汽车调温器圆锥弹簧设计

吴飞，刘潇

（武汉理工大学机电工程学院，湖北 武汉 430070）

汽车调温器圆锥弹簧设计

吴飞，刘潇

（武汉理工大学机电工程学院，湖北 武汉 430070）

汽车发动机调温器的阀门开启是由石蜡和圆锥弹簧共同控制的，弹簧必须达到一定的刚度和灵敏度。将弹簧的设计与石蜡的调配相结合，通过solidworks对圆锥弹簧建模，solidworks simulation对其进行有限元分析，并给出了建模分析的具体过程。综合弹簧的行程规律与石蜡温度膨胀力规律，绘制圆锥弹簧温度行程曲线。实验表明，所设计的调温器圆锥弹簧能使调温器阀门顺利开启，在规定的时间内达到最大开启量，温度行程曲线符合预定要求。

调温器；圆锥弹簧；solidworks simulation

Kerwords:Thermostats; Conical spring; solidworks simulation

CLC NO.:U467.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)05-55-03

引言

调温器是汽车发动机冷却系统中的重要部件，需求量很大。但是通过实验和调查，目前市场上很多调温器无法在其标定的温度下顺利开启。对调温器的研究往往仅仅局限于调温器的感温介质，通过寻找新的感温介质以及改变感温介质的调配比例、成分使调温器达到要求，而对调温器圆锥弹簧的研究比较少，没有将弹簧的设计与石蜡的调配相结合。本文将弹簧的设计与石蜡的膨胀规律相结合，更有利于调温器的设计，更能达到预期的效果。

1、弹簧在调温器中的作用

当发动机水温较低时，密封在调温器薄壁铜本体内的石蜡是固体，调温器在弹簧力的作用下处于关闭状态，冷却液直接流回发动机。当水温升高时，热敏石蜡膨胀，推杆受到向上的推力顶住顶端，但是顶端固定不动通过推杆产生反作用力，克服弹簧力，打开阀门。这时热水通过调温器流经散热器后回到发动机，水温降低，石蜡收缩，弹簧回位，阀门关闭。如图1。

通过阀门开启的高度即弹簧的压缩量来控制流入散热器的冷却液的流量，实现对温度的控制。在膨胀力一定的情况下，弹簧的参数决定了阀门的开启高度，开启的规律。因此对其中圆锥弹簧的设计显得非常重要。

2、弹簧的设计

2.1 设计要求

根据调温器设计的行业标准，要求阀门在 82℃刚刚开启，在100℃时达到最大开启量10mm，所需时间小于120s。要求温度-行程曲线图与预设接近。

2.2 弹簧参数的确定

弹簧的参数应该如何选择才能达到这种要求呢？如果用传统的方法建立调温器的二阶微分方程，变量太多，尤其对于圆锥弹簧，不能直接利用弹簧的刚度公式以及胡克定律来求解，不仅非常繁琐，而且不一定准确。

如果弹簧的刚度K过大，则温度很高的情况下也无法开启致使发动机过热。如果刚度过低，在较低温度下就开启了，喷油器只能通过多喷油来提高水温，燃烧效率降低。

（2）成本的确定，药物经济学成本由直接成本、间接成本、隐性成本组成，由于间接成本和隐性成本难以把握，故忽略不计只考虑直接成本。直接成本主要包括检查和药品费用，而本组挂号费、诊疗费、检查费基本相同，所以只考虑药品费用，恩替卡韦零售价240.0元，阿德福韦酯零售价151.0元，根据公式“药品费用=疗程用药量×药品零售价”计算，恩替卡韦组和阿德福韦酯组的药品成本分别为24 597.0、19 423.0元。

在尺寸28mm中去除其他的厚度，得到弹簧的安装高度为 24mm，而弹簧的高度为 47mm，所以在装配的时候已经有23mm的预压缩量。为了在温度升高的时候，阀门能顺利开启，使冷却液流进散热器，弹簧的刚度必须满足一定的条件。根据温度，需要的冷却液的流量，以及调温器的尺寸，可以确定阀门的最大开启量。这里要求最大开启量为10mm，即弹簧的工作行程为 10mm，那么弹簧的最大压缩量应该达到33mm。

根据设计要求，弹簧的预紧力为137N。根据调温器的尺寸，锥形弹簧上下两个圆的直径都确定了，D1=20.5mm，D2=32.5mm。

能够变化的只有n，d还有材料。假设n=3，4，5，d=2，2.5，3. 因为弹簧要浸泡在冷却液里面，材料选择不锈钢。选择一个适中的高度。不能直接在弹簧两端施加载荷，于是增加了两个圆托盘，这样符合弹簧实际的工作条件。

最后确定n=3，d=2.5。高度47mm。不锈钢。如图所示。

2.3 是三维模型的建立

（1）首先选择上视基准面绘制草图，绘制一个直径为32.5mm的圆。

（2）点击特征，选择参考几何体，基准面，偏移距离选择 47mm，建立基准面 1。插入曲线、螺旋线，定义方式选择高度和圈数，勾选锥形螺纹线，去掉锥度向外张。通过调节锥形角度来保证上面的小圆直径为 20.5mm，这是建模的关键，SolidWorks无法直接设定上下圆的直径。如图所示。

（3）以右视面为基准面绘制一个小圆，点击添加几何关系，使螺旋线穿透小圆圆心。通过智能尺寸设置小圆的圆心为2.5mm。最后点击扫描，轮廓选择小圆，路径选择螺旋线，点击对勾。这样，弹簧的三围模型就建立好了。如图所示。

3、弹簧的有限元分析

应用材料选择不锈钢（铁素体），不锈钢的具体参数如图所示。

（2）不能直接在弹簧两端施加载荷，于是增加了两个圆托盘[1]，这样符合弹簧实际的工作条件。这样更能模拟出弹簧的受力环境和状态。这是建模的第二个关键点。夹具选择固定几何体，并在下方的圆托盘上添加约束。外部载荷选择力137N，施加在上方的托盘上。如图，红色箭头表示力，绿色箭头表示约束。

（3）接着进行网格划分，网格划分的节点数、单元数如表所示。

（4）最后运行，求解，生成报表，得到应变图。

由应变图图8和图9可以看出在137N的力作用下，弹簧的最大压缩量为23.19mm。用同样的方法可以得到弹簧在不同力作用下的最大压缩量从而得到对应的行程，如下表。

表1 弹簧受力与压缩量的关系

厂家可根据弹簧的设计，调配一种石蜡，使得82℃到100℃的温度-压强曲线尽量满足所设计的弹簧的要求，在一定温度下达到一定的压强，如图所示，就是根据以上弹簧的设计调配的一种石蜡。石蜡膨胀的受力面积是一定的，那么受力面积为而不同温度下产生的压强由石蜡本身决定[2]。通过温度-压强曲线得到石蜡产生不同膨胀力时的温度。

表2 石蜡产生不同膨胀力时的温度

根据上图和表可以绘制实际的温度行程曲线：

4、实验验证

把设计好的弹簧装入调温器，将细铁丝与阀门口相固定，将刻度尺平行放置在铁丝附近，把调温器放到水里面煮，用电磁炉调节水温，看刻度尺上的刻度，观察到82℃时调温器顺利开启，100℃时达到 10mm的最大开启量，秒表记录的时间为111s。

5、结论

采用solidworks对圆锥弹簧建模分析更加直观，提高了调温器弹簧设计的效率和质量，避免了复杂的数学模拟计算。对调温器圆锥弹簧的设计是对调温器设计的一个重要补充。同时，将弹簧与感温材料的设计相结合，避免了将弹簧的设计与石蜡的调配割裂开来的问题。所设计的圆锥弹簧能够使调温器阀门顺利开启，成功解决了工程实际中遇到的问题。通过曲线的对比，所设计的弹簧与厂家的要求基本吻合。实验也验证了这一点。弹簧对温度的反映非常灵敏，在 120s内完成最大开启是没有问题的。所以以上弹簧符合设计要求。调温器的性能有了较大提升。

[1] 江有永.基于 SolidWorks 在弹簧设计中的应用［J］.机械设计与制造,2011（9）：73-74.

[2] 陈兵芽,刘莹,孙长存. 石蜡的热膨胀驱动特性［J］.机械工程材料,2008，32（7）：60-63.

Automobile temperature controller circular cone spring design

Wu Fei, Liu Xiao
( Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan University of Technology, Hubei Wu han 430070 )

The car engine thermostat valve opening is jointly controlled paraffin and conical spring, the spring must meet certain stiffness and sensitivity. The spring design and deployment of a combination of paraffin by solidworks modeling of conical springs, solidworks simulation of its finite element analysis, and gives specific process modeling analysis. Integrated spring travel rules and paraffin temperature expansion force the laws, conical spring temperatures draw stroke curve. Experimental results show that the designed conical spring allows the thermostat thermostat valves open smoothly, the maximum open amount within the stipulated time, the temperature curve in line with pre-trip requirements.

U467.4

A

1671-7988(2015)05-55-03

吴飞，就职于武汉理工大学机电工程学院。