一種冷卻風扇液壓驅動系統設計與性能驗證

陳宇，薛濤，肖潔，張瑞鵬

（中國北方車輛研究所，北京 100072）

0 引言

近些年, 隨著裝甲車輛發動機功率密度的不斷提高，高效燃燒、能量轉換、零部件可靠工作等都對其冷卻系統提出了越來越高的要求[1]。冷卻風扇液壓驅動系統可實現風扇轉速的連續調節，做到了冷卻功率的全覆蓋；并且能夠實時根據冷卻系統散熱的具體需求自適應地改變風扇馬達轉速，明顯地改善了發動機冷卻系統的散熱效能，達到節能降噪目的等諸多優點，廣泛應用于裝甲車輛等功率要求高的領域[2]。本文根據整車的設計要求，完成液壓系統方案設計和系統參數匹配計算，并通過系統臺架性能驗證結果，進一步優化系統液壓原理。

1 風扇驅動系統原理設計

風扇驅動系統采用閉式液壓系統，變量泵和補油泵組成閉式液壓泵作為動力源，液壓馬達作為風扇驅動執行元件。變量泵為風扇系統供油，齒輪泵補充變量泵及風扇馬達的泄漏?？刂茊卧ㄟ^采集總線傳輸的發動機水溫信號，控制變量泵的排量以及電磁閥的通斷，實現風扇高速、低速和停轉的控制，合理調節進入散熱器的冷卻風量，進而實現整車良好的熱平衡[3-5]。

如圖1所示，風扇驅動系統主要由液壓油箱、變量泵、補油泵、液壓馬達、液壓閥件、控制單元、傳感器及相應的管路組成。補油泵出油路設計了一個功能拓展集成閥，可滿足車輛車姿調節、防浪板、百葉窗等間歇性負載的油源需求，使得液壓系統具備了很好的功能拓展性。

圖1 風扇驅動系統液壓原理圖

當風扇需要高速運轉時，風扇控制器控制變量泵最大排量輸出，同時保持旁通閥D2處于通電截止狀態，此時變量泵以最大輸出流量驅動風扇馬達運轉；當風扇需要低速運轉時，風扇控制器控制變量泵以較小的排量輸出，同時保持旁通閥D2處于通電截止狀態，此時變量泵以較小的輸出流量驅動風扇馬達運轉；當風扇需要停轉時，風扇控制器控制變量泵最小排量輸出，同時保持旁通閥D2處于斷電導通狀態，此時沒有液壓油進入風扇馬達。根據兩棲車輛的使用要求，風扇驅動系統只在陸上工況時工作，水上工況時風扇必須停轉。為保證車輛水上行駛的安全性，本系統選用了常開式的旁通閥D2，當控制系統失效時，風扇處于停轉狀態。當陸上行駛時，發生控制失效，可手動將節流閥J1關死，此時可保證風扇高速運轉，不影響正常行駛。

2 風扇驅動系統設計計算

根據給定的設計輸入參數，確認變量泵、液壓馬達、補油泵等主要部件的選型參數。表1為風扇驅動系統的主要設計參數，作為系統計算依據[5-6]。

表1 風扇驅動系統設計參數

2.1 風扇馬達排量計算

根據經驗，風扇馬達的排量選擇10 mL/r或者12 mL/r較為合適，首先計算系統工作壓力：

式中：Δp為風扇馬達進出油口壓力差；P為風扇馬達功率；V1為風扇馬達的排量；n1為風扇最高轉速；ηmh為風扇馬達機械效率，ηmh=0.9。

分別計算10 mL/r和12 mL/r排量的液壓馬達工作壓力，根據式（1）算得：

考慮到系統壓力損失及吸油路背壓，采用10 mL/r和12 mL/r的液壓馬達，系統最高工作壓力約為21 MPa 和18 MPa，均處于國產泵、馬達能夠可靠、穩定工作的壓力區間內。

馬達與風扇直接連接，馬達的輸出轉矩即風扇的輸入轉矩，馬達的輸出功率即風扇的功率。根據式（2）計算液壓馬達的輸出轉矩

綜上計算，排量為10 mL/r和12 mL/r的液壓馬達均滿足使用要求，從控制系統總質量角度，優選10 mL/r排量液壓馬達，此時系統最大工作壓力約為21 MPa。所選液壓馬達最大工作壓力為30 MPa，最大輸出轉矩為65 N·m，最大工作轉速為7000 r/min，滿足使用要求。

2.2 變量泵排量計算

理論上，在液壓系統沒有外泄漏和溢流的情況下，變量泵輸出的流量與液壓馬達的輸入流量相等，則有如下等式：

式中：V1為風扇馬達的排量；V2為變量泵的排量；n1為風扇最高轉速；n2為變量泵最高轉速；ηv1為風扇馬達容積效率，ηv1=0.9；ηv2為變量泵容積效率，ηv2=0.9。

根據式（3）計算變量泵排量，算得V2=23.7 mL/r?？蛇x的最接近排量為28 mL/r。

根據式（4）計算變量泵的最大輸入轉矩為

綜上計算，選擇變量泵的最大排量為28 mL/r，額定壓力為28 MPa，最大轉矩為125 N·m，最大輸入轉速為2800 r/min。變量泵的選型留有一定裕度，可為后續提高風扇轉速提供基礎。實際使用過程中，通過將變量泵的排量控制在一個合理值，滿足5000 r/min的使用要求。

2.3 補油泵排量計算

補油泵的補油量應為變量泵流量的15%～20%，取20%：

式中，ηv3為齒輪泵容積效率，ηv3=0.8。

根據式（5）計算，算得V3=7 mL/r。綜上計算，排量為8 mL/r的齒輪泵最為接近，最大輸入轉速為3000 r/min，滿足使用要求。

2.4 風扇驅動系統散熱功率計算

車輛陸上行駛時，風扇驅動系統需要長期運行，由于存在功率損失，必然會造成系統液壓油溫的上升。系統油溫的上升主要來源于泵、馬達的效率損失，即泵、馬達損失的功率轉換為了熱量[7～8]。

風扇馬達、變量泵、補油泵的發熱功率及總散熱功率按式（6）～式（9）計算：

假定變量泵和液壓馬達的機械效率ηmh′= 0.9，容積效率ηv′= 0.9，齒輪泵總效率為η=0.8。

計算得PQ1=2.7 kW，PQ2=4.1 kW，PQ3=0.4 kW，則PQ=2.7+4.1+0.4=7.2 kW。

綜上計算結果，液壓系統散熱油路的散熱功率為7.2 kW。液壓油箱、泵、馬達和管路等部件表面的空氣對流，能夠帶走一定的熱量，但能否將系統最終的熱平衡油溫控制在90 ℃以內，需要進行臺架驗證。

3 風扇驅動系統臺架驗證

根據系統原理方案，搭建了風扇驅動系統的試驗臺架如圖2所示，臺架原理示意如圖3所示。應用專業數據采集設備，監測了系統工作壓力、回油壓力、液壓油溫、補油泵輸出流量、泵和馬達泄漏流量、風扇轉速等重要參數。

圖2 風扇驅動系統臺架

圖3 風扇驅動系統臺架示意圖

臺架試驗前將變量泵的切斷壓力值標定為22 MPa，風扇驅動系統高壓溢流閥標定為25 MPa，回油溢流閥標定為1 MPa。試驗采用原車油箱和項目指定液壓油，環境溫度25 ℃。

3.1 風扇驅動系統性能參數驗證

將電動機轉速調至2600 r/min，調整冷卻風扇進氣格柵的開度以模擬實車氣道阻力，并調節變量泵排量控制的電流信號值，風扇轉速可穩定在5000～5200 r/min之間，如圖4所示。

圖4 風扇轉速試驗數據

風扇驅動系統臺架試驗過程中，主要測試工況為變量泵輸入轉速為最高轉速2600 r/min的狀態，同時間歇性地將電動機轉速在650 ～2600 r/min之間快速調整，以模擬實車急加速、急減速的極限工況。試驗采集到系統的主要性能參數如圖5～圖7所示。

圖5 系統工作油壓試驗數據

由圖4所示的風扇轉速試驗數據可知，變量泵在既定排量下，風扇最高轉速能夠穩定在設計值附近，證明變量泵、液壓馬達、補油泵的排量參數匹配合理。

由圖5所示的系統工作油壓試驗數據可知，風扇最高轉速時，系統工作油壓約為20.5 MPa，實際工作壓力與計算值21 MPa基本吻合，也沒有超過變量泵的切斷壓力和系統保護壓力。系統工作壓力參數匹配合理。

由圖6所示的系統回油壓力試驗數據可知，風扇最高轉速時，系統回油壓力約為1.5 MPa，實際回油壓力與回油溢流閥設定值1 MPa略有差別。回油壓力傳感器的測點與回油溢流閥位置之間存在油路和插裝閥件，產生了壓力損失，導致實際壓力大于所設定的壓力值。該回油壓力實際上就是變量泵的吸油壓力，本項目選用的變量泵對吸油口壓力的規定范圍是0.5～2.5 MPa，可見，回油壓力參數的設定能夠滿足使用要求，該參數匹配合理。

圖6 系統回油壓力試驗數據

由圖7所示的系統油溫試驗數據可知，在滿負載工作條件下，系統液壓油溫最終基本穩定在88 ℃左右。考慮到本次臺架試驗時的環境溫度為25 ℃，而風扇驅動系統在實車的布置區域為動力艙內，環境溫度最高可達60 ℃以上，因此可推斷，在沒有液壓油散熱的前提下，風扇驅動系統在實車上大負荷連續工作時，液壓油可能會達到120℃以上的高溫，這是液壓系統所不能承受的。因此，必須增加液壓油的散熱回路，通過冷卻系統帶走液壓油的部分熱量，保證風扇驅動系統在合理的液壓油溫區間內工作。

圖7 系統液壓油溫試驗數據

3.2 風扇驅動系統散熱回路確定

如上分析，液壓油必須通過冷卻系統的散熱器進行散熱。由于散熱器內部油路耐壓等級較低，只有流回油箱的低壓油路可用于散熱。如圖1所示，風扇傳動液壓系統存在兩條可用于散熱的回油路，即泵和馬達的泄漏回路，以及低壓溢流閥的溢流回路。之所以將泄漏和溢流兩條油路獨立開，是因為泵和馬達對回油壓力比較敏感，壓力波動較大時會造成密封損壞故障，因此明確要求泄漏回路必須單獨通油箱。

上述兩條回路流通的均為高溫液壓油，一般選擇流量較大的油路進入散熱器，以便帶走更多的熱量。兩條回路的流量與泵和馬達的效率有直接關系。而泵和馬達的效率受溫度、油品的影響，難以給定恒定的數值進行計算，最直接的方式是通過臺架進行流量實測。將試驗臺架的電動機轉速設定在系統最高轉速2600 r/min，此時風扇轉速5100 r/min左右，持續運轉，直至液壓溫度達到90 ℃。由圖2可知，泵和馬達的泄漏流量可直接測得，同時可測得補油泵的輸出流量。兩條低壓回路的流量總和等于補油泵的輸出流量，簡單處理數據即可換算出低壓溢流流量。圖8為試驗過程中，不同油溫下兩條低壓油路的流量對比圖。

圖8 不同液壓油溫下低壓溢流和泵馬達泄漏的流量對比

由圖8可以看出，低壓溢流的流量在整個溫度區間內都大于泵和馬達的總泄漏流量，因此選定低壓溢流油路進入散熱器，以期達到最大的散熱效果。依據液壓系統散熱功率的計算結果，與冷卻系統對接，設計了滿足液壓系統要求的散熱回路。

4 結論

根據整車對風扇驅動系統的使用要求，完成了液壓系統方案設計和系統參數匹配計算，并在實際裝車前進行了系統臺架性能驗證。通過對系統工作壓力、回油壓力、液壓油溫、風扇轉速等試驗數據的分析，證明系統原理設計可行，參數匹配合理。同時也驗證了液壓系統需要對低壓溢流回路進行輔助冷卻散熱，才能保證其在合理溫度區間內工作，并據此優化了液壓原理。