小型液压挖掘机动力系统热平衡研究解读

中南大学
硕士学位论文
小型液压挖掘机动力系统热平衡研究
姓名：蒋丛华
申请学位级别：硕士
专业：机械设计及理论
指导教师：陈欠根
20070602
中南大学硕士学位论文摘要
摘要
作为小型液压挖掘机动力系统的核心，发动机性能的好坏，将直接影响其使用情况。

本文针对目前国内小型液压挖掘机普遍存在的发动机水箱进水温度过高的问题，利用计算机仿真技术并结合实际对小型液压挖掘机动力系统的热平衡问题进行了深入的研究。

首先对热平衡理论进行了分析，提出了发动机热平衡模型，通过实验测定了模型中的各参数，得到了工程应用中设计合理冷却系统的理论依据，并以此设计了相匹配的冷却系统。

其次，通过试验分析了影响热平衡的主要因素。

在此基础上，利用ＦＬＵＮＥＴ软件对水散热器中的复杂流动传热进行了仿真研究，建立了水散热器芯体单元模型，对模型内流体的温度场进行研究和分析，仿真结果与实际结果基本吻合，证实了该模型的正确性。

接着利用该模型模拟不同环境温度下的流动传热，得到了环境温度与水散热器总散热量之间的关系式，该关系式对研究小型液压挖掘机动力系统的热平衡具有重要指导意义。

最后在不改变散热器等部件的情况下，通过测量测点的风速得到结构参数的改变对整机热平衡的影响，并提出了整机散热系统的改进方案。

这对冷却系统设计有重要的意义。

关键词：小型液压挖掘机，发动机，热平衡，冷却系统，有限元模拟
中南大学硕士学位论文ＡＢＳＴＲＡＣＴ
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
ＡｓｔｈｅｃｏｒｅｏｆｔｈｅｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｏｆＭｉｎｉ—ＨｙｄｒａｕｌｉｃＥｘｃａｖａｔｏｒ，ｔｈｅ
ａｔｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｅｎｇｉｎｅｗｉｌｌａｆｆｅｃｔｉｔｓｗｏｒｋｄｉｒｅｃｔｌｙ．Ａｉｍｉｎｇ
ｐｒｏｂｌｅｍｉｎ
ｗａｔｅｒｃｕｒｒｅｎｔｔｈｅｄｏｍｅｓｔｉｃＭｉｎｉ．ＨｙｄｒａｕｌｉｃＥｘｃａｖａｔｏｒ，ｗｈｉｃｈｉＳｔｈｅｔｏｏｉｎｌｅｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｔｈｅｅｎｇｉｎｅｉｓｈｉｇｈ，ｕｓｉｎｇｃｏｍｐｕｔｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｉｎｔｅｒｒｅｌａｔｅｄｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｅｈｅａｔｂａｌａｎｃｅｏｆｔｈｅｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｏｆＭｉｎｉ—ＨｙｄｒａｕｌｉｃＥｘｃａｖａｔｏｒｉｓｓｔｕｄｉｅｄ．
Ｆｉｒｓｔ，ｔｈｅｈｅａｔｂａｌａｎｃｅｔｈｅｏｒｙｉｓａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄｔｈｅｅｎｇｉｎｅｈｅａｔｂａｌａｎｃｅｍｏｄｅｌｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ。

Ｔｈｒｏｕｇｈｔｅｓｔｉｎｇｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌ，ｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｂａｓｉｓｏｆｄｅｓｉｇｎｉｎｇｒａｔｉｏｎａｌｃｏｏｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍｉｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｂｙｔｈｉｓ，ｔｈｅｍａｔｃｈｅｄｃｏｏｌｉｎｇｓｙａｅｍｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｒｏｕｇｈｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，ｔｈｅｍａｉｎｆａｃｔｏｒｓｗｈｉｃｈａｆｆｅｃｔｉｎｇｈｅａｔｂａｌａｎｃｅａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｂａｓｉｎｇｏ
ｎｔｈｉｓ，ａｎｄｕｓｉｎｇｔｈｅＦＬＵＮＥＴｓｏｆｔｗａｒｅ，ｔｈｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｏｆｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｆｌｏｗｉｎｗａｔｅｒｒａｄｉａｔｏｒｉｓｓｉｍｕｌａｔｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄｔｈｅｗａｔｅｒｒａｄｉａｔｏｒｃｅｌｌｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｉＳｆｏｕｎｄｅｄ。

ａｎｄｔｈｅｆｌｕｉｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｉｓｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔａｎｄｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｈａｖｅｍａｔｃｈｅｄｂａｓｉｃａｌｌｙ，ｖｅｒｉｆｉｅｄｔｈｅｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｒｏｕｇｈｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｈｅａｔｗａｎｓｆｅｒｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｍｂｉｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｂｙ
ｏｆｔｈｅｕｓｉｎｇｔｈｅｍｏｄｅｌ，ａｃａｌｃｕｌａｔｅｄｆｏｒｍｕｌａａｍｂｉｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄ
ｔｏｔａｌｈｅａｔｄｉｓｓｉｐａｔｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ａｎｄｉｔｈａｓｉｍｐｏｒｔａｎｔｇｕｉｄａｎｃｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｉｎｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇｈｅａｔｂａｌａｎｃｅ
Ｍｉｎｉ－ＨｙｄｒａｕｌｉｃＥｘｃａｖａｔｏｒ．ｏｆｔｈｅｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｏｆ
Ｆｉｎａｌｌｙ，ｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｔｈａｔｔｈｅｐａｒｔｓｓｕｃｈａｓｒａｄｉａｔｏｒａｒｅｕｎｃｈａｎｇｅａｂｌｅ，ｔｈｒｏｕｇｈｍｅａＳｕｒｉｎｇｔｈｅ
ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｄｉｓｐｏｓａｌｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｉｍｐｒｏｖｅｄｏｎａｉｒｓｐｅｅｄｏｆｓｕｒｖｅｙｐｏｉｎｔ，ｔｈｅｈｅａｔｂａｌａｎｃｅｉｓｏｂｓｅｒｖｅｄ，ａｎｄｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｒａｄｉａｔｉｎｇｓｙＳｔｅｍｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｉｔｈａｓｉ
ｍｐｏｒｔａｎｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｃｏｏｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｍｉｎｉ—ＨｙｄｒａｕｌｉｃＥｘｃａｖａｔｏｒ，Ｅｎｇｉｎｅ，Ｈｅａｔ
ｓｙｓｔｅｍ，ＦｉｎｉｔｅｄｅｍｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎＩｌＢａｌａｎｃｅ，Ｃｏｏｌｉｎｇ
原创性声明
本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。

与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。

作者签名：ＥｔＪｔｌ：立晕年羔月鱼日
关于学位论文使用授权说明
本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。

作者签名：嶝导师签作者签名：措导师签日期：２２年兰月互日
中南大学硕士学位论文第一章绪论
第一章绪论
１．１课题来源及研究意义
１．１．１课题来源
本课题来源于国家８６３项目“液压挖掘机机电一体化及制造信息化”（课题编号：２００３ＡＡ４３０２００）中的研究方向：小型液压挖掘机动力系统热平衡机理研究。

１．１．２研究目的与意义
小型液压挖掘机通常指整机重量在１３ｔ以下的挖掘机产品，产品归类为小型工程机械。

它已广泛应用于市政工程、交通运输、水利水力工程、农田改造、矿山开采以及现代化军事工程等机械化施工之中“‟。

我国从２０世纪８０年代后期开始研制小型液压挖掘机，最早由广西玉柴和贵州詹阳先行开发，但总体发展速度缓慢，制造规模较小。

进入２ｌ世纪以后，我国小型液压挖掘机产业有了突飞猛进的发展，如广西玉柴达到了年产２０００台以上的规模，长沙山河智能、江西南特和广西柳工也都有突出的表现。

而国外生产大国日本除了国内销售２００００台外，有４００００台左右产品外销。

欧美制造商主要有山猫、卡特彼勒、凯斯、ＪＣＢ、沃尔沃和ＮＥＵＳＯＮ等公司。

面对如此广泛的应用和巨大的需求，小型液压挖掘机在性能上的提高必然会带来显著的经济效益和社会效益．
但实际情况是国内小型液压挖掘机目前的整体水平处于９０年代水平，产品仍然处于仿制阶段，缺乏自主研发能力，技术上无法与国际先进水平相提并论。

目前国外的水平完全可以称为渐趋完美，其功能的可靠性、操作的流畅性和舒适性不必详叙，连驾驶室的美观与质感可与轿车媲美ｎ１。

由于我国目前正处于全面开展基础设施建设阶段、沿海地区正处于基础建设逐步完善阶段，小型液压挖掘机应用的市场环境日益扩展并呈现可以预见的强势后劲，此时对小型液压挖掘机进行一些理论联系实际的研究显然具有重要的现实意义和长远的指导意义。

小型挖掘机由于使用工况比较恶劣、工作负荷强度高，结构紧凑等特点，因此对致使对其性能要求越来越高…。

而作为其动力系统的核心，发动机性能的好坏，将直接影响性能。

按照发动机热平衡的规律，发动机冷却系统的散热能力必须与之
相匹配，才能使发动机维持在正常的油、水温度而安全的工作，而实际情况是冷却系统同时担负着液压系统的散热，散热强度非常大。

因此研究小型液压
中南大学硕士学位论文第一章绪论挖掘机的冷却系统热平衡，使发动机在适当的温度范围内工作，对小型液压挖掘机的长时间诈常使用至关重要。

１．２发动机冷却系统的概述
１．２．１发动机冷却系统的作用
发动机工作时，缸内燃油燃烧所产生的热量只有一部分转化为有效功，其余大部分则损失掉，其中需要靠冷却带走的热量占燃油总热量的１／３左右。

燃油雾化混合物在汽缸内燃烧过程中温度高达１００００Ｃ～２００００Ｃ，直接与高温气体接触的机件（如气门、汽缸壁、活塞及汽缸盖等），由于吸收了大量的热量，温度迅速升高“”。

这么大的一部分热量，单靠自然散热远远不能满足散热要求。

特别是应用在工程机械领域，其经常处于低转速，高负荷工况下工作，冷却系统设计的合理与否会很大程度上影响其工作及寿命。

工程机械发动机冷却不足，发动机经常在高温下工作会造成：１、活塞刚度和强度会下降，容易发生变形或折断；２、润滑油烧蚀，最终会导致润滑系统工作不良，使元件之间发生干摩擦，降低了发动机的寿命；３、燃油的不正常燃烧，产生发动机的爆燃或早燃；４、充气系数的降低，从而降低输出功率…‟；５、液压系统液压油变稀进而造成工作不正常，甚至产生液压油泄漏，污染环境。

而冷却过度同样也是不利的，过度的冷却会造成：１、做功的热量减小从而使内燃机功率输出减小，动力输出不足；２、使燃油雾化不良，已雾化了的燃油结成颗粒状液体，并顺气缸壁流入曲轴箱，这样不仅会增加燃料消耗，而且进入曲轴箱的燃料还会使润滑油稀释，润滑性能下降，同时还会加大冷态摩擦产生的噪声…１；３、发动机永温太低的结果使发动机零件的磨损增加“”。

对于工程机械发动机，根据机型的不同，将出水温度应控制在一定的温度范围内，冷却系统的作用就是及时适量地把高温条件下工作的部件所吸收的热量散发到大气中去，保证发动机在正常的范围内工作。

１．２．２发动机冷却系统的类型
发动机的冷却系统按照冷却介质的不同可分为水冷和风冷两大类。

风冷发动机是采用高速空气流直接吹过气缸盖和气缸体的外表面，对发动机进行冷却。

由于空气冷却不够可靠，热负荷高，严重影响发动机的可靠性，且风扇消耗功率大，运转噪音大，在工程机械上应用不多。

水冷发动机则是利用冷却液吸收高温零部件的热量，然后经过循环系统，通过散热器将热量传给空气。

水冷发动机的冷却系统可分为蒸发冷却和强制冷却两２
类。

这两类又分为开式和闭式两种““。

蒸发冷却系统利用冷却液的自然对流，实现冷却液的循环，从而适度地实现对发动机工作温度进行调节。

蒸发冷却系统循环强度小，不易保证发动机有足够的冷却强度。

强制冷却系统是利用水泵等强制手段使冷却液在冷却系统中循环流动，使发动机得到适度的冷却，这种冷却系统是通过水泵把冷却液从发动机外吸入并加压，通过冷却液将发动机的燃烧热均匀地吸收并传导到散热器，利用冷却风扇旋转引起的空气流动将热量散走，工作可靠，可以保证发动机有足够的冷却强度。

强制循环冷却系统可分为开式强制冷却系统和闭式强制冷却系统。

为了防止冷却液的溅出，散热器上的加水口平时用盖子盖住，但由于冷却液温度升高会形成蒸汽，如果冷却系统中蒸汽过多，可能由于压力上升而导致系统漏水或散热器破裂，因此，必须在加水口设置排气通道。

如果冷却系统由此通道与大气相通，则称为开式强制冷却系统。

在闭式强制冷却系统中，散热器水箱盖上有自动阀门，发动机热状态正常工作时，阀门关闭，冷却系统与外界隔开，防止蒸汽溢出，目前工程机械包括液压挖掘机大多采用这种形式。

闭式强制冷却系统又分为闭环式冷却系统和半闭环式冷却系统。

闭环式冷却系统是当自动阀门在高压的作用下打开后，溢出的水蒸气进入一个补偿容器内，在容器内水蒸气液化、冷却。

当发动机停止工作或负荷较正常时，冷却系统内压力低于大气压力时，补偿水箱内的冷却液会自动进入系统进行补偿。

半闭环式冷却系统是自动阀门在高压的作用下打开后，溢出的水蒸气或冷却液直接排入大气，不予回收的冷却系统。

水冷发动机闭式强制循环系统，如图卜１所示。

１９
图１－１发动机强制循环冷却系统
卜百叶窗２哦热器３一水箱盖４一风扇５一水泵６－节温器
７一水温表８一发动机水套９一分水管１０－放水开关
３
１．３国内外发动机冷却系统的现状及发展趋势
Ｉ．３．１国内外发动机冷却系统的现状
国内的工程机械一直采用发动机直接驱动冷却系统进行散热，这种冷却系统的冷却能力按发动机的最大热负荷工况设计，其缺点是风扇耗能特别大，据文献“”介绍，冷却风扇消耗的功率与其转速的三次方成正比，一般冷却风扇的功率消耗占发动机有效功率的５％～１２％＇在发动机的附件损失中占第一位。

另外，过低的冷却水温将使发动机的油耗增加。

据文献“”介绍，当发动机冷却水温从９００ｃ降到５００Ｃ时，燃油消耗率将增加１０％左右，而且冷却能力不能随发动机的散热需要自动调节，在发动机低速大负荷工作时冷却能力不足，经常出现过热现象，而在高速、中小负荷工作时，冷却能力则严重过剩，使发动机预热缓慢，传热损失太多，造成燃油的大量浪费。

而且散热器的安装位置受风扇驱动方式的限制，通常将发动机的散热器和液压油散热器按图卜２所示安装。

图Ｉ－２安装示意图
１．液压油散热器２．海绵３．发动机冷却水箱４，风扇５．发动机６．减振垫
这种设计可以利用一个冷却系统来同时完成发动机和液压油的冷却，但其不足在于：冷却空气的流动阻力增加，降低了冷却空气与散热器中的冷却液的热交换速度，不仅增加了发动机的功率消耗，还不能满足工程机械的散热要求，因此机械经过长时间的工作后，容易造成冷却水的沸腾而不得不暂时工作，降低了工作效率。

同时国内对于挖掘机用发动机中有关冷却系统的理论研究还比较欠缺，有关冷却系统的优化设计研究也不够深入“…”，因此国内品牌的液压挖掘机在同样的工况下，容易出现发动机水箱进水温度偏高（俗称水箱“开锅”）的问题，致使４
其生产效率大大降低，对用户正常使用造成了很大的影响“”。

２００５年广西柳工在开发了一套热平衡计算分析软件系统，应用在挖掘机等工程机械上，其作用是分析整车的各部分的热量分布情况，合理设计发动机及传动系统的散热系统…１。

郑州宇通重工在２００５年对６ＪＴｌｌ２型轮式推土机进行了改进，改进后的热平衡系统可依据液压油温、发动机水温与风量变化的逻辑关系自动控制风扇转速，使整机的热平衡达到了最佳的工作温度。

目前国内解决该问题主要的途径有以下两种：改变部件和在不改变部件的基础上进行优化匹配“”。

由于实际挖掘机内空间狭小的影响，优化匹配也仅仅是更换部件或对进风道进行优化。

然而更换冷却系统中的部件，然后进行热平衡测试需要花费大量的时间和金钱。

如果能够在不改变部件的基础上，只是对其进行优化及匹配的设计，是非常可取的。

国外对工程机械中发动机冷却系统的研究起步较早，研究也呈现多元化发展。

为解决通常冷却系统采用的冷却风扇由发动机曲轴通过皮带驱动，其冷却调节的灵敏度低，功率损失大的问题，发明了电控冷却风扇。

１９８１年美国专利文件中“”（专利号ＵＳ４２５７５５４）首先提出了使用电动冷却风扇，其驱动方式由发动机驱动改为了由电动机驱动，根据发动机温度和负荷情况的不同，实现风扇的运转速度的控制，避免了发动机驱动冷却风扇的功率损失。

然而，该项专利技术由于没
有采用导风罩，降低了风机的容积效率，同时引起了风机总功率的降低，这种冷却方式在工程机械上无法推广，最终只能在热负荷比较小的轿车散热器上。

１９８９年美国专利…（专利号ＵＳ４８７５５２１）首次在载重车辆上采用电动单冷却风扇，风扇布置在散热器中部，叶片直径和驱动功率较大。

后来“机动车发动机的通风系统”将电动冷却风扇布置在散热器前方，根据发动机温度的高低，冷热气阀可交替开闭。

１９９４年台湾裕隆公司也就冷却系统的更新申请了专利“１（专利号９４１１８０５０．６），提出了在冷却系统中装置可调转速电动水泵的设计。

以反馈控制水泵冷却液的流量，其主要是根据水温、节气门位置、车速等的传感器所传给ＥＣＵ的信号，以反馈控制的方式调节电动水泵的转速，使得发动机水套中流动的冷却液流量能随着不同的驾驶状况而作调整，保持发动机的正常温度。

同时，在９０年代日、美等发达国家采用电液比例阀来控制液力驱动冷却风扇。

电液比例技术控制发动机冷却风扇系统（图１－３）是挖掘机冷却系统的发展方向。

这个系统能根据冷却水温度、环境温度及通风量自动连续调节风扇的转速。

它同传统离合器驱动的冷却风扇和电机驱动的冷却风扇相比，其转速不受发动机转速变化的影响，在任何车速下都可以提供足够大的冷却风量，使发动机冷却水温度的平均值始终处于最佳的温度范围，并具有节能、噪声低，结构尺寸小、空５
中南大学硕士学位论文第一章绪论间布置灵活等优点。

丰田的“塞尔西奥”轿车的冷却系统已经开始利用油压和微型计算机实现无级控制风扇转速的冷却风扇装置…一。

１
２
４
５
６
图１－３比例阀连续控制系统工作原理
１．电控单元２．油泵３．比例阀４．精滤器５．粗滤器６．油箱
７．油冷器８．油马达９．冷却液温度传感器
这种冷却系统是以ＥＣＵ来控制电磁阀的开闭进而达到对风扇转速的控制。

文献阐述了液压驱动风扇系统的多种型式及其原理。

总之，发动机冷却风扇改由液压马达驱动，通过液压系统调节马达的转速可实现发动机的合理冷却。

文献””介绍了液压驱动电扇系统装车试验的情况，整车噪声和燃油消耗都有明显的改善。

这种调节方式可以根据工程机械的散热需要自动调节冷却风扇和水泵的转速，始终使发动机和液压系统保持最佳工作温度，可以大幅度提高发动机工作效率，延长使用寿命，降低燃油损耗，是发达国家在大功率发动机上使用的最新冷却系统。

但即使使用以上冷却系统，卡特彼勒、神钢、日立等国外知名品牌挖掘机在使用大修后长时间工作的情况下，也会出现水箱“开锅”的现象哺”“。

１．３．２发动机冷却系统的发展趋势
在当今日益重视环保、提倡节能和舒适性的情况下，发动机的结构和性能都有了很大的发展，冷却系统正朝着节能化、轻型化、紧凑化和智能化的方向发展。

ｌ、冷却系统向高效率低能耗的方向发展ｎ”
发动机冷却系统效率的提高主要是从两个方面来实现：一是新材料、新技术６
中南大学硕士学位论文第一章绪论以及部件制造的新工艺的应用；二是部件的智能化驱动方式。

１）散热器材料及其制造新技术
散热器是由上水箱、下水箱和散热器芯部组成。

目Ｉｉ｛『常用的散热器芯部结构有管片式和管带式，水管一般都是扁平状，以减少空气阻力，增加传热面积。

管外的大量散热片和散热带是为了增加对空气的传热面积“１，其常用材料主要有铜、铝和工程塑料等。

对于工程机械中的散热器一般使用铜散热器。

铜是导热性最好的金属材料，具有优良的成形加工性、可钎焊性和耐腐性，长期以来一直作为散热器的首选材料。

为增加铜散热器的耐腐蚀性，延长其工作寿命，一般要在表面覆盖锡保护层，但这样会影响铜散热器的散热效率。

近年来，为了进一步提高铜散热器的性能，对传统的铜锡散热器采取了很多改进措施。

如在材质方面和加工工艺方面尽可能提高材料利用率，采取向铜中添加微量元素的方法，在不损失导热性的前提下，提高其强度，从而减薄带板的厚度，节省材料用量以减轻质量和降低成本。

２０世纪９０年代末，热交换器制造新技术—铜硬钎焊散热器生产技术的出现开创了散热器制造技术的更新和飞跃的时代。

铜硬钎焊技术采用特殊的铜、锡和磷的钎焊合金，将黄铜和紫铜分别制成管和散热带硬钎成一个整体一即散热器和热交换器。

实践证明，硬钎焊技术在工程机械等发动机散热器方面优势明显“１。

２）冷却风扇
传统冷却系统中，风扇和水泵的效率普遍不高，造成大量能源的浪费。

为提高冷却风扇的效率，用塑料翼形风扇取代圆弧型直叶片冷却风扇。

从空气动力学的角度来分析，翼形风扇能够改善风扇流场，提高风扇的效率和静压，使风扇的高效区变宽；另外，塑料表面的光洁度较高。

采用翼形端面塑料和流线型导风罩，使风扇气流入口形成良好的流线型气流，可提高风扇的效率。

塑料风扇的另一个特点是由于塑料风扇材料具有较大弹性变形能力，可以设计成柔性风扇叶片，使叶片在气流动力的作用下产生扭曲方向的变形，这相当于叶片安装角度可以随风扇转速的变化而自动调整，使气流进入叶片所形成的攻角优化“１，可以明显提高风扇的工作效率。

从冷却风扇的驱动方式来看，由于电控风扇完全不由发动机驱动，可以与导风罩、散热器安装为一体，保证了风扇和导风罩两者之间的同心度，最大限度地减少
了风扇叶片与导风罩的径向间隙，使容积效率得到了大幅度的提高；采用电机直接驱动，减少了传动环节，提高７机械效率。

３）水泵
Ｓｔｅｐａｎｏｆｆ曾提出高效率离心水泵和轴流水泵的设计理论，通过改变叶轮形状提高表面光洁度，能使发动机冷却水泵的效率提高到７５％。

日本尼桑（Ｎｉｓｓａｎ）７
中南大学硕士学位论文第一章绪论公司基于这一理论制造了一种水泵，比目前广泛应用的水泵尺寸增大了１５％。

为了在获得水泵高效率的同时减小水泵的结构尺寸，该公司又通过叶片数量、改进叶片曲线设计，使水泵最大效率达到７５％，水泵尺寸得到缩减。

２、冷却系统向整体优化的方向发展
发动机冷却系统的效能取决于使用条件和各部件（散热器，风扇等）的设计与匹配的合理性…１。

冷却系统的整体优化包含两个含意，一是采用先进的设计理论和设计方法对包括散热器、冷却风扇在内的重要部件进行优化设计，获取合理的设计尺寸；二是整个冷却系统的合理优化匹配。

１）冷却系统零部件的优化设计
冷却系统零部件传统的设计方法是：设计人员根据经验或统计数据初选零部件的结构参数，然后进行试验，由试验结果初选的结构参数，再做实验，在改进，不断进行完善，直到找到一个可行方案。

即满足各种条件限制的方案。

这种传统的设计工作效率低，设计周期长，劳动强度大，并且无论是分析还是设计都存在大量的简化和经验，准确性差，得到的结构仅仅是可行方案，多数不是最优设计。

由于产品设计质量要求日益提高和设计周期要求日益缩短，传统设计已越来越显得不能适应工业发展的需要。

现代设计的深入和完善，而非独立于传统设计的全新设计，其核心是先进的设计理论与计算机技术。

随着理论研究的不断深入，许多工程现象不断升华和总结为揭示事物内在规律和本质的理论。

如结构优化设计、可靠性理论、计算流体力学理论（ＣＦＤ）等。

现代设计方法是基于理论形成的方法，利用这种方法设计可减少经验设计的盲目性和随意性，提高设计的主动性、科学性和准确性。

因此，现代设计是以理论指导为主、经验为辅的一种设计。

目前在工程领域中，主要采用的是数值模拟的方法是有限单元法，其基本的方法就是将问题的求解域划分为一系列单元，单元之间靠节点连接。

由于单元形状简单，易于由能量关系，平衡关系和其他关系建立节点量之间的方程，然后将各个单元方程组求解。

一些工程问题的分析，如流场分析、温度场分析、应力场分析等，都可以归结为在给定边界条件下对单元体求解其控制方程的问题，但这样的方法求解得出精确值只适用于几何形状规则的问题。

对于大多数实际的问题，必须引入简化模型，将复杂实体进行简化，通过对简化模型的计算得出精确值。

这种简化一定要适当，过多的简化会导致得到不正确的仿真结果…。

以计算流体力学理论（ＣＦＤ）和ＡＮＳＹＳ为代表的数值仿真模拟软件，不断地汲取计算方法和计算机技术的最新发展，将有限元分析、计算机图形学和优化设计技术结合在一起，已成为现代设计中不可缺少的部分“１。

数值仿真技术已经应用于现代工程设计中各个领域，对工程研究的发展和进步起了重要的作用，本文中也将其应
中南大学硕士学位论文第一章绪论用到热平衡研究中。

２）冷却系统的匹配优化
在设计冷却系统时，确定冷却系统的散热量后，首先要完成散热器的设计或选型，然后根据散热器的尺寸在进行冷却风扇的选型或设计。

在设计或选择风扇时，不仅要求得到效率高而性能好的风扇，而且还要求风扇能和散热器良好匹配，使得风扇性能充分地发挥，总处于最佳的工况下工作。

因此，风扇与散热器能否良好匹配，也是提高冷却性能的重要途径。

利用计算机技术对风扇乃至冷却系统进行匹配优化研究是一个重要方向。

１。