電渦流緩速器應(yīng)用探討

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國公路狀況的不斷改善，汽車制造技術(shù)的不斷提高，汽車車速及車載質(zhì)量也在不斷攀升；近年來重型車輛、尤其是特大型客車、大型客車及重型貨車因制動(dòng)輪轂過熱引起爆胎、制動(dòng)失靈引發(fā)的交通事故逐年上升；緩速器作為一種方便可靠的輔助制動(dòng)系統(tǒng)越來越得到人們的認(rèn)可，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于各種中重型車輛上，很好的解決了車輛長距離下坡時(shí)制動(dòng)輪轂過熱的現(xiàn)象，提高了車輛行駛的安全性。但是，在我國緩速器的應(yīng)用還處于成長期，車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤、變速器、車橋、傳動(dòng)軸型號(hào)繁雜、接口各異，使得緩速器的應(yīng)用受到了一定的限制。

1 緩速器分類

按緩速器在底盤布置位置的不同分為兩級(jí)緩速器：一級(jí)緩速器，安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上或在變速器的上游；二級(jí)緩速器安裝在變速器的下游。一級(jí)緩速器與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有著直接的關(guān)系，而二級(jí)緩速器則取決于傳動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。

一級(jí)緩速器囊括了所有遠(yuǎn)離車輪的、且與離合器和變速器可機(jī)械脫離的裝置。除了內(nèi)部被動(dòng)阻力、所有與曲軸機(jī)械連接的裝備、伺服機(jī)構(gòu)和裝置所產(chǎn)生的扭矩外，一級(jí)緩速器參與發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)。美國的Jacobs制動(dòng)器（或Jake Brake），雷諾卡車公司安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上的“J”制動(dòng)器，以及Mercedes公司的排氣閥，都被列為該范疇。

二級(jí)緩速器在布置方面具有很大的自由度，可以安裝在變速器后部、傳動(dòng)軸中部、驅(qū)動(dòng)橋前部，一般通過支架固定在底盤上，主要有應(yīng)用流體動(dòng)力的液力緩速器，應(yīng)用電磁感應(yīng)現(xiàn)象的電渦流緩速器、永磁緩速器等。本文主要介紹電渦流緩速器主機(jī)部分的應(yīng)用情況，對電控系統(tǒng)及其它緩速器結(jié)構(gòu)與應(yīng)用這里不作介紹。

2 電渦流緩速器工作原理

電渦流緩速器由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。轉(zhuǎn)子部分與車輛傳動(dòng)系統(tǒng)相連接，定子部分固定在變速器后或車橋上，定子部分與轉(zhuǎn)子部分的互軛表面之間留有一定的空氣間隙。定子部分一般由勵(lì)磁線圈、鐵芯、磁軛組成；轉(zhuǎn)子部分由鑄有散熱風(fēng)道的盤狀或桶狀的合金轉(zhuǎn)子及連接法蘭構(gòu)成。當(dāng)電渦流緩速器工作時(shí)，定子部分的勵(lì)磁線圈導(dǎo)通，通過鐵芯、磁軛建立交錯(cuò)的磁場，轉(zhuǎn)子處于定子部分所產(chǎn)生的磁場中；轉(zhuǎn)子隨車輛傳動(dòng)系統(tǒng)一起旋轉(zhuǎn)切割磁力線，基于物理學(xué)電磁感應(yīng)原理，在轉(zhuǎn)子的互軛表面產(chǎn)生很強(qiáng)的感應(yīng)電動(dòng)勢；由于轉(zhuǎn)子采用電導(dǎo)率比較高的合金材料，在轉(zhuǎn)子表面形成強(qiáng)大的渦電流，渦電流產(chǎn)生的交變磁場和定子部分交錯(cuò)磁場相互作用產(chǎn)生阻尼，使得轉(zhuǎn)子部分及傳動(dòng)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)速度降低，從而達(dá)到車輛緩速制動(dòng)的目的。車輛行駛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電渦流緩速器產(chǎn)生的大量的熱能，通過轉(zhuǎn)子上的風(fēng)葉產(chǎn)生強(qiáng)勁的風(fēng)力將電渦流產(chǎn)生的熱量迅速的散發(fā)出去。

3 電渦流緩速器的結(jié)構(gòu)特性

電渦流緩速器的結(jié)構(gòu)受限于車輛底盤、車橋、傳動(dòng)軸安裝形式，安裝空間；從上世紀(jì)30年代開始，電渦流緩速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在不斷改進(jìn)，現(xiàn)在常用的結(jié)構(gòu)有以下幾種：

1）轉(zhuǎn)子為盤狀無中間軸系列；如圖1所示為該系列緩速器安裝在變速器輸出端示例，轉(zhuǎn)子部分通過中間法蘭直接和車輛傳動(dòng)系相連，定子部分磁場方向成軸向分布。結(jié)構(gòu)緊湊，轉(zhuǎn)子散熱性能良好，主要用于后置發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛及短軸牽引車。

此種類型的電渦流緩速器主要安裝于變速器及驅(qū)動(dòng)橋上；根據(jù)在鄭州宇通、蘇州金龍、廈門金旅以及中通等車輛廠的安裝應(yīng)用情況來看，此種結(jié)構(gòu)的緩速器采用雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)主要有以下優(yōu)缺點(diǎn)：

該系列安裝調(diào)整比較復(fù)雜，安裝過程中必須用調(diào)整墊片9調(diào)整前轉(zhuǎn)子2及后轉(zhuǎn)子4與定子3之間的間隙均勻一致：對變速器及驅(qū)動(dòng)橋的精度要求較高；因此，也造成變速器、離合器維修時(shí)拆卸不方便；

優(yōu)點(diǎn)便是對變速器油封、軸承、輸出軸及變速器結(jié)構(gòu)的影響降低；該類型緩速器安裝時(shí)必須采用加強(qiáng)型后橋；一些緩速器廠家針對這種情況對轉(zhuǎn)子及定子部分進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，降低緩速器的安裝質(zhì)量，盡量減小對驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)的影響。驅(qū)動(dòng)橋形式的安裝避免了維修變速器、離合器時(shí)拆裝緩速器。

一般情況下，長途客車、旅游客車、短軸牽引車建議安裝在變速器輸出端，城市公交車輛安裝在驅(qū)動(dòng)橋輸入端。應(yīng)注意的是，由于安裝的位置不同電渦流緩速器轉(zhuǎn)子部分的旋轉(zhuǎn)方向應(yīng)相應(yīng)改變。

2）如圖2所示，該系列電渦流緩速器為盤狀轉(zhuǎn)子帶中間軸系列；安裝在傳動(dòng)軸中間，對整車的動(dòng)力系統(tǒng)基本沒有影響，主要應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)前置的卡車和客車，轉(zhuǎn)子部分和定子部分用一根花鍵軸串聯(lián)為一個(gè)整體，出廠時(shí)定子部分與轉(zhuǎn)子部分的互軛間隙已經(jīng)調(diào)試好，裝車時(shí)整體吊裝即可。

其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，安裝時(shí)安裝好托架1及安裝支架3后即可以整體吊裝，安裝方便快捷；由于獨(dú)立支承在車梁上，對后橋和變速箱基本沒有影響。缺點(diǎn)是質(zhì)量大，制造成本高，只能安裝在前置車的傳動(dòng)軸中間，且要定期維護(hù)。由于我國沒有相應(yīng)的法律法規(guī)出臺(tái)，此種類型的緩速器價(jià)格相對于車輛購置成本偏高，應(yīng)用范圍暫時(shí)受到限制。

3）如圖3所示為桶狀單轉(zhuǎn)子、勵(lì)磁磁場呈徑向分布的電渦流緩速器安裝示意圖。其結(jié)構(gòu)為桶狀單轉(zhuǎn)子套于定子部分外部，和定子部分形成一種徑向的勵(lì)磁結(jié)構(gòu)；其勵(lì)磁間隙不能調(diào)整，由制造公差保證。

該類型電渦流緩速器優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，尺寸小，拆裝方便，磁場呈徑向分布，從而轉(zhuǎn)子間隙不受軸向竄動(dòng)的影響，軸向長度小，轉(zhuǎn)子重量輕，對原車的傳動(dòng)系統(tǒng)影響小，所須安裝空間小。由于采用單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，熱容量小、定子及轉(zhuǎn)子部分散熱效果不佳，制動(dòng)力矩衰退很快，緩速器力矩不能做的很大。一般情況下，用于剎車頻繁、車速不高的城市公交車輛，在長途客車及旅游客車上或存在長距離下坡的路況下不建議使用。

4）應(yīng)用于半掛車輛的內(nèi)置式電渦流緩速器，此種電渦流緩速器和車橋集成，替換半掛車輛中的一根車橋；最重要的作用使得緩速器的制動(dòng)力矩作用于半掛車輛后部，減少車輛行駛過程中的“回轉(zhuǎn)折合”現(xiàn)象。主要由中心車橋、差速系統(tǒng)、兩組定子系統(tǒng)及兩轉(zhuǎn)子構(gòu)成；橋殼內(nèi)的差速系統(tǒng)保證了兩車輪的轉(zhuǎn)速及制動(dòng)力矩分配，兩組定子系統(tǒng)及兩轉(zhuǎn)子分別安裝于中心車橋的前后兩面，相當(dāng)于兩個(gè)盤式單轉(zhuǎn)子緩速器相串連。

在國內(nèi)，一些緩速器廠家為了適應(yīng)半掛車輛的輔助制動(dòng)的要求，采用盤狀轉(zhuǎn)子帶中間軸系列的電渦流緩速器、驅(qū)動(dòng)后橋、傳動(dòng)軸、發(fā)電機(jī)、電瓶組等組成輔助制動(dòng)系統(tǒng)。主要結(jié)構(gòu)以驅(qū)動(dòng)后橋1代替半掛車輛中的一根車橋，通過驅(qū)動(dòng)橋的輸入法蘭、傳動(dòng)軸4連接電渦流緩速器3；車輛運(yùn)行過程中，車輪通過驅(qū)動(dòng)橋內(nèi)半軸帶動(dòng)差速系統(tǒng)及輸入法蘭旋轉(zhuǎn)，電渦流緩速器3通過傳動(dòng)軸4連接同時(shí)旋轉(zhuǎn)；電渦流緩速器通過調(diào)速輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)出的電流經(jīng)過調(diào)節(jié)后直接給蓄電瓶和電渦流緩速器供電。

此種兩種類型的電渦流緩速器系統(tǒng)在國內(nèi)還未完全適用，主要因?yàn)榕渲贸杀具^高，運(yùn)輸企業(yè)認(rèn)同度暫時(shí)不夠，隨著緩速器相應(yīng)法律法規(guī)的出臺(tái)，情況應(yīng)有所改觀。

4 電渦流緩速器的匹配選型

電渦流緩速器和車輛的匹配選型很重要，不但要考慮到緩速器輸出力矩的大小，還要考慮到緩速器的安裝位置、緩速器的結(jié)構(gòu)形式、車輛的類型、車輛的行駛路況等；如果電渦流緩速器選型不合適將會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)力矩不夠，傳動(dòng)系統(tǒng)受損，嚴(yán)重時(shí)造成交通意外事故。

電渦流緩速器僅是一種車輛輔助制動(dòng)系統(tǒng)，它是主制動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)必要補(bǔ)充，不能代替主剎車系統(tǒng)。因?yàn)榫徦倨鳟a(chǎn)品是整合到車輛底盤的傳動(dòng)系中，緩速器的制動(dòng)力矩選擇過大會(huì)影響到整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、平順性；有可能加快變速器、驅(qū)動(dòng)橋齒輪磨損，軸承、油封的損壞；頻繁的大扭矩制動(dòng)會(huì)造成齒輪及變速器輸出軸疲勞斷裂。電渦流緩速器的制動(dòng)力矩的選型一般根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式選擇：

式中的車輛最大總質(zhì)量m、車輪滾動(dòng)半徑r、后橋主減速比i隨車型不同而有所變化；根據(jù)國內(nèi)車輛使用，底盤配置等狀況，使用電渦流緩速器輔助制動(dòng)時(shí)，城市客車的制動(dòng)減速度一般推薦為不小于0.55～0.60 m/s2；貨車、長度客車、旅游客車制動(dòng)減速度推薦為0.80～1.10 m/s2。選擇制動(dòng)力矩過小時(shí)，制動(dòng)效果不明顯，對常規(guī)制動(dòng)系統(tǒng)保護(hù)不足。制動(dòng)力矩過大，對變速箱、后橋都有一定的負(fù)影響，對發(fā)電機(jī)、蓄電池的要求也相應(yīng)提高，減小了發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。

5 電渦流緩速器的熱防護(hù)

電渦流緩速器主要把車輛行駛動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能通過轉(zhuǎn)子部分強(qiáng)制散發(fā)出去。按照GB12676－1999《汽車制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能和試驗(yàn)方法》制動(dòng)系統(tǒng)IIA型試驗(yàn)要求，質(zhì)量為15T的客車以30km/h的速度在7％的坡道上勻速行駛12min電渦流緩速器消耗的能量約為6.15×107焦耳，足可以使100kg的鋼鐵溫度升高到1500℃。使用電渦流緩速器時(shí)必須對其采取相應(yīng)的熱防護(hù)，避免對車輛的零部件產(chǎn)生熱害影響。

在加裝電渦流緩速器時(shí)，其周邊布置各管路、線路時(shí)盡最大可能遠(yuǎn)離緩速器；對緩速器周邊的零部件、管路及線路采取隔熱保護(hù)措施，如在緩速器與零部件間增加隔熱板，管路、線路外表包扎耐高溫的隔熱材料等。提高緩速器周邊零部件、管路、線路的耐熱使用溫度，如一般線束外表的波紋管保護(hù)套的耐熱溫度是105℃左右，而在緩速器周邊的線束采用的波紋管護(hù)套的耐熱溫度應(yīng)在170℃以上。在長時(shí)間使用電渦流緩速器時(shí)，應(yīng)采用低檔位和主剎車系統(tǒng)配合使用，以便獲得持久穩(wěn)定的制動(dòng)效能。

6 電渦流緩速器的應(yīng)用前景

在二級(jí)緩速器中間，電渦流緩速器作為一種安裝、使用、維護(hù)方便的輔助制動(dòng)系統(tǒng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用；和液力緩速器比較而言：其制動(dòng)迅速靈活，安裝維護(hù)方便、可靠性高；但長時(shí)間使用溫度過高，體積、重量相對較大、制動(dòng)力矩偏小等缺點(diǎn)限制了電渦流緩速器在特大型及重型車輛上的應(yīng)用。

針對以上問題，新型的電渦流緩速器應(yīng)該是制動(dòng)迅速靈活、低功耗、重量輕、體積小、散熱性能好、制動(dòng)力矩大且安裝維護(hù)方便可靠。前面介紹的幾種電渦流緩速器結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能適應(yīng)這種要求，需采用自發(fā)電、水冷和傳動(dòng)系統(tǒng)并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)設(shè)想為電渦流緩速器采用兩組線圈，一組線圈產(chǎn)生勵(lì)磁、另一組線圈處于交變磁場中產(chǎn)生感應(yīng)電流，并通過控制部分整流給勵(lì)磁線圈供電；轉(zhuǎn)子部分外圍套有水循環(huán)系統(tǒng)、和車輛散熱系統(tǒng)相連，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的熱量通過強(qiáng)制風(fēng)力作用于水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行冷卻；轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和變速器并聯(lián)，通過齒輪傳動(dòng)，使得轉(zhuǎn)子系統(tǒng)轉(zhuǎn)速提高；在采用體積小、重量輕、低功耗的定子系統(tǒng)時(shí)，因?yàn)檗D(zhuǎn)子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速提高，大大的提高了電渦流緩速器輔助制動(dòng)功率，作用于整車系統(tǒng)制動(dòng)力矩相應(yīng)提高。

由于我國變速器型號(hào)繁雜、接口各異、底盤形式多樣，在未來的幾年中，此種結(jié)構(gòu)的電渦流緩速器生產(chǎn)及批量安裝的可能性不大；此種結(jié)構(gòu)的電渦流緩速器吸收了液力緩速器優(yōu)點(diǎn)，加上其自身的特點(diǎn)使得電渦流緩速器的應(yīng)用前景得到了擴(kuò)展。