汽車液力緩速器持續制動性能研究

李超,高凱,龐應周

(西安職業技術學院，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、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定的持續制動力矩，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制動性能進行研究，對其應用和開發具有指導意義。

1 液力緩速器的結構和工作原理

1.1 結構

國內外液力緩速器的結構基本相同，主要由定子、轉子、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，內部開有孔道，便于油液循環流動；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；轉子與傳動軸緊固，同時轉動；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構，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部氣壓的大小來控制輸出制動扭矩。

圖1 液力緩速器結構

1.2 工作原理

圖2為液力緩速器的工作原理簡圖。轉子隨傳動軸時刻轉動，當緩速器開始工作時，控制閥控制一定氣壓的空氣進入緩速器內部，將油底殼中的油液經過管路壓入定轉子之間，轉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做渦旋損耗運動[2]，對轉子產生反作用力，從而產生制動力矩，使車輛減速；產生制動力矩的同時，將車輛的動能轉化為熱能，具體表現為高溫高壓的油液，這些油液經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；如此循環往復，持續產生制動力矩，直至主動關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總線傳遞相關信息，同時還要讀取發動機轉速和控制制動燈；緩速器與發動機共用一套冷卻系統，采用先冷卻發動機后冷卻緩速器的方式，對整車冷卻水路進行適當的改造和優化。

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，緩速器持續制動過程中產生的大量熱量需要通過整車散熱系統消化，必須在整車散熱系統的能力范圍內，才可以保證緩速器正常工作。如果緩速器持續制動產生的熱量大于整車的最大散熱能力，則會出現冷卻液開鍋、緩速器制動油溫過高等現象，緩速器必須退出工作，優先保證發動機的正常工作。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)設定坡道行駛車速為v，當實時車速大于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 持續制動試驗

3.1 試驗平臺構建

為了有效控制試驗準確性和便于實時監測，此次試驗采用臺架試驗模擬整車緩速器制動過程。試驗臺結構與原理如圖4所示，驅動電機輸出轉矩和轉速，負載電機接收制動功率和轉矩，通過試驗臺PC控制設備的運行并測量相關數據，緩速器采用獨立水冷的方式，散熱器和風扇采用濰柴原裝WP12-375發動機部件，水箱和水泵的選取與整車相同，測試臺架相關參數見表1。

圖4 緩速器試驗臺結構與原理

組件參數驅動電機額定功率800 kW,最高轉速大于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轉速傳感器量程0～5 000 r/min控制和采集PC戴爾工作站Win7-64bit測試軟件緩速器專用測試軟件試驗臺設定負載44×104 N

3.2 試驗方法與結果

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，啟動驅動電機，使其轉速保持在2 500 r/min，設定時間60 s，緩速器分別啟動制動1、2、3、4擋，測試60 s內緩速器轉速從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(轉速800～1 100 r/min時)，后有一小落差后，制動扭矩保持穩定；緩速器制動功率隨著轉速上升而上升，最大功率700 kW，遠遠超過了整車設計散熱功率，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 緩速器持續制動熱平衡試驗

設車輪直徑為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，對應的緩速器轉速。檢查水、電、氣連接是否正常，設置負載44×104N，驅動電機分別保持車速30、40、50、60 km/h時對應的緩速器運行工況，緩速器至最高擋，連續運行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工作12 min。測試數據見表2，從試驗結果可以看出：緩速器在最大制動擋位時，可保持40 km/h以內恒速下長坡行駛，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 緩速器持續制動熱平衡試驗數據表

4 結論

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速。液力緩速器制動過程是將車輛的動能轉化為熱能，會產生大量的熱量，需要依靠整車散熱系統進行散熱；因此，整車匹配液力緩速器需對整車散熱系統進行適當的改裝，采取先冷卻發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下坡，提高運輸效率。