汽車液力緩速器持續(xù)制動性能研究

李超,高凱,龐應(yīng)周

(西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710077)

0 引言

汽車液力緩速器作為獨立于主制動的一種輔助制動裝置，具有制動扭矩大、制動平穩(wěn)、壽命長、體積小、制動成本低等特點，可以最大限度地減少主制動器的使用，防止長下坡路段主制動器過度使用造成制動片摩擦過熱而失效，有效保障行車安全，近年來在重型卡車和長途客車上的應(yīng)用越來越廣泛。我國山地多、坡陡且長，配備液力緩速器的車輛可以提供穩(wěn)定的持續(xù)制動力矩，保證車輛以較高車速在長下坡路段安全行駛，避免主制動長時間的頻繁使用，保障行車安全。因此，本文作者著重就液力緩速器在長下坡路段的持續(xù)制動性能進行研究，對其應(yīng)用和開發(fā)具有指導(dǎo)意義。

1 液力緩速器的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)

國內(nèi)外液力緩速器的結(jié)構(gòu)基本相同，主要由定子、轉(zhuǎn)子、熱交換器、傳動軸、緩速器殼體、控制閥等幾部分組成，如圖1所示。其中緩速器殼體一般連接于變速器后部起支撐和固定作用，同時其底部儲存油液，內(nèi)部開有孔道，便于油液循環(huán)流動；緩速器傳動軸和連接法蘭以花鍵連接，用于傳遞制動扭矩，分別連接變速器輸出軸和整車傳動軸；轉(zhuǎn)子與傳動軸緊固，同時轉(zhuǎn)動；定子與緩速器殼體緊固，固定不動；熱交換器采用油水分離結(jié)構(gòu)，利用外部冷卻液帶走油液的熱量，達到降低油液制動溫度的目的；控制閥一般安裝在液力緩速器頂部，與外部氣路連接，通過控制進入緩速器內(nèi)部氣壓的大小來控制輸出制動扭矩。

圖1 液力緩速器結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

圖2為液力緩速器的工作原理簡圖。轉(zhuǎn)子隨傳動軸時刻轉(zhuǎn)動，當(dāng)緩速器開始工作時，控制閥控制一定氣壓的空氣進入緩速器內(nèi)部，將油底殼中的油液經(jīng)過管路壓入定轉(zhuǎn)子之間，轉(zhuǎn)子帶動油液沿軸向和葉片方向高速運動，將油液甩向定子，定子固定不動，迫使油液在工作腔內(nèi)做渦旋損耗運動[2]，對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生反作用力，從而產(chǎn)生制動力矩，使車輛減速；產(chǎn)生制動力矩的同時，將車輛的動能轉(zhuǎn)化為熱能，具體表現(xiàn)為高溫高壓的油液，這些油液經(jīng)過管道流入熱交換器冷卻降壓后再流回油底殼，熱量被冷卻液帶走；如此循環(huán)往復(fù)，持續(xù)產(chǎn)生制動力矩，直至主動關(guān)閉緩速器或者達到整車最大散熱能力而自動解除緩速器工作為止。

圖2 液力緩速器工作原理

2 液力緩速器的整車匹配

液力緩速器一般直接安裝于變速器后部，如圖3所示，緩速器傳動軸與變速器輸出軸連接，緩速器輸出法蘭與整車傳動軸法蘭連接；氣路取自整車輔助氣路，建議從四回路保護閥的24口取氣，同時在氣路中增加獨立的空氣濾清器、開關(guān)氣路截止閥和獨立儲氣罐；緩速器控制器從整車電路取電，向整車CAN總線傳遞相關(guān)信息，同時還要讀取發(fā)動機轉(zhuǎn)速和控制制動燈；緩速器與發(fā)動機共用一套冷卻系統(tǒng)，采用先冷卻發(fā)動機后冷卻緩速器的方式，對整車?yán)鋮s水路進行適當(dāng)?shù)母脑旌蛢?yōu)化。

圖3 液力緩速器安裝和冷卻水路連接示意

整車匹配液力緩速器后，其整車散熱能力沒有改變，緩速器持續(xù)制動過程中產(chǎn)生的大量熱量需要通過整車散熱系統(tǒng)消化，必須在整車散熱系統(tǒng)的能力范圍內(nèi)，才可以保證緩速器正常工作。如果緩速器持續(xù)制動產(chǎn)生的熱量大于整車的最大散熱能力，則會出現(xiàn)冷卻液開鍋、緩速器制動油溫過高等現(xiàn)象，緩速器必須退出工作，優(yōu)先保證發(fā)動機的正常工作。因此，必須對緩速器出水溫度和油溫進行實時監(jiān)測，制定其恒速控制策略：

(1)冷卻液溫度大于108 ℃，緩速器退出工作；

(2)緩速器油溫大于180 ℃，緩速器退出工作；

(3)設(shè)定坡道行駛車速為v，當(dāng)實時車速大于v，緩速器工作(必須在保證1、2條的前提下)；當(dāng)實時車速小于v，緩速器不工作；

(4)緩速器工作過程中，使用主制動，緩速器自動退出工作。

3 持續(xù)制動試驗

3.1 試驗平臺構(gòu)建

為了有效控制試驗準(zhǔn)確性和便于實時監(jiān)測，此次試驗采用臺架試驗?zāi)M整車緩速器制動過程。試驗臺結(jié)構(gòu)與原理如圖4所示，驅(qū)動電機輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，負載電機接收制動功率和轉(zhuǎn)矩，通過試驗臺PC控制設(shè)備的運行并測量相關(guān)數(shù)據(jù)，緩速器采用獨立水冷的方式，散熱器和風(fēng)扇采用濰柴原裝WP12-375發(fā)動機部件，水箱和水泵的選取與整車相同，測試臺架相關(guān)參數(shù)見表1。

圖4 緩速器試驗臺結(jié)構(gòu)與原理

組件參數(shù)驅(qū)動電機額定功率800 kW,最高轉(zhuǎn)速大于5 000 r/min變速器12擋變速器,掛直接擋,速比為1緩速器額定扭矩4 000 N·m,4擋控制負載電機額定功率800 kW扭矩傳感器量程0～10 000 N·m轉(zhuǎn)速傳感器量程0～5 000 r/min控制和采集PC戴爾工作站W(wǎng)in7-64bit測試軟件緩速器專用測試軟件試驗臺設(shè)定負載44×104 N

3.2 試驗方法與結(jié)果

3.2.1 緩速器制動特性試驗

檢查試驗臺各部件連接可靠，水、電、氣等連接正確，啟動驅(qū)動電機，使其轉(zhuǎn)速保持在2 500 r/min，設(shè)定時間60 s，緩速器分別啟動制動1、2、3、4擋，測試60 s內(nèi)緩速器轉(zhuǎn)速從2 500 r/min勻速降至0的制動力矩曲線和制動功率曲線，結(jié)果如圖5、圖6所示：緩速器各擋制動曲線均在起始階段迅速上升至最高點(轉(zhuǎn)速800～1 100 r/min時)，后有一小落差后，制動扭矩保持穩(wěn)定；緩速器制動功率隨著轉(zhuǎn)速上升而上升，最大功率700 kW，遠遠超過了整車設(shè)計散熱功率，因此制動功率較大時油溫、水溫會急劇上升，無法在較大功率范圍內(nèi)保持恒速下坡行駛。

圖5 緩速器各擋特性曲線

圖6 緩速器制動功率曲線

3.2.2 緩速器持續(xù)制動熱平衡試驗

設(shè)車輪直徑為1.2 m，主減速器速比為4.42，分別計算車速為30、40、50、60 km/h時，對應(yīng)的緩速器轉(zhuǎn)速。檢查水、電、氣連接是否正常，設(shè)置負載44×104N，驅(qū)動電機分別保持車速30、40、50、60 km/h時對應(yīng)的緩速器運行工況，緩速器至最高擋，連續(xù)運行12 min[5]，測量緩速器恒速制動功率，觀察緩速器是否能夠連續(xù)工作12 min。測試數(shù)據(jù)見表2，從試驗結(jié)果可以看出：緩速器在最大制動擋位時，可保持40 km/h以內(nèi)恒速下長坡行駛，車速大于50 km/h時，因整車散熱功率不能滿足緩速器散熱要求而使緩速器被迫退出。

表2 緩速器持續(xù)制動熱平衡試驗數(shù)據(jù)表

4 結(jié)論

液力緩速器是通過攪動工作腔中的油液做渦流作用而產(chǎn)生制動扭矩的，其制動扭矩的大小取決于工作腔中油液的體積和緩速器轉(zhuǎn)速。液力緩速器制動過程是將車輛的動能轉(zhuǎn)化為熱能，會產(chǎn)生大量的熱量，需要依靠整車散熱系統(tǒng)進行散熱；因此，整車匹配液力緩速器需對整車散熱系統(tǒng)進行適當(dāng)?shù)母难b，采取先冷卻發(fā)動機后冷卻緩速器的方式進行布置，冷卻水路要合理布置，可以適當(dāng)加大散熱水箱容積和水泵流量，以提高整車散熱能力，保證緩速器以較高的車速連續(xù)下坡，提高運輸效率。