带有AT变速器的车辆热平衡试验方法

【摘要】随着国内经济不断深入发展，重型特种车对AT变速器的需求也越来越多，匹配AT变速器后，整车热平衡能力如何验证，如何评价，国内目前还没有相对成熟的方法和案例。通过对重型装备运输车4060AS（装有AT变速器）道路热平衡试验和台架热平衡试验，结果表明，两种测试方法测得的极限环境需用温度有高度的拟合性，并且，在台架试验时变速器可以采用低挡位最大扭矩点测试。测试时选取的环境温度，可以采用标准推荐的30℃以上测试。对带有液力变矩器车辆的冷却系热平衡试验，重点要考虑AT变速器液力变矩器耦合点转速。

【关键词】AT变速器|热平衡|试验|耦合点

随着国内经济不断深入发展，重型特种车对AT变速器的需求也越来越多，匹配AT变速器后，整车热平衡能力如何验证，如何评价，是一个值得研究的课题，国内目前还没有相对成熟的方法和案例，需要认真研究。

一、试验方案设计

按照GB/T12542-2009《汽车热平衡能力道路试验方法》中给出的方法和与奔驰、道依茨公司合作过程中掌握的方法，提出了拖车法和转毂法两种试验方案，主要是针对极限使用工况进行试验，试验时，风扇为刚性，节温器为强制全开。

拖车法试验（如图1），按照GB/T12542-2009中6.3的6.3.1发动机最大扭矩转速工况和6.3.2发动机额定功率转速工况进行试验，环境温度按照高于+30℃即可，试验时，主车满载采用二挡，负载拖车选用三挡，拖车加载时，采用制动实施。评价方法为发动机极限需用温度减去冷却常数，即为需用环境温度，试验选定在吐鲁番地区。

转毂法试验（见图2），按照GB/T12542-2009《汽车热平衡能力道路试验方法》中给出的试验方法，在需用环境温度下，底盘测功机试验台上对车辆各挡位进行，100%发动机负荷加载试验，试验通过后即为满足需用环境温度，没有通过的，即为不满足。试验选定在可以调节温度的转毂实验室。

本次试验车辆为重型装备运输车4060AS，具体配置为：

发动机WP13.550，额定功率：405kw转速2100r/min，最大扭矩：2300N.m转速1200-1500r/min；

6挡AT变速箱：FC6A250DPS，最大允许输入扭矩：2500N.m。

二、吐鲁番拖车法热平衡试验

2019年7～8月之间，在新疆吐鲁番进行道路热平衡试验，环境温度+39～+42℃主车加载后总重31吨，负荷车辆加载后总重49吨，主车采用II挡进行爬坡（7%），挂车挂Ⅲ挡，采用发动机制动，行驶的坡度长约2km。进行最大扭矩工况和额定功率工况试验（试验现场见图3），车辆均达到了热平衡（试验数据见表1），II挡极限使用环境温度最大扭矩工况+61.5℃，额定功率工况+62.1℃，可以判定，极限使用温度为+61.5℃。

三、转毂法热平衡试验

2020年9月在北京北方车辆研究所进行了转毂法热平衡试验，试验是在具有环境舱的转鼓台上进行的（按照图2来布置），车辆前部有一个风扇，模拟同等车速的风，从车辆正面吹风。试验进行了+55℃和+60℃两种环境温度，测试车辆挡位选择为2-6挡，以最大扭矩和最大功率两个点进行测试。

（一）环境温度+55℃高温热平衡台架试验

在带有环境舱的转鼓试验室对车辆进行热平衡试验，为了掌握可靠试验数据，先做+55℃环境下试验，从低挡到高挡2～6挡，进行试验，实验结果表明，需用环境温度+59℃（实际由于环境实验室由于热流的不均匀，推测可以满足+60℃使用要求），满足环境温度+60℃使用要求（具体结果见表2）。

（二）环境温度+60℃高温热平衡台架试验

在带有环境舱的转鼓试验室对车辆进行热平衡试验，环境下为+60℃，从低挡到高挡2～6挡，进行试验，实验结果表明，需用环境温度+61.2℃（实际由于环境实验室由于热流的不均匀，推测大于61.2℃使用），满足环境温度+60℃使用要求（具体结果见表3）。

（三）两种环境温度热平衡台架试验结果分析

测试车辆挡位选择为1～6挡，以最大扭矩和最大功率两个点进行测试（低挡时采用爬坡功能测试），经过测试可以看出：+55℃环境测试时，极限使用温度为59℃（考虑封闭环境影响，可以满足+60℃使用），根据需用温度选择结果，2挡以下和6挡时，测试最大扭矩点即可，3～5挡时，测量最大功率点即可；当+60℃环境测试时，极限使用温度为61.2℃（考虑封闭环境影响，可以满足+62℃以上使用），根据需用温度选择结果，1～2挡时，测试最大扭矩点即可，3～5挡时，测量最大功率点即可；两种温度热平衡测试极限环境需用温度结果高度拟合，正常偏差在1.2～2.2℃之间，只有二挡时，偏差达到3.6℃，不太正常。

四、高温热平衡试验结论

重型装备运输车4060AS，发动机功率为405kw，变速器为六挡AT，按照国标GB/T12542-2009《汽车热平衡能力道路试验方法》进行道路热平衡测试，极限环境使用温度为+61.5℃，恶劣点为最大扭矩点。

选择挡位为1～6挡，以最大扭矩和最大功率两个点进行台架热平衡测试（低挡时采用爬坡功能测试），可以看出：+55℃环境测试时，极限使用温度为59℃，+60℃环境测试时，极限使用温度为61.2℃，初步判定+60℃环境使用，2挡以下和6挡时，测试最大扭矩点是恶劣点，3～5挡时，最大功率点是恶劣点；也就是说1～2挡时，测试最大扭矩点即可，3～5挡时，测量最大功率点即可，同时可以看出，1、2挡是最恶劣工况，测试时只需测试本工况即可，其它工况可以不再测试；两种温度热平衡测试极限环境需用温度结果高度拟合，正常偏差在1.2～2.2℃之间，只有二挡时，偏差达到3.6℃，不太正常。

道路热平衡试验和台架热平衡试验结果表明，两种测试得到的极限环境需用温度+61.5℃和61.2℃，结果有高度的拟合性，同时，在台架试验时变速器可以采用低挡位测试即可，中高挡位可以不必测试，低挡位可以测试最大扭矩点即可。

五、试验结果再分析

（一）散热量分析

发动机的散热量：

额定功率工况183.7kw（2100rpm）

最大扭矩工况150.6kw（1500rpm）

FC6A250DPS AT变速箱的散热量：

FC6A250DPS AT变速箱是通过液力变矩器将发动机动力输入的，液力变矩器是一种以液体为工作介质的非刚性扭矩变换器，主要由泵轮、涡轮和导轮三部分组成。发动机运转时带动液力变矩器的壳体和泵轮一同旋转，泵轮内的工作油在离心力的作用下，由泵轮叶片外缘冲向涡轮，并沿涡轮叶片流向导轮，再经导轮叶片流回泵轮叶片内缘，形成循环的工作油。此外有部分工作油通过背压阀和油封间隙流回油箱，同时又由供油泵压出的工作油，经散热器冷却后，不断地给以补充，以保持变矩器工作腔内具有一定的补偿压力。在液体循环流动过程中，导轮给涡轮一个反作用力矩，从而使涡轮输出力矩不同于泵轮输入力矩，具有“变矩”功能。

变矩工况：就是改变扭矩的工况，发动机输出的转速高，扭矩低，经过液力变矩器后转速降低同时扭矩增大。变矩工况时，传递效率由小变大，传递效率最大也不会超过90%功率，未传递的功率被转化为热量，散发到变速箱油液里，被带到油冷器，由发动机冷却水散掉。

AT主要的温度来源就是液力变矩器，特别是车速较低液力变矩器不锁止的时候液力变矩器的动力传递完全依赖变速箱油来传递，在不考虑能量损失的情况下，输入的能量如果小于输出的能量（无论是泵轮输入涡轮输出，还是涡轮输入泵轮输出），那这相差的能量由变矩器转化为热能。并且变矩器传递效率是由低到高，因此如果变矩器长期工作在低效率区间，那必然是会产生大量热量。

1.液力变矩器理论散热

AT变速器液力变矩器理论散热是变速器的技术指标（如表4）。

2.液力变矩器实际散热

AT变速器1、2挡全油门变矩工况时，变矩器与发动机匹配最小转速为1661rpm，发动机和变矩器在峰值扭矩区间无匹配点，在发动机转速1703～1711rpm变化很小的情况下，变速箱的散热变化区间比较大，在80.8kw～274.2kw范围内。如发动机转速1703rpm时，变矩器效率低时可产生大量热量，即使在50%效率点时，变矩器产生178kw的热量，此转速下，发动机散热量170kw，都要变矩器产生的热量略高于发动机产生的热量。因此在使用自动变速箱时候尽量工作在较高效率的区间（变矩器处于耦合作用），而不应该让其工作在低效率区间。

FC6A250DPS AT变速箱液力变矩器和发动机转速的散热效率，是通过台架试验测出来的，在热平衡测试时，85%效率点冷却能力测试：分别在1、2挡通过负载拖拽，将发动机转速稳定在1852rpm，测试热平衡状态；80%效率点冷却能力测试：分别在1、2挡通过负载拖拽，将发动机转速稳定在1785rpm，测试热平衡状态。

（二）台架测试偏差分析

依据以上原理，对于第四章中提出的“二挡时，偏差达到3.6℃”进行分析，二挡时，在台架上做了两次热平衡试验，一次是+55℃时做的，是按照1700rpm做的，此时，液力变矩器的传递效率为20%，而要求的散热量为274kw，加上发动机150kw左右散热量，这时需要的散热量为424kw；第二次+60℃时做试验时，是按照液力变矩器的传递效率为80%做的，此时，液力变矩器转速为1733rpm，液力变矩器要求的散热量为71.58kw，是1700rpm时的26%，降低了3/4，这时冷却系需要的总散热量为221.58kw，这也是出现偏差的主要原因。由此可以看出，对带有液力变矩器车辆的冷却系热平衡试验，一方面要考虑发动机的最大功率和最大扭矩点，另一方面，也要考虑AT变速器液力变矩器耦合点转速，特别是低速大扭矩点测量时，重点要考虑AT变速器液力变矩器耦合点转速，两者要结合起来。

六、结论及建议

通过对重型装备运输车4060AS（装有AT变速器）道路热平衡试验和台架热平衡试验，结果表明，两种测试得到的极限环境需用温度结果有高度的拟合性，并且在台架试验时变速器可以采用低挡位测试即可，中高挡位可以不必测试，低挡位最大扭矩点测试即可。测试时选取的环境温度，没必要按照极限环境温度选取，可以采用标准推荐的30℃以上测试，计算出冷却常数分析即可。

对带有液力变矩器车辆的冷却系热平衡试验，一方面要考虑发动机的最大功率和最大扭矩点，另一方面，也要考虑AT变速器液力变矩器耦合点转速，特别是低速大扭矩点测量时，重点要考虑AT变速器液力变矩器耦合点转速，两者要结合起来，以防止液力变矩器传递效率低于80%的工况出现，导致热平衡试验结果与实际偏离。中国军转民

（作者单位：魏鹏程，驻包头地区某单位；庞建中、宋建新、王忠宇，北奔重型汽车集团有限公司；雷凌峰，包头市塞北机械设备股份有限公司）