客車液壓冷卻系統的設計與應用

張芹，黃葉明

（1.安徽三聯學院，安徽 合肥 230601；2.安徽安凱汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

客車液壓冷卻系統的設計與應用

張芹1，黃葉明2

（1.安徽三聯學院，安徽 合肥 230601；2.安徽安凱汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

本文根據液壓冷卻系統的結構及工作原理、對比分析其較之傳統冷卻系統的優越性，闡述液壓冷卻系統在某款12米客車上的設計應用.

客車底盤；發動機后置；液壓冷卻系統；三維設計

1 前言

隨著燃油價格的飚升、客車安全問題的廣泛關注,客車安全、低耗已成為用戶購車的重要性能指標之一.因此,在保證客車性能、客車安全的前提下,生產低投入底研發低能耗高性能的客車已成為客車企業開發的重要任務之一，其中節能減排則是客車行業最為亟待解決的課題.

近年來，通過對發動機各系統的研究表明：優越的冷卻系統設計對整車壽命及發動機性能影響最大.發動機機體冷卻液的溫度過高或過低,都會惡化發動機的動力性、降低整車的經濟性.然而，我國客車的冷卻系統普遍采用散熱器中冷器串聯縱向或橫向布置，從發動機曲軸皮帶輪取力，驅動風扇；該冷卻風扇的轉速只與發動機轉速有關，在無需散熱時，冷卻風扇仍持續工作，消耗發動機功率，降低整車的經濟性.雖然有部分發動機冷卻系統采用電子風扇、電磁離合器風扇或硅油風扇,可以使風扇的轉速隨發動機冷卻液溫度的變化而變化；但對于降低油耗仍沒有多大效果,且可靠性不高.下面就液壓冷卻系統在某款12米客車上的應用設計進行詳細的闡述.

2 液壓風扇系統概述

2.1 工作原理

發動機曲軸皮帶輪驅動液壓油泵,將油箱的液壓油經油泵加壓后通過高壓油管流向液壓馬達.液壓馬達內置電磁閥控制旁通油路.供馬達轉子的油路又與旁通油路并聯,所以液壓油經旁通油路直接流向馬達回油口或驅動馬達運轉,然后經低壓油管流向液壓油散熱器，液壓油經低壓油管并經回油濾清器過濾后流回油箱里.

2.2 系統組成

液壓風扇冷卻系統由液壓油泵、液壓馬達、油箱、液壓油散熱器、冷卻風扇、高低壓油管、控制器、電磁閥、線束等組成.

2.3 工作過程

發動機所需冷卻液的最佳工作溫度是85℃到95℃.因此，液壓風扇控制系統的溫度傳感器溫度轉變點通常設在在86℃和94℃.

冷卻液溫度的變化導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:當冷卻液溫度升高時，電阻與電流隨之減小；當冷卻液溫度降低時，電阻與電流也隨之增大.當電磁閥的電流減小時，其電磁力也隨之減小,從而，導致電磁閥芯在回位彈簧的作用下向關閉方向移動,直到電磁力達到新的平衡,閥芯停止不動.這時液壓油流經旁通油路的流量減小,流經液壓馬達轉子的液壓油流量增加,風扇轉速隨之增加,最終使冷卻液溫度降低;反之，則會使風扇轉速降低,冷卻液溫度升高.這樣冷卻液溫度會始終被控制在86℃～94℃這一理想范圍內.

3 系統設計安裝

3.1 方案選擇

某客車整車長度12000mm，寬度2550mm，高度3950mm；采用全承載骨架結構，保證大容量；最大總重量18000kg；采用國五排放的發動機，降低了尾氣排放，起到了相應的環保作用；最高車速100km/h.

由整車參數可以看出，此車采用了高排放的燃氣發動機.排放標準越高，要求發動機采用的技術越高，對應要求冷卻系統的能力越高，加上氣體機相對于柴油機本身輻射熱量就很高，整車又采用的液力緩速器，高于緩速器正常工作的油溫熱量也需要由冷卻系統帶走，因此整車對冷卻系統的要求非常高.普通的冷卻系統難以滿足整車實驗要求，因此我們選擇最為先進的液壓冷卻系統.液壓冷卻系統能夠使風扇在最低轉速和最高轉速之間無級調速，保證在發動機最低轉速且需要降低冷卻液溫度時，提供更高的風扇功率.這樣,可以把發動機冷卻液溫度始終控制在理想的范圍內，發揮發動機最大的經濟性，降低油耗.

3.2 布置方案設計

液壓風扇系統的設計安裝問題主要為油泵、散熱器的設計安裝，而散熱器的布置位置與發動機位置無關，所以我們主要考慮的問題應該是油泵安裝問題.油泵安裝方式主要有三種形式，一種是皮帶驅動（由曲軸皮帶輪驅動）；一種空壓機尾部通軸驅動，一種是REPTO驅動（飛輪側）.為了方便整車布置，降低生產成本，我們采用曲軸皮帶輪驅動形式，該種驅動形式只需要在原有發動機基礎上設計液壓泵及其附件的安裝支架，使其與發動機保持共有頻率.具體設計方案如下：

3.2.1 選擇安裝位置

該客車的動力傳動系統在汽車中心線基礎上右偏20mm，由此可以看出發動機左側空間相對右側較大，加之，6L系列發動機左側預留有安裝螺紋孔，可以用于安裝液壓泵支架，因此選擇在發動機的左側安裝液壓泵.

3.2.2 繪制并組裝液壓泵

根據發動機、液壓泵以及液壓冷卻系統附件的三維圖紙，繪制液壓泵支架；并將支架、液壓泵及附件先后安裝在發動機上.

3.2.3 完善液壓管路系統

根據液壓冷卻系統原理圖，將風扇以及管路布置在發動機艙內.

3.2.4 動態仿真

根據發動機的工作原理以及整車實際運行的狀態，分別設計發動機的運轉狀態.觀察液壓冷卻系統的工作情況是否正常，并滿足整車的實際要求.

通過以上理論設計，我們確認了該設計方案可行，隨后進行整車設計生產.

表1 整車參數見

圖1 液壓風扇系統裝配圖

4 實驗對比驗證

為了驗證液壓冷卻系統的性能是否滿足整車實驗要求，我們針對該車進行了發動機、自動變速箱熱平衡實驗測試,并與之前傳統冷卻系客車進行了對比.

4.1 發動機熱平衡實驗

通過發動機廠家熱平衡實驗測試可以看出，傳統車冷卻風扇轉速只與發動機轉速成正比關系.當發動機處于低轉速大扭矩高負荷時，發動機的散熱能力就不能滿足整車要求，導致發動機水溫過高，影響發動機性能.而液壓冷卻風扇在低轉速大扭矩高負荷等工況時，風扇轉速不僅和轉速有關，而且會根據發動機的水溫做無極調速，溫度過高時，風扇轉速急劇增加，保證了發動機冷卻液溫度處于理想范圍內.

4.2 自動變速箱熱平衡實驗

通過自動變速箱熱平衡實驗測試數據可以看出，傳統車在車輛減速時，緩速器開始工作消耗發動機功率，產生熱量，促使發動機溫度隨之快速升高，并超過了發動機最佳溫度范圍，影響發動機的整車工作，降低發動機的使用壽命.反之，液壓冷卻系統在車輛減速緩速器開始工作而水溫未上升前，風扇即開始以最大轉速運轉，直到溫度降低至發動機最佳工作狀態，液壓冷卻系統降低風扇轉速直穩定狀態；而且，在車輛滑行或減速制動過程中，液壓風扇利用車輛自身的動能進行預冷卻，節省功率降低了油耗.

圖2 自動變速箱熱平衡實驗對比

5 結束語

通過對液壓冷卻系統設計的總結，為了更好的發揮液壓冷卻系統的性能，在車輛后期使用過程中還需要檢查并避免以下二點問題：

第一，風扇始終以最大轉速運轉:如果發動機冷卻液溫度低于正常溫度，而風扇卻始終以最大轉速運轉,這時一般是電路故障問題,需要檢查電路中的保險絲是否熔斷、溫度傳感器是否斷路、插接件是否松動等.

第二，風扇轉速偏低:將溫度傳感器拔下后,風扇轉速不受冷卻液溫度控制，風扇轉速應不小于發動機轉速.如果低于小于發動機轉速,應檢查液壓油泵驅動皮帶是否松動、回油濾芯是否由于太臟而被堵塞,液壓油是否變質、油面是否太低.液壓冷卻系統正常運作時，整車運行10萬km后，必須更換濾清器濾芯;整車運行20萬km或兩年，需要更換液壓油,否則容易導致系統故障.

目前.液壓冷卻系統在國內客車上還沒有普及應用，只是高檔豪華車及特殊功能客車上采用該系統.液壓冷卻系統在冷卻能力、降低油耗、提高了發動機的使用壽命等方面較現有電子風扇、電磁離合器風扇有了較大的提高，隨之節能減排、安全舒適性、可靠性被人們的重視提高，該系統在今后的客車產品中將得到更廣泛的應用.

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