汽車電渦流緩速器的設(shè)計與計算

關(guān)紹文 羅杰 李杰

摘 要：分析國內(nèi)汽車電渦流緩速器開發(fā)現(xiàn)狀，提出先進的設(shè)計手段是自主開發(fā)的保障。設(shè)定設(shè)計輸入狀態(tài)，再經(jīng)過理論分析推導符合制動轉(zhuǎn)矩的確定緩速器結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的公式，全面考慮設(shè)計步驟、因素，是設(shè)計開發(fā)電渦流緩速器的基本條件。

關(guān)鍵詞：設(shè)計 計算 緩速器 結(jié)構(gòu)尺寸 參數(shù)

1 概述

目前，國內(nèi)只有屈指可數(shù)的幾家公司在代理或開發(fā)電渦流緩速器產(chǎn)品，僅有少量投入試用;而其中逆向國外產(chǎn)品是主流做法。因涉及知識產(chǎn)權(quán)糾紛和不能從根本上掌握電渦流緩速器的設(shè)計機理與設(shè)計手段，國內(nèi)電渦流緩速器自主開發(fā)舉步艱難，制約了國內(nèi)電渦流緩速器技術(shù)進步和市場拓展。

2 設(shè)計步驟與方法

我們利用全數(shù)字化設(shè)計技術(shù)進行產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計，采用并行工程縮短開發(fā)周期，具有高性能、低開發(fā)成本和快節(jié)奏的設(shè)計風格。

2.1 理論計算

基于知識的理論與經(jīng)驗相結(jié)合的推導計算，確定部件的結(jié)構(gòu)尺寸，形成數(shù)模參數(shù)特征。

2.2 全三維設(shè)計

利用三維數(shù)字化設(shè)計平臺，在確定了大體結(jié)構(gòu)后即可建立三維數(shù)字化模型，它將空間結(jié)構(gòu)尺寸、裝配關(guān)系直觀的展現(xiàn)，進行可視化虛擬裝配設(shè)計。并可實現(xiàn)設(shè)計數(shù)模直接用于數(shù)控機床進行數(shù)控加工——加工模具或工裝卡具，即CAD/CAM一體化。

2.3 仿真分析

設(shè)計三維數(shù)模與分析仿真數(shù)模同步一致，可進行結(jié)構(gòu)部件應(yīng)力分析與散熱風速分析。

2.4 優(yōu)化設(shè)計

采用三維精確裝配檢查及工藝分析，并利用CAE分析結(jié)果進一步優(yōu)化三維數(shù)模，即CAD/DFA/DFM一體化。

2.5 并行工程

基于全三維設(shè)計的并行流程和并行開發(fā)設(shè)計，有效縮短開發(fā)時間。

2.6 快速升級

設(shè)計數(shù)據(jù)、三維、兩維及工藝數(shù)據(jù)全相關(guān)全參數(shù)化，可進行過程更改和新產(chǎn)品快速升級開發(fā)。

3 理論分析與計算

3.1 性能標準

因國內(nèi)目前尚沒有出臺相關(guān)標準，暫參照執(zhí)行法國泰樂瑪緩速器公司現(xiàn)執(zhí)行的歐洲Tape Ⅱ A輔助制動標準，內(nèi)容為表述：

5噸以上的汽車，在7%的坡路上，從0速度開始，以無動力（空檔）、不使用主制動滑行，經(jīng)過6km距離后時速不超過30km/h[1]。

3.2 設(shè)計基本輸入?yún)?shù)及設(shè)定性能

1）適用車輛最大總質(zhì)量：m（t）;

2）設(shè)定適用發(fā)動機功率范圍：P0（kW）;

3）設(shè)定適用緩速坡度：推薦9%（國家公路工程技術(shù)標準：Ⅳ級公路在特殊的山嶺重丘區(qū)最大坡度）;

4）設(shè)定理想緩行速度：ν，≤30km/h;

5）設(shè)定適用車型輪胎滾動半徑：r（m）;

6）設(shè)定適用車型后橋速比：i;

7）設(shè)定適用車型工作電壓：U，（V）;

8）設(shè)定主體外形尺寸;

9）設(shè)定極限溫升：≤t（℃）;

10）設(shè)定冷卻方式：葉輪式轉(zhuǎn)子空氣冷卻。

3.3 制動需求轉(zhuǎn)矩的計算

3.4 電渦流緩速器的定性與轉(zhuǎn)矩公式推導

電渦流緩速器的工作原理與能耗制動狀態(tài)下的鼠籠異步電動機工作原理相同，其制動力矩的大小都取決于轉(zhuǎn)子中的能量損耗，包括渦流損耗和磁滯損耗;不同之處是：轉(zhuǎn)子（電樞）的材料及磁極形狀不同，同時，在轉(zhuǎn)速變化時，電渦流緩速器轉(zhuǎn)子中感生電流（渦流）滲透深度也不同，其中的磁場強度和導磁系數(shù)也是變化的。

轉(zhuǎn)子半徑上對應(yīng)于磁極有效長度的單位體積導體，隨著轉(zhuǎn)動——視為勻速轉(zhuǎn)動，從N極過渡到S極，再過渡到N極，依次往復，即：轉(zhuǎn)子靜止狀態(tài)下正弦交變磁場透過氣隙周期性地穿過導體，在導體中產(chǎn)生渦流、產(chǎn)生熱能;亦為：在定子的交替磁極與轉(zhuǎn)子間形成的氣隙中構(gòu)成靜態(tài)正弦交變磁場，供單位體積導體的轉(zhuǎn)子導體去切割，進而形成渦流，消耗能量并阻礙轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動。

3.5 磁路計算

磁路計算的目的在于確定產(chǎn)生主磁場所必需的磁化力或勵磁磁動勢（下簡稱磁勢），并進而計算勵磁電流。通過計算校核緩速器各部分磁通密度選型。

設(shè)定定子線圈工作溫度為80℃，選用電磁線的材質(zhì)，計算出此時的電阻率為（Ωmm2/m）[5]。

4 磁性材料與散熱結(jié)構(gòu)的考慮

電渦流緩速器的材料比較特殊，要求高導磁率、低矯頑力，低電阻率、耐高溫抗氧化、耐腐蝕等，同時要考慮機械強度，因此以選用低碳合金鋼為宜。

由于電渦流緩速器是吸收機械功率并將其轉(zhuǎn)化為熱能的裝置，因此散熱結(jié)構(gòu)是必要的考慮因素，可參照離心風機葉輪的形式設(shè)計。

5 控制方式與控制思想

緩速器可以選擇手控、腳控、手腳并控等操縱方式，腳控又可以是單獨踏板（與手控等效但應(yīng)自動復位），或是與主制動器結(jié)合，一旦腳制動踏板踏下，即產(chǎn)生雙重制動效果，但要求緩速器先于主制動起作用。

控制器一般有繼電器式和電子式兩種，繼電器式多分為四段控制，電子式則可以分為更多檔，還可實現(xiàn)制動力平滑上升、延時起控、恒速控制、與其它電子控制系統(tǒng)通訊等功能。低車速時緩速器作用已很小，應(yīng)自動退出工作狀態(tài)，以減少用電損耗;具有ABS的車輛應(yīng)建立與電渦流緩速器的制約關(guān)系，在ABS發(fā)揮作用時緩速器退出工作狀態(tài)（即使低速功能已起作用）;緩速器是一種制動方式，所以當投入使用時制動燈應(yīng)亮，并有工作指示燈。

6 結(jié)論

以理論知識為基礎(chǔ)，以先進的三維數(shù)字化設(shè)計技術(shù)為手段，通過三維數(shù)字化設(shè)計和仿真分析與優(yōu)化設(shè)計，我們掌握了設(shè)計開發(fā)電渦流緩速器的有效手段，就可以得到結(jié)構(gòu)優(yōu)化、性能最佳的設(shè)計產(chǎn)品，并且擁有自主的知識產(chǎn)權(quán)。

參考文獻：

[1]汪貴友.新型減速器——電渦流緩速器.《現(xiàn)代汽車》2001年10/11月.

[2]唐仕明.電渦流緩速器在大客車上的應(yīng)用.《汽車電器》2002年3月.

[3]陳世坤.電機設(shè)計.高等教育出版.

[4]電路及磁路.高等教育出版社.

[5]田玉波.磁性材料.清華大學出版社.