客车冷却风扇液压系统设计

冯水安

(厦门金龙旅行车有限公司， 福建 厦门 361000)

后置客车冷却系统的风扇传动，目前采用较多的是机械式皮带传动系统及电子风扇系统。机械式皮带传动结构简单、成本低，但由于其结构和传动形式的限制而存在许多不理想之处，很难使发动机在不同的工作状态和不同的环境下得到最佳冷却效果。近年来，随着发动机排放升级及对整车油耗要求越来越高，较多客车冷却系统采用电子风扇系统，但是由于大功率发动机散热需求极大，电子风扇数量需达到 7～8个，耗电量极大且布置空间极大，受限于整车空间限制较难布置。而采用液压传动形式，其可靠性和节能性都较好[1]。本文主要介绍某12 m城际客车风扇定量泵液压传动系统的主要参数及主要部件的匹配设计。

1 系统工作原理及主要参数确定

风扇液压传动系统组成部件有液压泵、液压马达、油冷器、油管、接头及油箱等，液压泵与液压马达为最主要工作部件，液压泵与液压马达的匹配尤其关键。液压泵安装在发动机的PTO连接口，由发动机带动；散热器风扇安装在液压马达的输出轴上，马达由液压泵驱动进而带动风扇转动，从而对整个冷却系统散热总成进行散热。RC控制器通过接收发动机进气温度及发动机出水温度报文信号，控制液压马达中的比例阀，从而最终控制马达转速。定量泵液压系统示意图如图1所示[1-3]。

图1 定量泵液压系统示意图

从图1可以看出，液压泵输出与发动机的转速及PTO速比相关；液压马达输出转速即为风扇的运行转速，因此系统的主要参数有风扇转速和发动机转速、PTO传动比、系统最大工作压力等。

系统最大工作压力是指风扇转速最高时系统的压力，确定时应考虑液压泵、液压马达及液压管路的承受能力，并考虑一定的安全系数，一般不大于25 MPa为宜[1]。

本车型采用依维柯发动机，根据发动机散热量及现有车型空间布置，风量需要达到7.2 m3/h才能满足需求，因此选用霍顿762 mm风扇叶，转速为1 800 r/min。结合发动机厂家提供的外特性参数及风扇厂家提供的风量性能曲线，该液压系统的主要参数如下：发动机怠速为(500±50) r/min；发动机额定转速为2 200 r/min；发动机PTO接口速比为1.72；风扇最高转速n为1 800 r/min，此时风扇消耗功率P为13.8 kW。

2 系统主要部件匹配及程序刷定

2.1 液压马达匹配设计

风扇液压系统由马达直接驱动风扇，风扇的运行扭矩即为马达的输出扭矩。相关参数计算如下：

(1)

(2)

(3)

式中：T为马达输出扭矩；V为马达排量；Q为马达流量；P为风扇最高转速时消耗功率，数值为13.8 kW；n为风扇最高转速，本文为1 800 r/min；ΔP为系统预定工作压力，本文初取23 MPa，一般不高于25 MPa；ηh为马达机械效率，齿轮马达一般取0.9；ηv为马达容积效率，齿轮马达一般取0.92；Vg为马达最终实际选用的排量。

将相关数据带入式(1)和式(2)，计算得到马达排量V为22.24 cm3/r。根据博世力士乐液压产品选型手册，选择实际采用的马达实际排量Vg为22.5 cm3/r。

将相关数据带入式(3)，计算得到马达流量Q为44.02 L/min。

将实际选用的马达排量22.5 cm3/r带入式(2)，可得马达实际工作压力ΔPg为22.7 MPa。

2.2 液压泵匹配设计

管路压力损失按经验值0.5 MPa核算，因此液压泵工作压力为23.2 MPa。液压泵选型最关键的参数为泵的排量Vp：

Vp=100·Q/(n·i·ηvp)

(4)

式中:n为风扇达到最高转速时所需发动机的最小转速，由于发动机最大扭矩值时转速为1 400～1 600 r/min，风扇实际达到最高转速时经常在发动机最大扭矩工况下，因此取值为1 600 r/min；i为发动机PTO接口传动比，根据发动机提供取值为1.72；ηvp为液压泵的容积效率，取值0.96；Q为2.1节中计算值44.02 L/min。

将相关数据带入式(4)，计算得到液压泵排量Vp为17.04 cm3/r。根据博世力士乐液压产品选型手册，选择实际采用的液压泵排量Vh为19 cm3/r。

2.3 风扇达最高转速时发动机最小转速核算

根据式(4)及最终选定的液压泵实际排量可以核算在风扇达到最高转速时发动机所需最小转速n:

n=100·Q/(Vh·i·ηv)

(5)

式中:Q为2.1节中计算值44.02 L/min，该流量为风扇最高转速下状态；Vh为实际选用的液压泵排量，数值为19 cm3/r。

将相关数据带入式(5)，计算出风扇达到最大转速，此时发动机所需转速为1 435 r/min；符合发动机最大扭矩工况转速范围，能够较好满足车辆爬坡工况下最大扭矩时的需求。

2.4 系统程序刷定

发动机按照标准SAE J1939输出中冷温度与水温报文信号，RC控制器通过接收发动机中冷温度及水温报文信号，主要是确定风扇开始运转的起始温度和风扇全速运转时的温度。起始温度一般比节温器全开温度低3～5 ℃，因为在节温器全开之前，只有部分冷却水通过散热器，此时风扇可以不用运转；若节温器全开后风扇仍不运转，水温会迅速升高，不利于发动机正常工作[4-5]。

结合发动机厂家提供的节温器信息，风扇液压系统程序设定如下：风扇起始运行时发动机出水温度88 ℃；风扇全速运行时发动机出水温度95 ℃；风扇起始运行时发动机进气温度50 ℃；风扇全速运行时发动机进气温度60 ℃；发动机出水温度报文信号为16#18FEEE00；发动机进气温度报文信号为16#18FEF600[6-7]。

3 系统调试

通过对发动机转速、风扇转速、马达进口压力、马达出口压力、泵吸油压力进行测试，评估现有匹配的液压系统在发动机最大转速下风扇所能达到的最高转速，从而评估是否满足发动机散热需求。

从测试曲线(图2)可以看出，风扇在现有液压泵及液压马达驱动下最高转速可以达到1 780 r/min，基本符合初始设计要求达到的1 800 r/min，该系统匹配符合要求[8-10]。

图2 系统风扇转速测试曲线

4 结束语

风扇液压系统相比其他形式稳定性更好，采用风扇液压传动是大马力发动机发展趋势之一。整套液压系统的有效工作，很大程度上取决于液压泵与液压马达的选型，因此液压泵与液压马达的匹配至关重要。