載運掛車液力緩速器的結構設計

吳 磊，方 沂，王旭龍，董克建

（1.天津職業技術師范大學機械工程學院，天津 300222；2.天津職業技術師范大學汽車與交通學院，天津 300222）

隨著我國汽車工業的迅猛發展，公路交通運輸在路上運輸的比例逐年增大，已經成為我國主要的路上運輸方式。在資源豐富的山區和繁忙的碼頭，貨物的運送基本依靠重型載運汽車來實現。載運掛車具有實載率高、承載能力強、駕駛員配置少、人工費用低、物流成本低、高度集約化等特點，使得載運掛車在貨物的長途運送中占舉足輕重的地位。隨著載運掛車數量在貨物運送中的增加，其在公路上發生的交通事故也隨之增加。載運掛車承載重、體積大、慣性大，在其發生的車禍中往往會造成重大的人員生命和財產損失。在這些交通事故中，由于載運掛車的制動失靈而引起的車禍占很大比例[1]。載運掛車在長途運送過程中經常會遭遇到長下坡，駕駛員需要頻繁地踩制動踏板，制動蹄和制動鼓頻繁摩擦，溫度升高，磨損增加。如果制動蹄和制動鼓經常在這樣的環境下工作，載運掛車的制動系統很容易產生制動失靈。單純依靠制動蹄和制動鼓之間的摩擦并不能滿足載運掛車安全降速的要求，所以要想載運掛車在長下坡時安全降速就必須采用輔助制動裝置。本文對載運掛車液力緩速器的結構進行了初步的設計。

1 液力緩速器的組成及工作方式

1.1 液力緩速器組成

液力緩速器系統主要由操縱系統、電子控制單元、供油系統、冷卻散熱系統、緩速器本體結構等組成[2]。液力緩速器的本體由泵輪、渦輪、驅動軸、液力緩速器殼體、進出油口、軸承閥片等部分組成，如圖1所示。

圖1 液力緩速器的結構組成圖

1.2 液力緩速器的工作方式

當車輛在長下坡路況下行駛時，駕駛員操縱控制手柄，車輛的電子控制單元接受信號，控制電磁閥動作使壓縮空氣進入儲油箱。儲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，液力緩速器的傳動軸和偶合器的泵輪聯接。傳動軸旋轉輸出動力，偶合器的泵輪隨著傳動軸的旋轉攪動工作腔中的油液，在泵輪的作用力下油液產生離心力。離心力迫使油液由泵輪甩向渦輪，渦輪對油液產生反作用，油液從渦輪流出沖擊泵輪。這樣渦輪對泵輪就形成了阻力矩，阻礙泵輪的轉動，從而使得車輛緩速。工作油液在運動過程中形成進出口壓力差，油液循環流動，通過熱交換器時熱量被帶走，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 液力緩速器的設計流程及制動力矩

2.1 載運掛車液力緩速器的整體設計流程

液力緩速器設計過程中首先要確定整體設計流程及結構設計的重點。對于載運掛車而言，由于它本身并沒有動力元件和驅動裝置，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。這就需要根據載運掛車的運動特點和結構特點對液力緩速器布置位置進行設計。載運掛車在80 km/h時速行駛時，車輪的轉速約為430 r/min，車輪的轉速不能滿足液力緩速器工作輪轉速的要求。在對緩速器結構設計時，還需要設計一套增速裝置來滿足工作輪對轉速要求。后期還需要對設計的液力緩速器機構進行優化設計和動力學分析，最后制作出一臺樣機。整體設計流程如圖3所示。

圖3 載運掛車液力緩速器整體設計流程

2.2 液力緩速器制動力矩

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

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

從式（1）中可以看出，液力緩速器制動力矩與工作油液的密度、制動力矩系數成正比。液力緩速器制動力矩還與泵輪的轉速和泵輪、渦輪的有效工作直徑分別成二次方和五次方關系。因此，若想提高液力緩速器的制動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掛車上的位置，并利用相應的位置空間和力，設計液力緩速器的結構。

3 液力緩速器系統整體布局及結構設計

3.1 載運掛車液力緩速器布置位置選擇

德國VOITH、美國ZF、法國telma在液力緩速器市場上占有一定的比例[6]。這些公司生產的液力緩速器主要應用于長途大型客車及載運大貨車。液力緩速器的布置方式大致可以分為2種，即串聯式液力緩速器和并聯式液力緩速器。串聯式液力緩速器如圖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軸保持軸線一致。并聯式液力緩速器如圖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安裝[7]。

圖4 串聯式液力緩速器布置位置

圖5 并聯式液力緩速器布置位置

對于載運掛車來說以上安裝方式并不適合。由于載運掛車在長下坡時慣性力主要源自車身后部載重貨物，當掛車在長下坡制動時剎車系統產生的制動力矩與車身的慣性相互作用迫使車輛減速。車輛行駛過程中的重心在車身后部，如果制動力矩在車身前產生，這樣就會使得載重的貨物頂著車頭行駛，車頭產生的制動力矩迫使后方的載運貨物降速。在這樣的情況下，車身穩定性下降容易出現危險狀況。所以載運掛車液力緩速器的布置位置需要重新設計。載運掛車制動時，如果使制動力矩在載運掛車的車身后部產生，這就可以提高載運掛車在制動時的穩定性。載運掛車車身后部有多組車輪，且掛車的車輪輪轂內有一定的空間，以東風天龍半掛車DFL418A2為例，經實地測繪，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車輪輪輞內，既可以節省空間，又可以增強車輛在長下坡制動時的穩定性。載運掛車整體布局設計如圖6所示。

3.2 液力緩速器增速機構及渦輪反轉的設計

載運掛車液力緩速器安裝在掛車非驅動橋車輪輪轂內。由于車輪的轉速較低達不到液力緩速器工作所需要的轉速，所以需要設計一套液力緩速器增速裝置以滿足液力緩速器對泵輪轉速的要求。

圖6 載運掛車液力緩速器整體布局

根據液力緩速器的布置位置空間及結構尺寸要求，將增速機構設計成一種單級行星增速機構，如圖7所示。液力緩速器的渦輪與齒圈相聯，泵輪與太陽輪相聯。液力緩速器不工作時，齒圈隨車輪轉動，行星架不固定，太陽輪在主軸上空轉。當液力緩速器工作時，行星架固定不動，齒圈輸入，太陽輪輸出。太陽輪轉速增加，泵輪隨著太陽輪增速而增速。工作過程中行星架固定不動，齒圈和太陽輪轉向相反，這就實現了渦輪反轉。將液力緩速器設計成渦輪反轉，不僅可以提高泵輪和渦輪相對速度，而且還可以提高轉矩系數和制動力矩等相關參數。

圖7 液力緩速器增速單級行星增速機構簡圖

3.3 載運液力緩速器結構設計

載運掛車液力緩速器布置在車輪輪轂內，其結構組成如圖8所示。

圖8 載運掛車液力緩速器結構圖

由圖8可見，液力緩速器的主軸通過螺紋與掛車的軸頭連接。掛車車輪通過驅動叉與渦輪及殼體連接，它們以同一速度轉動。掛車正常行駛時液力緩速器不工作，車輪帶動渦輪轉動，行星架不固定，泵輪在主軸上空轉，泵輪和渦輪之間不產生相互作用力。當液力緩速器工作時，油泵將油液泵入工作腔內，離合器將行星增速機構的行星架固定，泵輪通過增速機構加速旋轉將油液甩向渦輪，對渦輪產生阻力矩，阻止渦輪高速旋轉。渦輪與車輪聯接將反作用力傳遞給車輪，從而實現載運掛車的緩速。

4 結束語

本文設計了一套適于載運掛車的液力緩速器結構，該設計對液力緩速器的安裝位置進行了合理的布置，重點設計和研究了液力緩速器的結構及其工作方式，為今后液力緩速器的油路布置、結構優化設計及三維建模打下了基礎。

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