拖拉機液驅冷卻風扇的設計研究

丁建，商高高，韓江義

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江 212013)

拖拉機液驅冷卻風扇的設計研究

丁建，商高高，韓江義

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江 212013)

針對傳統發動機冷卻系統冷卻風扇無法自動調節轉速以滿足發動機散熱需求的缺點，設計了一套液壓驅動系統。對液壓控制系統進行了研究，根據原冷卻系統的設計參數選擇液壓元件。使用電磁比例閥控制液壓馬達實現風扇轉速的無級調速，可以使發動機始終工作在要求的溫度范圍內。

發動機冷卻系統； 風扇無級調速； 電磁比例閥；設計；元件選擇

0 引言

柴油機在運轉時由于燃燒和摩擦產生的熱量會使活塞、缸套、缸蓋等發動機零件的溫度急劇升高，溫度過高會使發動機的機械性能下降，產生嚴重的熱應力、變形、裂紋和磨損，高溫也會引起進氣變差，燃燒不正常，導致發動機的動力性、經濟性、可靠性及耐久性降低。發動機工作溫度過低會使散熱損失及摩擦損失增加，零件磨損加劇，排放惡化，發動機功率下降及燃油消耗增加[1]。

傳統發動機冷卻系統使發動機在標準大氣條件及額定工況工作時能可靠地工作，但在復雜的氣候條件下或最大扭矩工況下工作時，經常出現過熱或過冷現象。對于大馬力機械，散熱量較多而散熱功率又大的情況，傳統的風扇冷卻系統很難滿足散熱要求。

現代內燃機的轉速和功率不斷提高，熱負荷也越來越高，對冷卻系統的設計和研究工作也越來越引起很大的注意。一個良好的冷卻系統，應滿足下列各項要求[2]：

1) 散熱能力能滿足內燃機在各種工況下運轉時的需要。當工況和環境條件變化時，仍能保證內燃機可靠地工作和維持最佳的冷卻水溫度；

2) 冷卻系統消耗功率小。啟動后，能在短時間內達到正常工作溫度；

3) 體積小，質量輕，又便于拆裝維修；

4) 使用可靠，壽命長，制造成本低。

液壓傳動系統在運行中容易做到對執行元件運動速度的無級調節，調速方便且調速范圍大，特別是隨著機電一體化的發展，與微電子、計算機技術相結合，使液壓傳動無級調速的應用更廣泛。特別是在工程機械設備中液壓傳動得到了廣泛的應用[3]。

1 液壓馬達控制冷卻風扇系統設計與計算

發動機冷卻系統控制的任務是使發動機工作在最佳溫度范圍，而風扇是汽車發動機溫度控制的主要執行元件，將冷卻風扇的傳統驅動方式改為液壓驅動，可以使發動機工作于高效、可靠的溫度范圍內。

1.1 系統總體方案的確定

a) 確定馬達的形式

根據發動機的工作條件與散熱要求來選擇液壓馬達。拖拉機在工作時發動機冷卻系統散熱量大，而在不同的工況下所需散熱量差別也大，要求冷卻風扇轉速高且可以在較大范圍內變化。可選擇外嚙合式高速齒輪液壓馬達，該馬達對油液污染要求不高，結構簡單、價格低廉，而且轉速常高于500r/min。

b) 確定油液回路方式

液壓傳動系統的回路有開式和閉式兩種方式。其中，開式回路中液壓泵從油箱中吸入液壓油，壓送到液壓馬達油路中，經過馬達的回油排至油箱。回路結構簡單，散熱性好，同時便于沉淀過濾雜質和析出氣體，比較適合拖拉機農田工作，因此選用開式循環回路。

c) 馬達驅動控制方案

國外發達國家在20世紀90年代就推出了應用電液比例技術驅動馬達控制冷卻風扇轉速的方法，根據冷卻水溫度、環境溫度自動調節風扇的轉速，保持發動機始終工作在最佳溫度范圍內[4]。本設計采用電液比例控制技術控制馬達風扇既能滿足發動機冷卻的需要，又具有節能的優點。

d) 液壓馬達驅動冷卻系統設計

根據以上分析，設計液壓驅動系統總體方案如圖1所示。

1—油箱；2—液壓油過濾器；3—液壓泵； 4—先導式電磁比例溢流閥；5—液壓馬達；6—冷卻風扇； 7—發動機冷卻水散熱器；8—冷卻液溫度傳感器 圖1 液壓傳動系統總體方案

發動機工作時，冷卻液溫度傳感器8將檢測到的發動機冷卻液溫度信號傳給控制器，經控制器處理后，發出控制電信號，調節電磁比例溢流閥4的輸入電流，從而改變溢流閥的調整壓力，繼而調節液壓馬達5的進出口壓力差，對液壓馬達5和冷卻風扇6的轉速起到調節作用，使冷卻風扇的轉速隨發動機溫度的高低而自動調節，從而滿足發動機的散熱要求。

1.2 原冷卻系統中參數和風扇功率轉矩的計算

在冷卻系統的設計中，是以冷卻系統需要散出的熱量為原始數據，計算冷卻系統中的循環水量、冷卻空氣量，來設計或選用冷卻風扇、水泵等。在進行選型設計時通常以發動機最大功率工況(額定功率工況)下發動機的散熱量為設計標準，這樣可以保證發動機在最大負荷時的散熱量。

1) 冷卻系統的散熱量

冷卻系統散發出去的熱量與發動機的形式及功率大小有關，也受許多復雜因素的影響，很難精確計算。可以利用經驗公式估算發動機的散熱量。通常用公式(1)進行估算：

Q=AgePehu/3 600

(1)

式中：A—散熱量占總發熱量的百分比。一般拖拉機中柴油機為25%～35%。考慮到冷卻系設計的安全性，一般取大些。

ge—發動機燃油消耗率；

Pe—發動機功率；

hu—為燃料低熱值，柴油取10.2kcal/g。

2)冷卻系統的水循環量

根據散入冷卻系統的熱量可由式(2)計算出冷卻系統中冷卻水的循環量qw：

qw=Q/ρw·cpw·Δtw

(2)

式中：ρw—冷卻水的密度；

cpw—冷卻水的定壓比熱容；

Δtw—冷卻水溫差，在熱平衡溫度下，冷卻水流經發動機的溫升應等于冷卻水流經水箱的溫降。該值一般為6℃～12℃。

3)冷卻系統需要的冷卻風量

根據散入冷卻系統的熱量可由式(3)計算出冷卻風扇的扇風量qa：

qa=Q/ρa·cpa·Δta

(3)

式中：ρa—冷卻空氣的密度；

cpa—冷卻空氣的定壓比熱容；

Δta—為冷卻空氣進出散熱器溫差，通常Δta=10℃～30℃。

4)排風壓

Δpa=Δpr+Δpf

(4)

式中：Δpr—散熱器的風阻；

Δpf—除散熱器以外的風道系統阻力，Δpf=(0.4～1.1)Δpr；

發動機冷卻系統風扇的排風壓應根據風洞試驗確定，但由于條件限制在拖拉機用柴油機排風壓的常用范圍190Pa～500Pa內取值。

5)風扇功率

風扇消耗的功率主要是根據冷卻風量和排風壓來確定：

(5)

式中：η—風扇總效率，一般η=0.3～0.5。

冷卻風扇的排量、風壓和功率消耗分別與風扇的轉速一次、二次和三次方成正比，所以提高轉速是增加風量和風壓的有效方法，但功率的消耗也增加。

6)冷卻風扇驅動轉矩

在發動機最大負載工況下，滿足冷卻系統散熱要求的冷卻風扇最大驅動轉矩Tf由下式可得：

Tf=9 550·Pf/nf

(6)

以型號為1204的大型拖拉機為例進行計算，它的標定功率為88.2kW。具體發動機參數如表1。

表1 1204大馬力拖拉機發動機參數

經計算，發動機在標定功率工況下的冷卻系統計算參數如表2。

表2 額定工況下冷卻系散熱計算值

2 液壓系統元件計算與的選擇

2.1 液壓馬達的計算與選擇

已知液壓馬達的輸出轉矩、負荷壓力和排量，就可以選擇液壓馬達的型號。其中輸出轉矩應有1.3～1.5倍的儲備，工作壓力可根據冷卻系統對應的主機類型選擇，農業機械、汽車工業、小型工程機械及輔助機構的工作壓力為10～16MPa[5-6]。

液壓馬達的排量由下式決定：

V=2πT/Pmηm

(7)

式中：T—液壓馬達的負載轉矩，即為風扇驅動轉矩，13.66N·m；

Pm—液壓馬達的最高工作壓力，選取為12MPa；

ηm—液壓馬達的機械效率，齒輪馬達取0.85～0.95，這里取0.95。

將數據代入式(8)得到液壓馬達的計算排量V=7.525 ml/r。

液壓馬達工作的最大理論流量：

qm0=Vnmax

(8)

式中：nmax—馬達的最大工作轉速，即風扇的最大轉速。

根據以上參數選擇Sauer-Danfoss-Turolla的一款型號為SGM2NC/8.0BA02AAC5的雙向驅動齒輪馬達。該馬達排量為8.4 mL/r，額定壓力為25 MPa，最高工作壓力為27 MPa，最高轉速3 500 r/min，最低穩定轉速700 r/min，理論輸出扭矩可達33.44 N·m，滿足系統的動力需求。

2.2 液壓泵的計算與選擇

根據液壓泵的最大供油量、最高供油壓力和轉速，可以選擇合適的外嚙合齒輪泵規格型號。所選的液壓泵的額定壓力應比油路的最高供油壓力高出約25%～60%，最高供油壓力主要由液壓馬達最大工作壓力和進油路的壓力損失來確定。

液壓泵的最大供油量可由下式計算：

qpmax≥KQmax

(9)

式中：K—考慮系統泄漏和溢流閥保持最小溢流量的系數，通常取1.1～1.3。

根據所選液壓泵，實際工作中輸出流量qp=12.5×2 400=3 000 mL/min=30L/min。

2.3 電磁比例溢流閥的選型

根據計算的最大供油量和最高供油壓力，即可選擇確定電磁比例溢流閥的規格型號。所選閥的額定壓力和額定流量必須大于最高工作壓力及實際通過控制閥的最大流量，且盡可能接近計算值。

根據系統供油量和最高供油壓力，選擇薩奧品牌Control的插裝閥PRV10-POC135-BEV，該閥額定流量為76 L/min，額定工作壓力為25 MPa，壓力工作區間為6.5～15.5 MPa，12 V電壓供電，輸入最大控制電流為1.4 A。輸入控制電流大小與比例閥溢流壓力設定為負控制關系。

2.4 輔助裝置

在設計系統中，輔助元件主要有油箱、濾油器和管件等。其中油箱需根據系統要求自行設計或使用原系統油箱。濾油器根據油路的通流能力、承壓能力和過濾精度選擇。其他輔助裝置可從標準件中直接選用。

3 液壓驅動系統控制器的設計(圖2)

圖2 系統控制原理

通過對控制器規則的設定，可以實現發動機剛啟動時冷卻風扇以最低穩定轉速轉動，隨著發動機工作溫度的升高，當溫度達到85℃～95℃時控制冷卻風扇在最低穩定轉速和最高轉速之間運轉，使發動機在85℃～95℃區間工作，滿足冷卻系統的散熱需求，提高發動機的工作性能，減少冷卻系統的功率消耗。

4 結語

將電液比例技術應用于車輛冷卻風扇液壓系統，用液壓馬達驅動冷卻風扇代替發動機直接驅動風扇，利用液壓傳動無級調速的特點，在任何車速下都可保證發動機冷卻水處于最佳溫度范圍，滿足發動機的散熱要求。系統具有節油降噪效果，體積小，質量輕等優點。所以，應開展車輛冷卻風扇電液比例液壓系統的分析及試驗研究，該技術具有廣闊的應用前景。

[1] 蔡耀輝，于蘊英，沈紅，等. 拖拉機設計手冊(上冊)[M]. 北京：機械工業出版社，1994.

[2] 楊連生. 內燃機設計[M]. 北京：中國農業機械出版社，1981.

[3] 路甬祥. 液壓氣動技術手冊[M]. 北京：機械工業出版社，2002.

[4] 權龍，李鳳蘭. 電液比例技術控制發動機冷卻風扇的原理及特征[J]. 汽車技術，1995,(7)：10-13.

[5] 吳海榮. 筑路機械冷卻裝置液壓驅動系統的設計[D]. 山東：山東農業大學，2005.

[6] 王積偉，章宏甲，黃誼. 液壓與氣壓傳動[M]. 北京：機械工業出版社，2010.

Research on The Tractor Hydraulic Cooling Fan ang Its Design

DING Jian,SHANG Gaogao,HAN Jiangyi

(Department of Vehicle and Traffic Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China)

In view of the traditional engine cooling fan which can not be automatically adjusted to meet the demand of the engine cooling, this paper designs a set of hydraulic drive system; studies the hydraulic control system, according to its design parameter selects the hydraulic components and uses the motor with the electromagnetic proportional valve of hydraulic control to realize the stepless speed regulation of the fan speed, this can always make the engine work with in the range of required temperature.

engine cooling system; fan stepless speed regulation; electromagnetic proportional valve; design; components selection

丁建(1987-)，男，河南南陽人，碩士研究生，研究方向：機電一體化。

S219.031

B

1671-5276(2015)05-0216-03

2014-03-06