載運(yùn)掛車液力緩速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

吳 磊，方 沂，王旭龍，董克建

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津 300222）

隨著我國(guó)汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，公路交通運(yùn)輸在路上運(yùn)輸?shù)谋壤鹉暝龃?，已?jīng)成為我國(guó)主要的路上運(yùn)輸方式。在資源豐富的山區(qū)和繁忙的碼頭，貨物的運(yùn)送基本依靠重型載運(yùn)汽車來(lái)實(shí)現(xiàn)。載運(yùn)掛車具有實(shí)載率高、承載能力強(qiáng)、駕駛員配置少、人工費(fèi)用低、物流成本低、高度集約化等特點(diǎn)，使得載運(yùn)掛車在貨物的長(zhǎng)途運(yùn)送中占舉足輕重的地位。隨著載運(yùn)掛車數(shù)量在貨物運(yùn)送中的增加，其在公路上發(fā)生的交通事故也隨之增加。載運(yùn)掛車承載重、體積大、慣性大，在其發(fā)生的車禍中往往會(huì)造成重大的人員生命和財(cái)產(chǎn)損失。在這些交通事故中，由于載運(yùn)掛車的制動(dòng)失靈而引起的車禍占很大比例[1]。載運(yùn)掛車在長(zhǎng)途運(yùn)送過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遭遇到長(zhǎng)下坡，駕駛員需要頻繁地踩制動(dòng)踏板，制動(dòng)蹄和制動(dòng)鼓頻繁摩擦，溫度升高，磨損增加。如果制動(dòng)蹄和制動(dòng)鼓經(jīng)常在這樣的環(huán)境下工作，載運(yùn)掛車的制動(dòng)系統(tǒng)很容易產(chǎn)生制動(dòng)失靈。單純依靠制動(dòng)蹄和制動(dòng)鼓之間的摩擦并不能滿足載運(yùn)掛車安全降速的要求，所以要想載運(yùn)掛車在長(zhǎng)下坡時(shí)安全降速就必須采用輔助制動(dòng)裝置。本文對(duì)載運(yùn)掛車液力緩速器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步的設(shè)計(jì)。

1 液力緩速器的組成及工作方式

1.1 液力緩速器組成

液力緩速器系統(tǒng)主要由操縱系統(tǒng)、電子控制單元、供油系統(tǒng)、冷卻散熱系統(tǒng)、緩速器本體結(jié)構(gòu)等組成[2]。液力緩速器的本體由泵輪、渦輪、驅(qū)動(dòng)軸、液力緩速器殼體、進(jìn)出油口、軸承閥片等部分組成，如圖1所示。

圖1 液力緩速器的結(jié)構(gòu)組成圖

1.2 液力緩速器的工作方式

當(dāng)車輛在長(zhǎng)下坡路況下行駛時(shí)，駕駛員操縱控制手柄，車輛的電子控制單元接受信號(hào)，控制電磁閥動(dòng)作使壓縮空氣進(jìn)入儲(chǔ)油箱。儲(chǔ)油箱在空氣壓縮作用下將油液壓入液力偶合器工作腔中。液力偶合器的工作腔充滿了油液，液力緩速器的傳動(dòng)軸和偶合器的泵輪聯(lián)接。傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)輸出動(dòng)力，偶合器的泵輪隨著傳動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)攪動(dòng)工作腔中的油液，在泵輪的作用力下油液產(chǎn)生離心力。離心力迫使油液由泵輪甩向渦輪，渦輪對(duì)油液產(chǎn)生反作用，油液從渦輪流出沖擊泵輪。這樣渦輪對(duì)泵輪就形成了阻力矩，阻礙泵輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使得車輛緩速。工作油液在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中形成進(jìn)出口壓力差，油液循環(huán)流動(dòng)，通過(guò)熱交換器時(shí)熱量被帶走，其工作原理如圖2所示[3-4]。

圖2 液力緩速器的工作原理圖

2 液力緩速器的設(shè)計(jì)流程及制動(dòng)力矩

2.1 載運(yùn)掛車液力緩速器的整體設(shè)計(jì)流程

液力緩速器設(shè)計(jì)過(guò)程中首先要確定整體設(shè)計(jì)流程及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。對(duì)于載運(yùn)掛車而言，由于它本身并沒有動(dòng)力元件和驅(qū)動(dòng)裝置，只能依靠牽引車牽引行駛。所以掛車液力緩速器的位置布置并不能像普通車輛的液力緩速器一樣布置在變速器的輸入/輸出軸上。這就需要根據(jù)載運(yùn)掛車的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)液力緩速器布置位置進(jìn)行設(shè)計(jì)。載運(yùn)掛車在80 km/h時(shí)速行駛時(shí)，車輪的轉(zhuǎn)速約為430 r/min，車輪的轉(zhuǎn)速不能滿足液力緩速器工作輪轉(zhuǎn)速的要求。在對(duì)緩速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，還需要設(shè)計(jì)一套增速裝置來(lái)滿足工作輪對(duì)轉(zhuǎn)速要求。后期還需要對(duì)設(shè)計(jì)的液力緩速器機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和動(dòng)力學(xué)分析，最后制作出一臺(tái)樣機(jī)。整體設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 載運(yùn)掛車液力緩速器整體設(shè)計(jì)流程

2.2 液力緩速器制動(dòng)力矩

制動(dòng)力矩是影響液力緩速器的重要參數(shù)，制動(dòng)力矩的大小由泵輪、渦輪的有效工作直徑、葉片數(shù)目、葉片前傾角等參數(shù)決定。制動(dòng)力矩T計(jì)算公式[5]如下：

式中：ρ為工作油液的密度；g為重力加速度；λT為制動(dòng)力矩系數(shù)；n為泵輪的轉(zhuǎn)速；D為泵輪、渦輪的有效工作直徑。

從式（1）中可以看出，液力緩速器制動(dòng)力矩與工作油液的密度、制動(dòng)力矩系數(shù)成正比。液力緩速器制動(dòng)力矩還與泵輪的轉(zhuǎn)速和泵輪、渦輪的有效工作直徑分別成二次方和五次方關(guān)系。因此，若想提高液力緩速器的制動(dòng)力矩就需要選擇合理的工作油液，合理地布置液力緩速器在重型載運(yùn)掛車上的位置，并利用相應(yīng)的位置空間和力，設(shè)計(jì)液力緩速器的結(jié)構(gòu)。

3 液力緩速器系統(tǒng)整體布局及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 載運(yùn)掛車液力緩速器布置位置選擇

德國(guó)VOITH、美國(guó)ZF、法國(guó)telma在液力緩速器市場(chǎng)上占有一定的比例[6]。這些公司生產(chǎn)的液力緩速器主要應(yīng)用于長(zhǎng)途大型客車及載運(yùn)大貨車。液力緩速器的布置方式大致可以分為2種，即串聯(lián)式液力緩速器和并聯(lián)式液力緩速器。串聯(lián)式液力緩速器如圖4所示。它是將液力緩速器布置在變速器的后方，即變速器與液力緩速器同傳動(dòng)軸保持軸線一致。并聯(lián)式液力緩速器如圖5所示。它是將變速器與液力緩速器布置在不相同的軸線上，變速器和液力緩速器并聯(lián)安裝[7]。

圖4 串聯(lián)式液力緩速器布置位置

圖5 并聯(lián)式液力緩速器布置位置

對(duì)于載運(yùn)掛車來(lái)說(shuō)以上安裝方式并不適合。由于載運(yùn)掛車在長(zhǎng)下坡時(shí)慣性力主要源自車身后部載重貨物，當(dāng)掛車在長(zhǎng)下坡制動(dòng)時(shí)剎車系統(tǒng)產(chǎn)生的制動(dòng)力矩與車身的慣性相互作用迫使車輛減速。車輛行駛過(guò)程中的重心在車身后部，如果制動(dòng)力矩在車身前產(chǎn)生，這樣就會(huì)使得載重的貨物頂著車頭行駛，車頭產(chǎn)生的制動(dòng)力矩迫使后方的載運(yùn)貨物降速。在這樣的情況下，車身穩(wěn)定性下降容易出現(xiàn)危險(xiǎn)狀況。所以載運(yùn)掛車液力緩速器的布置位置需要重新設(shè)計(jì)。載運(yùn)掛車制動(dòng)時(shí)，如果使制動(dòng)力矩在載運(yùn)掛車的車身后部產(chǎn)生，這就可以提高載運(yùn)掛車在制動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性。載運(yùn)掛車車身后部有多組車輪，且掛車的車輪輪轂內(nèi)有一定的空間，以東風(fēng)天龍半掛車DFL418A2為例，經(jīng)實(shí)地測(cè)繪，該掛車配套輪輞可利用的徑向空間尺寸為498 mm，軸向尺寸空間為250 mm。如果將液力緩速器布置在車身兩側(cè)車輪輪輞內(nèi)，既可以節(jié)省空間，又可以增強(qiáng)車輛在長(zhǎng)下坡制動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性。載運(yùn)掛車整體布局設(shè)計(jì)如圖6所示。

3.2 液力緩速器增速機(jī)構(gòu)及渦輪反轉(zhuǎn)的設(shè)計(jì)

載運(yùn)掛車液力緩速器安裝在掛車非驅(qū)動(dòng)橋車輪輪轂內(nèi)。由于車輪的轉(zhuǎn)速較低達(dá)不到液力緩速器工作所需要的轉(zhuǎn)速，所以需要設(shè)計(jì)一套液力緩速器增速裝置以滿足液力緩速器對(duì)泵輪轉(zhuǎn)速的要求。

圖6 載運(yùn)掛車液力緩速器整體布局

根據(jù)液力緩速器的布置位置空間及結(jié)構(gòu)尺寸要求，將增速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成一種單級(jí)行星增速機(jī)構(gòu)，如圖7所示。液力緩速器的渦輪與齒圈相聯(lián)，泵輪與太陽(yáng)輪相聯(lián)。液力緩速器不工作時(shí)，齒圈隨車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，行星架不固定，太陽(yáng)輪在主軸上空轉(zhuǎn)。當(dāng)液力緩速器工作時(shí)，行星架固定不動(dòng)，齒圈輸入，太陽(yáng)輪輸出。太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)速增加，泵輪隨著太陽(yáng)輪增速而增速。工作過(guò)程中行星架固定不動(dòng)，齒圈和太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)向相反，這就實(shí)現(xiàn)了渦輪反轉(zhuǎn)。將液力緩速器設(shè)計(jì)成渦輪反轉(zhuǎn)，不僅可以提高泵輪和渦輪相對(duì)速度，而且還可以提高轉(zhuǎn)矩系數(shù)和制動(dòng)力矩等相關(guān)參數(shù)。

圖7 液力緩速器增速單級(jí)行星增速機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3.3 載運(yùn)液力緩速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

載運(yùn)掛車液力緩速器布置在車輪輪轂內(nèi)，其結(jié)構(gòu)組成如圖8所示。

圖8 載運(yùn)掛車液力緩速器結(jié)構(gòu)圖

由圖8可見，液力緩速器的主軸通過(guò)螺紋與掛車的軸頭連接。掛車車輪通過(guò)驅(qū)動(dòng)叉與渦輪及殼體連接，它們以同一速度轉(zhuǎn)動(dòng)。掛車正常行駛時(shí)液力緩速器不工作，車輪帶動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，行星架不固定，泵輪在主軸上空轉(zhuǎn)，泵輪和渦輪之間不產(chǎn)生相互作用力。當(dāng)液力緩速器工作時(shí)，油泵將油液泵入工作腔內(nèi)，離合器將行星增速機(jī)構(gòu)的行星架固定，泵輪通過(guò)增速機(jī)構(gòu)加速旋轉(zhuǎn)將油液甩向渦輪，對(duì)渦輪產(chǎn)生阻力矩，阻止渦輪高速旋轉(zhuǎn)。渦輪與車輪聯(lián)接將反作用力傳遞給車輪，從而實(shí)現(xiàn)載運(yùn)掛車的緩速。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套適于載運(yùn)掛車的液力緩速器結(jié)構(gòu)，該設(shè)計(jì)對(duì)液力緩速器的安裝位置進(jìn)行了合理的布置，重點(diǎn)設(shè)計(jì)和研究了液力緩速器的結(jié)構(gòu)及其工作方式，為今后液力緩速器的油路布置、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及三維建模打下了基礎(chǔ)。

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