汽車用電液緩速器性能特點(diǎn)及選擇

顧振華

(揚(yáng)州安行機(jī)電科技公司，江蘇揚(yáng)州 225000)

汽車用電液緩速器性能特點(diǎn)及選擇

顧振華

(揚(yáng)州安行機(jī)電科技公司，江蘇揚(yáng)州 225000)

比較電液緩速器與已有緩速器的性能，分析電液緩速器工作原理及對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)價(jià)的指標(biāo)：最大制動(dòng)力矩、熱衰退率、響應(yīng)時(shí)間。介紹電液緩速器的磁路結(jié)構(gòu)，線圈組件，電液緩速器水冷系統(tǒng)，產(chǎn)品編號(hào)規(guī)則，電液緩速器安裝的變速箱前置緩速器結(jié)構(gòu)、變速箱后置緩速器結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)軸中置式緩速器結(jié)構(gòu)型式，通過列表求解，得到選擇車輛所需電液緩速器制動(dòng)力矩和制動(dòng)功率。

電液緩速器；評(píng)價(jià)指標(biāo)；選型

0　引言

目前緩速器在國(guó)外已作為汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置， 國(guó)內(nèi)僅僅在部分大型客車上安裝使用， 貨車安裝緩速器的比例很小。隨著國(guó)家強(qiáng)制安裝輔助制動(dòng)裝置標(biāo)準(zhǔn)的頒布以及商用車輛和掛車制動(dòng)系技術(shù)要求及試驗(yàn)方法的頒布，對(duì)輔助制動(dòng)裝置本身提出明確的硬性要求。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的自勵(lì)式緩速器制動(dòng)力矩小，制動(dòng)力矩衰退嚴(yán)重，不能完全滿足車輛在山區(qū)道路以及平路的制動(dòng)需求。而液力緩速器產(chǎn)品技術(shù)要求高、結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，主要依靠進(jìn)口，空損力矩較大，成本較高，而且低速時(shí)制動(dòng)性能較差，難以滿足客車和貨車持續(xù)制動(dòng)以及大功率制動(dòng)的要求。因此新型的電液緩速器在提高車輛制動(dòng)性能和安全性、防止因主制動(dòng)系失效產(chǎn)生交通事故等方面具有重要意義。

1　電液緩速器的性能簡(jiǎn)介

電液緩速器也稱雙凸極液冷緩速器，是新型電渦流緩速器加水冷結(jié)構(gòu)組成。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)：國(guó)內(nèi)緩速器市場(chǎng)中95%以上都是使用電渦流緩速器，現(xiàn)在在大型客車上已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。但是這種風(fēng)冷緩速器由于采用的是空氣冷卻，在使用一段時(shí)間或者長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)，緩速器的熱衰退現(xiàn)象嚴(yán)重。而且空冷緩速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜且維護(hù)不便。這些問題使得這種傳統(tǒng)的電渦流緩速器難以滿足大型貨車長(zhǎng)時(shí)間制動(dòng)對(duì)緩速器的要求。

針對(duì)當(dāng)前這種緩速器的問題，北京工業(yè)大學(xué)的李德勝教授帶領(lǐng)的課題組中，提出了一種雙凸極構(gòu)造的電磁電液緩速器，該結(jié)構(gòu)形式的緩速器使用液體冷卻方式，轉(zhuǎn)子的形狀如兩個(gè)齒狀的圓盤，使緩速器磁路中包含兩個(gè)凸極。電液緩速器是一種特殊的電渦流緩速器，其工作原理與電渦流緩速器的類似。從能量的角度來說，電液緩速器的工作原理是將汽車的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，通過水道中的循環(huán)冷卻液將緩速器產(chǎn)生的熱量帶走，從而實(shí)現(xiàn)減速的目的，其三維機(jī)構(gòu)如圖1所示。

電液緩速器與已有的緩速器相比較，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)電液緩速器是目前緩速器中結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單的緩速器，僅由轉(zhuǎn)子、定子和線圈3種結(jié)構(gòu)組成，裝配簡(jiǎn)單且質(zhì)量小。定子安裝在緩速器結(jié)構(gòu)的最外側(cè)，半徑增加了，制動(dòng)力矩也隨之增大，轉(zhuǎn)子安裝在緩速器的內(nèi)側(cè)，使其不易與其他零件發(fā)生摩擦，安全性能更高。

(2)電液緩速器動(dòng)能轉(zhuǎn)化的熱能都集中在定子內(nèi)表面上，而定子內(nèi)有水道，能及時(shí)地將熱量帶走，降低緩速器溫度，熱衰退小。

(3)電液緩速器比液力緩速器成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；比電渦流緩速器質(zhì)量輕，熱衰退??；比永磁緩速器成本低，制動(dòng)力矩大。

電液緩速器性能比較如表1所示。

表1　電液緩速器性能對(duì)比

2　電液緩速器工作原理

如圖2所示，當(dāng)轉(zhuǎn)子隨著連接的傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，固定在定子套上的通電線圈相對(duì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，因此緩速器的轉(zhuǎn)子內(nèi)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，定子切割轉(zhuǎn)子凸極產(chǎn)生的磁力線在定子內(nèi)表面產(chǎn)生渦流，生成阻礙車輛行駛的制動(dòng)力矩。

緩速器的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子與定子氣隙間的磁通密度也將產(chǎn)生周期性的變化。此時(shí)，定子內(nèi)表面將產(chǎn)生渦流，而渦流形成的磁場(chǎng)與氣隙間的磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生制動(dòng)力矩，阻礙轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，起到輔助制動(dòng)的效果。電渦流在定子內(nèi)表面流動(dòng)時(shí)，由于定子的電阻，電能會(huì)轉(zhuǎn)化成熱能，因此汽車的動(dòng)能將轉(zhuǎn)化成熱能，并通過定子水道內(nèi)的液體帶走。

根據(jù)楞次定律可知：渦流在定子內(nèi)表面產(chǎn)生新的磁場(chǎng)，與之前線圈通電在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用，阻礙轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而產(chǎn)生制動(dòng)力矩使車輛減速；當(dāng)緩速器不工作時(shí)，線圈不通電流，緩速器的轉(zhuǎn)子不會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，因此，定子內(nèi)表面也就不會(huì)產(chǎn)生渦流，即不會(huì)產(chǎn)生制動(dòng)力矩。

由于電液緩速器為電渦流緩速器的一種，對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)參考電渦流緩速器的評(píng)價(jià)指標(biāo)：最大制動(dòng)力矩、熱衰退率、響應(yīng)時(shí)間。

(1)最大制動(dòng)力矩。由于在汽車平路緊急制動(dòng)和陡坡制動(dòng)時(shí)所需的減速度較大，故而需要緩速器提供很大的制動(dòng)力矩，從而對(duì)汽車的特殊制動(dòng)做出及時(shí)的反應(yīng)。所以最大制動(dòng)力矩是衡量緩速器制動(dòng)能力的重要指標(biāo)。

為了能更加清楚地了解電液緩速器的制動(dòng)力矩大小與各設(shè)計(jì)參數(shù)之間的關(guān)系，可以先對(duì)其進(jìn)行理論推導(dǎo)，然后進(jìn)行仿真分析加以驗(yàn)證。

(2)熱衰退率。由于緩速器較長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)引起制動(dòng)力矩持續(xù)下降，即熱衰退，由于熱衰退是緩速器制動(dòng)力矩下降的一個(gè)重要現(xiàn)象，也是影響緩速器制動(dòng)性能的重要指標(biāo)。熱衰退率越小，緩速器持續(xù)制動(dòng)性能越穩(wěn)定，熱衰退率Fs計(jì)算公式為：

(1)

式中：Fs為熱衰退率(%)；

Tmax為制動(dòng)過程中產(chǎn)生的最大制動(dòng)力矩值(N·m)；

Te為制動(dòng)結(jié)束時(shí)產(chǎn)生的制動(dòng)力矩值(N·m)。

(3)響應(yīng)時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間是指從緩速器開始制動(dòng)到產(chǎn)生最大制動(dòng)力矩值的時(shí)間差。響應(yīng)時(shí)間是衡量緩速器靈敏程度、反映汽車緊急制動(dòng)的重要指標(biāo)。較短的響應(yīng)時(shí)間能夠保證汽車在處理緊急剎車和陡坡制動(dòng)中的安全問題。

3　電液緩速器的結(jié)構(gòu)

從上文可知，電液緩速器由轉(zhuǎn)子、定子和線圈3種結(jié)構(gòu)組成，轉(zhuǎn)子、定子組成一個(gè)工作磁路，裝配簡(jiǎn)單且質(zhì)量小。

3.1磁路

電液緩速器的磁路形式為緩速器的轉(zhuǎn)子為凸極構(gòu)造的齒形結(jié)構(gòu)，磁力線在轉(zhuǎn)子盤上會(huì)分開從各個(gè)齒經(jīng)過氣隙到達(dá)緩速器定子的內(nèi)壁，氣隙中的磁力線垂直于緩速器轉(zhuǎn)子外圓面和緩速器定子內(nèi)圓面。

轉(zhuǎn)子和定子以轉(zhuǎn)速n相對(duì)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)定子未發(fā)生磁飽和時(shí)，整個(gè)磁路系統(tǒng)為線性，氣隙磁場(chǎng)可由渦流磁場(chǎng)和勵(lì)磁磁場(chǎng)應(yīng)用疊加原理得到。渦流磁場(chǎng)對(duì)勵(lì)磁磁場(chǎng)的去磁作用和增磁作用恰好相同，緩速器中電磁場(chǎng)一般設(shè)計(jì)成飽和狀態(tài)。考慮到磁飽和時(shí)，增磁邊將使該部分磁極的磁飽和程度提高、磁導(dǎo)率減小，從而使該處實(shí)際的氣隙磁場(chǎng)比不計(jì)飽和時(shí)略弱；去磁邊實(shí)際的氣隙磁場(chǎng)則與不計(jì)飽和時(shí)基本一致，因此緩速器工作時(shí)比靜態(tài)時(shí)每個(gè)磁極下的磁通量有所減少，表現(xiàn)出一定的去磁效應(yīng)。

為了提高緩速器的制動(dòng)性能，在建立緩速器電磁場(chǎng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模擬的方法求解緩速器電磁場(chǎng)方程。采用參數(shù)化方法，分析定子和轉(zhuǎn)子材料的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率對(duì)制動(dòng)性能的影響，并結(jié)合上述電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率的分析，找到定子和轉(zhuǎn)子最佳使用方式。

3.2線圈組件

需保證線圈能提供合適的磁動(dòng)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)緩速器的制動(dòng)功能。線圈結(jié)構(gòu)由線圈支架及線圈組成，線圈的參數(shù)有線徑、層數(shù)、匝數(shù)，在給定的條件下，計(jì)算滿足使用功能條件的最佳匝數(shù)和層數(shù)匹配。線圈結(jié)構(gòu)如圖3所示。

(1)程序開發(fā)。以LabVIEW 2011程序?yàn)殚_發(fā)平臺(tái)，開發(fā)線圈結(jié)構(gòu)計(jì)算程序，如圖4所示。

(2)在界面中給定條件欄中填寫相關(guān)數(shù)據(jù)，填寫完成后點(diǎn)擊頁面左上角右箭頭，程序開始運(yùn)行，待頁面左上角紅色按鈕非使能(顏色變淺)，程序運(yùn)行結(jié)束，界面如圖4所示。若輸出狀態(tài)此時(shí)顯示“計(jì)算已完成！”，表明計(jì)算結(jié)果已正確輸出。如輸出狀態(tài)此時(shí)顯示“沒有滿足條件參數(shù)。請(qǐng)重新計(jì)算！”，表明無計(jì)算結(jié)果(表格中顯示為上次計(jì)算結(jié)果)。

3.3電液緩速器水冷系統(tǒng)

緩速器冷卻循環(huán)系統(tǒng)如圖5所示。冷卻液在發(fā)動(dòng)機(jī)與緩速器冷卻循環(huán)系中的循環(huán)路徑為：冷卻液在水泵壓力的作用下從發(fā)動(dòng)機(jī)水套壁流過并從水套壁吸收熱而升溫經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)出水口，然后流入緩速器定子水套。若緩速器工作則將熱交換器的熱量帶走，然后流入節(jié)溫器。若冷卻液的溫度小于80 ℃，則節(jié)溫器的閥門關(guān)閉即按發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系小循環(huán)路徑經(jīng)水泵回到發(fā)動(dòng)機(jī)的回水口，如此循環(huán)下去。當(dāng)冷卻液的溫度大于80 ℃時(shí)，節(jié)溫器的閥門開啟，按發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系大循環(huán)路徑，冷卻液從水套壁周圍流過并從水套壁吸收熱量，經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)出水口，然后流入緩速器定子水套后流入節(jié)溫器，然后冷卻液經(jīng)散熱器進(jìn)水軟管流入散熱器；在散熱器中，冷卻液向流過散熱器周圍的空氣散熱而降溫，最后冷卻液經(jīng)散熱器出水軟管返回水泵，如此循環(huán)不已。此方案考慮了發(fā)動(dòng)機(jī)的大、小循環(huán)，而且節(jié)溫器也發(fā)揮了溫度調(diào)節(jié)作用。

4　電液緩速器的選擇

4.1產(chǎn)品編號(hào)規(guī)則

產(chǎn)品編號(hào)規(guī)則如圖6所示。

范例：如ABH21，代表安行公司后置式緩速器，制動(dòng)力矩為2 100 N·m，接口為A型。

4.2電液緩速器的安裝方式

電液緩速器可以安裝在汽車的各個(gè)部位。選用不同的位置進(jìn)行安裝時(shí)，所需要的制動(dòng)力矩也就不一樣。緩速器的安裝方式如圖7所示。對(duì)于貨車，電液緩速器一般都是安裝在傳動(dòng)軸中間或者變速器之前；對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)后置的客車，緩速器一般裝在變速器后端蓋上；對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)后置短軸牽引車，緩速器可裝在主減速器上。選擇的結(jié)構(gòu)型式包括變速箱前置緩速器結(jié)構(gòu)、變速箱后置緩速器結(jié)構(gòu)和中置式緩速器結(jié)構(gòu)。散熱方式需要考慮不同車輛的散熱能力，分為與發(fā)動(dòng)機(jī)散熱系統(tǒng)串聯(lián)和加裝獨(dú)立水箱兩種。

4.3電液緩速器的選擇

當(dāng)采用電液緩速器為汽車輔助制動(dòng)裝置的時(shí)候，除了考慮其空間布置和散熱能力以外，還應(yīng)重點(diǎn)考慮電液緩速器所產(chǎn)生的制動(dòng)力矩能否和汽車的減速要求相匹配。

(1)緩速器制動(dòng)力矩選取不是越大越好，不能過大使輪胎在地面打滑。電液緩速器的最大制動(dòng)力矩計(jì)算公式如下：

(2)

式中：Tmax為電磁電液緩速器的最大制動(dòng)力矩；G為汽車重力；φ為路面附著系數(shù)；r為輪胎滾動(dòng)半徑；i0為汽車的主減速器傳動(dòng)比；L為汽車軸距；a為汽車質(zhì)心至前軸中心線的距離；hg為汽車質(zhì)心高度；du/dt為汽車的減加速度；g為重力加速度。

(2)電液緩速器制動(dòng)力矩(功率)應(yīng)與整車匹配的計(jì)算依據(jù)。GB12676-1999關(guān)于緩速器制動(dòng)性能試驗(yàn)中規(guī)定：對(duì)于M3類和N3類車輛，滿載車輛輸入的能量必須相當(dāng)于在相同時(shí)間內(nèi)，以30 km/h的平均速度(變速器處于適當(dāng)?shù)膿跷?在6%的坡道上，下坡行駛6 km所具有的能量；對(duì)于總質(zhì)量大于10 000 kg的非城市客車中的M3類客車，滿載車輛輸入的能量必須相當(dāng)于在相同時(shí)間內(nèi)，以30 km/h的平均速度(變速器處于適當(dāng)?shù)膿跷?在7%的坡道上，下坡行駛6 km所具有的能力。試驗(yàn)中，不得使用行車制動(dòng)、應(yīng)急制動(dòng)和駐車制動(dòng)。

按照上面的標(biāo)準(zhǔn)，作者以北汽福田生產(chǎn)的BJ5313VNCJJ-S型貨車為例，選取后橋的減速比i為4.8，輪胎半徑r為0.5 m，在汽車的行駛速度v為30 km/h、轉(zhuǎn)速n為760 r/min時(shí)，可求得該車輛標(biāo)準(zhǔn)滿載總質(zhì)量為35 t，故需配備制動(dòng)力矩T為1 750 N·m的電液緩速器。通過列表求解，可做成表2所示的車輛所需制動(dòng)力矩和制動(dòng)功率表。

表2　車輛所需制動(dòng)力矩和制動(dòng)功率

(3)綜上所述，對(duì)于能夠提供持續(xù)穩(wěn)定的電液緩速器來說，汽車的行駛速度在30 km/h時(shí)，緩速器制動(dòng)力矩的整車匹配關(guān)系如表2所示，即可以滿足緩速器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。但是在實(shí)際的使用中，特別是當(dāng)客車對(duì)緩速器有短距離制動(dòng)和頻繁制動(dòng)的要求時(shí)，制動(dòng)的加速度在小于0.6 m/s2時(shí)，駕駛員應(yīng)該感覺不到明顯的緩速器制動(dòng)效果。對(duì)于大噸位的貨車，緩速器的匹配關(guān)系完全可以按照表2進(jìn)行選型；而對(duì)于客車的緩速器選型，一般設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該適當(dāng)增大緩速器的制動(dòng)力矩，使加速度能夠符合0.6 m/s2≤a≤1 m/s2，從而滿足駕駛員對(duì)輔助制動(dòng)的要求。

5　結(jié)束語

為了克服車輛在連續(xù)制動(dòng)時(shí)出現(xiàn)主制動(dòng)系統(tǒng)磨損嚴(yán)重以及輔助制動(dòng)系熱衰退問題，增加車輛行駛的安全性，尤其在我國(guó)山區(qū)道路居多、長(zhǎng)下坡等客觀條件下，選用電液緩速器能滿足車輛連續(xù)制動(dòng)需求，降低車輛制動(dòng)系統(tǒng)的使用成本，提高我國(guó)客車、貨車產(chǎn)品的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，意義重大。從國(guó)外緩速器發(fā)展歷程看， 新型高科技的緩速器必然替代電渦流緩速器； 從國(guó)內(nèi)重載貨車緩速器市場(chǎng)看，適合中國(guó)國(guó)情的高性價(jià)比的電液緩速器產(chǎn)品性能優(yōu)良，對(duì)于打破國(guó)外產(chǎn)品的壟斷地位和增強(qiáng)國(guó)產(chǎn)汽車技術(shù)意義重大。

【1】葉樂志,李德勝,王躍宗,等.先進(jìn)汽車緩速器理論與實(shí)驗(yàn)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2013.

【2】顧振華.雙凸極液冷緩速器線圈設(shè)計(jì)研究[J].汽車工藝師,2015(4):91-92.

Electro Hydraulic Retarder Performance Characteristics and Selection for Automobile

GU Zhenhua

(Yangzhou Anxing Electromechanical Technology Co., Ltd., Yangzhou Jiangsu 225000,China)

The performance of electro hydraulic retarder was compared with that of existing retarder.The electro hydraulic retarder working principle and the performance evaluation indexes: maximum braking torque, thermal recession rate and response time were analyzed.Magnetic structure of electro hydraulic retarder,the coil assembly, electro hydraulic retarder water-cooling system, product numbering rule, electro hydraulic retarder mounting gear box front brake structure, transmission rear retarder structure and transmission shaft built-in retarder structure type were introduced. Through list calculation, braking torque and braking power of the electro hydraulic retarder needed in the vehicle selection were gotten.

Electro hydraulic retarder; Evaluation index; Selection

2015-06-04

顧振華，男，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槠嚲徦倨?。E-mail：370318836@qq.com。