本發(fā)明涉及一種車用發(fā)動(dòng)機(jī)散熱風(fēng)扇，具體的說是一種基于貓頭鷹翼羽開發(fā)的仿生型低空氣阻力系數(shù)、低氣動(dòng)噪聲、高散熱性能的車用發(fā)動(dòng)機(jī)散熱風(fēng)扇。

背景技術(shù)：

正常情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)，僅有1/3左右的燃燒能量能夠轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，其余大部分的能量要以熱能的形式散失到空氣當(dāng)中。此時(shí)若不對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行冷卻，則大部分的熱能會(huì)被發(fā)動(dòng)機(jī)零部件所吸收，使發(fā)動(dòng)機(jī)零部件溫度急劇升高。試驗(yàn)表明，燃燒可使缸內(nèi)氣體溫度高達(dá)2200K～2800K(1927℃～2527℃)，特別是直接與高溫氣體直接接觸的零部件，若不及時(shí)冷卻，則難以保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作，同時(shí)影響發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的潤滑、清洗、冷卻、密封、防銹蝕、液壓、減震緩沖等性能，嚴(yán)重時(shí)會(huì)開鍋、拉缸。

目前普通家用轎車發(fā)動(dòng)機(jī)平均轉(zhuǎn)速在1000～3500(轉(zhuǎn)/分鐘)，跑車發(fā)動(dòng)機(jī)平均轉(zhuǎn)速可達(dá)到3500～10000(轉(zhuǎn)/分鐘)，F(xiàn)1賽車發(fā)動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速可達(dá)每分鐘18000轉(zhuǎn)，威廉姆斯F1賽車更是高達(dá)20000轉(zhuǎn)，如此大的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速跨度區(qū)間將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)溫度急劇變化，而發(fā)動(dòng)機(jī)適宜工作溫度卻在80℃～90℃，因此必須采用行之有效的方式去快速冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)。

目前汽車多采用水冷式散熱器，為了提高散熱器的冷卻能力，在散熱器后面安裝散熱風(fēng)扇強(qiáng)制通風(fēng)。傳統(tǒng)的汽車散熱器風(fēng)扇是由曲軸直接帶動(dòng)的，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)風(fēng)扇會(huì)一直跟著轉(zhuǎn)，不能視發(fā)動(dòng)機(jī)溫度變化而變化。為了調(diào)節(jié)散熱器的冷卻力，要在散熱器上裝上活動(dòng)百葉窗以控制風(fēng)力進(jìn)入?，F(xiàn)代轎車已經(jīng)普遍使用風(fēng)扇電磁離合器或者電子風(fēng)扇，當(dāng)水溫比較低時(shí)離合器與轉(zhuǎn)軸分離，風(fēng)扇不動(dòng)；當(dāng)水溫比較高時(shí)由溫度傳感器接通電源，使離合器與轉(zhuǎn)軸接合，風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)。同樣，電子風(fēng)扇由電動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)，由溫度傳感器控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。這兩種形式的散熱器電扇運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)際上都由溫度傳感器控制。但是，在汽車長時(shí)間高速運(yùn)行時(shí)以上的散熱方式已不能滿足行車需求，長途行車一段時(shí)候后必須將汽車停止到路邊，打開引擎蓋進(jìn)行散熱，這種方式雖有效，但效率低、安全性差?；诖?，本發(fā)明提出一種基于貓頭鷹翼羽的仿生型低空氣阻力系數(shù)、低氣動(dòng)噪聲、高散熱性能的車用散熱風(fēng)扇，結(jié)合散熱器共同緩解因發(fā)動(dòng)機(jī)過熱而產(chǎn)生的進(jìn)氣效率降低、發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降、早燃和爆燃、運(yùn)動(dòng)件正常間隙被破壞、運(yùn)動(dòng)阻滯、磨損加劇、零件機(jī)械性能降低等問題，進(jìn)一步延長發(fā)動(dòng)機(jī)壽命。

研究表明，汽車在高速行駛時(shí)其主要阻力為空氣阻力。當(dāng)汽車以80km/h的速度行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)60％的功率用來克服風(fēng)阻；當(dāng)汽車以150km/h的速度行駛時(shí)，其風(fēng)阻是滾動(dòng)阻力的2-3倍，可以說一輛汽車的空氣動(dòng)力學(xué)性能直接影響其動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性。近年來隨著空氣動(dòng)力學(xué)的不斷發(fā)展，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、車身通風(fēng)系統(tǒng)等所需要和產(chǎn)生的空氣流流經(jīng)車體內(nèi)部所產(chǎn)生的阻力(內(nèi)循環(huán)阻力)的優(yōu)化問題也逐漸引起人們的重視。研究表明，內(nèi)循環(huán)阻力約占整車空氣阻力的12％，傳統(tǒng)的百葉窗式散熱風(fēng)扇、平片式散熱風(fēng)扇僅能滿足車輛的基本散熱功能，不具有降低汽車內(nèi)循環(huán)阻力的功能。自然界生物經(jīng)過億萬年的進(jìn)化，具有很好的環(huán)境適應(yīng)能力，這為人類的發(fā)明創(chuàng)造提供了靈感。本發(fā)明在此基礎(chǔ)上經(jīng)過長時(shí)間的研究發(fā)現(xiàn)貓頭鷹經(jīng)過長時(shí)間的生物進(jìn)化，其翼羽在飛翔時(shí)呈現(xiàn)一定的幾何形狀(圖1)，具有很好的空氣導(dǎo)流、降噪除振、減粘降阻等特性，這些特性特別適用于發(fā)動(dòng)機(jī)散熱風(fēng)扇。本發(fā)明在此基礎(chǔ)上通過最小二乘法擬合出貓頭鷹翼羽縱剖面外輪廓曲線方程與準(zhǔn)線方程(橫剖面外輪廓曲線方程，下同)并將其應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)散熱風(fēng)扇的設(shè)計(jì)，由此開發(fā)的仿生型散熱風(fēng)扇，能夠有效降低汽車內(nèi)循環(huán)阻力，提升汽車的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了優(yōu)化現(xiàn)有車用發(fā)動(dòng)機(jī)散熱風(fēng)扇葉片曲面結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步改善汽車燃油經(jīng)濟(jì)性，提供一種基于貓頭鷹翼羽開發(fā)的車用發(fā)動(dòng)機(jī)散熱風(fēng)扇，該葉片結(jié)構(gòu)是基于貓頭鷹翼羽開發(fā)的仿生型結(jié)構(gòu)，低空氣阻力系數(shù)、低氣動(dòng)噪聲、高散熱性能、造型流線、外型美觀。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種基于貓頭鷹翼羽開發(fā)的車用發(fā)動(dòng)機(jī)散熱風(fēng)扇，該散熱風(fēng)扇是將具有低空氣阻力系數(shù)、低氣動(dòng)噪聲的貓頭鷹翼羽特征仿生曲線形狀用于散熱風(fēng)扇葉片迎風(fēng)曲面的設(shè)計(jì)，將散熱風(fēng)扇葉片曲面縱剖面輪廓曲線應(yīng)用貓頭鷹翼羽縱剖面輪廓曲線、散熱風(fēng)扇葉片準(zhǔn)線應(yīng)用貓頭鷹翼羽準(zhǔn)線，具體制造方法是：

(1)、將單個(gè)貓頭鷹翼羽的縱剖面外輪廓曲線與準(zhǔn)線繪制于坐標(biāo)紙上，將坐標(biāo)紙上曲線經(jīng)過最小二乘法處理后擬合出貓頭鷹翼羽的縱剖面外輪廓曲線方程(式1-1)與準(zhǔn)線方程(式1-2)

x＝0.00002127166235t³-0.00828361022249t²+1.786265612747t

(1-1)

y＝-0.0000266616t³+0.01038254156t²-0.95737477504t

x＝0.406t+7.742t^0.5

(1-2)

y＝0.333t-4.073t^0.5

(2)、將單個(gè)貓頭鷹翼羽的縱剖面外輪廓曲線方程與準(zhǔn)線方程導(dǎo)入SolidWorks，并與高速攝像機(jī)記錄的貓頭鷹翼羽特征進(jìn)行對(duì)比優(yōu)化，確保貓頭鷹翼羽縱剖面外輪廓曲線與準(zhǔn)線的擬合精度，所述擬合次數(shù)為三次。

(3)、在SolidWorks中繪制圓柱O，其中圓柱外圓半徑為60，內(nèi)圓半徑為50，厚度為10，圓柱棱邊做圓角處理，圓角半徑為2；在圓柱內(nèi)部繪制三角形加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的等邊三角形，筋厚為5，對(duì)加強(qiáng)筋棱邊做圓角處理，半徑為1；沿圓柱外緣繪制單個(gè)散熱風(fēng)扇葉片，葉片結(jié)構(gòu)在LM方向由貓頭鷹翼羽的縱剖面外輪廓曲線方程繪制而成，在RS方向由貓頭鷹翼羽準(zhǔn)線方程(橫剖面外輪廓曲線方程)繪制而成，具體的繪制方法為曲線RS沿曲線LM掃描得到初始的仿生葉片，葉片厚度為1；為進(jìn)一步降低空氣阻力系數(shù)和氣動(dòng)噪聲，提升散熱性能，將繪制的初始葉片從俯視方向順時(shí)針扭轉(zhuǎn)20度，之后對(duì)葉片邊緣L與S端做圓角處理，其中L端圓角半徑為15，S端圓角半徑為5；葉片外緣四周也用圓角過度，圓角半徑為0.25；單個(gè)葉片繪制完成后沿圓柱O外緣以排列組合的方式等角度陣列出其余七個(gè)葉片，得到最終的仿生型發(fā)動(dòng)機(jī)散熱風(fēng)扇。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果是：

(1)、本發(fā)明涉及一種仿生型低內(nèi)循環(huán)阻力、高散熱性能的車用發(fā)動(dòng)機(jī)散熱風(fēng)扇，其葉片曲面酷似貓頭鷹翼羽。本發(fā)明拋棄了傳統(tǒng)的百葉窗式散熱風(fēng)扇、平片式散熱風(fēng)扇的設(shè)計(jì)?；诖碎_發(fā)的仿生葉片具有低空氣阻力系數(shù)、低氣動(dòng)噪聲、高散熱性能、造型流線、外型美觀的優(yōu)點(diǎn)。

(2)、本發(fā)明涉及的發(fā)動(dòng)機(jī)散熱葉片采用了仿生設(shè)計(jì)理念。將具有低空氣阻力系數(shù)、低氣動(dòng)噪聲的貓頭鷹翼羽用于散熱葉片迎風(fēng)曲面的設(shè)計(jì)，其中，散熱葉片曲面縱剖面輪廓曲線應(yīng)用貓頭鷹翼羽縱剖面輪廓曲線，散熱葉片準(zhǔn)線應(yīng)用貓頭鷹翼羽準(zhǔn)線。散熱葉片曲面縱剖面輪廓曲線方程與準(zhǔn)線方程見式1-1、1-2，曲線及曲率形式如圖3～4所示。

x＝0.00002227166235t³-0.00828361022249t²+1.786265612747t

(1-1)

y＝-0.0000267616t³+0.01038254156t²-0.95737477504t

x＝0.406t+7.742t^0.5

(1-2)

y＝0.333t-4.073t^0.6

(3)、本發(fā)明涉及的仿生型散熱葉片縱剖面外輪廓曲線與準(zhǔn)線具有變曲率特性，其中縱剖面外輪廓曲線曲率呈現(xiàn)先增大后變小，再增大的變化趨勢，準(zhǔn)線曲率呈現(xiàn)逐漸變小的變化趨勢。

(4)、葉片沿圓柱O等角度分布，圓柱外圓半徑為60，內(nèi)圓半徑為50，厚度為10，圓柱棱邊均做圓角處理，圓角半徑為2；在圓柱內(nèi)部繪制三角形加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋為穩(wěn)定的等邊三角形結(jié)構(gòu)，筋厚為5，對(duì)加強(qiáng)筋棱邊做圓角處理，半徑為1；沿圓柱外緣繪制單個(gè)散熱風(fēng)扇葉片，葉片結(jié)構(gòu)在LM方向由貓頭鷹翼羽的縱剖面外輪廓曲線方程繪制而成，在RS方向由貓頭鷹翼羽準(zhǔn)線方程(橫剖面外輪廓曲線方程)繪制而成，具體的繪制方法為曲線RS沿曲線LM掃描得到初始的仿生葉片，葉片厚度為1。為進(jìn)一步降低空氣阻力系數(shù)和氣動(dòng)噪聲，提升散熱性能，將繪制的初始葉片從俯視方向順時(shí)針扭轉(zhuǎn)20度，之后對(duì)葉片邊緣L與S端做圓角處理，其中L端圓角半徑為15、S端圓角半徑為5；葉片外緣四周也用圓角過度，圓角半徑為0.25。單個(gè)葉片繪制完成后沿圓柱O外緣以排列組合的方式等角度陣列出其余七個(gè)葉片。

(5)、仿生型葉片主體由曲線掃描而成，其中輪廓線為貓頭鷹翼羽準(zhǔn)線，路徑曲線為貓頭鷹翼羽縱剖面外輪廓曲線。曲線掃描具有曲面優(yōu)化、邊界修復(fù)、結(jié)構(gòu)簡單、造型流線、外型美觀、風(fēng)阻系數(shù)小、空氣導(dǎo)流性好的優(yōu)點(diǎn)。

(6)、散熱風(fēng)扇上棱邊均進(jìn)行圓角處理，其目的是進(jìn)一步降低內(nèi)循環(huán)阻力。

(7)、散熱風(fēng)扇殼體可采用碳纖維材料。用碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的散熱風(fēng)扇殼體可有效降低車身整體質(zhì)量，使進(jìn)一步降低汽車風(fēng)噪、增加汽車燃油經(jīng)濟(jì)性成為可能。在散熱風(fēng)扇葉片厚度、長寬比、角度參數(shù)、迎風(fēng)角、切向角不變的前提下，纖維層從上至下的鋪層角度方案為[90/45/0](圖5)，其中0度方向?yàn)槿~片橫向。選用此種鋪層順序的目的主要是考慮了散熱風(fēng)扇殼體散熱時(shí)的彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、風(fēng)噪系數(shù)、模態(tài)性能等。

(8)、散熱風(fēng)扇殼體材料亦可采用生物基材料，植物纖維中的大麻、劍麻、黃麻、棕?cái)R葉和竹纖維等均是非常好的增強(qiáng)材料，它們與可降解基體材料結(jié)合制成可完全降解的“綠色復(fù)合材料”。用生物基材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的后視鏡殼體材料，可使汽車更加的綠色、環(huán)保，生物基原材料可來源于植物的果實(shí)、黃豆、甘蔗、紅薯、玉米、竹子、亞麻等植物纖維。

(9)、散熱風(fēng)扇殼體可采用3D打印技術(shù)。

(10)、本發(fā)明所涉及的散熱風(fēng)扇殼體可根據(jù)需要對(duì)貓頭鷹翼羽縱剖面外輪廓曲線與準(zhǔn)線進(jìn)行拉伸、旋轉(zhuǎn)、變形、扭轉(zhuǎn)，從而設(shè)計(jì)出不同尺寸的仿生散熱風(fēng)扇，滿足不同車型的需要。

(11)、本發(fā)明為仿生型散熱風(fēng)扇，能夠更流暢的剪切氣流，隔音、降噪效果更好，提升整車NVH性能。

(12)、當(dāng)散熱風(fēng)扇滿足一定尺寸時(shí)，其葉片內(nèi)部可采用微結(jié)構(gòu)形式，具體的做法是內(nèi)部設(shè)計(jì)成蜂窩等結(jié)構(gòu)。

(13)、本發(fā)明所涉及的仿生葉片除用于發(fā)動(dòng)機(jī)散熱風(fēng)扇外還可用于家用電器、輪轂電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等。

附圖說明

圖1為貓頭鷹翼羽圖；

圖2為本發(fā)明的仿生型發(fā)動(dòng)機(jī)散熱葉片；

圖3為本發(fā)明的貓頭鷹翼羽縱剖面外輪廓準(zhǔn)線及其曲率變化趨勢圖；

圖4為本發(fā)明的貓頭鷹翼羽橫剖面外輪廓準(zhǔn)線及其曲率變化趨勢圖；

圖5為本發(fā)明仿生葉片三層纖維層從上至下的鋪層角度方案圖；

圖6為本發(fā)明完整的散熱風(fēng)扇結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明涉及具體的實(shí)施方式如下：

一種基于貓頭鷹翼羽開發(fā)的車用發(fā)動(dòng)機(jī)散熱風(fēng)扇，該車用發(fā)動(dòng)機(jī)散熱風(fēng)扇是將具有低空氣阻力系數(shù)、低氣動(dòng)噪聲的貓頭鷹翼羽特征仿生曲線形狀用于散熱風(fēng)扇葉片迎風(fēng)曲面的設(shè)計(jì)，將散熱風(fēng)扇葉片曲面縱剖面輪廓曲線應(yīng)用貓頭鷹翼羽縱剖面輪廓曲線，散熱風(fēng)扇葉片準(zhǔn)線應(yīng)用貓頭鷹翼羽準(zhǔn)線，具體制造方法是：

(1)、將單個(gè)貓頭鷹翼羽的縱剖面外輪廓曲線與準(zhǔn)線繪制于坐標(biāo)紙上，將坐標(biāo)紙上曲線經(jīng)過最小二乘法處理后擬合出貓頭鷹翼羽的縱剖面外輪廓曲線(式1-1)與準(zhǔn)線方程(式1-2)

x＝0.00002127166235t³-0.00828361022249t²+1.786265612747t

(1-1)

y＝-0.0000266616t³+0.01038254156t²-0.95737477504t

x＝0.406t+7.742t^0.5

(1-2)

y＝0.333t-4.073t^0.5

(2)、將擬合出的貓頭鷹翼羽縱剖面外輪廓曲線與準(zhǔn)線方程導(dǎo)入SolidWorks中并與高速攝像機(jī)記錄的貓頭鷹翼羽特征進(jìn)行對(duì)比優(yōu)化，確保貓頭鷹翼羽縱剖面外輪廓曲線與準(zhǔn)線的擬合精度，所述擬合次數(shù)為三次。

(3)、在SolidWorks中繪制圓柱O，圓柱大圓半徑為60，小圓半徑為50，厚度為10，圓柱棱邊做圓角處理，圓角半徑為2；在圓柱內(nèi)部繪制三角形加強(qiáng)筋，三角形結(jié)構(gòu)為等邊三角形，筋厚為5，對(duì)加強(qiáng)筋棱邊做圓角處理，半徑為1；沿圓柱O外緣繪制單個(gè)散熱風(fēng)扇葉片，葉片結(jié)構(gòu)在LM方向由貓頭鷹翼羽的縱剖面外輪廓曲線方程繪制而成，在RS方向由貓頭鷹翼羽準(zhǔn)線方程繪制而成，具體的繪制方法為曲線RS沿曲線LM掃描得到初始的仿生葉片，葉片厚度為1(圖2)。為進(jìn)一步降低空氣阻力系數(shù)和氣動(dòng)噪聲，提升散熱性能，將繪制的初始葉片從俯視方向順時(shí)針扭轉(zhuǎn)20度，之后對(duì)葉片邊緣L與S端做圓角處理，其中L端圓角半徑為15，S端圓角半徑為5；葉片外緣四周也用圓角過度，圓角半徑為0.25。單個(gè)葉片繪制完成后沿圓柱O外緣以排列組合的方式等角度陣列出其余七個(gè)葉片，得到最終的仿生型發(fā)動(dòng)機(jī)散熱風(fēng)扇。