装甲车辆动力传动总成热平衡台架试验研究

2017-10-13曹元福邵春鸣刘建峰赵春伟李荣鹏

车辆与动力技术 2017年3期

关键词：冷却空气液力台架

曹元福，邵春鸣，刘建峰，赵春伟，石军，周丽，李欣，李荣鹏

(中国北方车辆研究所，北京 100072)

装甲车辆动力传动总成热平衡台架试验研究

曹元福，邵春鸣，刘建峰，赵春伟，石军，周丽，李欣，李荣鹏

(中国北方车辆研究所，北京 100072)

以某装甲车辆为例，进行了动力传动总成热平衡台架试验,结果表明：相同挡位时，随着发动机转速的提高，发动机出水温度随之降低；变速器3挡时，液力变矩器为液力工况，动力传动总成生热量较大，发动机出水温度和排气百叶窗出气温度明显高于4挡、5挡.台架试验与整车道路试验相比，前者试验条件、试验工况更加严苛，但是两者数据的一致性证明台架试验方案合理可行.

装甲车辆；动力传动总成；热平衡；台架试验

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

车辆热管理系统的试验研究主要包括零部件及冷却模块性能试验研究、冷却系统的发动机台架试验研究、整车风洞试验研究和车载试验研究,等等.

国内方面，清华大学张扬军教授、浙江大学俞小莉教授团队近年来在车辆及发动机热管理系统试验技术方面做了大量工作并取得了丰硕成果，涉及发动机台架试验研究、整车风洞试验研究和车载试验研究[1].

国外方面，由Clemson大学Wagner教授团队建立的发动机智能冷却系统试验台是较完善的试验系统代表；美国泰莱达因公司采用了冷模型及热模型的概念，开展对车辆冷却系统的性能进行摸底测试；德国MTU公司以及德国莱茵重金属公司利用该公司的动力总成加载试验平台开展的基于动力传动总成的热管理相关测试，极大地推进了动力传动总成一体化设计的进展.

车载道路试验是车辆及发动机、传动总成运行工况的最真实反映，但可测量的数据有限；模拟试验对试验条件的调整灵活，测试信息丰富，但不能真实反映发动机、传动总成及车辆实际运行的发热规律；发动机台架试验可真实再现发动机运行工况，且测试信息丰富，但对车辆运行环境的再现能力有限；小型风洞试验适用于开展冷却模块的性能研究，调节灵活，测试信息丰富，但其脱离发动机、传动总成与车辆，难以再现其实际运行规律[2].

综上所述，对装甲车辆冷却系统的研究需要寻找发动机、传动总成、环境温度、使用工况等多参数间的内在联系，亟需建立动力传动总成的热平衡试验台架.

1 试验台架构成

动力传动总成热平衡试验台架由动力传动总成加载及测功系统、冷却风量测量系统、数据采集系统、控制系统和外围保障系统等构成，见图1.

图1 试验台架结构示意图

1.1 加载及测功系统

加载及测功系统作为动力传动总成的功率负载和测量设备，由测功机、增速箱、扭矩法兰等组成,如图2所示.根据传动总成输出的低转速、大扭矩的特性，匹配交流电机通过增速箱增大输出转速，来实现降低输出扭矩，以此满足功能需求.在动力在环的情况下，增速箱可根据发动机外特性参数和传动箱挡位参数进行匹配调节，以此覆盖动力传动总成的各个工况点.

图2 加载及测功系统结构示意图

1.2 冷却风量测量系统

冷却风量测量系统通过模拟动力舱的热排风使冷却空气温度达到高温环境试验要求，通过模拟样车在不同工况下的大气压力和温度，得到冷却系统特定工况下所需的冷却空气、以及冷却空气流量、压力、温度等参数.

冷却风量测量系统由温度和压力测控模块、流量测量模块、测量风道、平衡风机、电动调节阀、被试件进出口接口等组成，其结构示意图见图3.

图3 冷却风量测量系统结构图

1.3 数据采集系统

数据采集系统由集成化NI系统完成，主要是进行扭矩、功率、转速、流量、温度、压力等参数的测试采集、存储、分类、显示等.

通过数据采集系统实现试验台架各个组成部分(如加载及测功系统、冷却风量测量系统、动力传动总成等)的控制和数据之间的交互，通过数据采集系统实现试验台架各个组成部分之间的互联、协调控制及实时同步.

根据试验目的和车辆结构，数据采集系统的主要设备及传感器规格参数见表1.

表1 主要设备及传感器规格参数

1.4 外围保障系统

外围保障系统包括加热模块、制冷模块、燃油供给模块、循环水模块；制冷模块和加热模块与动力舱总成中的发动机进气端、冷却风量测量系统的风道相连接，以保障发动机进气气源和动力舱总成中冷却系统风侧空气的温度、压力恒定不变；燃油供给模块与发动机进出油管相连接，以保障发动机正常运转；循环水模块与测功机冷却水路相连，其目的是为测功机降温，保障加载及测功系统的正常工作；在上述外围保障系统作用下保障试验台架的正常运行.

2 试验方法

装甲车辆动力传动总成热平衡试验，是以发动机外特性曲线以及传动箱挡位特性为约束条件，利用加载及测功系统为动力传动总成提供模拟载荷，外围保障系统及冷却风量测量系统提供恒定均匀的环境温度和分布均匀的气流，使动力传动总成能够快速稳定在测试工况.

2.1 模拟动力舱

结合装甲车辆实际运行环境，对动力传动总成热平衡台架试验作出相应规定：动力舱尽可能模拟动力传动总成、动力传动辅助系统在实际车标上辆的安装状态，热源模拟方面尽量与实际车辆状态下的发动机冷却液冷却量、传动油冷却量以及中冷器冷却量等参数相同，通过以上措施以确保台架与整车道路实际运行环境相同.

2.2 试验工况

试验工况是车辆在实际使用环境下的典型工况，其选择是否合理将直接影响对冷却系统散热能力的评价.

动力传动总成是发动机与传动箱的集成，因而依据不同的传动箱挡位，配合发动机的外特性曲线，均可得到一组该工况下的热平衡点.从使用工况上看，发动机额定功率转速工况、发动机最大扭矩转速工况以及发动机常用转速工况等工况必须通过热平衡的测试，才能够保证动力传动总成在绝大多数的工况下均能正常工作.

在环境进气温度为40℃下，在发动机最大扭矩点转速工况、额定功率转速工况和常用转速工况，测试模拟动力舱在传动箱各个挡位下的热负荷平衡能力.

2.3 评价指标

待载荷加载到预定载荷时，保持测功器加载扭矩，观察发动机油水温度、排烟温度等参数，待发动机出水口温度波动<0.5 ℃/5 min、进气温度误差≤0.5 ℃时，判断系统是否处于平衡状态.记录此时的发动机转速、传动输出扭矩、水温、油温、进气系统参数、排气系统参数以及风量测量系统等参数.

本研究选择发动机出水温度作为冷却系统散热能力的评价指标，温度越低，车辆适应高温环境的能力越强.

3 试验结果分析

以某装甲车辆为例，模拟实际车辆动力舱布置，在平原环境温度40℃下进行动力传动总成热平衡台架试验.该装甲车辆冷却系统采用混流式排风扇进行强制冷却，热量经由散热器散到外界环境中.

3.1 热平衡台架试验结果分析

图4为冷却空气体积流量在动力传动总成不同运行工况下的变化规律.由于该装甲车辆冷却风扇采用耦合器机械传动形式，风扇转速与发动机转速成线性关系，因此冷却空气体积流量与发动机转速有关，随发动机转速的提高而增大；当发动机转速不变、挡位不同时，冷却空气体积流量基本不变.

图4 冷却空气体积流量的变化规律

图5为发动机出水温度和排气百叶窗出气温度在动力传动总成不同运行工况下的变化规律.动力传动总成热量主要由发动机生热量、变速箱生热量和液力变矩器生热量三部分组成.在发动机转速保持不变的条件下，变速器3挡时发动机出水温度和排气百叶窗出气温度明显高于4挡、5挡.这主要由于变速器3挡时，液力变矩器为液力工况，液力变矩器生热量较大；在变速器为4挡、5挡时，液力变矩器闭锁后生热量明显减少.变速器3挡时，液力变矩器为液力工况，动力传动总成生热量较大，随着发动机转速降低，冷却空气体积流量减小，发动机出水温度升高；当发动机1 700 r/min全负荷工况时，发动机出水温度已经接近105 ℃报警温度，因此应尽量避免其在液力工况长时间全负荷运行.

图5 发动机出水温度、排气百叶窗出气温度的变化规律

由图5还可看出，相同挡位时，随着发动机转速的提高，冷却风扇转速相应提高，流经冷却系统的冷却空气体积流量增大，冷却空气带走的热量增多，发动机出水温度随之降低；发动机生热量明显增多，导致排气百叶窗出气温度随之升高.

3.2 热平衡台架试验和道路试验对比分析

针对目标车辆进行了热平衡台架试验和道路试验，利用发动机出水温度作为评价指标对台架试验和道路试验的试验结果进行分析.图6给出了热平衡台架试验中发动机出水温度在不同挡位、发动机额定功率转速工况、发动机最大扭矩转速工况以及发动机常用转速工况等条件下的变化情况，及道路试验中发动机实时出水温度随整车启动、高速行驶、爬坡等工况的变化情况.

图6 台架试验和道路试验的对比分析

从试验数据看，热平衡台架试验测得的发动机出水温度要大于道路试验测得的发动机出水温度.这主要由于以下原因：1)台架试验时环境温度为40℃，接近车辆的极限使用环境温度，高于道路测试时环境温度，冷却系统风侧空气温度偏高导致其带走的热量减少；2)台架试验时动力传动总成处于最大负荷状态，接近车辆的极限使用工况，而道路测试时动力传动总成大部分工作在部分负荷状态，也就是动力传动总成在台架试验中的发热量明显高于道路试验中的发热量.

因此，动力传动总成热平衡台架试验与整车道路试验相比，前者试验条件、试验工况更加严苛，选用热平衡台架试验结果可使设计安全裕度趋于保守一些，且两者数据的一致性验证了台架试验的合理性与可行性.另外，台架试验在试验实施时没有空间和时间的限制，试验周期短，有利于跟进产品的开发进度.