液力耦合器調節冷卻風扇轉速的試驗研究

□ 謝曉丹 □ 李飛宇 □ 易 峰

湖南天雁機械有限責任公司 湖南衡陽 421005

冷卻風扇是工程車輛冷卻系統的主要部件之一。發動機產生的熱量除極少數通過傳遞、輻射方式對外傳播外，絕大部分熱量由冷卻風扇的強制對流散發，故而冷卻風扇的性能直接影響發動機的動力性、經濟性、可靠性和噪聲等性能。傳統的機械驅動式冷卻風扇，在發動機低速重載工況時冷卻能力不足，而在高速低負荷工況時冷卻過度，且發動機啟動阻力大，預熱時間長。液力耦合器驅動冷卻風扇能夠根據散熱系統的實時溫度調節風扇轉速，改善發動機在不同負荷工況下冷卻系統的散熱性能。

1 液力耦合器調節冷卻風扇轉速

1.1 液力耦合器的傳動原理

液力耦合器主要由泵輪、渦輪、外體組成。運轉時，主動軸帶動泵輪旋轉，同時泵輪中的工作液體也一起旋轉，葉輪流道中的油在葉片帶動下，因離心力的作用由泵輪內側（進口）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，油在渦輪中由外緣（進口）流向內側（出口）的流動過程中減壓減速，然后再流入泵輪進口，如此循環。在這種循環流動中，泵輪將輸入的機械功轉換為油的動能和勢能，而渦輪則將油的動能和勢能轉換為輸出的機械功，從而實現由主動軸到從動軸的動力傳遞。通過改變工作油腔的充滿度，可在輸入轉速不變的情況下，無級地改變輸出轉速。

1.2 液力耦合器調節冷卻風扇轉速的工作原理

如圖1所示，冷卻風扇主動軸右端與發動機連接，左端與液力耦合器泵輪連接。發動機啟動后，通過主動軸帶動泵輪一起旋轉。工作介質從油箱中吸入，通過進油孔進入泵輪隨泵輪一起旋轉，在離心力的作用下，帶動渦輪同向旋轉。渦輪與從動軸過盈配合，從動軸與葉輪緊固連接，從而帶動葉輪旋轉，產生風，達到冷卻發動機的目的。工作后的介質通過外體與從動軸間隙流入靜葉輪腔內，由出油孔返回油箱中，同時靜葉輪腔內的介質可以對軸承進行冷卻和潤滑。在進油孔前面裝有節溫器，節溫器根據發動機溫度的不同，打開程度也不同，調節進入液力耦合器泵輪的工作介質流量，改變耦合器內部工作液的充滿度，可無級調整風扇葉輪的轉速，保證發動機處于最佳工作狀態。

1.3 液力耦合器調節冷卻風扇轉速的優點

（1）對冷卻風扇實現自動控制，根據發動機的不同溫度，自動調節耦合器內部工作液的充滿度，有效防止發動機的冷卻能力不足和冷卻過度。

（2）發動機啟動時，液力耦合器泵輪轉速低、力矩小，故而啟動阻力小，預熱時間短。

（3）風扇葉輪出現卡滯時，輸入軸仍可轉動，不至于造成對發動機的損壞。

（4）液力耦合器輸入軸與輸出軸間靠液體聯系，無機械磨損，工作構件間無剛性連接，消除沖擊和振動，降低噪聲。

（5）能在環境惡劣的條件下工作，無需特殊維護，使用壽命較長。

1.4 影響因素

由液力耦合器調節冷卻風扇轉速的工作原理可知，改變液力耦合器輸入端轉速、工作介質溫度、工作介質流量等，會影響冷卻風扇的壓力、效率、風量、滑差等性能參數。

▲圖1 液力耦合器調節冷卻風扇轉速示意圖

2 試驗

試驗的示意如圖2所示，試驗的目的是通過改變液力耦合器的輸入端轉速、工作介質溫度、工作介質流量，觀測風扇關鍵性能參數的變化情況。

2．1 耦合器輸入端轉速的影響

工作介質（柴油機油CD15W/40）溫度100℃，流量4．5L/min，輸入轉速 （主動軸轉速）選擇5個點：3600r/min、4 200 r/min、4800 r/min、5300 r/min、5600 r/min， 每 個轉速維持5 min，測量流量差、靜壓頭壓力、動葉輪轉速、扭矩和功率，按照GB/T1236-2000計算后，得到靜壓、全壓、風量、動葉輪轉速、滑差等參數。實驗曲線見圖3、圖4。由圖3、圖4可以看出，隨著耦合器輸入端轉速的升高，風扇的全壓、靜壓、風量和動葉輪轉速均在升高，并且升高的速度逐漸放緩，滑差保持在94%～95%內微小變化。

2．2 工作介質溫度的影響

輸入轉速 4950r/min，流量 4．5L/min，工作介質（柴油機油） 溫度選擇 6個點：70℃、80℃、90℃、100℃、110℃、120℃，轉動穩定后維持5min，測量計算數據。試驗曲線如圖5、圖6所示。由圖5、圖6可以看出，隨著工作介質溫度的升高，風扇的全壓、靜壓、風量、動葉輪轉速和滑差均在升高，升高幅度較小，并且升高的速度逐漸放緩。

2．3 工作介質流量的影響

輸入轉速3900r/min，工作介質（柴油機油）溫度100℃， 流量選擇 7 個點：1L/min、1．5L/min、2L/min、2．5L/min、3．5L/min、4．5L/min、5．5L/min，轉動穩定后維持5min，測量計算數據。實驗曲線如圖7、圖8所示。由圖7、圖8可以看出，當工作介質（柴油機油）流量增大時，風扇的全壓、靜壓、風量、動葉輪轉速和滑差逐漸升高；在流量2L/min時，風扇性能參數迅速升高；在流量大于2．5L/min后，繼續增大流量，風扇性能基本不變。

▲圖2 液力耦合器調節冷卻風扇轉速試驗圖

▲圖3 風扇輸入轉速與全壓、靜壓和風量的關系圖

▲圖4 風扇輸入轉速與動葉輪轉速和滑差的關系圖

▲圖5 工作介質溫度與全壓、靜壓和風量的關系圖

▲圖6 工作介質溫度與動葉輪轉速和滑差的關系圖

▲圖7 工作介質流量全壓、靜壓和風量的關系圖

▲圖8 工作介質流量與動葉輪轉速和滑差的關系圖

3 結論

通過對液力耦合器調節冷卻風扇轉速的試驗，結果表明，使用柴油機油CD15W/40作為工作介質時，液力耦合器輸入端轉速和工作介質的流量變化對冷卻風扇的性能影響明顯，工作介質的溫度變化對冷卻風扇的性能影響較小。

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