机械毕业设计（论文）-YC550汽车散热器的设计【全套图纸】

目录 1 绪论 1 1.1 课题来源 2 1.2 国内外现状 3 1.3 本课题拟订的解决问题 3 1.4 解决方案和预期效果 3 1.4.1 解决方案 3 2 散热器总体设计 4 2.1 散热器简介 4 2.2 散热器的结构 4 2.3 散热器的芯子结构形式 5 2.4 散热器对材料的要求 7 2.5 散热器的设计 7 2.5.1 散热器的作用 7 2.5.2 散热器的构造 8 2.5.3 散热器散热效果的调节 9 2.5.4 散热器散热面积的计算 9 2.4 散热器的材料和成型技术 .11 2.4.1 散热器材料选择论述 .11 2.4.2 常用散热材料 .12 2.4.3 散热器制造新技术铜硬钎焊新技术 .13 2.5 铜硬钎焊技术 .13 2.5.1 铜硬钎焊散热器的工艺原理 .13 2.6 技术要求 .15 3 结论 .16 文献资料.17 致谢.18 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2009 1 绪论 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 汽车发动机大多采用强制循环式水冷系统,水冷系统主要由水泵、散热器、 节温器、冷却风扇、水套等组成，其主要功用是保证发动机在最适当的温度范 围内工作，防止出现过热或过冷现象。散热器是汽车发动机冷却系统的重要部 件，其作用是将发动机水套内冷却液从高温零件所吸收的热量散发到空气中。 因此，散热器性能的好坏直接影响汽车发动机的散热效果，进而对汽车的动力 性、经济性和可靠性会有很大的影响。 汽车书冷发动机散热器由冷却用的散热器芯部、进水室和出水室三部分组 成。冷却液在散热器芯内流动，空气从散热器芯外高速流过，冷却液和空气通 过散热器芯部进行热量交换。目前，汽车散热器的结构形式可分为直流型和横 流型两大类。 散热器芯部应具有足够的通流面积让冷却液通过；同时也应具备足够的空 气通流面积，让组量的空气通过以带走冷却液传给散热器的热量；还必须具有 足够的三热面积，完成冷却液、空气和散热片之间的热量交换。散热器芯部的 结构形式主要有管片式和管带式两大类。 散热器主要是用铜和锡制造的。这是由于铜的导热性能优良，能够耐腐蚀， 易于铅焊加工。但由于铜的资源问题及价格问题，对散热器不仅从材料厚度方 面有所改进，而且从结构上也有重大的突破。从原有的管片式芯子结构，又发 明了管带式芯子结构，使得在不减少原有性能的情况下，质量减少今 30%。这 重结构广泛用于中、小功率的汽车上。 随着汽车发动机转速和功率的不断提高、热负荷也越来越高，对冷却系统 的要求也越来越高，人们对包括散热器在内的冷却系统的研究愈加重视，新技 术、新材料不断涌现，汽车散热器正朝着轻型、高效、经济的方向发展。 江苏新岛 YC550 散热器的设计 11 课题来源 本课题针对于盐城新岛散热器有限公司 YC550 型散热器进行。该公司的散 热器产品有： YC550、TY295、YC385A、YC385C、YC350、YC400、YC500、YC550、YC700。YC55 0 型散热器用于重型柴油拖拉机，是该公司的主要产品之一。 经过在新岛公司的为时不长的简短的参观实习，发现该公司的主要市场竞 争产品是拖拉机制动器，而散热器一直没有较大的市场分额。单从产品的设计 生产的专业方面讲，大概主要有以下几个问题：散热器总体结构简单，但部件 复杂，属于钣金件产品。大部分的部件由模具冲压而成，生产加工精度要求相 对不高，也就没有更多产品附加值；散热器是汽车的主要部件，技术已经比较 成熟，产品的加工工艺和实现手段也已经趋于统一，没有更多的突破和创新的 空间；由于散热器的改进创新不可能是片面性的，涉及技术较多，研发的时间 和资金投入都会很多，所以生产企业只能以引进成品技术进行再生产。 而就目前全球的散热器设计生产而言，上述问题也是普遍存在。随着发动 机采用更加紧凑的设计和具有更大的比功率,发动机生产的废热密度也随之明显 增大。一些关键区域,如排气门周围的散热问题需优先考虑。冷却系统即便出现 小的故障也可能在这样的区域造成灾难性的后果。发动机冷却系统的散热能力 一般应满足发动机满负荷时的散热需求,因为此时发动机产生的热量最大。然而,在 部分负荷时,冷却系统会发生功率损失。水泵所提供的冷却液流量超过所需的流 量。 我们希望发动机冷启动时间尽可能短。因为发动机怠速时排放的污染物较 多,油耗也大。而冷却系统的结构对发动机的冷启动时间有较大的影响。 现代的发动机设计充分考虑这些问题,将发动机的热量管理系统纳入到整个 发动机控制系统中,全面考虑发动机的暖机、冷却效率、废气排放控制、燃油利 用、乘客室的取暖和三元催化剂活化时间等。目前的冷却系统属于被动系统,只 能有限地调节发动机和汽车的热分布状态。采用先进的冷却系统设计和先进的 工作方式可大大改进冷却系统,使冷却系统高效地运行,间接地提高燃料经济性 和降低排放量。 12 国内外现状 我国汽车散热器的发展有多年的历史，汽车散热器属于比较传统的行业。 根据中国内燃机工业年鉴统计，从事汽车散热器生产和服务的企业有 100 多家，但多数为中小企业，具有一定技术实力和用现代化的生产设备，生产质 量和性能稳定；而中小企业多采用劳动密集型的作业方式，产品生产成本低， 其产品一般供应国内外的售后市场。 近年来，汽车散热器厂商的利润有下降的趋势，企业间的竞争也更加激烈， 一方面由于汽车产品的价格不断下降，整车厂将成本下降的压力转嫁到零部件 供应商手中。另一方面上游的原材料价格不断上涨，这使得汽车散热器企业不 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2009 得不加大研发力度，从产品的设计研发上就考虑如何降低散热器产品的成本， 在这种形势下，那么大型的散热器厂商技术实力有了一定程度的进步，其产品 可靠性和产品质量有了较大提高。 国际上散热器系统轻量化已达到相当完善的程度，从铝散热器基础材料至 各种散热器用管材及制造技术，以及散热器系统轻量化所涉及的领域都进行了 充分的研究!保证了散热器系统轻量化的顺利进行。而我国则随着几个引进车型 的国产化工作!才开始铝散热器的生产%上述几方面亦刚刚起步或尚未开展大规 模的研究工作!妨碍了我国引进车型国产化工作以及自主发展轿车工业。其根本 原因之一就是我们至今尚未完全掌握国外在 20 年前就已掌握的铝散热器用薄壁 管材高频焊制造技术和大批量生产手段。 鉴于我国轿车散热器用管材的品种单一.性能落后.价格偏高以及制造技术 落后的状况。摆在我们面前的一个重要任务就是通过执行轿车材料“九五”专 题，使轿车铝散热器用带材.管材国产化，达到性能优异.质量可靠.价格低廉. 规格品种齐全。并能大批量稳定生产，高频焊薄壁管材制造技术国产化，打破 国外市场及价格垄断，达到国外九十年代初水平，为形成独立自主的散热器用 管材研究开发体系奠定基础。 13 本课题拟订的解决问题 由于资金和技术限制的诸多原因，开发新型的散热器、改革加工手段都是 不现实的。那么可以考虑改进现有产品构件、加工精度、加工工艺的优化。从 中间过程中进一步的提高散热器的技术整装水平，降低制造成本，提高产品市 场竞争力。 14 解决方案和预期效果 1.4.11.4.1 解决方案解决方案 散热器在限定的空间内应具有足够的散热性能和较长的使用寿命，所以整 个散热器总成必须降低原材料消耗，改善生产工艺和结构，降低生产成本，实 现薄壁、轻型、高效。改进总体设计和工艺设计主要是铜管串片、框架等，改 进设计铜管串片的成型模具。采用新型材料提高散热器的工作能力，应用的制 造技术，以此提高散热器的耐高温性能，散热性能和强度也随之大幅度提高。 1.4.21.4.2 预期结果预期结果 对结构的优化设计和模具的部分改进，实现新的加工工艺：散热器所用材 料厚度将更薄，从现在的平均 0.3mm 降低到 0.265mm，甚至更低，这不但可以 减少材料的消耗，更可以提高散热器的散热效果；通过结构方面的改进和设计， 加上散热器框架，铝质散热器强度将进一步提高；产品生产的自动化程度将进 一步提高，产品的可靠性和耐久性进一步提高。 江苏新岛 YC550 散热器的设计 2 散热器总体设计 2.1 散热器简介 散热器是汽车发动机冷却剂与空气进行热交换的换热设备, 其作用是将发 动机水套内冷却液从高温零件所吸收的热量散发到空气中, 其性能的好坏直接 影响汽车发动机的散热效果, 进而对汽车的动力性、经济性和可靠性会有很大 影响。如果散热能力太小, 发动机零件会过热变形 ( 甚至会使零件损坏) , 降 低发动机机械强度和刚度, 破坏润滑油膜, 汽油机中的高温可燃混合气常常会 产生早燃或爆燃, 导致不正常工作; 如果冷却水的工作温度高于沸腾温度, 将 会使发动机出现“开锅”现象, 这些都会使发动机性能下降; 如果散热器散热 能力过高, 将热量过多地散发到大气中去, 就必然要损耗一部分热能, 影响汽 车运行的经济性。并且机油在低温时黏度增高, 零件运动的摩擦阻力增加, 输 出功率减少, 影响汽车的动力性。因此, 设计和使用优良的散热器是保障汽车 良好运行的必要条件。随着汽车发动机转速和功率的不断提高, 热负荷也越来 越高, 对冷却系统的要求也越来越高, 人们对包括散热器在内的冷却系统的研 究越加重视, 新技术、新材料不断涌现,使得汽车散热器正朝着轻型、高效、经 济的方向发展。 22 散热器的结构 汽车水冷发动机散热器由冷却用的散热器芯部、进水室和出水室三部分组 成。冷却液在散热器内流动, 空气从散热器外高速流过, 冷却液和空气通过散 热器芯部进行热量交换。目前, 汽车散热器的结构形式可分为直流型（见图 2- 1）和横流型（见图 2-2）两大类。 图 2-1 直流式散热器 1 散热器 2 上水室 3 下水室 4 散热器芯子 散热器芯部的结构形式主要有管片式和管带式两大类。管片式散热器里面 是由许多细的冷却管和散热片构成, 冷却管大多采用扁圆形截面, 以减小空气 阻力, 增加传热面积。管带式散热器是由波纹状散热带和冷却管相间排列经焊 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2009 接而成。与管片式散热器相比, 管带式散热器在同样的条件下散热面积可以增 加 12% 左右, 另外散热带上开有扰动气流的类似百叶窗的孔, 以破坏流动空气 在散热带表面上的附着层, 提高散热能力。开百叶窗波状带的散热器传热效率 同普通平片散热片相比可提高 160%。 图 2-2 横流式散热器 1 散热器盖 2 汽液分离器 3 进水管 4 自动变速器掖压冷却器 5 放水塞 6 放水口 7 出水口 23 散热器的芯子结构形式 散热器芯子是散热器的核心部分, 起主要的散热作用。散热器芯子由散热 管、散热片或散热带、上下主片等组成。由于它具有足够的散热面积, 因此能 保证将必须的热量从发动机散发到周围的大气中去。而且散热器芯子是用极薄 的导热性能好的金属及其合金制造的, 能使散热器芯子以最小的质量和尺寸达 到最高的散热效果。 散热器芯子的结构有多种, 如管片式、管带式、细胞式、管芯式等等。常 见的多为管片式和管带式。如图（2-3）所示常见的多为管片式和管带式。 a b 江苏新岛 YC550 散热器的设计 C d 图 2-3 a 管片式 b 管带式 c 细胞式 d 管芯式 对于管片式散热芯子, 它是由许多散热管和散热片组成。散热管的外面串 装了许多薄的金属平片散热片。空气在平行的散热片及散热管的外表面所形成 的风道中通过, 从而使散热管内流动的冷却液得到冷却。管片式散热器的主要 特点是结构强度好, 且可以少使尘埃、油污等堵塞芯部。故多用于震动较大、 工况恶劣的载重车上。而对于管带式散热芯子, 它是由波纹状的散热带和散热 管相间排列构成的。而且在散热带上一般开有许多类似百叶窗的孔, 以破坏空 气流在散热带表面上的附着层, 提高散热能力。这种散热器的芯子与管片式相 比, 散热能力较高, 制造工艺简单、质量轻、成本低, 但结构强度不如管片式 好, 因此多用于小客车及轿车。 管带式散热器可以采用单列、双列或多列散热管, 后者可以在有限的空间 尺寸内获得更好的冷却效果。例如, 夏利型轿车, 原来采用的是单列直流式散 热器, 由于我国地域广大, 气候条件及路况的差别也很大。该车型在南方地区 明显感觉散热器的散热能力不足。为此, 在保证原装配位置的情况下, 将其单 列散热管改成双列散热管的结构, 使其在散热面积增加的情况下, 散热量提高 了, 从而满足了正常使用要求。现代汽车上, 随着发动机强化程度的提高, 热 负荷也日益增加此外, 在采用自动变速箱时, 自动变速箱时所用的机油也需要 冷却。所以在冷却系内需增加油一水交换器。这样, 就增加了散热器所要提供 的散热量, 所以, 双列或多列的管带式散热器在现代轿车发动机上的应用日益 增多。同一系列的轿车, 在采用手动变速箱时, 装单列冷却管带式散热器即可 满足散热要求, 而采用自动变速箱时, 则需装用双列冷却管带式散热器同时, 也可以采用改变散热带的波峰节距的方法,来增加散热器的散热面积, 提高散热 能力, 以满足发动机和变速箱的散热要求。夏利轿车的铝塑结构的散热器就采 用的是这种方式。对于采用自动变速箱的散热器来说, 是将机油冷却器安装在 散热器下水室内, 通过冷却液的循环对变速箱内的机油进行冷却。当然, 也可 以采用独立的机油冷却器来解决变速箱内机油的冷却问题。 对于细胞式芯子及管芯式的散热器, 因工艺的特殊性, 不被广泛应用。 由于 YC550 散热器用于重型拖拉机，因此 YC550 散热器选用管片式结构。 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2009 24 散热器对材料的要求 传热系数是评价散热器散热性能的重要参数, 散热器材料的导热性能和焊 接质量对其影响很大。散热器的工作条件恶劣, 一般位于汽车前端迎风处, 不 仅要经受风吹雨淋和汽车废气的污染, 还要承受反复的热循环和周期性的振动。 另外, 散热器内长期流动着冷却液对散热器有锈蚀及腐蚀作用。因此, 为保证 散热器可靠地发挥散热作用, 对其材料性能有如下要求: 必须具有良好的导热 性能, 具有一定的强度和较强的耐腐蚀性, 具有良好的加工性能及钎焊性能, 具有良好的经济性。 25 散热器的设计 2 25 51 1 散热器的作用散热器的作用 如图 2-4 所示, 汽车发动机冷却循环系统由散热器 2 、风扇 4 、水泵 5 、节温器 6 、进水管及出水管等组成。冷却系统的作用是: 疏散发动机各零件 的热量,使这些零件的温度保持在发动机正常工作所许可的范围内。因发动机工 作时, 燃料燃烧所产生的热量一部分转变为有用的机械功, 输出功率; 另一部 分则使发动机中直接与燃气接触的零件( 如活塞、气缸、气缸盖和进排气门等) 强烈加热。如这些零件长时间的过热和不均匀受热, 将使材料的机械性能下降, 破坏了机件间的正常间隙,并使润滑油高温分解或烧掉, 失去润滑能力,引起零 件加速磨损,甚至卡死等严重事故。散热器是汽车发动机冷却循环系统中的一个 重要部件,其作用是将由冷却循环水带出的发动机各零件的热量散发到空气中, 其质量直接影响着汽车发动机冷却循环系统的性能指标。 图 2-4 发动机循环式水冷系示意图 1 百叶窗 2 散热器 3 加水口盖 4 风扇 5 水泵 6 节温器 7 水温表 8 水套 9 分水管 10 放水阀 江苏新岛 YC550 散热器的设计 2 25 52 2 散热器的构造散热器的构造 散热器的构造如图 2-5 所示。其主要组成部分为上水室 2 、下水室 7 、加 水口盖 3 、侧板 8 、支架 6 和散热器芯。在上、下水室上分别焊有进、出水管,以 便于与进、出水软管联接, 在上水室上还焊有加水口管,用于向散热器中注入冷 却水,平时管口用加水口盖盖住, 在下水室上通常都装有放水阀门。侧板加强了 散热器的强度, 又将用于与外部连接的支架与其它构件连为一体。 散热器芯是散热器的核心部件, 是散热器的主要散热元件。散热器芯的构 造型式有多种, 但管带式散热器芯以其散热能力强、制造工艺简单、质量小、 成本低等优点而得以广泛地应用。如图 2-5 所示, 管带式散热器芯是由波纹状 的散热带 5 与冷却管 4 相间排列着, 冷却管的两端分别插入上、下水室主片 1 的扁孔中,外侧的散热带被两片附侧板 9 所夹持经钎焊而成。 图 2-5 散热器 1 主片 2 上水室 3 加水口盖 4 冷却管 5 散热带 6 支架 7 下水室 8 侧板 9 附侧板 2 25 53 3 散热器散热效果的调节散热器散热效果的调节 发动机的冷却必须适度。若冷却强度不足,将出现过热现象,水箱中的水温 将升至沸点,水蒸气大量蒸发,发动机的热效率低,油耗大,同时,发动机的零件也 会因润滑不良而加速磨损。若冷却强度过强,将出现过冷现象,一方面由于热量 散失过多,使转变成有用功的热量减少, 另一方面, 由于混合气体与冷气缸壁接 触而凝结并流到曲轴箱内,不仅增加了燃油消耗,且使机油变稀而影响润滑,结果 也将使发动机功率下降,磨损加剧。在气缸盖内的冷却水温为 8090 之间时, 散热器与发动机匹配最好。 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2009 使用条件( 如汽车速度、负荷和环境温度等)对散热器的散热效果有很大的 影响。为使散热器与发动机很好地匹配, 可以改变通过散热器的空气流量和改 变通过散热器的冷却水流量的方法来调节冷却强度。通常利用百页窗和各种自 动风扇来实现改变通过散热器的空气流量, 而使用节温器或者支路循环来控制 通过散热器冷却水的流量。 2 25 54 4 散热器散热面积的计算散热器散热面积的计算 设计散热器时一般是根据发动机在某一常用工况下能得到可靠的冷却而设 计。散热器的散热面积是散热器的一个主要技术指标, 它对散热器的散热效果 有着至关重要的影响, 在散热器的的设计参数中, 对散热器的散热面积都有明 确的要求。 散热器的散热面积由散热带的散热面积( 双面) 、冷却管的散热面积、上、 下水室及其主片以及附侧板的散热面积等组成。由于附侧板的材料为 08F 钢板,其 导热性较散热带和冷却管的材料紫铜差很多,又由于附侧板和上、下水室及其主 片的面积占整个散热器的散热面积的比例很小, 计算又复杂,所以在实际计算散 热器的散热面积时只计算散热带和冷却管的散热面积, 而后给一修正系数对其 值进行修正, 以使计算数据与实际情况更相符。 （1）散热器迎风面积 Sz 公式 Sz=LB 式中： L散热器两主片间的距离，单位为 m； B散热器的长度（指管片式） ，单位为 m； 根据散热管尺寸确定其类型为 D-4-160 型 式中 L 取 0.23m B 取 0.54m 该散热器的迎风面积为 0.1242mm2， （2）散热器散热面积 Fa 公式 Fa=2（AB-Nth）n+2(t+h)(L-n)N 式中： n散热片片数； N散热管根数； A散热片宽度，单位为 m； B散热片长度，单位为 m； t散热管截面外形长度，单位为 m； h散热管截面外形宽度，单位为 m； L散热管有效长度，即两主片间的距离，单位为 m； 散热片厚度，单位为 m； 式中 n 取 160； N 取 72； 江苏新岛 YC550 散热器的设计 A 取 0.43m； B 取 0.436m； t取 0.016m； h取 0.0022m； L 取 0.0223； 取 0.00015； Fa=21.845m2 （3）散热器水通道面积 公式 Sw=htN+t2/8 式中： h散热管横截面内侧长边直线段长度，单位为 m； t散热管横截面内侧宽度，单位为 m； N散热管根数； 根据 JB/T8 577-2005内燃机水散热器技术条件 有：一般散热管尺寸 t=23mm，h=1520mm，管壁厚度 =0.150.20mm，水管正 面节距为 715mm。沿深度方向的节距为 1725mm，散热片的厚度为 0.080.2mm。散热片的节距为 2.34.5mm。 式中 h 取 0.013m t 取 0.0022m N 为 160 计算得水通道面积为 0.004576m2 2.4 散热器的材料和成型技术 2.4.12.4.1 散热器材料选择论述散热器材料选择论述 在选择散热器的材料时, 主要考虑以下几点传热性能好、抗腐蚀能力强、 具有足够的强度、有良好的钎焊性能、易于加工成型及好的经济性。根据以上 要求, 散热器行业一直以铜及铜合金作为制造散热器的主要材料。铜散热器的 散热管的材料一般采用 H90 黄铜带, 其厚度为 0.010.20mm。管片式散热器散 热片的材料一般采用 H62、H68 黄铜带, 其厚度为 0.08 一 0.10mm，在强度允许 的情况下, 散热带的材料厚度允许做到 0.045mm。 散热器在限定的空间内应具有足够的散热性能和较长的使用寿命,所以整个 散热器总成必须降低原材料消耗,改善生产工艺和结构,降低生产成本,实现薄壁、 轻型、高效。在焊接部位,应采取扩大焊接面积的方法来降低应力,如主片和水 室采用双面焊接的窄沟槽形式,尽可能减小壁厚,不容许采用增加壁厚的方法来 提高总成强度。如散热器的主片和水室的壁厚应控制在 0. 60. 8 mm 范围内,冷 却管的料厚应在 0. 110. 13 mm 范围内,散热带的厚为 0. 0430. 06 mm。 铜散热器的料厚如超过上述值会使成本增加,但强度提高不大。 采用低锡焊料、有机焊剂和高效率的氮气保护硬钎焊工艺,生产铜、铝散热 器是今后发展的趋势。以铝代铜可以进一步减小散热器质量,特别是硬钎焊生产 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2009 的铝散热器可以实现整个总成等强度,极大地提高散热器的可靠性。 采用装配式铝散热器,是为了降低污染和减小铝材料焊接困难而采用的工艺。 虽然目前部分产品仍采用该结构,但风阻过大,最有前景的结构是散热器芯体采 用焊接生产的铝芯体或铜芯体;水室为增强尼龙注塑成型;水室与芯体通过主片 边缘凹凸部分反扣压在水室周边上,使散热器主片与水室周边间密封垫受压变形,以 达到密封效果。这种散热器的冷却液流动方向多为左、右方向流动的横流式。 目前,从世界范围来看,铜散热器和铝散热器占有同样地位。随着铜、磷、 锡、镍焊接技术进一步发展和完善,以及铜材退火温度的提高,有可能沿用现有 的铝材钎焊设备和工艺,生产出等强度、高强度、高耐腐蚀性的铜散热器,克服 软钎焊工艺生产的铜散热器强度低的缺点。硬钎焊的铝散热器随着原材料生产 工艺的提高将逐步增多,可以实现整个总成等强度,从而大幅度提高散热器的使 用寿命。 综上所述，铜散热器的主片、水室、进出水管、加水口等零件的材料一般 采用 H62 或 H68 黄铜, 其厚度为 0.5 一 1.5mm。 2 24 42 2 常用散热材料常用散热材料 目前，常用的散热器材料主要有铜、铝和工程塑料等。 （1）铜 铜是重要的有色金属，也是导热性能最好的金属材料，具有良好的成型加 工性、可钎焊性和耐蚀性，长期以来一直作为汽车散热器的首选材料。 铜的资源和价格问题一直是困扰散热器应用的主要原因，铜的消耗量日益 增加，但因铜的储量有限，随着消耗量的不断上升，价格居高不下，因而铜散 热器的成本一直难以大幅度下降。 由于汽车散热器恶劣的工作环境和冷却液的长期腐蚀，避免铜直接与腐蚀 性物质接触，延长其工作寿命，一般要在铜散热器的表面上覆盖锡保护层，但 这样却会影响铜散热器的散热效率。锡的导热系数为 0.157（cm*s*）,j 仅为 铜的 16.7%，使散热性能大幅度下降。 今年来，为了进一步提高铜散热器的性能，对传统的铜锡散热器采取了许 多改进措施。如在材质方面和加工工艺方面尽可能提高材料利用率，采取向铜 中添加微量元素的方法，在不损失导热性的前提下，提高其强度和软化点，从 而减薄带材的厚度，节省材料用量，以减轻散热器的质量和降低成本。但由于 采用铜作原料，并未从根本上解决材料来源问题。 （2）铝 随着汽车技术的发展，节约能源和环境保护等方面的原因对汽车轻量化的 要求越来越迫切。汽车材料的发展趋势是轻量化、高性能和强功能，散热器材 料也是这样。人们一直在寻找价格低廉、性能优良的材料来取代铜。近十几年 来，散热器新材料的应用有了很大的进展，尤其是在铝散热器方面发展速度很 快。 铝是汽车工业使用较多的金属材料，也是汽车轻量化的首选材料。铝的最 江苏新岛 YC550 散热器的设计 大优势是质量轻，比重仅为铜的三分之一，相同体积情况下，质量可以大大降 低；铝资源远较铜丰富，成本也远低于铜；虽然铝的热传导率较铜低，仅为铜 的 60%，但由于铜散热器存在热传导率更低的锡保护层，使得铝散热器的热效 率反而要高于铜散热器；另外，铝还有良好的铸造加工性能。虽然铝散热器具 有质量轻、原料成本低、散热性能好等优点，但其焊接工艺性差、生产设备投 入大是长期难以解决的问题，限制了铝散热器的广泛应用。 目前，铝散热器比较成熟的生产工艺有两种：一种是机械装配式，此种形 式生产的散热器冷却水管是圆形或椭圆形，采用机械压制而成“生产成本较低， 但是由于这种工艺受自身形状的局限性，工作效率不高；另外一种是钎焊式， 这种形式生产的冷却水管是扁状的，不受散热器自身几何形状的限制，采用焊 接一次成型，工作效率高。 （3）工程塑料 为了减轻质量，提高耐腐蚀性和节约有色金属，许多新材料开始应用在散 热器上。在实际应用中，散热器上下水室材料逐渐由工程塑料取代了铜材。常 用的是用加入玻璃纤维的尼龙 66（PA66）注塑加工成散热器的水室，并以机械 方式与散热器芯部接合装配，通过橡胶密封圈使接合面上达到良好密封，同时 还起防振作用。另外，尼龙 66 具有非常优良的耐腐蚀性，对散热器十分有利； 良好的可塑性使得散热件轻巧而美观；耐高温性可使散热器的底盘保持完好而 不会产生任何弯曲，不会减少散热器的气体流动。 2.4.32.4.3 散热器制造新技术散热器制造新技术铜硬钎焊新技术铜硬钎焊新技术 铝散热器发展速度很快，优势突出，但其制造工艺过程复杂、对工作环境 要求苛刻，并对环境造成一定的破坏，耐腐蚀性差，特别是在高温下工作，如 汽车中冷器工作温度较高，铝制中冷器容易出现蠕变和疲劳等材料问题，进而 影响性能甚至引起故障。为了降低汽车尾气排放，废气再循环（EGR）技术被广 泛采用，然而 EGR 技术在发动机上的应用会使整个汽车冷却系统发生变化，对 散热器的耐高温性能、散热性能和强度的要求也随之大幅度提高，而目前普遍 使用的铝制散热器很难满足这些要求。正是由于这些原因，20 世纪 90 年代末， 国际铜业协会（ICA）开发出最新的汽车散热器制造新技术铜硬钎焊散热器 生产技术，并由奥托昆普公司实施，由此开创了汽车散热器制造技术的新时代。 铜硬钎焊技术通过采用特殊的铜、锡和磷的钎焊合金,将黄铜和紫铜分别制 成管和散热带钎焊成一个整体即散热器和热交换器。铜硬钎焊技术的核 心是无焊剂、无铅焊合金以及抗退火材料。其工作原理是用奥托昆普公司开发 的铜硬焊金属填料 OKC600 在高温 590610 时熔化,依靠金属毛细管的作用 力,流入焊接间隙,与母体材料(抗退火铜材)发生反应,在交界处形成合金金属连 续体,构成高强度的金属一体化结构。 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2009 25 铜硬钎焊技术 2 25 51 1 铜硬钎焊散热器的工艺原理铜硬钎焊散热器的工艺原理 铜硬钎焊工艺核心是无焊剂、无铅钎焊合金以及抗退火材料。其工艺技术 的原理是：用 OKCCuNiSnP 铜钎填料（金属粉末所加工的焊膏，奥托昆普技术专 利 US-Patent5378294）在 590610时熔化，依靠金属毛细管作用力流入焊接 间隙，与母体材料（抗退火铜材）发生反应，在交界处形成合金金属连续体。 2 25 52 2 铜硬钎焊散热器的主要材料铜硬钎焊散热器的主要材料 奥托昆普所用铜材的主要性能如表 2-1 所列。 散热管材料是由 85%铜和 1%合金元素（余量为锌）组成的 CuZn15 铜制品。 散热带材料是一种弥散强化型合金，可防止材料在钎焊时软化，在焊接过 程中能够达到较高的传导率。 主片采用含铜 64%的铜合金。 填料采用奥托昆普公司开发的铜硬钎焊金属填料 OKC600。该填料是一种无 毒性的 CuNiSnP 合金，主要成分为 75%Cu、5%P、15%Zn、5%Ni。熔化温度为 60010。 表 2-1 奥托昆普铜材的主要性能 性能波浪带铜 SM502（钎焊 后） 管料黄铜 SM2385、C66420（钎 焊后） 主片料 SM2464、C74400（钎 焊后） 电传导率/% 9230 屈服强度/N*mm-2 260270105 抗拉强度/N*mm-2 330400340 硬度 HV 10011567 延伸率 A50/% 1030 熔点/ 108310001025910930 密度/kg*m-3 890087508500 2 25 53 3 铜硬钎焊散热器的优越性铜硬钎焊散热器的优越性 铜硬焊散热器具有铝散热器不可替代的优点: （1） 铜硬钎焊技术使用极薄的铜合金材料,与冷却液接触的管料采用铜带 经激光焊接而成,厚度仅有 0. 085 mm;与空气接触的带料采用导热性能好,强度 高、软化点高的高铜合金,璧厚仅有 0. 0250. 03mm。虽然铜的比重较铝大, 但铜加工成极薄型材料,可以减少用材,降低质量和成本。 （2 ）铜硬钎焊工艺采用无铅低温焊接,不需要使用焊剂,焊接温度容易控 制(熔点温度允差范围大) ,焊接速度快,成品率高。由于工艺中省却了危害环境 的去油工序,且生产过程中无需清洗,因而不会产生废水、毒气等有害物质,改善 了工作环境,减少了污染。用这种工艺生产的铜散热器一旦报废后,还可以 100 %地 江苏新岛 YC550 散热器的设计 完全回收,再次用于制作新散热器。因此,铜硬钎焊技术是一种既能降低成本又 可保护环境的新工艺、新技术。 （3） 铜硬钎焊散热器使用的材料与钎焊合金拥有几乎相等的惰性,使产生 电化学腐蚀的风险降至最小。钎焊合金 OKC600 (CuNiSnP) 对管子来说也是一 种保护涂层。铜硬钎焊散热器一般说来比锡焊铜/黄铜散热器有更高的抗腐蚀能 力,并且与铝散热器相比更有竞争力:铝散热器更倾向于局部腐蚀形式,而对于铜 硬钎焊散热器,腐蚀形式通常是均等的,不会产生局部腐蚀。 4 铜硬钎焊工艺不需要使用焊剂，不需要进行前后期清洗，采用无铅低温 锡焊，改善了工作环境，污染小材料的回收和再生产利用率高。 2 25 54 4 铜硬钎焊散热器工艺技术的应用推广铜硬钎焊散热器工艺技术的应用推广 经世界许多企业的实践证明，铜硬钎焊工艺技术能在客车、载货车和工程 机械的散热器、暖风机、机油冷却器、冷凝器、蒸发器及中冷器等产品生产中 发挥巨大的优势。 目前 Astor Air 公司生产的铜硬钎焊散热器系统已经在公共汽车、载货车 和其它工程设备中得到应用；日本 NAJICO 公司于 2000 年 10 月开始全面生产管 带式铜硬钎焊散热器。在国内，第一汽车集团公司首先将在新型载货汽车上试 用。采用世界先进的的铜散热器硬钎焊生产工艺技术，使我国汽车散热器的制 造上了一个新的台阶。 26 技术要求 （1）散热器产品按经规定程序批准的产品图样及技术文件制造。 （2）散热器的散热管、主片和水室所采用的材料在水中应有耐腐蚀性或经 过防腐处理。 （3）密封性能：散热器内腔通人压力为 125kPa 的干燥压缩空气，历时 lmin 不允许泄漏。 （4）耐振性能：散热器内腔充满清水，在 20Hz，30Hz，40Hz，50Hz 频率 下各振动 3h，共振动 12h，振动方向为垂直上下。完成 12h 振动后不允许出现 泄漏和零件损坏。 （5）耐压力交变循环性能：对散热器内腔施加从 25kPa 以下上升到 150kPa 的交变压力，压力交变周期为 Is-6s.散热器经 3X104 次压力循环后，不 允许出现泄漏、脱焊和永久变形现象. （6）耐热冲击性能：散热器经 3000 次 950C - 10C- -95C 温度交变循 环后，不允许出现泄漏和零件损坏。 （7）静压强度：对散热器内腔施加 250kPa 静压，历时 5min，不允许出现 泄漏和永久性变形. （8）耐腐蚀性：散热器经 200h 中性盐雾腐蚀后，不允许出现泄漏及涂层 剥落。 （9）散热量及空气阻力：散热器的散热量及空气阻力应符合产品图样或供 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2009 货协议的规定， （10）换热效率：在散热器芯部水流速为 0.8m/s、空气流速为 8m/s、进水 温度比进气温度高 60时，胀接式散热器和软钎焊管片式散热器的换热效率不 得小于 0.40，软钎焊管带式散热器的换热效率不得小于 0.50，硬钎焊散热器的 换热效率不得小于 0.60。 （11）每只散热器被堵塞的散热管数不得超过其散热管总数的 1%. （12）散热器芯子两对角线的长度差：芯子对角线长度小于或等于 800mm 时，对角线长度差值应小于或等于 3mm;对角线长度大于 800nmm 时，对角线长 度差值应小于或等于 5mm。 （13）散热器散热片片数或波峰数：管带式散热器散热片总片数应符合产 品图样规定，其偏差不得超过产品图样规定总片数的士 1%;管带式散热器每条 散热带的波峰数应符合产品图样规定，其偏差为士 2 个。 （14）散热器散热片的片距或散热带的波峰距：管片式散热器散热片的片 距偏差应保持 0.2mcn 以内，不允许两片压合在一起;管带式散热器散热带的波 峰距偏差应保持在 0.5mm 以内。 （15）在散热器两大侧面处的散热片(带)，不允许有卷曲、倒伏。 （16）在散热器两大侧面处的散热片(带)，相互参差不允许大于 lmma （17）在散热器两大侧面处的散热片(带)，不允许有边缘碎裂。 （18）散热器与主机的装配尺寸应符合产品图样的规定。 （19）散热器复式加水口盖的进、出气阀的开启压力应符合产品图样的规 定。 （20）散热器加水口与加水口盖的配合尺寸应符合产品图祥的技术要求。 （21）散热器的所有焊缝不允许有明显的焊料堆积. （22）散热器内部不允许有游动的固体残留物。 （23）散热器外表防腐层应均匀美观，不允许有涂层脱落现象。 江苏新岛 YC550 散热器的设计 3 结论 本次设计的散热器的原型是新岛公司现有的 YC550 型柴油拖拉机散热器， 此型号散热器属于型号较小，运用于较小功率的工况。其总体结构相对紧凑， 本设计对结构并没有做大的修改，主要是对其制造材料和加工工艺进行先进性 的理论上的论证改进。 目前的散热器制造打都采用铜或者铝导热性比较高的金属材料，在以上已 经对两种材料各自的特点，适用热性进行了阐述和论证。最后，此设计仍然采 用了铜作为主材料，加以用铝材以达到降低重量，提高产品使用寿命的目的。 主要的改进方面在于加工工艺，也就是采用铜硬钎焊新技术的加工工艺， 这是一项比较新的焊接工艺，而且很适合用于散热器这样的大量使用钣金件成 型的机械产品。引进这样的技术可以在降低制造成本的同时大大地提高产品寿 命，延长使用寿命。 国外轿车配套的散热器多为铝散热器，普遍采用装配式，主要是从保护环 境的角度来考虑(尤其是欧美国家)。在欧洲新型的轿车中，铝散热器占有的比 例平均为 64%。从我国汽车散热器生产的发展前景看，硬钎焊生产的铝散热器 逐渐增多，其发展前景将超过装配式的铝散热器并取而代之。硬钎焊工艺生产 的铜散热器也在公共汽车、载货汽车和其它工程设备上得到应用。 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2009 文献资料 1 张敏汽车散热器的设计及其发展J天津汽车，2002，(3):19-31 2 杨建华，徐贵勇. 汽车散热器主片拉伸成型工艺及模具J. 模具工业， 2004，(7):33-35. 3 张行周，马重芳. 汽车发动机散热器特性仿真研究J. 模拟技术， 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S 江苏新岛 YC550 散热器的设计 致谢 本次毕业设计是对我大学四年所学各项专业知识的一次全面考验，它也是 对即将走向社会的我们的进行的一次有效的训练。回顾这场毕业设计，我觉得 我获益菲浅。我的课题是一个设计类的课题，对于现有产品要充分的了解掌握 清楚，在此基础上进行图纸的 CAD 描述，对其中各个结构部件的匹配考虑，然 后又要考虑的对结构参数的合理化，寻找分析符合实际生产的加工工艺改进， 这对像我这样基础不太扎实的学生是有一定困难的，只有本人经历过才知道。 所以我认为这次毕业设计锻炼了我很多方面的能力，它使我面对困难不退缩， 勇于克服困难。 在本次毕业设计的开始到结束一直得到老师和新岛公司技术员的指导和帮 助，使我能得以顺利完成并学到了很多知识，我想这对我以后走上社会工作岗 位会有很大帮助。在此我谨表示我最衷心的感谢。 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2009 附录 序号 图名 图号 图副 1 散热器装配图 YC550-00 A0 2 上水室分总成 YC550-01-00 A1 3 上水室 YC550-01-01 A2 4 进水管 YC550-01-02 A4 5 下水室分总成 YC550-02-00 A1 6 下水室 YC550-02-01 A2 7 侧板 YC550-03-01 A1 8 托板 YC550-03-02 A2 9 插槽 YC550-03-03 A3 10 芯子分总成 YC550-04-00 A1 11 主片 YC550-04-01 A1 12 边板 YC550-04-02 A2 13 风罩分总成 YC550-05-00 A0