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汽车实用技术
设计研究
2015年第5期
AUTOMOBILE APPLIED TECHNOLOGY
2015NO.5
汽车调温器圆锥弹簧设计
吴飞,刘满
武汉理工大学机电工程学院,湖北武汉430070)
摘要: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 i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肩,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。
关键词:调温器;圆锥弹簧; solidworks simulation
中图分类号:U467.4文献标识码:A文章编号:1671-7988(2015)05-55-03
Automobile temperature controller cireular cone spring design
Wu Fei. Liu Xiao
Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan University of Technology, Hubei Wu han 430070)
Abstract: 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
ntegrated 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
Kerwords: Thermostats; Conical spring; solidworks simulation
CLC NO: U4674 Document Code: A Article D: 1671-7988(2015)05-55-03
引言
1、弹簧在调温器中的作用
调温器是汽车发动机冷却系统中的重要部件,需求量很
当发动机水温较低时,密封在调温器薄壁铜本体内的石
大。但是通过实验和调查,目前市场上很多调温器无法在其蜡是固体,调温器在弹簧力的作用下处于关闭状态,冷却液
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直接流回发动机。当水温升高时,热敏石蜡膨胀,推杆受到
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
的调配比例、成分使调温器达到要求,而对调温器圆锥弹簧用力,克服弹簧力,打开阀门。这时热水通过调温器流经散
的研究比较少,没有将弹簧的设计与石蜡的调配相结合。本热器后回到发动机,水温降低,石蜡收缩,弹簧回位,阀门
文将弹簧的设计与石蜡的膨胀规律相结合,更有利于调温器关闭。如图1
的设计,更能达到预期的效果。
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
作者简介:吴飞,就职于武汉理工大学机电工程学院。
对其中圆锥弹簧的设计显得非常重要。
2015年第5期
吴飞等:汽车调温器圆锥弹簧设计
2.5mm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。
图1调温器装配图
2、弹簧的设计
反
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
o
启,在100℃时达到最大开启量10mm,所需时间小于1205。
要求温度-行程曲线图与预设接近。
2.2弹簧参数的确定
图2螺旋线
图3螺旋线参数
弹簧的参数应该如何选择才能达到这种要求呢?如果用
(3)以右视面为基准面绘制一个小圆,点击添加几何关
传统的方法建立调温器的二阶微分方程,变量太多,尤其对系,使螺旋线穿透小圆圆心。通过智能尺寸设置小圆的圆心
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为2.5mm。最后点击扫描,轮廓选择小圆,路径选择螺旋线,
求解,不仅非常繁琐,而且不一定准确
点击对勾。这样,弹簧的三围模型就建立好了。如图所示。
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。
由弹簧刚度公式:K=c(d:弹簧丝直径:D:弹簧直
径;G:弹簧材料的切变模量:n:弹簧有效圈数:)通过弹
簧刚度公式,发现弹簧刚度跟以上变量有关。
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
图4圆锥弹簧
图5圆锥弹簧
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,3、弹簧的有限元分析
可以确定阀门的最大开启量。这里要求最大开启量为1mm,
即弹簧的工作行程为10mm,那么弹簧的最大压缩量应该达
(1)由于模型是在 Solid Works里面建立的,导入
到33mm
Solidworks simulation中进行有限元分析会更加准确。打开
根据设计要求,弹簧的预紧力为137N。根据调温器的尺
olidworks simulation,新建算例,选择静应力分析。
寸,锥形弹簧上下两个圆的直径都确定了,D1=20.5mm,
应用材料选择不锈钢(铁素体),不锈钢的具体参数如图
所
mmo
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