形状记忆合金汽车风扇离合器的研究

【摘要】风扇离合器是汽车发动机冷却系的重要组成部分，其性能优劣对于发动机冷却散热有重大影响。本文针对电子硅油汽车风扇离合器和磁流变（Magneto-Rheology,MR）风扇离合器普遍存在的不能根据发动机热状况智能调节冷却风扇转速，高温下转矩传递能力差，硅油易泄露，磁流变液（Magneto-RheologicalFluid,MRF）易变质，励磁线圈需要外加电源等缺点，设计了一种新型智能风扇离合器，采用形状记忆合金（ShapeMemoryAlloys,SMA）驱动，风扇驱动力矩可随温度变化进行自动调节，从而实现风扇转速的自动调节。此外，如离合器采用偏置式SMA弹簧双程驱动器，驱动弹簧和偏置弹簧一旦确定，则驱动器的工作温度就无法改变。针对这一缺点，设计了一种通过调节偏压力来改变工作温度的可调偏置式SMA双程驱动器。风扇离合器采用可调偏置式SMA驱动器作为驱动单元，具有结构简单，能够感知温度变化自动调节风扇转速，SMA驱动器响应温度可以调节等优点，对于改善发动机热状况，提高发动机性能，减低冷却风扇功率消耗，汽车节能减排等具有十分重要的意义。本文共分为六章，各章的研究内容如下：第一章，阐述本课题的研究意义。首先对比三种风扇离合器的特点并作比较；其次综述了风扇离合器的国内外研究现状；最后介绍了SMA的形状记忆效应和超弹性等特性，以引出本文的研究内容和难点。第二章，发动机冷却系的传热分析和计算。以某汽车发动机和水冷系统为例，计算发动机冷却系散热量，冷却风量等参数；进行风扇选型和风扇转矩、功率计算，并对发动机冷却系进行校核，最后介绍发动机冷却风扇调速技术。第三章，风扇离合器结构设计。根据冷却系传热分析结果计算风扇离合器转矩容量，确定风扇离合器结构形式；建立风扇离合器转矩传递模型，确定风扇离合器摩擦盘尺寸、材料以及驱动弹簧布置形式；利用单程记忆效应弹簧和偏置弹簧组合，设计了一种可调偏置式双程SMA驱动器，基于Brinson一维本构模型得到SMA弹簧理论模型，并结合弹簧受力变形分析设计了SMA弹簧和偏置弹簧。完成各部分零件设计和装配，并完成样机制作加工。第四章，风扇离合器模态分析。介绍了有限元软件ANSYSWorkbench和模态分析理论，以及模态分析流程；进行模态分析前处理，建立有限元模型，进行材料、接触条件、约束设置，进行网格划分；采用通用后处理自动求解前十阶模态固有频率和振型，分析振型表现形式和影响；对比模态分析结果，验证风扇离合器在发动机激励频率下的共振特性。第五章，风扇离合器性能研究。推导了驱动力与温度关系式，转矩与温度关系式，并进行实验研究，通过实验得出相关数据与理论分析结果对比，分别研究了驱动器位移、驱动力与温度关系，不同偏压力下驱动力与温度关系以及风扇离合器转矩与温度关系；分析实验结果，实验验证了利用单程记忆效应弹簧可以实现双程驱动目的，并得出调节偏压力可以有效改变风扇离合器转矩能力和结合、分离温度的结论。第六章，总结本文的研究工作，指出课题下一步研究的方向和展望。
【作者】葛乐乐；
【导师】刘荣；
【作者基本信息】杭州电子科技大学，机械电子工程，2014，硕士
【关键词】风扇离合器；形状记忆合金；SMA驱动器；发动机冷却系；模态分析；

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