帶有AT變速器的車輛熱平衡試驗方法

【摘要】隨著國內經(jīng)濟不斷深入發(fā)展，重型特種車對AT變速器的需求也越來越多，匹配AT變速器后，整車熱平衡能力如何驗證，如何評價，國內目前還沒有相對成熟的方法和案例。通過對重型裝備運輸車4060AS（裝有AT變速器）道路熱平衡試驗和臺架熱平衡試驗，結果表明，兩種測試方法測得的極限環(huán)境需用溫度有高度的擬合性，并且，在臺架試驗時變速器可以采用低擋位最大扭矩點測試。測試時選取的環(huán)境溫度，可以采用標準推薦的30℃以上測試。對帶有液力變矩器車輛的冷卻系熱平衡試驗，重點要考慮AT變速器液力變矩器耦合點轉速。

【關鍵詞】AT變速器|熱平衡|試驗|耦合點

隨著國內經(jīng)濟不斷深入發(fā)展，重型特種車對AT變速器的需求也越來越多，匹配AT變速器后，整車熱平衡能力如何驗證，如何評價，是一個值得研究的課題，國內目前還沒有相對成熟的方法和案例，需要認真研究。

一、試驗方案設計

按照GB/T12542-2009《汽車熱平衡能力道路試驗方法》中給出的方法和與奔馳、道依茨公司合作過程中掌握的方法，提出了拖車法和轉轂法兩種試驗方案，主要是針對極限使用工況進行試驗，試驗時，風扇為剛性，節(jié)溫器為強制全開。

拖車法試驗（如圖1），按照GB/T12542-2009中6.3的6.3.1發(fā)動機最大扭矩轉速工況和6.3.2發(fā)動機額定功率轉速工況進行試驗，環(huán)境溫度按照高于+30℃即可，試驗時，主車滿載采用二擋，負載拖車選用三擋，拖車加載時，采用制動實施。評價方法為發(fā)動機極限需用溫度減去冷卻常數(shù)，即為需用環(huán)境溫度，試驗選定在吐魯番地區(qū)。

轉轂法試驗（見圖2），按照GB/T12542-2009《汽車熱平衡能力道路試驗方法》中給出的試驗方法，在需用環(huán)境溫度下，底盤測功機試驗臺上對車輛各擋位進行，100%發(fā)動機負荷加載試驗，試驗通過后即為滿足需用環(huán)境溫度，沒有通過的，即為不滿足。試驗選定在可以調節(jié)溫度的轉轂實驗室。

本次試驗車輛為重型裝備運輸車4060AS，具體配置為：

發(fā)動機WP13.550，額定功率：405kw轉速2100r/min，最大扭矩：2300N.m轉速1200-1500r/min；

6擋AT變速箱：FC6A250DPS，最大允許輸入扭矩：2500N.m。

二、吐魯番拖車法熱平衡試驗

2019年7～8月之間，在新疆吐魯番進行道路熱平衡試驗，環(huán)境溫度+39～+42℃主車加載后總重31噸，負荷車輛加載后總重49噸，主車采用II擋進行爬坡（7%），掛車掛Ⅲ擋，采用發(fā)動機制動，行駛的坡度長約2km。進行最大扭矩工況和額定功率工況試驗（試驗現(xiàn)場見圖3），車輛均達到了熱平衡（試驗數(shù)據(jù)見表1），II擋極限使用環(huán)境溫度最大扭矩工況+61.5℃，額定功率工況+62.1℃，可以判定，極限使用溫度為+61.5℃。

三、轉轂法熱平衡試驗

2020年9月在北京北方車輛研究所進行了轉轂法熱平衡試驗，試驗是在具有環(huán)境艙的轉鼓臺上進行的（按照圖2來布置），車輛前部有一個風扇，模擬同等車速的風，從車輛正面吹風。試驗進行了+55℃和+60℃兩種環(huán)境溫度，測試車輛擋位選擇為2-6擋，以最大扭矩和最大功率兩個點進行測試。

（一）環(huán)境溫度+55℃高溫熱平衡臺架試驗

在帶有環(huán)境艙的轉鼓試驗室對車輛進行熱平衡試驗，為了掌握可靠試驗數(shù)據(jù)，先做+55℃環(huán)境下試驗，從低擋到高擋2～6擋，進行試驗，實驗結果表明，需用環(huán)境溫度+59℃（實際由于環(huán)境實驗室由于熱流的不均勻，推測可以滿足+60℃使用要求），滿足環(huán)境溫度+60℃使用要求（具體結果見表2）。

（二）環(huán)境溫度+60℃高溫熱平衡臺架試驗

在帶有環(huán)境艙的轉鼓試驗室對車輛進行熱平衡試驗，環(huán)境下為+60℃，從低擋到高擋2～6擋，進行試驗，實驗結果表明，需用環(huán)境溫度+61.2℃（實際由于環(huán)境實驗室由于熱流的不均勻，推測大于61.2℃使用），滿足環(huán)境溫度+60℃使用要求（具體結果見表3）。

（三）兩種環(huán)境溫度熱平衡臺架試驗結果分析

測試車輛擋位選擇為1～6擋，以最大扭矩和最大功率兩個點進行測試（低擋時采用爬坡功能測試），經(jīng)過測試可以看出：+55℃環(huán)境測試時，極限使用溫度為59℃（考慮封閉環(huán)境影響，可以滿足+60℃使用），根據(jù)需用溫度選擇結果，2擋以下和6擋時，測試最大扭矩點即可，3～5擋時，測量最大功率點即可；當+60℃環(huán)境測試時，極限使用溫度為61.2℃（考慮封閉環(huán)境影響，可以滿足+62℃以上使用），根據(jù)需用溫度選擇結果，1～2擋時，測試最大扭矩點即可，3～5擋時，測量最大功率點即可；兩種溫度熱平衡測試極限環(huán)境需用溫度結果高度擬合，正常偏差在1.2～2.2℃之間，只有二擋時，偏差達到3.6℃，不太正常。

四、高溫熱平衡試驗結論

重型裝備運輸車4060AS，發(fā)動機功率為405kw，變速器為六擋AT，按照國標GB/T12542-2009《汽車熱平衡能力道路試驗方法》進行道路熱平衡測試，極限環(huán)境使用溫度為+61.5℃，惡劣點為最大扭矩點。

選擇擋位為1～6擋，以最大扭矩和最大功率兩個點進行臺架熱平衡測試（低擋時采用爬坡功能測試），可以看出：+55℃環(huán)境測試時，極限使用溫度為59℃，+60℃環(huán)境測試時，極限使用溫度為61.2℃，初步判定+60℃環(huán)境使用，2擋以下和6擋時，測試最大扭矩點是惡劣點，3～5擋時，最大功率點是惡劣點；也就是說1～2擋時，測試最大扭矩點即可，3～5擋時，測量最大功率點即可，同時可以看出，1、2擋是最惡劣工況，測試時只需測試本工況即可，其它工況可以不再測試；兩種溫度熱平衡測試極限環(huán)境需用溫度結果高度擬合，正常偏差在1.2～2.2℃之間，只有二擋時，偏差達到3.6℃，不太正常。

道路熱平衡試驗和臺架熱平衡試驗結果表明，兩種測試得到的極限環(huán)境需用溫度+61.5℃和61.2℃，結果有高度的擬合性，同時，在臺架試驗時變速器可以采用低擋位測試即可，中高擋位可以不必測試，低擋位可以測試最大扭矩點即可。

五、試驗結果再分析

（一）散熱量分析

發(fā)動機的散熱量：

額定功率工況183.7kw（2100rpm）

最大扭矩工況150.6kw（1500rpm）

FC6A250DPS AT變速箱的散熱量：

FC6A250DPS AT變速箱是通過液力變矩器將發(fā)動機動力輸入的，液力變矩器是一種以液體為工作介質的非剛性扭矩變換器，主要由泵輪、渦輪和導輪三部分組成。發(fā)動機運轉時帶動液力變矩器的殼體和泵輪一同旋轉，泵輪內的工作油在離心力的作用下，由泵輪葉片外緣沖向渦輪，并沿渦輪葉片流向導輪，再經(jīng)導輪葉片流回泵輪葉片內緣，形成循環(huán)的工作油。此外有部分工作油通過背壓閥和油封間隙流回油箱，同時又由供油泵壓出的工作油，經(jīng)散熱器冷卻后，不斷地給以補充，以保持變矩器工作腔內具有一定的補償壓力。在液體循環(huán)流動過程中，導輪給渦輪一個反作用力矩，從而使渦輪輸出力矩不同于泵輪輸入力矩，具有“變矩”功能。

變矩工況：就是改變扭矩的工況，發(fā)動機輸出的轉速高，扭矩低，經(jīng)過液力變矩器后轉速降低同時扭矩增大。變矩工況時，傳遞效率由小變大，傳遞效率最大也不會超過90%功率，未傳遞的功率被轉化為熱量，散發(fā)到變速箱油液里，被帶到油冷器，由發(fā)動機冷卻水散掉。

AT主要的溫度來源就是液力變矩器，特別是車速較低液力變矩器不鎖止的時候液力變矩器的動力傳遞完全依賴變速箱油來傳遞，在不考慮能量損失的情況下，輸入的能量如果小于輸出的能量（無論是泵輪輸入渦輪輸出，還是渦輪輸入泵輪輸出），那這相差的能量由變矩器轉化為熱能。并且變矩器傳遞效率是由低到高，因此如果變矩器長期工作在低效率區(qū)間，那必然是會產生大量熱量。

1.液力變矩器理論散熱

AT變速器液力變矩器理論散熱是變速器的技術指標（如表4）。

2.液力變矩器實際散熱

AT變速器1、2擋全油門變矩工況時，變矩器與發(fā)動機匹配最小轉速為1661rpm，發(fā)動機和變矩器在峰值扭矩區(qū)間無匹配點，在發(fā)動機轉速1703～1711rpm變化很小的情況下，變速箱的散熱變化區(qū)間比較大，在80.8kw～274.2kw范圍內。如發(fā)動機轉速1703rpm時，變矩器效率低時可產生大量熱量，即使在50%效率點時，變矩器產生178kw的熱量，此轉速下，發(fā)動機散熱量170kw，都要變矩器產生的熱量略高于發(fā)動機產生的熱量。因此在使用自動變速箱時候盡量工作在較高效率的區(qū)間（變矩器處于耦合作用），而不應該讓其工作在低效率區(qū)間。

FC6A250DPS AT變速箱液力變矩器和發(fā)動機轉速的散熱效率，是通過臺架試驗測出來的，在熱平衡測試時，85%效率點冷卻能力測試：分別在1、2擋通過負載拖拽，將發(fā)動機轉速穩(wěn)定在1852rpm，測試熱平衡狀態(tài)；80%效率點冷卻能力測試：分別在1、2擋通過負載拖拽，將發(fā)動機轉速穩(wěn)定在1785rpm，測試熱平衡狀態(tài)。

（二）臺架測試偏差分析

依據(jù)以上原理，對于第四章中提出的“二擋時，偏差達到3.6℃”進行分析，二擋時，在臺架上做了兩次熱平衡試驗，一次是+55℃時做的，是按照1700rpm做的，此時，液力變矩器的傳遞效率為20%，而要求的散熱量為274kw，加上發(fā)動機150kw左右散熱量，這時需要的散熱量為424kw；第二次+60℃時做試驗時，是按照液力變矩器的傳遞效率為80%做的，此時，液力變矩器轉速為1733rpm，液力變矩器要求的散熱量為71.58kw，是1700rpm時的26%，降低了3/4，這時冷卻系需要的總散熱量為221.58kw，這也是出現(xiàn)偏差的主要原因。由此可以看出，對帶有液力變矩器車輛的冷卻系熱平衡試驗，一方面要考慮發(fā)動機的最大功率和最大扭矩點，另一方面，也要考慮AT變速器液力變矩器耦合點轉速，特別是低速大扭矩點測量時，重點要考慮AT變速器液力變矩器耦合點轉速，兩者要結合起來。

六、結論及建議

通過對重型裝備運輸車4060AS（裝有AT變速器）道路熱平衡試驗和臺架熱平衡試驗，結果表明，兩種測試得到的極限環(huán)境需用溫度結果有高度的擬合性，并且在臺架試驗時變速器可以采用低擋位測試即可，中高擋位可以不必測試，低擋位最大扭矩點測試即可。測試時選取的環(huán)境溫度，沒必要按照極限環(huán)境溫度選取，可以采用標準推薦的30℃以上測試，計算出冷卻常數(shù)分析即可。

對帶有液力變矩器車輛的冷卻系熱平衡試驗，一方面要考慮發(fā)動機的最大功率和最大扭矩點，另一方面，也要考慮AT變速器液力變矩器耦合點轉速，特別是低速大扭矩點測量時，重點要考慮AT變速器液力變矩器耦合點轉速，兩者要結合起來，以防止液力變矩器傳遞效率低于80%的工況出現(xiàn)，導致熱平衡試驗結果與實際偏離。中國軍轉民

（作者單位：魏鵬程，駐包頭地區(qū)某單位；龐建中、宋建新、王忠宇，北奔重型汽車集團有限公司；雷凌峰，包頭市塞北機械設備股份有限公司）