汽車用電液緩速器性能特點及選擇

顧振華

(揚州安行機電科技公司，江蘇揚州 225000)

汽車用電液緩速器性能特點及選擇

顧振華

(揚州安行機電科技公司，江蘇揚州 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其性能進行評價的指標：最大制動力矩、熱衰退率、響應時間。介紹電液緩速器的磁路結構，線圈組件，電液緩速器水冷系統，產品編號規則，電液緩速器安裝的變速箱前置緩速器結構、變速箱后置緩速器結構和傳動軸中置式緩速器結構型式，通過列表求解，得到選擇車輛所需電液緩速器制動力矩和制動功率。

電液緩速器；評價指標；選型

0　引言

目前緩速器在國外已作為汽車的標準配置， 國內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。隨著國家強制安裝輔助制動裝置標準的頒布以及商用車輛和掛車制動系技術要求及試驗方法的頒布，對輔助制動裝置本身提出明確的硬性要求。目前國內市場上的自勵式緩速器制動力矩小，制動力矩衰退嚴重，不能完全滿足車輛在山區道路以及平路的制動需求。而液力緩速器產品技術要求高、結構相對復雜，主要依靠進口，空損力矩較大，成本較高，而且低速時制動性能較差，難以滿足客車和貨車持續制動以及大功率制動的要求。因此新型的電液緩速器在提高車輛制動性能和安全性、防止因主制動系失效產生交通事故等方面具有重要意義。

1　電液緩速器的性能簡介

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構組成。據不完全統計：國內緩速器市場中95%以上都是使用電渦流緩速器，現在在大型客車上已經得到了廣泛的應用。但是這種風冷緩速器由于采用的是空氣冷卻，在使用一段時間或者長時間使用時，緩速器的熱衰退現象嚴重。而且空冷緩速器結構復雜且維護不便。這些問題使得這種傳統的電渦流緩速器難以滿足大型貨車長時間制動對緩速器的要求。

針對當前這種緩速器的問題，北京工業大學的李德勝教授帶領的課題組中，提出了一種雙凸極構造的電磁電液緩速器，該結構形式的緩速器使用液體冷卻方式，轉子的形狀如兩個齒狀的圓盤，使緩速器磁路中包含兩個凸極。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能轉化為熱能，通過水道中的循環冷卻液將緩速器產生的熱量帶走，從而實現減速的目的，其三維機構如圖1所示。

電液緩速器與已有的緩速器相比較，具有以下優點：

(1)電液緩速器是目前緩速器中結構最為簡單的緩速器，僅由轉子、定子和線圈3種結構組成，裝配簡單且質量小。定子安裝在緩速器結構的最外側，半徑增加了，制動力矩也隨之增大，轉子安裝在緩速器的內側，使其不易與其他零件發生摩擦，安全性能更高。

(2)電液緩速器動能轉化的熱能都集中在定子內表面上，而定子內有水道，能及時地將熱量帶走，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，結構簡單；比電渦流緩速器質量輕，熱衰退小；比永磁緩速器成本低，制動力矩大。

電液緩速器性能比較如表1所示。

表1　電液緩速器性能對比

2　電液緩速器工作原理

如圖2所示，當轉子隨著連接的傳動軸轉動時，固定在定子套上的通電線圈相對轉子轉動，因此緩速器的轉子內會產生磁場，定子切割轉子凸極產生的磁力線在定子內表面產生渦流，生成阻礙車輛行駛的制動力矩。

緩速器的轉子轉動時，轉子與定子氣隙間的磁通密度也將產生周期性的變化。此時，定子內表面將產生渦流，而渦流形成的磁場與氣隙間的磁場相互作用產生制動力矩，阻礙轉子的轉動，起到輔助制動的效果。電渦流在定子內表面流動時，由于定子的電阻，電能會轉化成熱能，因此汽車的動能將轉化成熱能，并通過定子水道內的液體帶走。

根據楞次定律可知：渦流在定子內表面產生新的磁場，與之前線圈通電在轉子上產生的磁場相互作用，阻礙轉子的轉動，從而產生制動力矩使車輛減速；當緩速器不工作時，線圈不通電流，緩速器的轉子不會產生磁場，因此，定子內表面也就不會產生渦流，即不會產生制動力矩。

由于電液緩速器為電渦流緩速器的一種，對其性能進行評價時參考電渦流緩速器的評價指標：最大制動力矩、熱衰退率、響應時間。

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

為了能更加清楚地了解電液緩速器的制動力矩大小與各設計參數之間的關系，可以先對其進行理論推導，然后進行仿真分析加以驗證。

(2)熱衰退率。由于緩速器較長時間工作會引起制動力矩持續下降，即熱衰退，由于熱衰退是緩速器制動力矩下降的一個重要現象，也是影響緩速器制動性能的重要指標。熱衰退率越小，緩速器持續制動性能越穩定，熱衰退率Fs計算公式為：

(1)

式中：Fs為熱衰退率(%)；

Tmax為制動過程中產生的最大制動力矩值(N·m)；

Te為制動結束時產生的制動力矩值(N·m)。

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

3　電液緩速器的結構

從上文可知，電液緩速器由轉子、定子和線圈3種結構組成，轉子、定子組成一個工作磁路，裝配簡單且質量小。

3.1磁路

電液緩速器的磁路形式為緩速器的轉子為凸極構造的齒形結構，磁力線在轉子盤上會分開從各個齒經過氣隙到達緩速器定子的內壁，氣隙中的磁力線垂直于緩速器轉子外圓面和緩速器定子內圓面。

轉子和定子以轉速n相對運動。當定子未發生磁飽和時，整個磁路系統為線性，氣隙磁場可由渦流磁場和勵磁磁場應用疊加原理得到。渦流磁場對勵磁磁場的去磁作用和增磁作用恰好相同，緩速器中電磁場一般設計成飽和狀態。考慮到磁飽和時，增磁邊將使該部分磁極的磁飽和程度提高、磁導率減小，從而使該處實際的氣隙磁場比不計飽和時略弱；去磁邊實際的氣隙磁場則與不計飽和時基本一致，因此緩速器工作時比靜態時每個磁極下的磁通量有所減少，表現出一定的去磁效應。

為了提高緩速器的制動性能，在建立緩速器電磁場數學模型的基礎上，利用數值模擬的方法求解緩速器電磁場方程。采用參數化方法，分析定子和轉子材料的電導率和磁導率對制動性能的影響，并結合上述電導率和磁導率的分析，找到定子和轉子最佳使用方式。

3.2線圈組件

需保證線圈能提供合適的磁動勢，實現緩速器的制動功能。線圈結構由線圈支架及線圈組成，線圈的參數有線徑、層數、匝數，在給定的條件下，計算滿足使用功能條件的最佳匝數和層數匹配。線圈結構如圖3所示。

(1)程序開發。以LabVIEW 2011程序為開發平臺，開發線圈結構計算程序，如圖4所示。

(2)在界面中給定條件欄中填寫相關數據，填寫完成后點擊頁面左上角右箭頭，程序開始運行，待頁面左上角紅色按鈕非使能(顏色變淺)，程序運行結束，界面如圖4所示。若輸出狀態此時顯示“計算已完成！”，表明計算結果已正確輸出。如輸出狀態此時顯示“沒有滿足條件參數。請重新計算！”，表明無計算結果(表格中顯示為上次計算結果)。

3.3電液緩速器水冷系統

緩速器冷卻循環系統如圖5所示。冷卻液在發動機與緩速器冷卻循環系中的循環路徑為：冷卻液在水泵壓力的作用下從發動機水套壁流過并從水套壁吸收熱而升溫經發動機出水口，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，然后流入節溫器。若冷卻液的溫度小于80 ℃，則節溫器的閥門關閉即按發動機冷卻系小循環路徑經水泵回到發動機的回水口，如此循環下去。當冷卻液的溫度大于80 ℃時，節溫器的閥門開啟，按發動機冷卻系大循環路徑，冷卻液從水套壁周圍流過并從水套壁吸收熱量，經發動機出水口，然后流入緩速器定子水套后流入節溫器，然后冷卻液經散熱器進水軟管流入散熱器；在散熱器中，冷卻液向流過散熱器周圍的空氣散熱而降溫，最后冷卻液經散熱器出水軟管返回水泵，如此循環不已。此方案考慮了發動機的大、小循環，而且節溫器也發揮了溫度調節作用。

4　電液緩速器的選擇

4.1產品編號規則

產品編號規則如圖6所示。

范例：如ABH21，代表安行公司后置式緩速器，制動力矩為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部位。選用不同的位置進行安裝時，所需要的制動力矩也就不一樣。緩速器的安裝方式如圖7所示。對于貨車，電液緩速器一般都是安裝在傳動軸中間或者變速器之前；對于發動機后置的客車，緩速器一般裝在變速器后端蓋上；對于發動機后置短軸牽引車，緩速器可裝在主減速器上。選擇的結構型式包括變速箱前置緩速器結構、變速箱后置緩速器結構和中置式緩速器結構。散熱方式需要考慮不同車輛的散熱能力，分為與發動機散熱系統串聯和加裝獨立水箱兩種。

4.3電液緩速器的選擇

當采用電液緩速器為汽車輔助制動裝置的時候，除了考慮其空間布置和散熱能力以外，還應重點考慮電液緩速器所產生的制動力矩能否和汽車的減速要求相匹配。

(1)緩速器制動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力矩計算公式如下：

(2)

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

(2)電液緩速器制動力矩(功率)應與整車匹配的計算依據。GB12676-1999關于緩速器制動性能試驗中規定：對于M3類和N3類車輛，滿載車輛輸入的能量必須相當于在相同時間內，以30 km/h的平均速度(變速器處于適當的擋位)在6%的坡道上，下坡行駛6 km所具有的能量；對于總質量大于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于在相同時間內，以30 km/h的平均速度(變速器處于適當的擋位)在7%的坡道上，下坡行駛6 km所具有的能力。試驗中，不得使用行車制動、應急制動和駐車制動。

按照上面的標準，作者以北汽福田生產的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、轉速n為760 r/min時，可求得該車輛標準滿載總質量為35 t，故需配備制動力矩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力矩和制動功率表。

表2　車輛所需制動力矩和制動功率

(3)綜上所述，對于能夠提供持續穩定的電液緩速器來說，汽車的行駛速度在30 km/h時，緩速器制動力矩的整車匹配關系如表2所示，即可以滿足緩速器國家標準的要求。但是在實際的使用中，特別是當客車對緩速器有短距離制動和頻繁制動的要求時，制動的加速度在小于0.6 m/s2時，駕駛員應該感覺不到明顯的緩速器制動效果。對于大噸位的貨車，緩速器的匹配關系完全可以按照表2進行選型；而對于客車的緩速器選型，一般設計時應該適當增大緩速器的制動力矩，使加速度能夠符合0.6 m/s2≤a≤1 m/s2，從而滿足駕駛員對輔助制動的要求。

5　結束語

為了克服車輛在連續制動時出現主制動系統磨損嚴重以及輔助制動系熱衰退問題，增加車輛行駛的安全性，尤其在我國山區道路居多、長下坡等客觀條件下，選用電液緩速器能滿足車輛連續制動需求，降低車輛制動系統的使用成本，提高我國客車、貨車產品的國際競爭力，意義重大。從國外緩速器發展歷程看， 新型高科技的緩速器必然替代電渦流緩速器； 從國內重載貨車緩速器市場看，適合中國國情的高性價比的電液緩速器產品性能優良，對于打破國外產品的壟斷地位和增強國產汽車技術意義重大。

【1】葉樂志,李德勝,王躍宗,等.先進汽車緩速器理論與實驗[M].北京:機械工業出版社,2013.

【2】顧振華.雙凸極液冷緩速器線圈設計研究[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，高級工程師，研究方向為汽車緩速器。E-mail：370318836@qq.com。