裝甲車輛動力傳動總成熱平衡臺架試驗研究

曹元福， 邵春鳴， 劉建峰， 趙春偉， 石 軍，周 麗， 李 欣， 李榮鵬

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

裝甲車輛動力傳動總成熱平衡臺架試驗研究

曹元福， 邵春鳴， 劉建峰， 趙春偉， 石 軍，周 麗， 李 欣， 李榮鵬

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

以某裝甲車輛為例，進行了動力傳動總成熱平衡臺架試驗,結(jié)果表明：相同擋位時，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高，發(fā)動機出水溫度隨之降低；變速器3擋時，液力變矩器為液力工況，動力傳動總成生熱量較大，發(fā)動機出水溫度和排氣百葉窗出氣溫度明顯高于4擋、5擋.臺架試驗與整車道路試驗相比，前者試驗條件、試驗工況更加嚴苛，但是兩者數(shù)據(jù)的一致性證明臺架試驗方案合理可行.

裝甲車輛；動力傳動總成；熱平衡；臺架試驗

Abstract：Heat balance bench test of one military vehicle power transmission assembly was performed. The test data shows that the outlet engine water temperature declines with engine speed increasing at the same transmission gear; the outlet engine water temperature and outlet exhaust-grille air temperature under the condition of transmission third gear are higher than those under transmission fourth and fifth gear, because the hydraulic converter is unlocked and the heat rejection of power transmission assembly is bigger. The bench test is consistent with the results of the road test，although the bench test operation condition is more harsh than that of the road test. The test results show that heat balance bench test of the military vehicle power transmission assembly is reasonable and feasible.

Keywords: military vehicle；power transmission assembly；heat balance；bench test

車輛熱管理系統(tǒng)的試驗研究主要包括零部件及冷卻模塊性能試驗研究、冷卻系統(tǒng)的發(fā)動機臺架試驗研究、整車風(fēng)洞試驗研究和車載試驗研究,等等.

國內(nèi)方面，清華大學(xué)張揚軍教授、浙江大學(xué)俞小莉教授團隊近年來在車輛及發(fā)動機熱管理系統(tǒng)試驗技術(shù)方面做了大量工作并取得了豐碩成果，涉及發(fā)動機臺架試驗研究、整車風(fēng)洞試驗研究和車載試驗研究[1].

國外方面，由Clemson大學(xué)Wagner教授團隊建立的發(fā)動機智能冷卻系統(tǒng)試驗臺是較完善的試驗系統(tǒng)代表；美國泰萊達因公司采用了冷模型及熱模型的概念，開展對車輛冷卻系統(tǒng)的性能進行摸底測試；德國MTU公司以及德國萊茵重金屬公司利用該公司的動力總成加載試驗平臺開展的基于動力傳動總成的熱管理相關(guān)測試，極大地推進了動力傳動總成一體化設(shè)計的進展.

車載道路試驗是車輛及發(fā)動機、傳動總成運行工況的最真實反映，但可測量的數(shù)據(jù)有限；模擬試驗對試驗條件的調(diào)整靈活，測試信息豐富，但不能真實反映發(fā)動機、傳動總成及車輛實際運行的發(fā)熱規(guī)律；發(fā)動機臺架試驗可真實再現(xiàn)發(fā)動機運行工況，且測試信息豐富，但對車輛運行環(huán)境的再現(xiàn)能力有限；小型風(fēng)洞試驗適用于開展冷卻模塊的性能研究，調(diào)節(jié)靈活，測試信息豐富，但其脫離發(fā)動機、傳動總成與車輛，難以再現(xiàn)其實際運行規(guī)律[2].

綜上所述，對裝甲車輛冷卻系統(tǒng)的研究需要尋找發(fā)動機、傳動總成、環(huán)境溫度、使用工況等多參數(shù)間的內(nèi)在聯(lián)系，亟需建立動力傳動總成的熱平衡試驗臺架.

1 試驗臺架構(gòu)成

動力傳動總成熱平衡試驗臺架由動力傳動總成加載及測功系統(tǒng)、冷卻風(fēng)量測量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和外圍保障系統(tǒng)等構(gòu)成，見圖1.

圖1 試驗臺架結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 加載及測功系統(tǒng)

加載及測功系統(tǒng)作為動力傳動總成的功率負載和測量設(shè)備，由測功機、增速箱、扭矩法蘭等組成,如圖2所示.根據(jù)傳動總成輸出的低轉(zhuǎn)速、大扭矩的特性，匹配交流電機通過增速箱增大輸出轉(zhuǎn)速，來實現(xiàn)降低輸出扭矩，以此滿足功能需求.在動力在環(huán)的情況下，增速箱可根據(jù)發(fā)動機外特性參數(shù)和傳動箱擋位參數(shù)進行匹配調(diào)節(jié)，以此覆蓋動力傳動總成的各個工況點.

圖2 加載及測功系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 冷卻風(fēng)量測量系統(tǒng)

冷卻風(fēng)量測量系統(tǒng)通過模擬動力艙的熱排風(fēng)使冷卻空氣溫度達到高溫環(huán)境試驗要求，通過模擬樣車在不同工況下的大氣壓力和溫度，得到冷卻系統(tǒng)特定工況下所需的冷卻空氣、以及冷卻空氣流量、壓力、溫度等參數(shù).

冷卻風(fēng)量測量系統(tǒng)由溫度和壓力測控模塊、流量測量模塊、測量風(fēng)道、平衡風(fēng)機、電動調(diào)節(jié)閥、被試件進出口接口等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖3.

圖3 冷卻風(fēng)量測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由集成化NI系統(tǒng)完成，主要是進行扭矩、功率、轉(zhuǎn)速、流量、溫度、壓力等參數(shù)的測試采集、存儲、分類、顯示等.

通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)試驗臺架各個組成部分(如加載及測功系統(tǒng)、冷卻風(fēng)量測量系統(tǒng)、動力傳動總成等)的控制和數(shù)據(jù)之間的交互，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)試驗臺架各個組成部分之間的互聯(lián)、協(xié)調(diào)控制及實時同步.

根據(jù)試驗?zāi)康暮蛙囕v結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要設(shè)備及傳感器規(guī)格參數(shù)見表1.

表1 主要設(shè)備及傳感器規(guī)格參數(shù)

1.4 外圍保障系統(tǒng)

外圍保障系統(tǒng)包括加熱模塊、制冷模塊、燃油供給模塊、循環(huán)水模塊；制冷模塊和加熱模塊與動力艙總成中的發(fā)動機進氣端、冷卻風(fēng)量測量系統(tǒng)的風(fēng)道相連接，以保障發(fā)動機進氣氣源和動力艙總成中冷卻系統(tǒng)風(fēng)側(cè)空氣的溫度、壓力恒定不變；燃油供給模塊與發(fā)動機進出油管相連接，以保障發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)；循環(huán)水模塊與測功機冷卻水路相連，其目的是為測功機降溫，保障加載及測功系統(tǒng)的正常工作；在上述外圍保障系統(tǒng)作用下保障試驗臺架的正常運行.

2 試驗方法

裝甲車輛動力傳動總成熱平衡試驗，是以發(fā)動機外特性曲線以及傳動箱擋位特性為約束條件，利用加載及測功系統(tǒng)為動力傳動總成提供模擬載荷，外圍保障系統(tǒng)及冷卻風(fēng)量測量系統(tǒng)提供恒定均勻的環(huán)境溫度和分布均勻的氣流，使動力傳動總成能夠快速穩(wěn)定在測試工況.

2.1 模擬動力艙

結(jié)合裝甲車輛實際運行環(huán)境，對動力傳動總成熱平衡臺架試驗作出相應(yīng)規(guī)定：動力艙盡可能模擬動力傳動總成、動力傳動輔助系統(tǒng)在實際車標上輛的安裝狀態(tài)，熱源模擬方面盡量與實際車輛狀態(tài)下的發(fā)動機冷卻液冷卻量、傳動油冷卻量以及中冷器冷卻量等參數(shù)相同，通過以上措施以確保臺架與整車道路實際運行環(huán)境相同.

2.2 試驗工況

試驗工況是車輛在實際使用環(huán)境下的典型工況，其選擇是否合理將直接影響對冷卻系統(tǒng)散熱能力的評價.

動力傳動總成是發(fā)動機與傳動箱的集成，因而依據(jù)不同的傳動箱擋位，配合發(fā)動機的外特性曲線，均可得到一組該工況下的熱平衡點.從使用工況上看，發(fā)動機額定功率轉(zhuǎn)速工況、發(fā)動機最大扭矩轉(zhuǎn)速工況以及發(fā)動機常用轉(zhuǎn)速工況等工況必須通過熱平衡的測試，才能夠保證動力傳動總成在絕大多數(shù)的工況下均能正常工作.

在環(huán)境進氣溫度為40℃下，在發(fā)動機最大扭矩點轉(zhuǎn)速工況、額定功率轉(zhuǎn)速工況和常用轉(zhuǎn)速工況，測試模擬動力艙在傳動箱各個擋位下的熱負荷平衡能力.

2.3 評價指標

待載荷加載到預(yù)定載荷時，保持測功器加載扭矩，觀察發(fā)動機油水溫度、排煙溫度等參數(shù)，待發(fā)動機出水口溫度波動<0.5 ℃/5 min、進氣溫度誤差≤0.5 ℃時，判斷系統(tǒng)是否處于平衡狀態(tài).記錄此時的發(fā)動機轉(zhuǎn)速、傳動輸出扭矩、水溫、油溫、進氣系統(tǒng)參數(shù)、排氣系統(tǒng)參數(shù)以及風(fēng)量測量系統(tǒng)等參數(shù).

本研究選擇發(fā)動機出水溫度作為冷卻系統(tǒng)散熱能力的評價指標，溫度越低，車輛適應(yīng)高溫環(huán)境的能力越強.

3 試驗結(jié)果分析

以某裝甲車輛為例，模擬實際車輛動力艙布置，在平原環(huán)境溫度40℃下進行動力傳動總成熱平衡臺架試驗.該裝甲車輛冷卻系統(tǒng)采用混流式排風(fēng)扇進行強制冷卻，熱量經(jīng)由散熱器散到外界環(huán)境中.

3.1 熱平衡臺架試驗結(jié)果分析

圖4為冷卻空氣體積流量在動力傳動總成不同運行工況下的變化規(guī)律.由于該裝甲車輛冷卻風(fēng)扇采用耦合器機械傳動形式，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與發(fā)動機轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系，因此冷卻空氣體積流量與發(fā)動機轉(zhuǎn)速有關(guān)，隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高而增大；當發(fā)動機轉(zhuǎn)速不變、擋位不同時，冷卻空氣體積流量基本不變.

圖4 冷卻空氣體積流量的變化規(guī)律

圖5為發(fā)動機出水溫度和排氣百葉窗出氣溫度在動力傳動總成不同運行工況下的變化規(guī)律.動力傳動總成熱量主要由發(fā)動機生熱量、變速箱生熱量和液力變矩器生熱量三部分組成.在發(fā)動機轉(zhuǎn)速保持不變的條件下，變速器3擋時發(fā)動機出水溫度和排氣百葉窗出氣溫度明顯高于4擋、5擋.這主要由于變速器3擋時，液力變矩器為液力工況，液力變矩器生熱量較大；在變速器為4擋、5擋時，液力變矩器閉鎖后生熱量明顯減少.變速器3擋時，液力變矩器為液力工況，動力傳動總成生熱量較大，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速降低，冷卻空氣體積流量減小，發(fā)動機出水溫度升高；當發(fā)動機1 700 r/min全負荷工況時，發(fā)動機出水溫度已經(jīng)接近105 ℃報警溫度，因此應(yīng)盡量避免其在液力工況長時間全負荷運行.

圖5 發(fā)動機出水溫度、排氣百葉窗出氣溫度的變化規(guī)律

由圖5還可看出，相同擋位時，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高，冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速相應(yīng)提高，流經(jīng)冷卻系統(tǒng)的冷卻空氣體積流量增大，冷卻空氣帶走的熱量增多，發(fā)動機出水溫度隨之降低；發(fā)動機生熱量明顯增多，導(dǎo)致排氣百葉窗出氣溫度隨之升高.

3.2 熱平衡臺架試驗和道路試驗對比分析

針對目標車輛進行了熱平衡臺架試驗和道路試驗，利用發(fā)動機出水溫度作為評價指標對臺架試驗和道路試驗的試驗結(jié)果進行分析.圖6給出了熱平衡臺架試驗中發(fā)動機出水溫度在不同擋位、發(fā)動機額定功率轉(zhuǎn)速工況、發(fā)動機最大扭矩轉(zhuǎn)速工況以及發(fā)動機常用轉(zhuǎn)速工況等條件下的變化情況，及道路試驗中發(fā)動機實時出水溫度隨整車啟動、高速行駛、爬坡等工況的變化情況.

圖6 臺架試驗和道路試驗的對比分析

從試驗數(shù)據(jù)看，熱平衡臺架試驗測得的發(fā)動機出水溫度要大于道路試驗測得的發(fā)動機出水溫度.這主要由于以下原因：1)臺架試驗時環(huán)境溫度為40℃，接近車輛的極限使用環(huán)境溫度，高于道路測試時環(huán)境溫度，冷卻系統(tǒng)風(fēng)側(cè)空氣溫度偏高導(dǎo)致其帶走的熱量減少；2)臺架試驗時動力傳動總成處于最大負荷狀態(tài)，接近車輛的極限使用工況，而道路測試時動力傳動總成大部分工作在部分負荷狀態(tài)，也就是動力傳動總成在臺架試驗中的發(fā)熱量明顯高于道路試驗中的發(fā)熱量.

因此，動力傳動總成熱平衡臺架試驗與整車道路試驗相比，前者試驗條件、試驗工況更加嚴苛，選用熱平衡臺架試驗結(jié)果可使設(shè)計安全裕度趨于保守一些，且兩者數(shù)據(jù)的一致性驗證了臺架試驗的合理性與可行性.另外，臺架試驗在試驗實施時沒有空間和時間的限制，試驗周期短，有利于跟進產(chǎn)品的開發(fā)進度.

4 結(jié) 論

以某裝甲車輛動力傳動總成為例進行熱平衡臺架試驗，通過試驗得到以下結(jié)論：

1)該裝甲車輛冷卻風(fēng)扇采用耦合器機械傳動形式，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與發(fā)動機轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系，冷卻空氣體積流量隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高而增大，與變速箱擋位無關(guān)；

2)相同擋位時，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高，流經(jīng)冷卻系統(tǒng)的冷卻空氣體積流量增大，冷卻空氣帶走的熱量增多，發(fā)動機出水溫度隨之降低；

3)相同發(fā)動機轉(zhuǎn)速時，變速器3擋時，液力變矩器為液力工況，動力傳動總成生熱量較大，發(fā)動機出水溫度和排氣百葉窗出氣溫度明顯高于4擋、5擋，應(yīng)盡量避免車輛長時間在液力工況發(fā)動機低轉(zhuǎn)速全負荷運行；

4)動力傳動總成熱平衡臺架試驗與整車道路試驗相比，兩者數(shù)據(jù)的一致性驗證了動力傳動總成熱平衡臺架試驗的合理性與可行性；

5)動力傳動總成熱平衡臺架試驗與整車道路試驗相比，前者試驗條件、試驗工況更加嚴苛，選用熱平衡臺架試驗結(jié)果可使設(shè)計安全裕度趨于保守一些.

[1] 崔啟明，侯之超，王永飛，等.重型汽車整車熱平衡臺架試驗方法研究[J].汽車技術(shù)，2016，(3)：52-56

[2] 韓 松.車用發(fā)動機智能冷卻系統(tǒng)基礎(chǔ)問題研究[D].浙江大學(xué)博士學(xué)位論文，2012.

StudyonHeatBalanceBenchTestofMilitaryVehiclePowerTransmissionAssembly

CAO Yuan-fu, SHAO Chun-ming, LIU Jian-feng, ZHAO Chun-wei,SHI Jun, ZHOU Li, LI Xin, LI Rong-peng

(China North Vehicle Research Institute, Beijing 100072, China)

TJ81+0.6

A

1009-4687(2017)03-0054-05

2017-06-08.

曹元福(1985-)，男，副研究員，主要研究方向車輛熱管理.