向選擇normal。通過loadsteps進行工況設(shè)定，SPC選擇所在設(shè)定的約束，load選擇施加載荷。提交radioss求解計算。
4.2.2計算結(jié)果及其分析
用hyperview打開h3d文件查看計算結(jié)果。選擇result type選擇displacement并選擇所有組件，查看位移云圖。位移云圖如圖4.4所示
圖4.4 150pa風扇位移分布
仿真結(jié)果可知扇葉中心幾乎沒有產(chǎn)生位移，位移量由中心向邊緣依次變大，扇葉邊緣位移量最大，可能在此位置會產(chǎn)生較大震動并產(chǎn)生噪音，可進行進一步震動相關(guān)分析。從分析結(jié)果可以看出，最大位移量為1.533mm，在可接受范圍內(nèi)。
將displacement切換成element stress，選中所有單元，查看風扇所受應(yīng)力分布，應(yīng)力云圖如圖4.5所示。
由仿真結(jié)果可知，在扇葉和圓環(huán)接觸部分和螺栓和圓片接觸部分應(yīng)力比較集中。而位移量較大的扇葉片上緣底部卻并沒有受到最大應(yīng)力。分析仿真原因，由于扇葉片和圓環(huán)接觸過度處截面大小劇烈變化，必然會產(chǎn)生應(yīng)力集中?？梢缘贸鼋Y(jié)論，風扇在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面滿足工況要求但還存在缺陷，在以后的風扇設(shè)計中，應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)平滑，避免不必要的應(yīng)力集中，與螺栓接觸部分應(yīng)盡量加厚處理，增加風扇使用壽命。
4.3風扇的運動仿真
LS-DYNA是一種有限元求解器，支持他的前處理有很多，如，ANSYS，hypermesh等，本次設(shè)計通過hypermesh前處理將CAD模型進行網(wǎng)格化劃分，再施加邊界條件，約束和速度，最后導出k文件，提交LS-DYNA求解。
圖4.5 150pa風扇應(yīng)力分布
利用hyperworks里面的ls_dyna接口，將風扇賦予1500r/m的速度進行運動仿真分析。
4.3.1運動工況的設(shè)定
將原有的已經(jīng)賦予屬性和材料的網(wǎng)格模型，在hypermesh的ls_dyna接口中打開，在analysis面板下entity set工具將扇葉的所有節(jié)點定義成一個set。利用tools下拉菜單的initial velocity generation給風扇施加角速度。按F8測得旋轉(zhuǎn)中心坐標為（0 0 0），設(shè)置相對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，如圖4.6所示
圖4.6 風扇轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)中心設(shè)置
4.3.2提交計算
將工況進行設(shè)定，并設(shè)置卡片計算時間。以K文件形式導出。用ls_dyna求解器打開，根據(jù)電腦硬件賦予4核CPU，100內(nèi)存。設(shè)置如圖4.7所示
圖4.7 ls_dyna設(shè)置
4.3.3查看計算文件
用hyperview打開結(jié)果文件查看計算結(jié)果。仿真動畫截屏如圖4.8所示
圖4.8仿真動畫
4.4風扇的熱應(yīng)力分析
4.4.1邊界條件的設(shè)定
在hypermesh的radioss模塊下進行受力風扇受力工況設(shè)定，將風扇中心點附近用constrans按鈕約束X、Y和Z方向上的自由度，模擬風扇在風道中的螺栓約束。通過tem模擬溫度載荷。通過loadsteps進行工況設(shè)定，SPC選擇所在設(shè)定的約束，tem選擇施加載荷。提交radioss求解計算。
4.4.2計算結(jié)果及其分析
用hyperview打開h3d文件查看計算結(jié)果。選擇result type選擇displacement并選擇所有組件，查看位移云圖。位移云圖如圖4.9所示
圖4.9 風扇位移分布
圖4.10應(yīng)力云圖
仿真結(jié)果可知扇葉中心幾乎沒有產(chǎn)生位移，位移量由中心向邊緣依次變大，扇葉邊緣位移量最大，上圖扇葉已經(jīng)超出參考面范圍，因此在設(shè)計風扇的時候應(yīng)考慮到風扇受熱膨脹而留有間隙。
選擇result type選擇displacement并選擇所有組件，查看應(yīng)力云圖，如圖4.10所示
如圖4.10所示，在模擬螺栓連接地方因為受熱膨脹會產(chǎn)生熱應(yīng)力，然而在實際情況中螺栓也會受熱膨脹，在本次仿真中僅僅模擬了風扇的受熱，所以在設(shè)計熱應(yīng)力是必須要優(yōu)化改進的地方，可進行下一步研究。
第5章 結(jié)論與展望
5 結(jié)論與展望
（1）首先介紹了發(fā)動機冷卻電風扇在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，發(fā)動機風扇的設(shè)計綜述及結(jié)構(gòu)安排；然后在一些汽車原有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上汽車發(fā)動機冷卻電風扇的結(jié)構(gòu)方案進行討論，經(jīng)過多次的對比確定了冷卻電風扇的結(jié)構(gòu)。
（2）電風扇的結(jié)構(gòu)方案確定之后，下一步就開始設(shè)計冷卻電風扇的每個零部件。在設(shè)計發(fā)動機冷卻電風扇過程中，關(guān)鍵要對其進行選型與匹配，然后確定冷卻電風扇的功用、型式及性能參數(shù)。此外，在冷卻電風扇設(shè)計的整個過程中運用到了許多學過的汽車方面的專業(yè)知識，也算是學以致用吧。
（3）風扇的每個零部件設(shè)計完成后，再依據(jù)計算出來的一些數(shù)據(jù)以及參數(shù)，使用CATIA軟件來對冷卻電風扇進行一個三維建模。
（4）用hypermesh對電風扇進行有限元分析，包括靜力分析、熱應(yīng)力分析以及運動仿真，并根據(jù)分析結(jié)果做相應(yīng)修改。
（5）汽車發(fā)動機冷卻風扇作為汽車冷卻系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，在設(shè)計過程中要顧及的因素由很多，從設(shè)計開始以及過程中的各種實驗，然后再做修改一直到生產(chǎn)這整個過程是很復雜的。所以這其中會出現(xiàn)某些地方考慮不周全的，這應(yīng)該也屬于正常情況。
參考文獻
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致謝
致 謝
畢業(yè)設(shè)計大學本科生涯一個總結(jié)，這差不多也算大學期間工作量最大以及完成的最認真的任務(wù)之一了。主要是這次畢設(shè)過程比較漫長，也比之前做的課程設(shè)計難度要大很多。此次為了把這個畢設(shè)完成好，從寒假開始我整整兩個月時間學習了CATIA軟件和hypermesh軟件。用CATIA軟件進行建模并裝配，再用hypermesh對風扇進行有限元分析（包括靜力、熱應(yīng)力分析以及運動仿真），然后再做相應(yīng)的修改和完善。
盡管歷時長、任務(wù)量大、難度較高；在此我要感謝李志臣老師幫助和指導，在李志臣老師的悉心教誨以及我自己的堅持和努力下，我克服了各種困難，最終完成了此次畢業(yè)設(shè)計。在這個過程中李志臣老師多次幫我進行仔細檢查并提出一些主要的修改意見，幫助我順利通過查重。在這里，我要再次感謝李志臣老師！
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