汽车水箱的设计及水箱的三维建模.docx
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汽车水箱的设计及水箱的三维建模
毕业设计说明书
课题名称
汽车水箱的设计及水箱的三维建模
系/专业
机械工程学院(数控车床维修与维护)
班级
数维1013班
学号
学生姓名
指导教师:
2013年05月21日
摘要
随着科学技术和汽车工业的蓬勃发展,对发动机散热器的性能的要求也越来越高,目前管带式汽车散热器得到普遍的应用。
在保证散热器具有足够的散热性能的前提下,体积小、耗材要少、效率更高就成为散热器发展的必然趋势。
根据理论分析和在实际工作中的实验数据及新材料的不断涌现,建立散热器的模型。
汽车散热器由上水室、下水室、主片、车体芯部、左右侧片等零件组成。
长期以来,散热器一直用铜和铜质合金制造,这是由于铜的导热性能良好,能防腐,易于焊接和加工而且也由于过去取材交易等。
但鉴于铜系战略物质,近年来铜价暴长、波动甚剧、更兼汽车日多、能源紧张、污染严重、较大的汽车生产国又相继立法,限制车重,迫使各散热器公司竟相进行以铝代铜的研究。
因此,散热器的发展趋势是以铝代铜,也因此发展趋势,本文分别对散热器的构造、制造材料、发展方向作了介绍,最主要的体现还是将水箱材料铜质与铝质作了对比。
本文重点研究铝质代替铜质的必然性,设计以铝质代替铜质的水箱,在满足传热的要求下,提出了水箱制造材料优化的方案,以达到减少耗材和降低厂家生产成本的目标。
为了对水箱的构造作更深的了解,就以水箱其中一个重要组成部分下水室为例,对其进行建模,运用图解,以便让我们对下水室的外形成型过程更加了解。
关键词:
散热、铜质、铝质、建模。
Abstract
Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnologyandautomobileindustry,theperformanceoftheengineradiatorareincreasinglyhighrequirements,thecurrentautomotiveradiatoriswidelyapplied.Inthepremiseofensuringradiatorwithheatdissipationperformanceenoughunder,smallsize,lessconsumables,higherefficiencyhasbecometheinevitabletrendofdevelopmentofradiator.Accordingtothetheoreticalanalysisandpracticalworkintheexperimentaldataandtheemergenceofnewmaterials,toestablishthemodelofradiator.Automobileradiatorwaterchamber,thewaterchamber,themainpiece,thebodycore,leftandrightsideplateandotherparts.Long-termsince,hasusedthecopperandcopperalloyradiatormanufacturing,thisisbecausethethermalconductivityofcopper,corrosion,easyweldingandmachiningbutalsobecauseofthepastweretradingetc..Butinviewofcopper-basedstrategicmaterial,inrecentyears,fluctuationsincopperpricesstormslongdrama,moreandmorecars,energyshortage,pollution,bigcountryofautomobileproductionandhavelegislation,restrictionsonvehicleweight,withaluminumandcopperareforcingtheradiatorcompanyhas.Therefore,thedevelopmenttrendoftheradiatorisreplacingcopperwithaluminum,sodevelopmenttrend,thispaperconstructed,ontheradiatormanufacturingdevelopmentdirectionofmaterials,introduced,reflectsthemostimportantorcomparetankmaterialofcopperandaluminum.Thispaperfocusesontheresearchofaluminuminsteadoftheinevitabilityofcopper,aluminuminsteadofcopperwatertankdesigntomeettherequirementsofheattransfer,intheproposedscheme,watertankmanufacturingmaterialoptimization,inordertoreducetheamountofmaterialandreducetheproductioncostofmanufacturerstarget.Inordertoconstructthewaterfordeeperunderstanding,tothewatertankwhichisanimportantpartofthewaterchamberasanexample,themodeling,usinggraphic,sothatweknowmoreabouttheshapeformingprocessofwaterchamber.
Keywords:
radiator,copper,aluminum,modeling.
摘要…………………………………………………………………………………………………1ABSTRACT……………………………………………………………………………………………2第一章引言……………………………………………………………………………………………4
1.1汽车散热器的背景……………………………………………………………………………4
1.3汽车散热器行业的发展现状及前景…………………………………………………………4
1.4课题研究的主要内容简介……………………………………………………………………5
第二章散热器的概述…………………………………………………………………………………6
2.1散热器的介绍…………………………………………………………………………………6
2.2散热器的分类及相关知识…………………………………………………………………10
2.2.1散热器的分类………………………………………………………………………10
2.2.2散热器的材质………………………………………………………………………11
2.2.3散热器的焊接………………………………………………………………………12
2.2.4中冷器的知识………………………………………………………………………12
2.2.5水箱的开锅处理方法………………………………………………………………13
2.2.6清理汽车水箱的方法……………………………………………………………14第三章散热器的主要基本参数……………………………………………………………………15
3.1散热器水室的基本参数……………………………………………………………………15第四章典型零件的solidworks建模………………………………………………………………17
4.1散热器下水室的建模………………………………………………………………………17
4.2散热器装配的建模…………………………………………………………………………22第五章小结与展望…………………………………………………………………………………26
5.1小结…………………………………………………………………………………………26
5.2展望…………………………………………………………………………………………26
参考文献………………………………………………………………………………………………27
第一章引言
散热器是汽车发动机冷却系统的重要部件,其作用是将发动机水套内冷却液从温零件所吸收的热量散发到空气中。
因此,散热器性能的好坏直接影响汽车发动机的散热效果,进而对汽车的动力性、经济性和可靠性会有很大影响。
随着汽车发动机转速和功率的不断提高,热负荷也愈来愈高,对冷却系统的要求也越来越高,人们对包括散热器在内的冷却系统的研究愈加重视,新技术、新材料不断涌现。
汽车散热器正朝着轻型、高效、经济的方向发展。
1.1汽车散热器的背景
散热器在1901年第一次被展出。
散热器的产值在汽车的全部零件中占有较要的地位,例如:
在发动机中占14%,在汽车全部零件中占2.5%,仅次于电器和减震器而占第三位。
长期以来,散热器一直用铜和铜质合金制造,这是由于铜的导热性能良好,能防腐,易于焊接和加工而且也由于过去取材交易等。
但鉴于铜系战略物质,近年来铜价暴长、波动甚剧、更兼汽车日多、能源紧张、污染严重、较大的汽车生产国又相继立法,限制车重,迫使各散热器公司竟相进行以铝代铜的研究。
因此,散热器的发展趋势是以铝代铜。
又由于发动机功率和行驶速度的提高,动力转向,自动变速和空调设备等的普遍使用,以及冷却系统的发展等都对散热器提出了更高的要求。
各生产企业在制造工艺上做出许多改进,不仅使成本大为降低,而且质量也大有提高。
世界上主要产散热器的国家及其公司:
美国、俄罗斯、英国、法国、德国、日本。
美国最大的通用公司的哈里逊(Harrison)散热器厂。
英国的联合工程公司(AssociatedEngineeringCo)统的可弗拉特(Covrad)公司、赛克热交换和服务公司(SerckHeattransfer&Service)、玛尔斯登散热器服务服务公司(MarstonRaditorServiceCo.),雷特-赖泼公司(Rad—RepsCo)。
西德的以贝尔散热器厂较为著名。
法国的以肖松公司最大。
日本的以东洋散热器公司、日本散热器公司、东京散热器公司较大。
1.2汽车散热器行业的发展现状及前景
一、汽车散热器行业的市场竞争格局
近年来,我国汽车散热器生产有较快的发展,2011年资料显示已达到600家左右,特别是浙江、江苏、广东、山东等地新增的厂家比较多,其中大型骨干企业20~30家。
企业可分为四类:
①不依附于任何整车厂,研发和生产能力较强,为多家汽车企业供货,如山东同创;②跨国公司独资或者合资,技术力量雄厚,有较稳定的配套企业(多为有外资背景的汽车企),产量大,依靠母公司提供技术支持,如上海贝洱;③依附于某个整车厂或为某整车厂的子公司,只为其配套,如中国重汽集团汽车水箱厂;④产量小,技术力量薄弱,多依靠人工生产,自动化程度低,产品价格低廉的其它散热器厂。
发展现状特点:
①散热器生产企业数量急剧膨胀,无序竞争状况更加突出;②随着中国汽车工业的快速发展,全球汽车散热器领域著名的公司如福特、贝洱、日本东洋和摩丁等均在国内以独资、合资或控股的方式设厂,外资企业加快了进入步伐,抢占市场资源;③主机厂(包括国内和同外)全球采购还仅停留在口头上,主机厂与零部件企业的战略合作伙伴关系远未建立,零部件企业的弱势地位更加突出;④各骨干企业加大投入、改造,积极调整产品结构,力求在竞争中立于不败之地;⑤产品出口量大增,但出口产品仍以售后市场为主,产品档次和附加值偏低;⑥原材料价格的大幅波动,影响了行业企业的盈利能力。
二、国内散热器行业的技术水平
我国汽车散热器的技术水平、质量状况已基本能够满足国内配套的需要。
行业内的各重点骨干企业都有自己的研发中心,拥有产品设计、开发队伍、设施及必要的检测手段。
各公司通过配备风洞试验台、冷热循环性能试验台、振动性能试验台、耐碎石冲击试验台、腐蚀试验台、干式试漏仪、压力循环试验台、热应力试验台等检测、试验设备,保证了产品质量的稳定和提高。
骨干企业以完备的试验设备、结构设计的应力分析计算能力、性能设计的换热量及阻力分析计算能力,在技术上为典型特征区别于其它散热器厂家。
从整体来看与国际相比差距主要体现在产品可靠性和散热性能、生产自动化程度、原材料利用率等方面。
①目前我国骨干企业都引进了国际比较先进的生产设备,如制管机、滚带机、芯体组装机等,但是设备的自动化程度还不是很高。
很多工序仍然采用人工操作,混线生产,致使产品质量不稳定;②目前我国的焊接技术水平与国外有一定差距,铝制散热器普遍采用钎焊技术,铜散热器还在采用铜和焊锡焊接,铜硬钎焊技术在国内应用很少,在可靠性能方面与国外相比有差距;③汽车和发动机热系统整体的研发设计能力、模具的设计制造能力等方面与国际先进技术差距较大;④原材料利用率方面目前国内平均水平在95%左右,国外更高些。
三、汽车散热器行业发展前景
国内散热器行业已初步完成了资金、技术、人才等方面的原始积累和储备,重点骨干企业也已具备了与发达国家同行企业竞争的潜在能力。
散热器行业将进入一个新的发展阶段,重点表现在:
①细化行业分工,实现系统化、模块化供货;②进一步提高产品制造水平和质量保证能力,全面进入国际OEM市场。
在材料应用上大型车和特种车铜质散热器仍不可替代,铜铝两种散热器将长期共存;同时新材料也可能被应用,如石墨泡沫已在实验室应用于散热器,传热系数要比传统的散热器提高10倍以上,需要相同的散热量情况下,其正面面积可减少8倍多;市场潜力看好的电动车的冷却系统也为汽车散热器的发展提供新的方向。
“十二五”发展目标主要围绕自主创新和关键核心技术的掌握、自主品牌建设、标准化建设、产业结构调整,实现走向世界的战略。
专利保护和品牌保护、车用热交换器技术标准、大量先进的自动化生产设备和检测设备、高端的设计团队将成为进入市场越来越高的壁垒,中小企业的淘汰为大型的散热器企业提供更广阔的空间。
1.3课题研究的主要内容简介
汽车散热器历来以铜为主,但是近年来铜质散热器产量在逐年减少。
据统计,1985年-1996年间世界汽车的铜质散热器产量下降了27.5%,而铝质散热器重量较轻,比相同规格的铜质散热器可减轻三分之一左右的重量。
汽车轻量化是全世界汽车工业的发展方向,而汽车轻量化的首选材料是铝合金。
研究表明,汽车上每应用1Kg铝材,可获得2Kg的减轻效果。
汽车自重每下降10%,燃料效果可提高6-8%,而且铝材本身具有良好的耐腐蚀性、可焊性、易成型性和导热性等特点,用铝合金复合材料制成的汽车散热器具有体积小、重量轻、抗震性好、寿命长等优点。
所以采取了以铝质代替铜质的水箱,本文重点也就在于将铝质与铜质相比较,进而让我们更加深刻的认识到现代生活已渐渐将铝质代替铜质的现状。
本文介绍了散热器的组成,以及一些相关背景现状还有未来发展趋势,让我们对散热器更进一步的认识,并让我们了解到铝质代替铜质为厂家为社会带来的降低成本的支出目的。
本文第四章又以下水室为例,对下水室进行了图形建模,以便我们对下水室的外形构成有了更深刻的认识。
第二章散热器的概述
2.1散热器介绍
散热器的实物如图1-1所示(图2为结构图)。
其主要组成部分为上水室(如图1-2)、下水室、加水口盖、侧板(如图1-3)、支架和散热器芯(如图1-4)。
在上、下水室上分别焊有进、出水管(水管如图1-5),以便于与进、出水软管联接,在上水室上还焊有加水口管,用于向散热器中注入冷却水,平时管口用加水口盖盖住,在下水室上通都装有放水阀门。
侧板加强了散热器的强度,又将用于与外部连接的支架与其它构件连为一体。
散热器芯是散热器的核心部件,是散热器的主要散热元件。
散热器芯的构造型式有多种,但管带式散热器芯以其散热能力强、制造工艺简单、质量小、成本低等优点而得以广泛地应用。
管带式散热器芯是由波纹状的散带与冷却管相间排列着,冷却管的两端分别插入上、下水室主片的扁孔中,外侧的散热带被两片附侧板所夹持经钎焊而成。
图1-1汽车散热器实物图
图1-2汽车上水室实物图
图1-3汽车侧板实物图
图1-4散热器芯体实物图
图1-5散热器制管实物图
传统的内燃机冷却系统的构造是安装在内燃机传动轴上的风扇起强制冷却作用,没有风扇的强制冷却单凭散热器自身的散热是远远达不到内燃机散热要求的,而随着发动机转速的快与慢来直接决定散热器的冷却效果,通常在水泵和内燃机水道上安装节温器来保证内燃机在70°C上下内燃机水流的控制,保证内燃机正常工作。
而根据内燃机生产厂家的设备和制造工艺的不同,内燃机的功率损耗也不同,随着市场的发展和需要生产出各种型号不同的机械,所以运用于最早的散热器设计就在一定的程度上发生变化。
它不在按照内燃机功率的大小来决定散热器散热面积的大小,而是根据各种车型和工况来适当加大散热器的散热面积,这是目前内燃机冷却系统生产市场上都默认的计算方法。
所以市场上就出现了散热器的管带式、管片式、管片开窗式等不同规格型号的散热器,以达到内燃机的冷却效果,也就是内燃机最良好的功率实现。
而正常启动工作的内燃机在工况不好的情况下,如果水温偏高,一般都停止工作或加大内燃机的转速和检查通风情况来保证内燃机在80-95°C时达到的正常功率和使用效果。
在正常工作的发电机组、工程机械、矿用车、拖拉机等这些机械运作时,操作工一般不会老去检查水温和水多少的问题,这对内燃机也是一个致命的要害。
内燃机研究的工程师一般不会去考虑冷却系统的附在问题,而是凭理论去计算散热面积的大小来适合内燃机冷却的计算公式。
同样这也是内燃机使用过程中的致命问题。
国外在汽车内燃机冷却系统上已经有好的方法,他们运用在小汽车上。
主要解决的方法是内燃机和冷却系统完全分离,冷却用的散热器上安装可加速的电磁风扇来保证内燃机的冷却效果。
而且散热器设计远远底于国内散热器散热面积的设计。
主要是因为它在散热器上安装直流可控加速电机。
所以对于我们国内各种内燃机的散热器的设计可以运用国外的散热器制造经验来保证内燃机的冷却效果,同样达到散热效果,也对内燃机的功率消耗有一定的提高。
充分利用和发挥内燃机的最大功率,在运用的过程中增加水温测试和可视报警装置。
而除汽车而外的内燃机一般都是靠内燃机的转动来进行强制冷却。
如拖拉机、叉车、工程机械、发动机组、农用车等。
发动机是有冷却液的循环来实现的,强制冷却液循环的部件是水泵,它由曲轴皮带带动,水泵叶轮推动冷却液在整个系统内循环。
这些冷却液对发动机的冷却,要根据发动机的工作情况而随时调节。
当发动机温度低的时候,冷却液就在佛那个冬季本身内部做小循环,当发动机温度高的时候,冷却液就在发动机-散热器之间做大循环。
实现冷却液做不同循环的控制部件是节温器。
节温器实际上是一个阀门,节温器原理是利用可随温度伸缩的材料,例如石蜡或者乙醚之类的材料做开关阀门,当水温高时材料膨胀顶开阀门,冷却液进行大循环,当水温低时材料收缩关闭阀门,冷却液小循环。
为了提高散热器的冷却能力,在散热器后面安装风扇来强制通风。
以前的轿车散热器风扇有曲轴皮带直接带动的,发动机启动他就要转,不能视发动机温度变化而变化,为了调节散热器的冷却力,要在散热器上装上活动百叶窗以控制风力进入。
现代轿车已经普遍使用风扇电磁离合器或者电子风扇,当水温比较低是,离合器与转轴分离,风扇不动,当水温比较高时有温度传感器接通电源,使离合器与转轴接合,风扇转动。
同样电子风扇有发动机直接带动,有温度传感器控制电动机运转。
这两种行驶的散热器电扇运转实际上都是由温度传感器控制。
散热器芯部应具备有足够的通流面积,让冷却液通过,同时也应具备足够的空气同流面积,让足量的空气通过带走冷却液传给散热器的热量。
同时还必须具有足够的散热面积,来完成冷却液,空气和散热片之间的热量交换。
由于大多数物体在受热后都要膨胀,温度越高,膨胀越大。
内燃机的零件在工作是受热膨胀后,会使零件变形,过分的膨胀,则使相互配合零件间的正常间隙收到破坏。
并且,润滑油在高温下,它的粘度会大大降低。
如果润滑油的粘度降低,幽默的承载力下降,不能在运动附中保持良好的润滑,加剧零件的磨损。
同时汽缸壁温度太高时,将会使进入燃烧室的润滑油迅速燃烧引起润滑油的消耗量增加,并且是燃烧室积碳。
汽缸内的温度过高时,汽缸充气系数下降。
汽油机还容易产生爆燃现象。
由此可见,必须降低温度。
如果发动机的温度过低,燃料不能完全燃烧,是燃料消耗增加,是润滑油粘度增高,零件的摩擦阻力加大,是润滑油粘度增高,零件的摩擦阻力加大,消耗较多摩擦阻力加大功率,因而减少了输出功率,废气中的水蒸气与硫化物生成一种叫亚硫酸的液滴腐蚀零件穿走的热能增加,转变为机械功的热能减少,造成过多的散热损失。
因此温度也不能太低,温度在85度左右适合。
无论国内国外在内燃机散热器的安装上都没有固定的安装距离标准,这也是一个对内燃机致命的关系,即使散热器生产的越好面积越大,但如果没有正确的安装,同样达不到散热器的散热效果。
根据多年对散热器安装的累积安装经验得到散热器的正确安装方法按如下安装,达到散热器的最佳散热效果:
1.迎风(吸风)散热器芯部平面到内燃机风扇平面的的安装距离按40-55mm标准执行。
2.背风(吹风)散热器芯部平面到内燃机风扇平面的的安装距离按100-120mm标准执行。
理论及实际流向对比:
1.目前正常使用的内燃机散热器都为对流式或自流式的水流动方式,使水在散热器的水室及散热管内自由流动,同时通过内燃机的强制冷却来达到冷却效果,也就是通过内燃机的水泵运转使通过内燃机水套内的水在散热器进出水管进行来回运转,同时通过安装于内燃机主传动轴上的风扇进行强制冷却,而使散热器把内燃机运转时产生的热能通过散热器给传导出去。
理论的流向是出水管出水进水管进水,水在散热器内循环一次,根据水泵的流量不停的多次循环达到冷却效果。
实际的流向通过实验由于进出水管同内燃机连接位置的不同,和进出水管的直径不同,水经过散热器的流向为自流式,通过模拟实验,由于水阻的问题,靠近进出水管的散热管流动比不靠近进出水管的流动快2-3倍,离进出水管较远的散热管几乎就没有流动或流动仅为靠近进出水管的散热管的1/4,从而散热器的散热效果至少降低1/5,同样散热面积就降低。
2.现使用的内燃机散热器为逆向阻流的水流动方式,使水在散热器的水室及散热管内按规定路线流动,同时通过内燃机的强制冷却来达到冷却效果,也就是通过内燃机的水泵运转,使通过内燃机水套内的水在散热器进出水管按规定路线进行多次往返运转流动,同时通过安装于内燃机主传动轴上的风扇进行强制冷却,而使散热器把内燃机运转时产生的热能通过散热器给充分的传导出去。
通过进出水管的水流按设计散热管的横截面积提高20-30%的对
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