冷却风扇结构改进设计

夏焕文，刘 焱，买靖东，匡晋安，于艳秋

(中国北方车辆研究所，北京 100072)

冷却风扇是车辆散热系统中的关键部件，其高速旋转产生的压力能，通过热交换器带走整车热量，维持车辆的热平衡，保证车辆正常工作.而冷却风扇的结构又直接影响冷却风扇性能及可靠性，一旦因结构原因导致冷却风扇性能异常、故障或失效，将使车辆停止工作，或损坏相关联部件乃至损坏发动机.因此，在结构设计时必须十分慎重，确保冷却风扇性能及可靠性符合使用要求.

1 冷却风扇结构及工作原理

1.1 冷却风扇结构

冷却风扇原始结构主要由风扇叶轮、风扇静子、马达、连接盘、压板、螺栓等主要元件组成，其原始结构简图如图1所示.

图1 冷却风扇原始结构

冷却风扇改进结构主要由风扇叶轮、风扇静子、马达、连接盘、套轴、平键、轴承、润滑油管等主要元件组成，其结构简图如图2所示.

图2 冷却风扇改进后的结构

1.2 工作原理

冷却风扇原始结构 (图1)工作原理是:固定在风扇静子上的马达工作时，其花键轴旋转带动通过压板、螺栓固定在马达花键轴上的连接盘旋转，旋转的连接盘与风扇叶轮固定而带动风扇叶轮旋转，冷却风扇工作.工作时，高速旋转的风扇叶轮产生的合力通过连接盘直接作用在马达花键轴上，亦即马达上，再通过马达传递到风扇静子上，最终作用在车辆上.

冷却风扇改进后的结构 (图2)工作原理是:固定在风扇静子上的马达工作时，其花键轴旋转带动套轴旋转，套轴通过平键与连接盘固定使连接盘旋转，旋转的连接盘与风扇叶轮固定而带动风扇叶轮旋转，同时，旋转的套轴通过轴承支撑在风扇静子上，通过马达回油经润滑油管供油给轴承润滑，冷却风扇工作.工作时，高速旋转的风扇叶轮产生的合力通过连接盘、平键直接作用在套轴上，再通过套轴上的轴承传递到风扇静子上，最终作用在车辆上，此时马达仅承受风扇叶轮的纯扭矩作用.

2 冷却风扇失效分析及其结构改进

2.1 冷却风扇的原始结构设计

冷却风扇的原始结构设计 (图1)是依据冷却风扇参数及马达样本［1］相关参数计算、校核设计而成，台架性能试验满足设计要求.样车使用时，发现冷却风扇失效，外部特征表现为风扇叶轮、风扇静子碎，风扇静子的支撑筋断，马达轴断，见图3、图4，可靠性不能满足实车使用要求.

图3 冷却风扇失效图

图4 马达失效图

2.2 冷却风扇失效分析

经过分解失效冷却风扇，并对其失效零部件进行分析、计算、校核、检测、试验，得出:

1)风扇静子的支撑筋与叶片之间的距离小、支撑筋的截面形状不合理.冷却风扇工作时，气体流动经过支撑筋，其后产生卡门涡街，卡门涡街的强度与支撑筋的截面形状直接相关，现结构产生了较强的卡门涡街;卡门涡街对高速旋转的风扇叶轮产生附加外力，该附加外力的大小又和支撑筋与叶片间的距离直接相关，由于距离过小，产生了较大的附加外力.

2)风扇叶轮与风扇静子集成后，风扇叶轮本身的固有频率对应的耦合转速在风扇叶轮工作转速范围内，在气动力和卡门涡街产生的作用力共同激励下，风扇叶轮与风扇静子产生了共振.

3)高速旋转的风扇叶轮产生的合力通过连接盘直接作用在马达的花键轴上，该力已到马达承力极限边缘.

2.3 冷却风扇结构改进

依据冷却风扇失效分析结果，对相关零部件进行了理论计算、校核，作了如下结构改进:

1)将风扇静子支撑筋的截面形状由原来的近似椭圆形 (图5)改成类似机翼形 (图6).

图5 原支撑筋截面形状

图6 改进后支撑筋截面形状

2)将风扇叶轮叶片根部圆角加大、叶片顶部变薄 (图7);将风扇叶轮与连接盘固定处移至风扇叶轮中心，并增加风扇叶轮与连接盘固定处的厚度 (图2).

图7 改进后的风扇叶轮

3)增加套轴、平键、轴承、润滑油管等结构件，集成风扇静子组成新的传动装置 (图2).

4)改变风扇静子支撑筋的角度，使支撑筋与叶片间保持平行，且支撑筋与叶片间距离尽可能放大 (图1、图2).

2.4 结构改进后的效果

1)风扇静子支撑筋的截面形状由原来的近似椭圆形改成类似机翼形，可改变卡门涡街形态，减小卡门涡街的强度.

2)将风扇叶轮叶片根部圆角加大、叶片顶部变薄、风扇叶轮与连接盘固定处移至风扇叶轮中心、并增加风扇叶轮与连接盘固定处的厚度，可减小叶片根部应力水平［2-3］，改善应力分布;改变风扇叶轮本身固有频率，避开风扇叶轮与风扇静子的耦合转速在风扇叶轮工作转速范围内，消除气动力和卡门涡街的激励而产生的共振.

3)增加套轴、平键、轴承、润滑油管等结构件，集成风扇静子组成新的传动装置，完全改变了马达花键轴的受力状态，马达花键轴只传递扭矩;套轴通过平键与连接盘及风扇叶轮连接，使高速旋转的风扇叶轮运行更加稳定.风扇叶轮除扭矩外的一切作用力通过连接盘、套轴、轴承经风扇静子直接传到车体，改善了风扇叶轮的运动状态，同时也改善了冷却风扇的工作状态.

4)改变风扇静子支撑筋的角度，使支撑筋与叶片间保持平行，且支撑筋与叶片间距离尽可能放大，尽量消除或减小卡门涡街对风扇叶轮的影响，减小或避免了卡门涡街对风扇叶轮的激励.

3 试验验证

3.1 风扇叶轮固有频率试验

通过激振试验，其平均固有频率为466 Hz，比未改进的风扇叶轮平均固有频率提高63 Hz，风扇叶轮与风扇静子的耦合转速为5592 r/min，已避开风扇叶轮工作转速.

3.2 冷却风扇台架强化有限寿命考核试验

依据车辆使用寿命，进行了台架强化有限寿命考核试验，试验结果见表1.

表1 考核时间分配表

强化试验结果表明:总试验时间达502.5 h后，冷却风扇工作正常.样车使用状况良好，满足车辆可靠性要求.

4 结论

1)通过对冷却风扇的改进设计，掌握了该冷却风扇的设计方法，积累了经验，为同类产品的设计奠定了基础.

2)各种试验结果说明:改进后的冷却风扇，结构合理，各部件之间匹配良好，满足车辆设计要求、系统要求、可靠性要求及使用要求.

［1］博世力士乐 (中国)有限公司，行走机械用液压及电子控制元件样本 ［M］.RC 64017，2008.

［2］JIFENG Wang，QUBOLI，NORBERT MULLER.Me chanical And Optimization Analyses For Novel Wound Composite Axial Impeller［C］.//2009 ASME International Mechanical Engineering Congress And Exposition，2009.

［3］陶春虎，习年生，张卫方.断口反推疲劳应力的新进展 ［J］.航空材料学报，2000，20(3):158-163.