客車(chē)液壓冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張芹，黃葉明

（1.安徽三聯(lián)學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.安徽安凱汽車(chē)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

客車(chē)液壓冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張芹1，黃葉明2

（1.安徽三聯(lián)學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.安徽安凱汽車(chē)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

本文根據(jù)液壓冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理、對(duì)比分析其較之傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)越性，闡述液壓冷卻系統(tǒng)在某款12米客車(chē)上的設(shè)計(jì)應(yīng)用.

客車(chē)底盤(pán)；發(fā)動(dòng)機(jī)后置；液壓冷卻系統(tǒng)；三維設(shè)計(jì)

1 前言

隨著燃油價(jià)格的飚升、客車(chē)安全問(wèn)題的廣泛關(guān)注,客車(chē)安全、低耗已成為用戶購(gòu)車(chē)的重要性能指標(biāo)之一.因此,在保證客車(chē)性能、客車(chē)安全的前提下,生產(chǎn)低投入底研發(fā)低能耗高性能的客車(chē)已成為客車(chē)企業(yè)開(kāi)發(fā)的重要任務(wù)之一，其中節(jié)能減排則是客車(chē)行業(yè)最為亟待解決的課題.

近年來(lái)，通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各系統(tǒng)的研究表明：優(yōu)越的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)整車(chē)壽命及發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響最大.發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體冷卻液的溫度過(guò)高或過(guò)低,都會(huì)惡化發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、降低整車(chē)的經(jīng)濟(jì)性.然而，我國(guó)客車(chē)的冷卻系統(tǒng)普遍采用散熱器中冷器串聯(lián)縱向或橫向布置，從發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸皮帶輪取力，驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇；該冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速只與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)，在無(wú)需散熱時(shí)，冷卻風(fēng)扇仍持續(xù)工作，消耗發(fā)動(dòng)機(jī)功率，降低整車(chē)的經(jīng)濟(jì)性.雖然有部分發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)采用電子風(fēng)扇、電磁離合器風(fēng)扇或硅油風(fēng)扇,可以使風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速隨發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度的變化而變化；但對(duì)于降低油耗仍沒(méi)有多大效果,且可靠性不高.下面就液壓冷卻系統(tǒng)在某款12米客車(chē)上的應(yīng)用設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的闡述.

2 液壓風(fēng)扇系統(tǒng)概述

2.1 工作原理

發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸皮帶輪驅(qū)動(dòng)液壓油泵,將油箱的液壓油經(jīng)油泵加壓后通過(guò)高壓油管流向液壓馬達(dá).液壓馬達(dá)內(nèi)置電磁閥控制旁通油路.供馬達(dá)轉(zhuǎn)子的油路又與旁通油路并聯(lián),所以液壓油經(jīng)旁通油路直接流向馬達(dá)回油口或驅(qū)動(dòng)馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn),然后經(jīng)低壓油管流向液壓油散熱器，液壓油經(jīng)低壓油管并經(jīng)回油濾清器過(guò)濾后流回油箱里.

2.2 系統(tǒng)組成

液壓風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)由液壓油泵、液壓馬達(dá)、油箱、液壓油散熱器、冷卻風(fēng)扇、高低壓油管、控制器、電磁閥、線束等組成.

2.3 工作過(guò)程

發(fā)動(dòng)機(jī)所需冷卻液的最佳工作溫度是85℃到95℃.因此，液壓風(fēng)扇控制系統(tǒng)的溫度傳感器溫度轉(zhuǎn)變點(diǎn)通常設(shè)在在86℃和94℃.

冷卻液溫度的變化導(dǎo)致溫度傳感器的電阻值以及電磁閥的電流隨之呈線性變化:當(dāng)冷卻液溫度升高時(shí)，電阻與電流隨之減??；當(dāng)冷卻液溫度降低時(shí)，電阻與電流也隨之增大.當(dāng)電磁閥的電流減小時(shí)，其電磁力也隨之減小,從而，導(dǎo)致電磁閥芯在回位彈簧的作用下向關(guān)閉方向移動(dòng),直到電磁力達(dá)到新的平衡,閥芯停止不動(dòng).這時(shí)液壓油流經(jīng)旁通油路的流量減小,流經(jīng)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)子的液壓油流量增加,風(fēng)扇轉(zhuǎn)速隨之增加,最終使冷卻液溫度降低;反之，則會(huì)使風(fēng)扇轉(zhuǎn)速降低,冷卻液溫度升高.這樣冷卻液溫度會(huì)始終被控制在86℃～94℃這一理想范圍內(nèi).

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝

3.1 方案選擇

某客車(chē)整車(chē)長(zhǎng)度12000mm，寬度2550mm，高度3950mm；采用全承載骨架結(jié)構(gòu)，保證大容量；最大總重量18000kg；采用國(guó)五排放的發(fā)動(dòng)機(jī)，降低了尾氣排放，起到了相應(yīng)的環(huán)保作用；最高車(chē)速100km/h.

由整車(chē)參數(shù)可以看出，此車(chē)采用了高排放的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī).排放標(biāo)準(zhǔn)越高，要求發(fā)動(dòng)機(jī)采用的技術(shù)越高，對(duì)應(yīng)要求冷卻系統(tǒng)的能力越高，加上氣體機(jī)相對(duì)于柴油機(jī)本身輻射熱量就很高，整車(chē)又采用的液力緩速器，高于緩速器正常工作的油溫?zé)崃恳残枰衫鋮s系統(tǒng)帶走，因此整車(chē)對(duì)冷卻系統(tǒng)的要求非常高.普通的冷卻系統(tǒng)難以滿足整車(chē)實(shí)驗(yàn)要求，因此我們選擇最為先進(jìn)的液壓冷卻系統(tǒng).液壓冷卻系統(tǒng)能夠使風(fēng)扇在最低轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速之間無(wú)級(jí)調(diào)速，保證在發(fā)動(dòng)機(jī)最低轉(zhuǎn)速且需要降低冷卻液溫度時(shí)，提供更高的風(fēng)扇功率.這樣,可以把發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度始終控制在理想的范圍內(nèi)，發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)最大的經(jīng)濟(jì)性，降低油耗.

3.2 布置方案設(shè)計(jì)

液壓風(fēng)扇系統(tǒng)的設(shè)計(jì)安裝問(wèn)題主要為油泵、散熱器的設(shè)計(jì)安裝，而散熱器的布置位置與發(fā)動(dòng)機(jī)位置無(wú)關(guān)，所以我們主要考慮的問(wèn)題應(yīng)該是油泵安裝問(wèn)題.油泵安裝方式主要有三種形式，一種是皮帶驅(qū)動(dòng)（由曲軸皮帶輪驅(qū)動(dòng)）；一種空壓機(jī)尾部通軸驅(qū)動(dòng)，一種是REPTO驅(qū)動(dòng)（飛輪側(cè)）.為了方便整車(chē)布置，降低生產(chǎn)成本，我們采用曲軸皮帶輪驅(qū)動(dòng)形式，該種驅(qū)動(dòng)形式只需要在原有發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)液壓泵及其附件的安裝支架，使其與發(fā)動(dòng)機(jī)保持共有頻率.具體設(shè)計(jì)方案如下：

3.2.1 選擇安裝位置

該客車(chē)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)在汽車(chē)中心線基礎(chǔ)上右偏20mm，由此可以看出發(fā)動(dòng)機(jī)左側(cè)空間相對(duì)右側(cè)較大，加之，6L系列發(fā)動(dòng)機(jī)左側(cè)預(yù)留有安裝螺紋孔，可以用于安裝液壓泵支架，因此選擇在發(fā)動(dòng)機(jī)的左側(cè)安裝液壓泵.

3.2.2 繪制并組裝液壓泵

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓泵以及液壓冷卻系統(tǒng)附件的三維圖紙，繪制液壓泵支架；并將支架、液壓泵及附件先后安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上.

3.2.3 完善液壓管路系統(tǒng)

根據(jù)液壓冷卻系統(tǒng)原理圖，將風(fēng)扇以及管路布置在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi).

3.2.4 動(dòng)態(tài)仿真

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理以及整車(chē)實(shí)際運(yùn)行的狀態(tài)，分別設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài).觀察液壓冷卻系統(tǒng)的工作情況是否正常，并滿足整車(chē)的實(shí)際要求.

通過(guò)以上理論設(shè)計(jì)，我們確認(rèn)了該設(shè)計(jì)方案可行，隨后進(jìn)行整車(chē)設(shè)計(jì)生產(chǎn).

表1 整車(chē)參數(shù)見(jiàn)

圖1 液壓風(fēng)扇系統(tǒng)裝配圖

4 實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證

為了驗(yàn)證液壓冷卻系統(tǒng)的性能是否滿足整車(chē)實(shí)驗(yàn)要求，我們針對(duì)該車(chē)進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)、自動(dòng)變速箱熱平衡實(shí)驗(yàn)測(cè)試,并與之前傳統(tǒng)冷卻系客車(chē)進(jìn)行了對(duì)比.

4.1 發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡實(shí)驗(yàn)

通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)廠家熱平衡實(shí)驗(yàn)測(cè)試可以看出，傳統(tǒng)車(chē)?yán)鋮s風(fēng)扇轉(zhuǎn)速只與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系.當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于低轉(zhuǎn)速大扭矩高負(fù)荷時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱能力就不能滿足整車(chē)要求，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)水溫過(guò)高，影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能.而液壓冷卻風(fēng)扇在低轉(zhuǎn)速大扭矩高負(fù)荷等工況時(shí)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不僅和轉(zhuǎn)速有關(guān)，而且會(huì)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的水溫做無(wú)極調(diào)速，溫度過(guò)高時(shí)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速急劇增加，保證了發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度處于理想范圍內(nèi).

4.2 自動(dòng)變速箱熱平衡實(shí)驗(yàn)

通過(guò)自動(dòng)變速箱熱平衡實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，傳統(tǒng)車(chē)在車(chē)輛減速時(shí)，緩速器開(kāi)始工作消耗發(fā)動(dòng)機(jī)功率，產(chǎn)生熱量，促使發(fā)動(dòng)機(jī)溫度隨之快速升高，并超過(guò)了發(fā)動(dòng)機(jī)最佳溫度范圍，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的整車(chē)工作，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命.反之，液壓冷卻系統(tǒng)在車(chē)輛減速緩速器開(kāi)始工作而水溫未上升前，風(fēng)扇即開(kāi)始以最大轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，直到溫度降低至發(fā)動(dòng)機(jī)最佳工作狀態(tài)，液壓冷卻系統(tǒng)降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速直穩(wěn)定狀態(tài)；而且，在車(chē)輛滑行或減速制動(dòng)過(guò)程中，液壓風(fēng)扇利用車(chē)輛自身的動(dòng)能進(jìn)行預(yù)冷卻，節(jié)省功率降低了油耗.

圖2 自動(dòng)變速箱熱平衡實(shí)驗(yàn)對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)液壓冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總結(jié)，為了更好的發(fā)揮液壓冷卻系統(tǒng)的性能，在車(chē)輛后期使用過(guò)程中還需要檢查并避免以下二點(diǎn)問(wèn)題：

第一，風(fēng)扇始終以最大轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn):如果發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度低于正常溫度，而風(fēng)扇卻始終以最大轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn),這時(shí)一般是電路故障問(wèn)題,需要檢查電路中的保險(xiǎn)絲是否熔斷、溫度傳感器是否斷路、插接件是否松動(dòng)等.

第二，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速偏低:將溫度傳感器拔下后,風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不受冷卻液溫度控制，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速應(yīng)不小于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速.如果低于小于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,應(yīng)檢查液壓油泵驅(qū)動(dòng)皮帶是否松動(dòng)、回油濾芯是否由于太臟而被堵塞,液壓油是否變質(zhì)、油面是否太低.液壓冷卻系統(tǒng)正常運(yùn)作時(shí)，整車(chē)運(yùn)行10萬(wàn)km后，必須更換濾清器濾芯;整車(chē)運(yùn)行20萬(wàn)km或兩年，需要更換液壓油,否則容易導(dǎo)致系統(tǒng)故障.

目前.液壓冷卻系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)客車(chē)上還沒(méi)有普及應(yīng)用，只是高檔豪華車(chē)及特殊功能客車(chē)上采用該系統(tǒng).液壓冷卻系統(tǒng)在冷卻能力、降低油耗、提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命等方面較現(xiàn)有電子風(fēng)扇、電磁離合器風(fēng)扇有了較大的提高，隨之節(jié)能減排、安全舒適性、可靠性被人們的重視提高，該系統(tǒng)在今后的客車(chē)產(chǎn)品中將得到更廣泛的應(yīng)用.

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