吳飛，劉瀟

（武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

汽車(chē)調(diào)溫器圓錐彈簧設(shè)計(jì)

吳飛，劉瀟

（武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)溫器的閥門(mén)開(kāi)啟是由石蠟和圓錐彈簧共同控制的，彈簧必須達(dá)到一定的剛度和靈敏度。將彈簧的設(shè)計(jì)與石蠟的調(diào)配相結(jié)合，通過(guò)solidworks對(duì)圓錐彈簧建模，solidworks simulation對(duì)其進(jìn)行有限元分析，并給出了建模分析的具體過(guò)程。綜合彈簧的行程規(guī)律與石蠟溫度膨脹力規(guī)律，繪制圓錐彈簧溫度行程曲線。實(shí)驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的調(diào)溫器圓錐彈簧能使調(diào)溫器閥門(mén)順利開(kāi)啟，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大開(kāi)啟量，溫度行程曲線符合預(yù)定要求。

調(diào)溫器；圓錐彈簧；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

調(diào)溫器是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中的重要部件，需求量很大。但是通過(guò)實(shí)驗(yàn)和調(diào)查，目前市場(chǎng)上很多調(diào)溫器無(wú)法在其標(biāo)定的溫度下順利開(kāi)啟。對(duì)調(diào)溫器的研究往往僅僅局限于調(diào)溫器的感溫介質(zhì)，通過(guò)尋找新的感溫介質(zhì)以及改變感溫介質(zhì)的調(diào)配比例、成分使調(diào)溫器達(dá)到要求，而對(duì)調(diào)溫器圓錐彈簧的研究比較少，沒(méi)有將彈簧的設(shè)計(jì)與石蠟的調(diào)配相結(jié)合。本文將彈簧的設(shè)計(jì)與石蠟的膨脹規(guī)律相結(jié)合，更有利于調(diào)溫器的設(shè)計(jì)，更能達(dá)到預(yù)期的效果。

1、彈簧在調(diào)溫器中的作用

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫較低時(shí)，密封在調(diào)溫器薄壁銅本體內(nèi)的石蠟是固體，調(diào)溫器在彈簧力的作用下處于關(guān)閉狀態(tài)，冷卻液直接流回發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)水溫升高時(shí)，熱敏石蠟膨脹，推桿受到向上的推力頂住頂端，但是頂端固定不動(dòng)通過(guò)推桿產(chǎn)生反作用力，克服彈簧力，打開(kāi)閥門(mén)。這時(shí)熱水通過(guò)調(diào)溫器流經(jīng)散熱器后回到發(fā)動(dòng)機(jī)，水溫降低，石蠟收縮，彈簧回位，閥門(mén)關(guān)閉。如圖1。

通過(guò)閥門(mén)開(kāi)啟的高度即彈簧的壓縮量來(lái)控制流入散熱器的冷卻液的流量，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。在膨脹力一定的情況下，彈簧的參數(shù)決定了閥門(mén)的開(kāi)啟高度，開(kāi)啟的規(guī)律。因此對(duì)其中圓錐彈簧的設(shè)計(jì)顯得非常重要。

2、彈簧的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求

根據(jù)調(diào)溫器設(shè)計(jì)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，要求閥門(mén)在 82℃剛剛開(kāi)啟，在100℃時(shí)達(dá)到最大開(kāi)啟量10mm，所需時(shí)間小于120s。要求溫度-行程曲線圖與預(yù)設(shè)接近。

2.2 彈簧參數(shù)的確定

彈簧的參數(shù)應(yīng)該如何選擇才能達(dá)到這種要求呢？如果用傳統(tǒng)的方法建立調(diào)溫器的二階微分方程，變量太多，尤其對(duì)于圓錐彈簧，不能直接利用彈簧的剛度公式以及胡克定律來(lái)求解，不僅非常繁瑣，而且不一定準(zhǔn)確。

如果彈簧的剛度K過(guò)大，則溫度很高的情況下也無(wú)法開(kāi)啟致使發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱。如果剛度過(guò)低，在較低溫度下就開(kāi)啟了，噴油器只能通過(guò)多噴油來(lái)提高水溫，燃燒效率降低。

（2）成本的確定，藥物經(jīng)濟(jì)學(xué)成本由直接成本、間接成本、隱性成本組成，由于間接成本和隱性成本難以把握，故忽略不計(jì)只考慮直接成本。直接成本主要包括檢查和藥品費(fèi)用，而本組掛號(hào)費(fèi)、診療費(fèi)、檢查費(fèi)基本相同，所以只考慮藥品費(fèi)用，恩替卡韋零售價(jià)240.0元，阿德福韋酯零售價(jià)151.0元，根據(jù)公式“藥品費(fèi)用=療程用藥量×藥品零售價(jià)”計(jì)算，恩替卡韋組和阿德福韋酯組的藥品成本分別為24 597.0、19 423.0元。

在尺寸28mm中去除其他的厚度，得到彈簧的安裝高度為 24mm，而彈簧的高度為 47mm，所以在裝配的時(shí)候已經(jīng)有23mm的預(yù)壓縮量。為了在溫度升高的時(shí)候，閥門(mén)能順利開(kāi)啟，使冷卻液流進(jìn)散熱器，彈簧的剛度必須滿足一定的條件。根據(jù)溫度，需要的冷卻液的流量，以及調(diào)溫器的尺寸，可以確定閥門(mén)的最大開(kāi)啟量。這里要求最大開(kāi)啟量為10mm，即彈簧的工作行程為 10mm，那么彈簧的最大壓縮量應(yīng)該達(dá)到33mm。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，彈簧的預(yù)緊力為137N。根據(jù)調(diào)溫器的尺寸，錐形彈簧上下兩個(gè)圓的直徑都確定了，D1=20.5mm，D2=32.5mm。

能夠變化的只有n，d還有材料。假設(shè)n=3，4，5，d=2，2.5，3. 因?yàn)閺椈梢菰诶鋮s液里面，材料選擇不銹鋼。選擇一個(gè)適中的高度。不能直接在彈簧兩端施加載荷，于是增加了兩個(gè)圓托盤(pán)，這樣符合彈簧實(shí)際的工作條件。

最后確定n=3，d=2.5。高度47mm。不銹鋼。如圖所示。

2.3 是三維模型的建立

（1）首先選擇上視基準(zhǔn)面繪制草圖，繪制一個(gè)直徑為32.5mm的圓。

（2）點(diǎn)擊特征，選擇參考幾何體，基準(zhǔn)面，偏移距離選擇 47mm，建立基準(zhǔn)面 1。插入曲線、螺旋線，定義方式選擇高度和圈數(shù)，勾選錐形螺紋線，去掉錐度向外張。通過(guò)調(diào)節(jié)錐形角度來(lái)保證上面的小圓直徑為 20.5mm，這是建模的關(guān)鍵，SolidWorks無(wú)法直接設(shè)定上下圓的直徑。如圖所示。

（3）以右視面為基準(zhǔn)面繪制一個(gè)小圓，點(diǎn)擊添加幾何關(guān)系，使螺旋線穿透小圓圓心。通過(guò)智能尺寸設(shè)置小圓的圓心為2.5mm。最后點(diǎn)擊掃描，輪廓選擇小圓，路徑選擇螺旋線，點(diǎn)擊對(duì)勾。這樣，彈簧的三圍模型就建立好了。如圖所示。

3、彈簧的有限元分析

應(yīng)用材料選擇不銹鋼（鐵素體），不銹鋼的具體參數(shù)如圖所示。

（2）不能直接在彈簧兩端施加載荷，于是增加了兩個(gè)圓托盤(pán)[1]，這樣符合彈簧實(shí)際的工作條件。這樣更能模擬出彈簧的受力環(huán)境和狀態(tài)。這是建模的第二個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。夾具選擇固定幾何體，并在下方的圓托盤(pán)上添加約束。外部載荷選擇力137N，施加在上方的托盤(pán)上。如圖，紅色箭頭表示力，綠色箭頭表示約束。

（3）接著進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分的節(jié)點(diǎn)數(shù)、單元數(shù)如表所示。

（4）最后運(yùn)行，求解，生成報(bào)表，得到應(yīng)變圖。

由應(yīng)變圖圖8和圖9可以看出在137N的力作用下，彈簧的最大壓縮量為23.19mm。用同樣的方法可以得到彈簧在不同力作用下的最大壓縮量從而得到對(duì)應(yīng)的行程，如下表。

表1 彈簧受力與壓縮量的關(guān)系

廠家可根據(jù)彈簧的設(shè)計(jì)，調(diào)配一種石蠟，使得82℃到100℃的溫度-壓強(qiáng)曲線盡量滿足所設(shè)計(jì)的彈簧的要求，在一定溫度下達(dá)到一定的壓強(qiáng)，如圖所示，就是根據(jù)以上彈簧的設(shè)計(jì)調(diào)配的一種石蠟。石蠟膨脹的受力面積是一定的，那么受力面積為而不同溫度下產(chǎn)生的壓強(qiáng)由石蠟本身決定[2]。通過(guò)溫度-壓強(qiáng)曲線得到石蠟產(chǎn)生不同膨脹力時(shí)的溫度。

表2 石蠟產(chǎn)生不同膨脹力時(shí)的溫度

根據(jù)上圖和表可以繪制實(shí)際的溫度行程曲線：

4、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

把設(shè)計(jì)好的彈簧裝入調(diào)溫器，將細(xì)鐵絲與閥門(mén)口相固定，將刻度尺平行放置在鐵絲附近，把調(diào)溫器放到水里面煮，用電磁爐調(diào)節(jié)水溫，看刻度尺上的刻度，觀察到82℃時(shí)調(diào)溫器順利開(kāi)啟，100℃時(shí)達(dá)到 10mm的最大開(kāi)啟量，秒表記錄的時(shí)間為111s。

5、結(jié)論

采用solidworks對(duì)圓錐彈簧建模分析更加直觀，提高了調(diào)溫器彈簧設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量，避免了復(fù)雜的數(shù)學(xué)模擬計(jì)算。對(duì)調(diào)溫器圓錐彈簧的設(shè)計(jì)是對(duì)調(diào)溫器設(shè)計(jì)的一個(gè)重要補(bǔ)充。同時(shí)，將彈簧與感溫材料的設(shè)計(jì)相結(jié)合，避免了將彈簧的設(shè)計(jì)與石蠟的調(diào)配割裂開(kāi)來(lái)的問(wèn)題。所設(shè)計(jì)的圓錐彈簧能夠使調(diào)溫器閥門(mén)順利開(kāi)啟，成功解決了工程實(shí)際中遇到的問(wèn)題。通過(guò)曲線的對(duì)比，所設(shè)計(jì)的彈簧與廠家的要求基本吻合。實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。彈簧對(duì)溫度的反映非常靈敏，在 120s內(nèi)完成最大開(kāi)啟是沒(méi)有問(wèn)題的。所以以上彈簧符合設(shè)計(jì)要求。調(diào)溫器的性能有了較大提升。

[1] 江有永.基于 SolidWorks 在彈簧設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2011（9）：73-74.

[2] 陳兵芽,劉瑩,孫長(zhǎng)存. 石蠟的熱膨脹驅(qū)動(dòng)特性［J］.機(jī)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

吳飛，就職于武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院。