拖拉机液驱冷却风扇的设计研究

丁建，商高高，韩江义

(江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013)

拖拉机液驱冷却风扇的设计研究

丁建，商高高，韩江义

(江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013)

针对传统发动机冷却系统冷却风扇无法自动调节转速以满足发动机散热需求的缺点，设计了一套液压驱动系统。对液压控制系统进行了研究，根据原冷却系统的设计参数选择液压元件。使用电磁比例阀控制液压马达实现风扇转速的无级调速，可以使发动机始终工作在要求的温度范围内。

发动机冷却系统； 风扇无级调速； 电磁比例阀；设计；元件选择

0 引言

柴油机在运转时由于燃烧和摩擦产生的热量会使活塞、缸套、缸盖等发动机零件的温度急剧升高，温度过高会使发动机的机械性能下降，产生严重的热应力、变形、裂纹和磨损，高温也会引起进气变差，燃烧不正常，导致发动机的动力性、经济性、可靠性及耐久性降低。发动机工作温度过低会使散热损失及摩擦损失增加，零件磨损加剧，排放恶化，发动机功率下降及燃油消耗增加[1]。

传统发动机冷却系统使发动机在标准大气条件及额定工况工作时能可靠地工作，但在复杂的气候条件下或最大扭矩工况下工作时，经常出现过热或过冷现象。对于大马力机械，散热量较多而散热功率又大的情况，传统的风扇冷却系统很难满足散热要求。

现代内燃机的转速和功率不断提高，热负荷也越来越高，对冷却系统的设计和研究工作也越来越引起很大的注意。一个良好的冷却系统，应满足下列各项要求[2]：

1) 散热能力能满足内燃机在各种工况下运转时的需要。当工况和环境条件变化时，仍能保证内燃机可靠地工作和维持最佳的冷却水温度；

2) 冷却系统消耗功率小。启动后，能在短时间内达到正常工作温度；

3) 体积小，质量轻，又便于拆装维修；

4) 使用可靠，寿命长，制造成本低。

液压传动系统在运行中容易做到对执行元件运动速度的无级调节，调速方便且调速范围大，特别是随着机电一体化的发展，与微电子、计算机技术相结合，使液压传动无级调速的应用更广泛。特别是在工程机械设备中液压传动得到了广泛的应用[3]。

1 液压马达控制冷却风扇系统设计与计算

发动机冷却系统控制的任务是使发动机工作在最佳温度范围，而风扇是汽车发动机温度控制的主要执行元件，将冷却风扇的传统驱动方式改为液压驱动，可以使发动机工作于高效、可靠的温度范围内。

1.1 系统总体方案的确定

a) 确定马达的形式

根据发动机的工作条件与散热要求来选择液压马达。拖拉机在工作时发动机冷却系统散热量大，而在不同的工况下所需散热量差别也大，要求冷却风扇转速高且可以在较大范围内变化。可选择外啮合式高速齿轮液压马达，该马达对油液污染要求不高，结构简单、价格低廉，而且转速常高于500r/min。

b) 确定油液回路方式

液压传动系统的回路有开式和闭式两种方式。其中，开式回路中液压泵从油箱中吸入液压油，压送到液压马达油路中，经过马达的回油排至油箱。回路结构简单，散热性好，同时便于沉淀过滤杂质和析出气体，比较适合拖拉机农田工作，因此选用开式循环回路。

c) 马达驱动控制方案

国外发达国家在20世纪90年代就推出了应用电液比例技术驱动马达控制冷却风扇转速的方法，根据冷却水温度、环境温度自动调节风扇的转速，保持发动机始终工作在最佳温度范围内[4]。本设计采用电液比例控制技术控制马达风扇既能满足发动机冷却的需要，又具有节能的优点。

d) 液压马达驱动冷却系统设计

根据以上分析，设计液压驱动系统总体方案如图1所示。

1—油箱；2—液压油过滤器；3—液压泵； 4—先导式电磁比例溢流阀；5—液压马达；6—冷却风扇； 7—发动机冷却水散热器；8—冷却液温度传感器 图1 液压传动系统总体方案

发动机工作时，冷却液温度传感器8将检测到的发动机冷却液温度信号传给控制器，经控制器处理后，发出控制电信号，调节电磁比例溢流阀4的输入电流，从而改变溢流阀的调整压力，继而调节液压马达5的进出口压力差，对液压马达5和冷却风扇6的转速起到调节作用，使冷却风扇的转速随发动机温度的高低而自动调节，从而满足发动机的散热要求。

1.2 原冷却系统中参数和风扇功率转矩的计算

在冷却系统的设计中，是以冷却系统需要散出的热量为原始数据，计算冷却系统中的循环水量、冷却空气量，来设计或选用冷却风扇、水泵等。在进行选型设计时通常以发动机最大功率工况(额定功率工况)下发动机的散热量为设计标准，这样可以保证发动机在最大负荷时的散热量。

1) 冷却系统的散热量

冷却系统散发出去的热量与发动机的形式及功率大小有关，也受许多复杂因素的影响，很难精确计算。可以利用经验公式估算发动机的散热量。通常用公式(1)进行估算：

Q=AgePehu/3 600

(1)

式中：A—散热量占总发热量的百分比。一般拖拉机中柴油机为25%～35%。考虑到冷却系设计的安全性，一般取大些。

ge—发动机燃油消耗率；

Pe—发动机功率；

hu—为燃料低热值，柴油取10.2kcal/g。

2)冷却系统的水循环量

根据散入冷却系统的热量可由式(2)计算出冷却系统中冷却水的循环量qw：

qw=Q/ρw·cpw·Δtw

(2)

式中：ρw—冷却水的密度；

cpw—冷却水的定压比热容；

Δtw—冷却水温差，在热平衡温度下，冷却水流经发动机的温升应等于冷却水流经水箱的温降。该值一般为6℃～12℃。

3)冷却系统需要的冷却风量

根据散入冷却系统的热量可由式(3)计算出冷却风扇的扇风量qa：

qa=Q/ρa·cpa·Δta

(3)

式中：ρa—冷却空气的密度；

cpa—冷却空气的定压比热容；

Δta—为冷却空气进出散热器温差，通常Δta=10℃～30℃。

4)排风压

Δpa=Δpr+Δpf

(4)

式中：Δpr—散热器的风阻；

Δpf—除散热器以外的风道系统阻力，Δpf=(0.4～1.1)Δpr；

发动机冷却系统风扇的排风压应根据风洞试验确定，但由于条件限制在拖拉机用柴油机排风压的常用范围190Pa～500Pa内取值。

5)风扇功率

风扇消耗的功率主要是根据冷却风量和排风压来确定：

(5)

式中：η—风扇总效率，一般η=0.3～0.5。

冷却风扇的排量、风压和功率消耗分别与风扇的转速一次、二次和三次方成正比，所以提高转速是增加风量和风压的有效方法，但功率的消耗也增加。

6)冷却风扇驱动转矩

在发动机最大负载工况下，满足冷却系统散热要求的冷却风扇最大驱动转矩Tf由下式可得：

Tf=9 550·Pf/nf

(6)

以型号为1204的大型拖拉机为例进行计算，它的标定功率为88.2kW。具体发动机参数如表1。

表1 1204大马力拖拉机发动机参数

经计算，发动机在标定功率工况下的冷却系统计算参数如表2。

表2 额定工况下冷却系散热计算值

2 液压系统元件计算与的选择

2.1 液压马达的计算与选择

已知液压马达的输出转矩、负荷压力和排量，就可以选择液压马达的型号。其中输出转矩应有1.3～1.5倍的储备，工作压力可根据冷却系统对应的主机类型选择，农业机械、汽车工业、小型工程机械及辅助机构的工作压力为10～16MPa[5-6]。

液压马达的排量由下式决定：

V=2πT/Pmηm

(7)

式中：T—液压马达的负载转矩，即为风扇驱动转矩，13.66N·m；

Pm—液压马达的最高工作压力，选取为12MPa；

ηm—液压马达的机械效率，齿轮马达取0.85～0.95，这里取0.95。

将数据代入式(8)得到液压马达的计算排量V=7.525 ml/r。

液压马达工作的最大理论流量：

qm0=Vnmax

(8)

式中：nmax—马达的最大工作转速，即风扇的最大转速。

根据以上参数选择Sauer-Danfoss-Turolla的一款型号为SGM2NC/8.0BA02AAC5的双向驱动齿轮马达。该马达排量为8.4 mL/r，额定压力为25 MPa，最高工作压力为27 MPa，最高转速3 500 r/min，最低稳定转速700 r/min，理论输出扭矩可达33.44 N·m，满足系统的动力需求。

2.2 液压泵的计算与选择

根据液压泵的最大供油量、最高供油压力和转速，可以选择合适的外啮合齿轮泵规格型号。所选的液压泵的额定压力应比油路的最高供油压力高出约25%～60%，最高供油压力主要由液压马达最大工作压力和进油路的压力损失来确定。

液压泵的最大供油量可由下式计算：

qpmax≥KQmax

(9)

式中：K—考虑系统泄漏和溢流阀保持最小溢流量的系数，通常取1.1～1.3。

根据所选液压泵，实际工作中输出流量qp=12.5×2 400=3 000 mL/min=30L/min。

2.3 电磁比例溢流阀的选型

根据计算的最大供油量和最高供油压力，即可选择确定电磁比例溢流阀的规格型号。所选阀的额定压力和额定流量必须大于最高工作压力及实际通过控制阀的最大流量，且尽可能接近计算值。

根据系统供油量和最高供油压力，选择萨奥品牌Control的插装阀PRV10-POC135-BEV，该阀额定流量为76 L/min，额定工作压力为25 MPa，压力工作区间为6.5～15.5 MPa，12 V电压供电，输入最大控制电流为1.4 A。输入控制电流大小与比例阀溢流压力设定为负控制关系。

2.4 辅助装置

在设计系统中，辅助元件主要有油箱、滤油器和管件等。其中油箱需根据系统要求自行设计或使用原系统油箱。滤油器根据油路的通流能力、承压能力和过滤精度选择。其他辅助装置可从标准件中直接选用。

3 液压驱动系统控制器的设计(图2)

图2 系统控制原理

通过对控制器规则的设定，可以实现发动机刚启动时冷却风扇以最低稳定转速转动，随着发动机工作温度的升高，当温度达到85℃～95℃时控制冷却风扇在最低稳定转速和最高转速之间运转，使发动机在85℃～95℃区间工作，满足冷却系统的散热需求，提高发动机的工作性能，减少冷却系统的功率消耗。

4 结语

将电液比例技术应用于车辆冷却风扇液压系统，用液压马达驱动冷却风扇代替发动机直接驱动风扇，利用液压传动无级调速的特点，在任何车速下都可保证发动机冷却水处于最佳温度范围，满足发动机的散热要求。系统具有节油降噪效果，体积小，质量轻等优点。所以，应开展车辆冷却风扇电液比例液压系统的分析及试验研究，该技术具有广阔的应用前景。

[1] 蔡耀辉，于蕴英，沈红，等. 拖拉机设计手册(上册)[M]. 北京：机械工业出版社，1994.

[2] 杨连生. 内燃机设计[M]. 北京：中国农业机械出版社，1981.

[3] 路甬祥. 液压气动技术手册[M]. 北京：机械工业出版社，2002.

[4] 权龙，李凤兰. 电液比例技术控制发动机冷却风扇的原理及特征[J]. 汽车技术，1995,(7)：10-13.

[5] 吴海荣. 筑路机械冷却装置液压驱动系统的设计[D]. 山东：山东农业大学，2005.

[6] 王积伟，章宏甲，黄谊. 液压与气压传动[M]. 北京：机械工业出版社，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，河南南阳人，硕士研究生，研究方向：机电一体化。

S219.031

B

1671-5276(2015)05-0216-03

2014-03-06