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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 某型无人机散热系统设计目录第 1 章 绪 论 . 51.1 引言 . 5无人机简介 . 51.1.2 本文所述无人机的特点. 6散热系统概述 . 7 基本概念 . 71.2.2 水冷散热器概述 本文争论的意义和主要内容. 7 . 9本文争论的意义 . 9本文主要争论的内容. 9第 2 章 总体设计方案的比照挑选 . 11 冷却方式的挑选 . 11 冷却方式简介 . 11 两种冷却方式的优缺点比照. 12 冷却系统的的布局 . 12 风扇驱动方式的挑选与设计. 13 概述 . 13 三种驱动方案的优缺点比照. 13 详细传动方式的设计 . 14
2、第 3 章 基本参数的设定及推导. 17 设计任务给定的参数 . 17 参数推导 . 17 散热量 Q . 17 名师归纳总结 水循环流量qv,w . 18 第 1 页,共 44 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 某型无人机散热系统设计冷却空气的体积流量qv,a . 19 参数总结 . 19 第 4 章 主要零部件的设计 . 20 散热器的设计 . 20 概述 . 20 散热器进展趋势 . 21 散热器的结构形式、参数与材料设计 . 21 冷却水泵的设计 . 26 冷却水泵概述 . 26 离心式水泵的结构特点. 27 水泵的性能参数 . 28 冷却风
3、扇的设计 . 30 概述 . 30 冷却风扇的结构形式及特点. 30 风扇材料 . 32 风扇的外形结构设计. 33 风扇的风量、静压、转速及其匹配 . 34 冷却风扇的校核 . 36 风扇的安装条件 . 39 风扇传动部分的简要设计及说明. 40 带的挑选 . 40 带轮的设计 . 41 风扇轴的最小轴径运算. 42 传动圆锥销的校核 . 42 第 5 章 总结与展望 . 43 5.1 本文工作总结 . 43 5.2 争论展望 . 44 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 某型无人机散热系统设计名师归纳总结 - -
4、 - - - - -第 3 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 某型无人机散热系统设计摘要无人机技术是反应国家科学技术实力的高新技术,其整机系统复杂、涉及的 学科专业极广、技术含量很高；无人机所搭载的发航空发动机,可以说是整个系 统的心脏,而优良的散热系统是保证发动机的正常工作的先决条件；当前无人机 的使用环境和用途,给无人机在安全性、牢靠性和使用效率等方面提出了更高的 要求；当然,作为无人机的主要组成部分,散热系统也应当朝着这几个方面的高 要求来进展；于是本课题就致力于为某型无人直升机设计一套性能优良的散热系 统；本文主要完成了以下几个方面的工作：1.把散热系统
5、中的散热风扇和散热水箱在前人已经设计出的散热系统的基础 上进行重新布局,把它们从次载荷舱换到主载荷舱,让无人机有效的空间得到最 大程度的利用；2.通过设计运算,设计出了满意散热要求的散热水箱、散热水泵和散热风扇 等散热系统中的重要的零部件；3.给散热系统中的散热风扇设计了一套机械驱动的传动系统,利用带传动和 十字万向节传动的原理实现了风扇传动中遇到的提速和不平行轴之间的传动问 题；名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 某型无人机散热系统设计第 1 章 绪 论1.1 引言“ 无人机” 自上世纪三十岁月问世以来,便由于在军
6、用作战方面表现出来的 优秀性能受到各方广泛关柱；与载人飞机相比,它具有体积小、造价低、使用方 便、对作战环境要求低、战场生存才能比较强等各种优点,因此备受世界各国军 队的青睐,进入 21 世纪以后,世界各主要军事国家包括我国在内都在加紧进行 无人驾驶飞机的研制工作；同时因其自身性能特点和当今各项相关技术的进展,其在农林科技和气象探测等民用领域呈现出了庞大的潜力,可以说无人机技术是 反映国家航空科技水平的一项重要指标；下面就无人驾驶飞机进行概述；无人机简介“ 无人机” 是无人驾驶飞机的简称,是利用无线电遥控设备和自带的程序控 制装置操纵的不载人飞机,与载人机相比其有结构简洁、尺寸小、重量轻、造价
7、 低等特点,机上虽然不设驾驶舱, 但装备有自动驾驶仪、 程序掌握等设备, 地面、舰艇或母机遥控站上的人员通过雷达等设备,对其进行定位、跟踪、遥控、测量 和信息传输；其中有些机型可在无线电遥控下像一般飞机一样起飞,有些用弹射 系统弹射升空,有些也可由母机带到空中投放飞行；回收时,有些机型可用与普 通飞机着陆过程一样的方式自动着陆,有些通过着陆平台着陆；目前从事无人机生产和争论的国家有包括美国、俄罗斯、英国、以色列和 南非等 30 多个国家,当然我国目前也在紧锣密鼓的进行争论；现代无人机的种 类繁多,广泛用于空中侦察、监视、通信、反潜、电子干扰等领域；无人机按续航时间和航程的长短可分为以下四大类型
8、：1）长航时无人机,例如中国的翔龙无人机如图 1-12）中程无人机,例如英国的不死鸟无人机如图 1-23）短程无人机,例如以色列的先锋无人机如图 1-34）近程无人机,例如中国的天翼 1 无人机如图 1-4图 1-1 翔龙无人机中国图 1-2 不死鸟无人机英国名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 某型无人机散热系统设计图 1-3 先锋无人机以色列图 1-4 天翼 1无人机中国这些形形色色的无人机的产生主要是为了实现以下几种功能：1）靶机作用,无人机最初设计研发就是为了实现这个用途,用于空中战役武器和地面防空的试验与训练
9、；2）侦察监视,这也是无人机的早期用途之一, 用于深化前沿阵地和敌后肯定范畴内, 利用自身携带的各种侦察设备, 完成侦察和监视任务；3）骗敌诱饵,这是进一二十年争论人员为无人机开发的新用途,使用无人机做诱饵吸引敌方火力或防空系统,继而将其破坏或摧残；4）实施干扰,利用携带的雷达和通信干扰的设备发出干扰信息,是敌方雷达系统出错,通信终断,进而使指挥系统失灵；5）对地攻击,无人机去携带各种侦查和干扰设备外,仍能携带多种对地攻击性武器,进而对地面军事目标进行打击；6）校核作用,主要用于火力引导和对射击成效进行评估；7）通信中继,通过装备抗干扰的扩频通信设备和无线电台中继设备等,实现通信中继；8）其他
10、新型功能,包括运输才能、监察安全状况、救灾应用、测绘等；本文所述无人机的特点本文涉及的无人直升机是山河科技自主研发的一款多功能通用自主型的无人机系统,用户可通过FPV手动遥控模式和全自主飞行模式进行操控,机身内拥有两个有效载荷舱,也可外挂有效载荷,具有优良的强度 / 重量比；可广泛应用 于战术侦察、 电子干扰、海洋监视、边界巡逻、 灾难监测、地质勘探、地理测绘、电力拖线、空中摄影等；这些性能的实现对无人机的材质、外形设计、动力系统、掌握系统和散热系 统等都提出了很高的要求,本文的重点是无人机散热系统的设计和优化,下面就 散热系统进行概述；名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共
11、44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 某型无人机散热系统设计散热系统概述基本概念散热系统是用来传导、释放热量的一系列装置的统称,发动机的散热系统一般又称为冷却系,其功用是将受热零件吸取的部分热量准时散发出去,保证发动机在最相宜的温度状态下工作；发动机的冷却系有风冷和水冷之分,以空气为冷却介质的冷却系称为风冷系；以冷却液为冷却介质的称为水冷系；无人机的散 热系统一般采纳水冷系,所以本文的论述重点为水冷系；水冷散热器概述冷却系具有热源和冷源；对于大多车辆发动机,气缸内的高温燃气是主要热 源,但那对于有些特别发动机除了高温燃气外,仍要考虑传动装置运动件和传动 油因其他形式的能量转
12、化成热能所形成的热源；冷却系的冷源是运动机械的四周 环境,典型的水冷散热是把热源传到受热件上的热,通过在冷却水泵推动下的冷 却液吸走并传输到冷却系的热交换器散热水箱中,再由冷却风扇从四周吸入 的冷却空气散到冷源中去, 以保证发动机和传动装置的正常工作热状态,如图 1-5 所示；图 1-5 动力传动装置散热过程1.2.2.2 水冷冷却系的组成部分冷却系统由发动机内部块通道和前端、保持冷却液循环的水泵、掌握冷却温 度的温控器、冷却液散热器、掌握系统压力的散热器盖和一些由连接水管组成的 用来把冷却液传到散热器和机械在冰冷的时候用来暖车的加热系统的管道等部 件组成,它们以肯定的形式这种形式是多样的,视
13、特定的工作环境而定连接成一个有机的整体来满意发动机的散热需求,下面以某一型号的发动机散热系名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 某型无人机散热系统设计统为例来进行说明,如图 1-6 ；3 缸头图 1-6 某型发动机散热系统由此可知,散热系统由各部件以肯定的次序连 接起来,各部件和谐分工来实现散热,下面简洁介 绍一下几个主要部件：1 散热器,散热器芯通常情形下是由扁 铝管和散热片或者散热带组成,冷却空气经 过传热管和散热片或者散热带时,把热量从发 图 1-7 散热器动机中带走；在散热器的两端各有一个水箱, 通常情形下是用
14、塑料或者 铸铁做的,用来盖住散热器的两端, 并由铝芯和之间的垫片密封系统来保持 流体不漏出来,如图 1-7 ；2 散热风扇, 安装在散热器的前方或者背部, 通常情形下装在一个用 来爱护手指和引导气流的盒子里面, 是为了保证发动机在转速很慢或发动机停止的情形下的空气在散热器里流通；它们大多有电动机带动, 在现在很多名师归纳总结 发动机中都已经将电动机和散热风扇集成化了,但有些时候为了满意某些工第 8 页,共 44 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 某型无人机散热系统设计作条件,也采纳传统的机械驱动方式,由发动机通过某种传动方式传动； 3水泵,水泵是一个
15、保证冷却液随着发动机运动而循环流淌的简洁装 置,工作时把冷却剂推到散热器下部软管,并在压力下送到发动机缸体,从而带 走发动机上的热量； 4 恒温器,如图 1-8 ,恒温器是一个用来检测冷却剂温 度的阀,假如冷却剂到达设定温度, 它将打开让其流到散热器,假如冷却剂达不到设定温度,将被阻挡流到散热器,同时被引 导到一个旁路系统,并直接返回到发动机；图 1-8：恒温器当然,其他部件也很重要,这里就不一一介绍了；如前面所述发动机在工作的时候会源源不断的产生高温高压的气体,为准时 的将产生的热量散到四周环境,散热器的设计需要满意一下几个要求：1）要能保证发动机在任何工况条件下都能工作在正常温度范畴；2）
16、保证发动机在启动后能在短时间内到达正常工作范畴；3）保证散热器的散热效率高,消耗材料少；4）水泵和散热风扇消耗功率小,噪声小；5）冷却系中零部件拆装便利；本文争论的意义和主要内容本文争论的意义无人机技术是我国近年来重点进展的高新技术,是航空技术、电子技术、航 空通信技术、新材料技术等前沿技术的综合体,是反映国家在航空领域科研实力 的重要指标；随着无人机技术的进展,对无人机的各方面的性能都提出了很大的 要求；发动机作为无人机的心脏,它的牢靠性、低油耗和长的使用寿命是争论人 员必需考虑的问题,冷却系作为保证发动机性能的重要环节,对其进行争论设计 有着重要的意义和应用价值；本文主要争论的内容本文课题
17、是工程装备方向毕业设计课题,旨在通过争论运算为某型无人直升 机设计一套性能良好的散热系统,详细内容如下：1）对散热系统做总体规划 2）挑选合适的散热风扇,无人机发动机工作环境和一般车辆的工作环境有 很大的区分,无人机在执行侦察等任务是通常需要悬停以完成拍照、扫 描,这时候冷却风道里不会有自然风,完全依靠散热风扇从四周冷源吸名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 某型无人机散热系统设计入空气来将热量带走；3）将散热系统在无人机上合理布局；如前面所述,体积小、重量轻是无人机的特点和优势,但从另一方面考虑也是制约无人机完成某些
18、任务的劣势,由于它不行能携带很多设备和武器以更好的完成任务,所以说合理的布局,将空间更好的利用起来是至关重要的；本文所论述的某型无人机就遇到这方面的制约如图1-10 ,它将散热系统放在了外挂载荷点邻近,而这一块是安装设备的黄金地段,放散热系统实在惋惜,本文将重点论 述如何将其优化设计,详细方案将在后文中论述；图 1-9：无人机布局简图由于无人机属于高新科技领域,设计参考资料很少,本文在设计运算的过程 中主要参考车辆冷却系统的设计运算,详细内容支配如下：第一章绪论,主要简洁介绍无人机和散热系统的相关学问,同时阐述在设计 运算工程中实行的方法、手段和应到达的目标；其次章总体方案的比照设计,主要阐述
19、总体方案论证比较、布局方案的论证 比较及冷却风扇传动方案的设计挑选；第三章基础参数的设定及推导,主要阐述设计运算的基础参数的设定和推导 过程；第四章主要零部件的设计运算,参考车辆冷却系统的设计运算过程,对冷却 系统重要零件进行结构设计和参数运算,并就遇到的问题争论和给出解决方案；第五章总结,总结设计的心路历程；名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 某型无人机散热系统设计第 2 章 总体设计方案的比照挑选冷却方式的挑选冷却方式简介目前最常见的发动机冷却方式有两种,一是风冷,主要以空气做媒介,通过名师归纳总结 - - -
20、 - - - -第 11 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 某型无人机散热系统设计风道直接接触发动机带走热量,通常情形下实行加大待冷却物体的散热面积和加 大冷却空气通过发动机外表的流速来完善冷却成效；仍有一种常见的发动机冷却方式就是水冷,主要以冷却水作为发动机的传热 介质将发动机需要散去的热量带走,进到散热水箱,并由冷却空气进一步散到周 围环境中去；两种冷却方式的优缺点比照第一,风冷冷却方式的优点有如下几点：1冷却系统的布局更加敏捷 2冷却系统消耗的功率少 3冷却系统的成本较低 其缺点也很明显主要为以下几点：1散热成效相对较差 2冷却系统带来的噪声较大 3性能简
21、洁受到外部灰尘的影响 而水冷冷却方式的优缺点与风冷冷却方式的相对,水冷冷却方式的优点正是 风冷冷却方式的缺点；基于以上两种冷却方式的优缺点,风冷冷却方式被广泛用 于摩托车和老式汽车上面；而由于水冷冷却的成效良好,现代车辆多采纳水冷冷 却方式；而无人机的散热系统性能的优劣与发动机工作性能的好坏有着直接关系,同时无人机在高空作业时,常需要悬停,这时候没有自然风的帮助冷却,需要冷 却系统的性能相当好,所以本文挑选水冷冷却方式；冷却系统的的布局在绪论中我们提到过体积小、重量轻是无人机的特点和优势,但从另一方面 考虑也是制约无人机完成某些任务的劣势,由于它不行能携带很多设备和武器以 更好的完成任务,所以
22、说合理的布局,将空间更好的利用起来是至关重要的；本 文叙及的无人直升机的荷载布局如图 2-1 ：图 2-1 ：无人机荷载布局简图名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 某型无人机散热系统设计现在冷却系统中的散热水箱和散热风扇的布局方案有两种一种是摆放在如 图 2-1 的外挂载荷舱的位置,另外一种是摆放在主载荷舱的位置；前人已经设计 的方案是放在了外挂载荷舱,但从实践看来这并不是最正确挑选,由于无人机在 实际工作中,把侦察设备放在外挂载荷舱能或得更好的侦察视角,侦察范畴也更 加宽广,可以说这里是摆放侦察探头的黄金地段,用
23、来摆放冷却系统有点惋惜；所以本文创新性地尝试将散热水箱和散热风扇等摆放在主载荷舱；风扇驱动方式的挑选与设计概述冷却系统在设计时,依据冷却系统的工作环境和布局可挑选不同的风扇驱动 方式；在挑选时必需挑选每种驱动方式的相对优点和缺点；一般风扇驱动可以分 成机械的、电力的与液力的三类；三种驱动方案的优缺点比照优点： 1机械驱动可在任何驱动转速下工作,其可以通过齿轮机构或皮带 传动机构通过肯定的传动比以任意高于或低于驱动转速的工作速度工作,也就是 说其转速设计相对敏捷； 2发动机与冷却装置之间易于实现的一种驱动方式 3设计成熟,价格廉价,重量轻牢靠性相对较好 4 缺点： 1布局位置受到限制 2性能与发
24、动机的性能息息相关优点： 1布局位置自由度大 2转速设计可变范畴大 3便于风道通风 4性能独立于发动机 5新型的电动机与风扇集成后,体积小,布局更加敏捷 缺点： 1受振动及温度等外部环境问题影响较大 3 2效率相对较低由于无人机上多带有信息侦察等无线电设备,电驱动简洁产生无线电干扰名师归纳总结 4成本相对较高第 13 页,共 44 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 某型无人机散热系统设计优点： 1布局位置自由度相对较大 2性能独立于发动机 3便于风道通风 缺点： 1要求清洁的液压系统 2通常造成风扇噪音较大 3成本相对较高比照上述三种方案的优缺点,第
25、一由于本文涉及的某型无人机并没有合 适的 液压驱动力可供挑选,假设挑选液力驱动需另行设计一套液压系统,设计成本较 高,所以排除这种驱动方式；同时,比照剩下两种方案的优缺点,从设计成本和牢靠性等方面考量,挑选 机械传动方式；详细传动方式的设计无人机的布局空间如图2-2 和图 2-3：1 图 2-2 ：无人机的布局空间名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 某型无人机散热系统设计图 2-3 ：无人机的布局空间 2 利用无人机尾翼驱动长轴来驱动冷却风扇,通常情形下机械传动方案需要有 肯定的传动比,而且散热水箱要尽量依靠机架来
26、安装,这样冷却风扇的轴与传动 轴成肯定角度,这就涉及到变角度传动；为实现这两点,预设了以下两种方案：1. 方案一异形锥齿轮传动如图 2-4：图 2-4 ：异形锥齿轮传动方案示意图此方案利用异形锥齿轮以肯定传动比传动来实现尾翼传动轴与风扇轴之间 的距离和角度的问题；2. 方案二带传动加万向节传动如图 2-5 ：此方案利用皮带机构以肯定传动比传动,使转速到达冷却风扇的工作转 速,然后利用万向节传动实现两轴以肯定角度传动；名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 某型无人机散热系统设计图 2-5 ：带传动加万向节传动方案示意图
27、1. 尾翼传动轴 2. 带传动机构 3. 万向节传动机构 4 冷却风扇 5 散热水箱比照以上两种方案,方案一只有一级传动,效率高,但异形锥齿轮制造成本 较高工艺复杂,同时牢靠性得不到保证；而方案二虽然效率相对低一些,但是皮 带机构和万向节传动机构都是常见机构,工艺相对简洁,成本低,同时牢靠性能 得到保证,所以在此挑选方案二；名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 某型无人机散热系统设计第 3 章 基本参数的设定及推导设计任务给定的参数给定发动机性能参数如下：1：发动机为 rotax582 航空发动机2：发动机功率 Pe
28、=75马力 ,排量33：主轴转速 n=6000r/min,驱动尾翼的长轴转速 n1=2500r/min 4：发动机调定温度为 80参数推导散热量 Q 散热系统应当散发出去的热量及散热量或者散热热流量 Q,其与发动机的型号、功率大小等参量有关,同时其也与传动装置的传动形式和外形设计等有关,因此散热量 Q 有两部分组成,一是发动机内部燃料燃烧时所释放的部分热量 Q1,对于活塞式发动机而言,进入冷却系的热量约为燃料燃烧的 15%-20%；二是传动装置由于摩擦等产生的热量 Q2 ,其约为发动机进入冷却系统热量的 20%-25%,即有 Q2 Q1 ,由上所述可得出 Q=Q 1+Q2 ；由于冷却系应当散发出去的热量Q受到各种因数的综合影响,想要精确运算可以说是特别困难的,因此本文在设计时实行依据统计资料得来的体会公式进行估算,发动机 Q1的估算式为Q 1 a 0 . g eH P3-13600式中,0a为发动机传给