液力耦合器调节冷却风扇转速的试验研究

□ 谢晓丹 □ 李飞宇 □ 易 峰

湖南天雁机械有限责任公司 湖南衡阳 421005

冷却风扇是工程车辆冷却系统的主要部件之一。发动机产生的热量除极少数通过传递、辐射方式对外传播外，绝大部分热量由冷却风扇的强制对流散发，故而冷却风扇的性能直接影响发动机的动力性、经济性、可靠性和噪声等性能。传统的机械驱动式冷却风扇，在发动机低速重载工况时冷却能力不足，而在高速低负荷工况时冷却过度，且发动机启动阻力大，预热时间长。液力耦合器驱动冷却风扇能够根据散热系统的实时温度调节风扇转速，改善发动机在不同负荷工况下冷却系统的散热性能。

1 液力耦合器调节冷却风扇转速

1.1 液力耦合器的传动原理

液力耦合器主要由泵轮、涡轮、外体组成。运转时，主动轴带动泵轮旋转，同时泵轮中的工作液体也一起旋转，叶轮流道中的油在叶片带动下，因离心力的作用由泵轮内侧（进口）流向外缘（出口），形成高压高速油流冲击涡轮叶片，使涡轮跟随泵轮作同方向旋转，油在涡轮中由外缘（进口）流向内侧（出口）的流动过程中减压减速，然后再流入泵轮进口，如此循环。在这种循环流动中，泵轮将输入的机械功转换为油的动能和势能，而涡轮则将油的动能和势能转换为输出的机械功，从而实现由主动轴到从动轴的动力传递。通过改变工作油腔的充满度，可在输入转速不变的情况下，无级地改变输出转速。

1.2 液力耦合器调节冷却风扇转速的工作原理

如图1所示，冷却风扇主动轴右端与发动机连接，左端与液力耦合器泵轮连接。发动机启动后，通过主动轴带动泵轮一起旋转。工作介质从油箱中吸入，通过进油孔进入泵轮随泵轮一起旋转，在离心力的作用下，带动涡轮同向旋转。涡轮与从动轴过盈配合，从动轴与叶轮紧固连接，从而带动叶轮旋转，产生风，达到冷却发动机的目的。工作后的介质通过外体与从动轴间隙流入静叶轮腔内，由出油孔返回油箱中，同时静叶轮腔内的介质可以对轴承进行冷却和润滑。在进油孔前面装有节温器，节温器根据发动机温度的不同，打开程度也不同，调节进入液力耦合器泵轮的工作介质流量，改变耦合器内部工作液的充满度，可无级调整风扇叶轮的转速，保证发动机处于最佳工作状态。

1.3 液力耦合器调节冷却风扇转速的优点

（1）对冷却风扇实现自动控制，根据发动机的不同温度，自动调节耦合器内部工作液的充满度，有效防止发动机的冷却能力不足和冷却过度。

（2）发动机启动时，液力耦合器泵轮转速低、力矩小，故而启动阻力小，预热时间短。

（3）风扇叶轮出现卡滞时，输入轴仍可转动，不至于造成对发动机的损坏。

（4）液力耦合器输入轴与输出轴间靠液体联系，无机械磨损，工作构件间无刚性连接，消除冲击和振动，降低噪声。

（5）能在环境恶劣的条件下工作，无需特殊维护，使用寿命较长。

1.4 影响因素

由液力耦合器调节冷却风扇转速的工作原理可知，改变液力耦合器输入端转速、工作介质温度、工作介质流量等，会影响冷却风扇的压力、效率、风量、滑差等性能参数。

▲图1 液力耦合器调节冷却风扇转速示意图

2 试验

试验的示意如图2所示，试验的目的是通过改变液力耦合器的输入端转速、工作介质温度、工作介质流量，观测风扇关键性能参数的变化情况。

2．1 耦合器输入端转速的影响

工作介质（柴油机油CD15W/40）温度100℃，流量4．5L/min，输入转速 （主动轴转速）选择5个点：3600r/min、4 200 r/min、4800 r/min、5300 r/min、5600 r/min， 每 个转速维持5 min，测量流量差、静压头压力、动叶轮转速、扭矩和功率，按照GB/T1236-2000计算后，得到静压、全压、风量、动叶轮转速、滑差等参数。实验曲线见图3、图4。由图3、图4可以看出，随着耦合器输入端转速的升高，风扇的全压、静压、风量和动叶轮转速均在升高，并且升高的速度逐渐放缓，滑差保持在94%～95%内微小变化。

2．2 工作介质温度的影响

输入转速 4950r/min，流量 4．5L/min，工作介质（柴油机油） 温度选择 6个点：70℃、80℃、90℃、100℃、110℃、120℃，转动稳定后维持5min，测量计算数据。试验曲线如图5、图6所示。由图5、图6可以看出，随着工作介质温度的升高，风扇的全压、静压、风量、动叶轮转速和滑差均在升高，升高幅度较小，并且升高的速度逐渐放缓。

2．3 工作介质流量的影响

输入转速3900r/min，工作介质（柴油机油）温度100℃， 流量选择 7 个点：1L/min、1．5L/min、2L/min、2．5L/min、3．5L/min、4．5L/min、5．5L/min，转动稳定后维持5min，测量计算数据。实验曲线如图7、图8所示。由图7、图8可以看出，当工作介质（柴油机油）流量增大时，风扇的全压、静压、风量、动叶轮转速和滑差逐渐升高；在流量2L/min时，风扇性能参数迅速升高；在流量大于2．5L/min后，继续增大流量，风扇性能基本不变。

▲图2 液力耦合器调节冷却风扇转速试验图

▲图3 风扇输入转速与全压、静压和风量的关系图

▲图4 风扇输入转速与动叶轮转速和滑差的关系图

▲图5 工作介质温度与全压、静压和风量的关系图

▲图6 工作介质温度与动叶轮转速和滑差的关系图

▲图7 工作介质流量全压、静压和风量的关系图

▲图8 工作介质流量与动叶轮转速和滑差的关系图

3 结论

通过对液力耦合器调节冷却风扇转速的试验，结果表明，使用柴油机油CD15W/40作为工作介质时，液力耦合器输入端转速和工作介质的流量变化对冷却风扇的性能影响明显，工作介质的温度变化对冷却风扇的性能影响较小。

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