冷却风扇及其液压驱动装置的特性匹配研究

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冷却风扇是车辆冷却系统的主要部件。发动机和传动装置所散发的热量，除极少量通过传导、辐射方式传播外，绝大部分热量依靠冷却风扇产生的强制对流来散发 。

冷却风扇液压驱动装置采用高功率密度的泵、马达作为主要元件，其体积孝重量轻、工作可靠，泵与马达间通过柔性管路相连，可使冷却风扇布置灵活，不受空间限制；液压驱动具有无级调速的能力，可以根据动力传动系统所需冷却功率实时地调整冷却风扇的转速，从而使冷却系统的功率利用率大大提高，既节约了资源，又提高了动力传动系统的可靠性，减少了发动机磨损 ，使发动机效率达到最优，降低排放。液压驱动冷却风扇因其技术优势已被越来越广泛地应用在车辆冷却系统中。

1 液压驱动冷却风扇原理介绍液压驱动冷却风扇工作示意图如图 1所示。冷却风扇液压驱动装置的两个主要工作元件为液压马达和液压泵，冷却风扇安装在液压马达的输出轴上，马达由液压泵驱动，进而带动冷却风扇转动，液压泵安装在发动机上，其动力来自发动机。滤清器的主要目的是使系统中的工作液保持清洁，保证系统正常工作并延长系统寿命。散热器可使循环的工作液得到冷却，以免工作液温度过高而影响发动机正常工作。该系统还可根据实际的使用需求配备相应的液压辅件来实现其功能。

1.油箱 2.滤清器 3.液压泵 4.液压马达5.冷却风扇 6.散热器图 1 液压驱动冷却风扇工作示意图在满足发动机散热要求的前提下，如何选择适当的冷却风扇、液压泵及液压马达等主要元件对整车的布置结构、经济性能等方面均有重要影响，冷却风扇与液压传动装置虽为不同的研究领域，但冷却风扇产生的流动气体及液压驱动装置中的工作介质油液均为流体，冷却风扇和液压泵、马达都是流体机械，两者有其共性，在此基础上可进-步探讨冷却风扇及其液压驱动装置的参数匹配方法。

2 冷却风扇特性分析车辆使用的风扇是由旋转的叶轮及其静止的壳体组成，叶轮旋转带动了空气 ，产生了压力差，从而形成了气流。从原理上来说，风扇是与液压泵相似的，它们之间的差别仅仅是在流体 的种类与压力变化的量收稿 日期 ：2012-10-19作者简介 ：田小燕(1979-)，女，山西交城人 ，高级工程师，工程硕士 ，主要从事车辆冷却风扇及风扇传动系统的设计和研究工作。

风扇的性能由静压力升高、容积流量及输入功率之间的关系来衡量(这三个参数都是在恒定的叶轮或转子速度下量度的) j。合理地选择和设计冷却风扇必须从冷却系统整体出发，反映到风扇性能参数上主要表现为带走总热量所需的风量及克服系统阻力的静压。

冷却风扇结构型式-般可分为：轴流式、离心式和混流式三种，在各种不同类型的车辆上均得到广泛的应用。这三种结构型式的风扇特性曲线如图2～图4所示。

风扇输送的气体在单位时间内，单位容积气体的压力升高 P(N/m )，容积流量为 Q(m。/s)，则气动功率 ：N pQ/lOO0(kW) (1)风扇的效率公式：叼 (2) 式中：Ⅳ。-- 风扇的气动功率(kW)Ⅳ-- 驱动风扇的轴功率(kW)(反映在风扇液压驱动装置中，则为马达的输出功率)由式(2)可以推导出驱动风扇的轴功率：图2 轴流式风扇特性曲线n3.h图3 离心式风扇特性曲线图4 混流式风扇特性曲线Ⅳ ： - r 3、 1000叼驱动风扇的扭矩：： ： f41n 、则：9549N 9549 (5)3 冷却风扇液压驱动装置的特性分析工程中，实际的液压驱动装置千差万别，考虑到冷却风扇的工作原理及可实现无级变速的功能，冷却风扇液压驱动装置可采用变量柱塞泵、定量马达及其他液压辅件来实现其功能。

变量柱塞泵属于容积式液压泵，容积式液压泵的工作原理为：当容积增大产生真空吸人液体时，工作腔与吸油口相通；当容积减小排出液体时，它又转而与排油口连通。即依靠容积大小的交替变化，就能不断地吸人和排出液体，实现液压泵的功能。吸油腔的压力，决定于吸油高度和吸油管路压力损失；排油腔的压力，则决定于负载和排油管路以及控制阀口的压力损失。

排出的理论流量，仅由有关几何尺寸和转速确定，而与排油压力无关，这是液压泵的重要特性。排油压力通过泄漏及油液的压缩影响到实际流量，-般随排油压力的升高，实际流量降低 J。

变量柱塞泵的静态特性曲线如图5所示，变转速情况下的静态特性曲线如图6所示4j。

对定量液压马达，输出转速：q ·1000 ·叼 ，[、- - - - 。

式中：q -- 马达输入流量(L/min)叼 -- 马达容积效率- - 马达每转的几何排量(mL/r)p×lO。 /MPa图5 变量柱塞泵的静态特性曲线马达的输出扭矩：： (7) 20订 2013年第3期 液压与气动 65转速n/r·min图6 变量柱塞泵变转速情况下的静态特性曲线式中： -- 马达每转的几何排量(mL/r)卸 -- 压差(bar)叼 -- 马达的机械效率根据式(6)、(7)可得：71。 芸'7 △p。q (8)式中：7 -- 马达的总效率4 冷却风扇与液压驱动装置的参数匹配方法在冷却风扇液压驱动装置中，由液压马达带动冷却风扇旋转，故马达转速即为冷却风扇的工作转速，马达的输出扭矩应为驱动风扇的扭矩，根据式(5)及式(8)，当且仅当冷却风扇与液压驱动装置满足式 (9)时，两个系统才能匹配。

9549 ·△p·q1000 (9) 们 1r 。 -对于具体的车辆冷却系统，可根据风扇性能与系统阻力工作特性的关系曲线(如图7所示)，确定出具体的所需空气流量 Q及克服系统总阻力所需的压力高P、根据冷却风扇特性曲线，在已知空气流量 Q及压力升高 P后，可确定出冷却风扇的效率 卵，这样式(9)等式左边基本可以确定；而对于等式右边液压系统的设计参数，在液压元件 卸 的不能高于其所能承受的最大压力的前提下，液压系统的设计方案不止- 个 ，此时则需参考液压驱动装置泵的特性曲线及液压效率与 卸 的关系等，再综合考虑车辆总体布局、工程、经济及传统观念等因素，根据某性能指标最佳的原1O.09.o巢6.o3.00空气流量变化Q/%图7 风扇性能与系统阻力工作特性的关系曲线则，选择适当的系统参数，设计出最佳匹配的冷却风扇液压驱动装置。

5 应用实例某车辆冷却系统所需风量 Q为 12 m。/s，风压为1700 Pa，根据整车布置方案，经计算最后确定采用双风扇，每个风扇 的风量 p为 6 m /s，当风扇转速为3400 r/min时可满足设计要求。

根据该冷却风扇转速为 3400 r/min时的台架性能试验数据绘制冷却风扇特性曲线，从该 曲线可以得出：96 m /s时，P 1700 Pa叼 58%根据前文所述，当且仅当冷却风扇与液压驱动装置满足式(9)时，两个系统才能匹配。

由冷却风扇设计参数可知，对于冷却风扇：· 9549 石苦 2- 9549 T 1.68×10对于-般的液压泵、马达，卸 ≤28×10 Pa，根据以往设计经验及参考台架试验数据，液压驱动装置的总效率约为 60% -70%左右，取 ap28×10。Pa、7 60%，则可推导出：gv： - × 10 ×60 ：37.7 L/min 1

丌因冷却风扇的最高设计转速为 3400 r/min，根据式(6)可估算出马达的排量为 1O.53 mlMr〖虑到液压系统管路等的压力损失，系统实际工作压力不会高于 28 MPa，根据液压马达产品样本，可初选排量为16 mL/r的马达。在此基础上对冷却风扇液压驱动装置各主要元件进行选型计算，则可设计出满足使用要求的冷却风扇液压驱动装置。