液力緩速器制動力矩影響因素研究

張孟鋒，強中偉

（陜西法士特汽車傳動工程研究院實驗中心，陜西 西安 710119）

液力緩速器制動力矩影響因素研究

張孟鋒，強中偉

（陜西法士特汽車傳動工程研究院實驗中心，陜西 西安 710119）

文章說明了安裝液力緩速器的必要性，以法士特FHB320B為例，描述了液力緩速器的基本組成和工作原理，并重點分析了液力緩速器制動力矩的影響因素：充液量、緩速器結構參數和轉子轉速，為液力緩速器的研究提供參考。

液力緩速器；制動力矩；充液量；結構參數

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.12.034

Keyworks: hydraulic retarder; breaking torque; liquid volume; structural parameters

CLC NO.: U463.53 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)12-101-04

引言

隨著我國經濟和道路交通事業的發展，汽車的客貨運輸量和行車速度不斷提高，行車安全也越發重要，而良好的制動性能是汽車安全行駛的重要保障。傳統的汽車制動方式是在車輪上安裝機械式摩擦制動器，依靠車輪上的制動蹄塊張合，對車輪上的輪轂施加摩擦力矩，從而使車輛減速或制動。但這種機械式摩擦制動器在頻繁或長時間制動時，產生的大量熱量得不到及時傳遞，造成制動輪轂和制動摩擦襯片過熱、制動輪轂龜裂、制動摩擦襯片燒毀而引起制動失效，甚至輪胎早期爆裂，造成重大交通事故[1]。為了提高汽車特別是長途大客車和城市公交車的制動安全性，配備汽車輔助制動裝置十分必要，如發動機排氣制動、電渦流制動裝置和液力緩速器制動。由于液力緩速器具有制動力矩大、制動平穩、噪聲小、壽命長和體積較小等優點，在內燃機車、重型載貨車、軍用車輛以及工程機械等領域得到了廣泛的應用[2]。

制動力矩的大小是考察液力緩速器工作效果的關鍵,影響液力緩速器制動力矩的關鍵因素是工作腔的充液量、緩速器結構參數和轉子轉速，本文以法士特并聯緩速器FHB320B為例，對影響制動力矩的因素進行總結和概括。

1、液力緩速器的組成

液力緩速器是集機、電、氣、液、比例控制等一體化的產品，其主要由液力緩速器機械總成、操作手柄、緩速器控制器、線束、指示燈和CAN端口等組成，如圖1所示。緩速器機械總成為產生制動力矩的主體裝置，操作手柄是司機操作發出指令的裝置，控制器是接收指令并根據指令進行判斷再發出指令來控制機械總成上的執行裝置——氣動比例控制閥，線束是用于連接機械總成、控制器、操縱手柄等的導線，指示燈用于顯示緩速器的工作和故障狀態，CAN端口主要用于控制器的電源取電和整車的相互通訊接口。

2、液力緩速器的工作原理

并聯緩速器與變速箱的連接示意圖如圖2所示，在變速器后蓋總成內設置一個緩速器被動齒輪與緩速器驅動齒輪以2:1的齒數比嚙合傳動。

圖3 并聯緩速器結構簡圖

如圖3所示，并聯緩速器機械總成主要由緩速器驅動齒輪、氣動比例控制閥、工作腔、油池殼和熱交換器等組成。油池殼的作用是儲存工作介質（機油），熱交換器的作用是通過發動機冷卻水將緩速器油液產生的熱量帶走。工作腔是緩速器工作的核心，主要包括定子、轉子和工作腔殼體等部件。取自整車氣源的氣體通過控制閥進入緩速器油池殼，將油池殼內溫度較低的油液壓入定轉子之間的工作腔殼體內，高速運動的轉子攪動油液，使油液產生離心力并沖擊到定子葉片上，而定子葉片對旋轉的油液產生方向相反的向心力，該向心力即為緩速器的制動力矩，制動扭矩通過緩速器驅動齒輪放大2倍作用到變速器輸出軸上，從而達到對傳動系統的制動減速作用。在此過程中，油液在工作腔進出口形成壓力差，并進行循環，流經熱交換器時，車輛動能轉變成的熱能被來自發動機冷卻系統的冷卻水帶走，冷卻后的油再重新進入工作腔，這樣即組成了一個完整的工作循環。總體來說，液力緩速器的工作過程可以分為充油過程、制動扭矩產生過程、油液熱交換過程和回油過程。

3、緩速器制動力矩的影響因素

3.1 緩速器制動力矩與充液量的關系

緩速器在實際工作中，工作腔內并不是完全充滿液體，工作腔內的流體是油液和空氣的混合物。而緩速器制動力矩的大小取決于工作腔內油液的量以及轉子的轉速。

圖4 緩速器制動力矩與充液量的關系

緩速器擋位手柄產生的電信號經電子控制單元處理后傳輸到氣動比例控制閥并控制其開度，比例閥控制進入油池壓縮空氣的壓力。在控制壓力的作用下，相應量的油液被壓入定子和轉子之間的工作腔，壓縮空氣的壓力不同，供入工作腔的油液量也不同，從而產生不同的制動力矩，如圖4所示。

圖5為法士特FHB320B緩速器在最大控制氣壓3.0bar下緩速器的制動力矩特性曲線圖，從圖可看出在1100r/min左右，緩速器達到最大（標稱）扭矩值3200Nm。

圖5 FHB320B緩速器力矩特性

3.2 液力緩速器的結構參數對制動力矩的影響

控制氣壓不同時，緩速器的充液量對緩速器的制動力矩影響很大，但當控制氣壓一定時，怎樣調整緩速器的結構參數，才能對制動性能產生一定的影響作用？因此有必要對液力緩速器的結構參數進行研究，以提高液力緩速器的制動性能。

液力緩速器是一種特殊的液力耦合器，其制動性能可由制動力矩的大小得以體現，其計算公式為：[3]

式中：λ——制動力矩系數；

ρ——工作液密度，g/cm3；

g——重力加速度，m/ s2；

D——循環圓有效直徑，m；

n——轉子轉速，r/min。

由公式(1)可知，緩速器制動力矩的大小主要與制動力矩系數、工作液密度、循環圓有效直徑，轉子的轉速等因素相關。

3.2.1 制動力矩系數λ對制動力矩的影響

由公式(1)可知，制動力矩系數λ與緩速器的制動力矩成正比，理論上，λ越大，制動力矩越大，對于直線型葉片的緩速器來說，λ的大小約為0.006～0.009之間。制動力矩系數與緩速器的充液量有關。[3]

3.2.2 工作液密度對制動力矩的影響

由公式(1)可知，工作液密度與緩速器的制動力矩成正比，理論上，工作液的密度越大，制動力矩越高，實際上，考慮到工作液除了傳遞動力外，還有潤滑、冷卻和清潔運動部件的作用，流體的阻力不能過大，工作液的密度必須在一個合理的范圍內，目前，法士特FHB320B緩速器使用的是金吉星SJ 10W-40潤滑油，具有良好的潤滑性能、防銹防腐性能和抗氧化性能，能夠滿足緩速器的正常使用。

3.2.3 緩速器的結構參數對制動力矩的影響

液力緩速器的結構參數是影響緩速器制動力矩的關鍵因素，主要包括葉型參數和循環圓參數。葉型參數包括葉片數目、葉片傾斜角、葉片前緣角；循環圓參數主要是循環圓的直徑。[4]

圖6 FHB320B緩速器的定子與轉子

3.2.3.1 葉片數目的影響

葉片數是影響液力緩速器制動性能的重要因素之一，液力緩速器內的葉片數目對液流的循環量有明顯影響，液力緩速器的液流出入口位于同一平面內，液流在轉子間旋轉，受離心力和循環流道的約束，表現為封閉的螺旋運動。隨著葉片數的增加，單個流道內的循環流量減少，因此單個流道的制動力矩呈下降趨勢，但是總制動力矩卻是先增加后降低，這是由于葉片數的增加，摩擦系數和摩擦力增加，進入和離開葉片的突然擴大和突然收縮的阻力系數增加，各種損失增加，所以制動力矩增大。[5]當葉片增加到一定數目后，因軸面分速度沿葉片間分布不均勻程度逐漸減小，渦流現象減輕，因此總制動力矩下降。[6]因此，存在合理的葉片數目值，能夠使緩速器的扭矩達到最大。另外，定子和轉子的葉片必須有一定的差值，目的是防止葉片數目相同而使流體產生振蕩。

圖7 葉片傾角

3.2.3.2 葉片傾斜角的影響

如圖7所示，葉片傾斜角是指葉片所在平面與轉子旋轉軸線法平面的夾角。當葉片傾斜方向與轉子旋轉方向一致時，稱為前傾角，相反時稱為后傾角。當循環圓直徑相同時，采用前傾角能夠獲得更大的制動扭矩，故液力緩速器的葉片通常是前傾的直葉片。參照液力緩速器之前的研究成果，存在合理的角度值，能夠使緩速器的扭矩達到最佳。

3.2.3.3 葉片前緣角的影響

葉片前緣角是葉片前邊緣的倒角。它同樣對緩速器的制動力矩存在影響。通常認為，葉片前緣角減小會使工作液的循環流量增加，從而增加制動力矩[7]，但由于葉片強度的影響，葉片前緣角并不是越小越好，故存在最佳的葉片前緣角，使緩速器的制動力矩和葉片強度達到最佳。

3.2.3.4 循環圓直徑的影響

循環圓是指工作液在轉子與定子葉片間循環流動時流道的軸面形狀，循環圓的最大直徑稱作循環圓的有效直徑。循環圓須保證緩速器定轉子與其它部件整周旋轉和正常工作。存在合理的循環圓有效直徑，能使緩速器的制動性能達到最優。

圖8 循環圓

另外，在法士特FHB320B緩速器上進行的定子進出油口位置的更改、進出油口孔徑的更改、以及定子邊緣槽長的更改，也是在調整緩速器的結構參數，從而調整參與循環的油液量，以改變緩速器的制動力矩。

4、轉子轉速對制動力矩的影響

液力緩速器的工作腔壓力與轉子轉速成正比關系，轉子轉速越高，工作腔壓力越大，在充液量不變的情況下，而工作腔壓力越大，制動力矩就越大。

5、結束語

液力緩速器對車輛的行駛安全非常重要，安裝液力緩速器等輔助制動機構是大勢所趨，怎樣提高液力緩速器的制動性能也是研究的重點。影響液力緩速器的制動力矩的主要因素有充液量、緩速器結構參數和轉子轉速，因此，在設計過程中，需要綜合考慮各個因素，才能使設計工作更加合理。

[1] 劉成曄.汽車輔助制動裝置發展綜述[J].中國安全科學學報, 2008, 18(1):105-111.

[2] 張玉璽.程秀生.劉維海.畢乾坤.孫家春.液力緩速器的試驗研究[J].工程機械,2007(38):4～7.

[3] 范守林.液力緩速器.城市車輛.2002.No.4:51～52.

[4] 趙靜一,王巍.液力傳動.機械工業出版社.2007.

[5] 童祖楹,劉祥春.液力耦合器[M].上海:上海交通大學出版社,1988.

[6] 嚴軍,何仁,魯明.液力緩速器變葉片數的三維數值模擬[J].專用汽車,2002(4):27～31.

[7] 呂金賀,褚亞旭.葉片楔角對液力緩速器內流場的影響分析[J].北華大學學報（自然科學版）,2013(10).

Study On Factors Influencing Breaking Torque Of Hydraulic Retarder

Zhang Mengfeng, Qiang Zhongwei
(Shaanxi Fast Auto Drive Group Transmission Test Center, Shaanxi Xi'an 710119)

This paper illustrates the necessity of installation of Retarder. Take the Fast FHB320B Retarder as an example, it describes the structure and principle of the retarder, and analyzes the factors of the breaking torque of hydraulic retarder. The factors are liquid volume, structural parameters and rotor speed of retarder, which provide the references of the research of retarder.

U463.53

A

1671-7988 (2016)12-101-04

張孟鋒，就職于陜西法士特汽車傳動工程研究院實驗中心工程師，研究方向為機械傳動與檢測技術。