重型卡車液力緩速器工作原理解析

北京福田戴姆勒汽車有限公司 趙 陽，王衛(wèi)翼

液力緩速器屬于一種車輛輔助制動系統(tǒng)裝置，它的作用是在不使用或者少使用車輛行車制動系統(tǒng)的條件下，使車輛速度降低或保持穩(wěn)定。在重型卡車市場上，越來越多的客戶選擇裝配液力緩速器。本文以采埃孚（ZF）液力緩速器為例，闡述該裝置相關系統(tǒng)的工作原理。

1 液力緩速器的結構

液力緩速器的主要機械部件包括定子、轉(zhuǎn)子、增速齒輪組、齒輪軸、主換向閥、殼體、油泵、熱交換器等（圖1）。

圖1 液力緩速器結構圖

液力緩速器安裝在變速器殼體后部，與變速器輸出軸并聯(lián)安裝，且與變速器共用液壓油液。

2 液力緩速器的工作原理

變速器輸出軸通過增速齒輪組帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，將液壓油液甩向轉(zhuǎn)子葉片外邊緣并不斷沖擊定子葉片，液壓油液沖擊定子葉片后返回轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)中心方向，這樣不斷循環(huán)形成渦流（圖2），液壓油液會對旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子葉片產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩（制動轉(zhuǎn)矩的大小與緩速器充液壓力成正比），并通過增速齒輪組傳回變速器輸出軸實現(xiàn)車輛減速。

圖2 緩速器渦流形成示意圖

液力緩速器結構與液力耦合器十分相似，類似于一個輸出軸被固定的耦合器。由于輸出軸被固定，這個“耦合器”工作時一直處于打滑（過載）狀態(tài)，不斷地將機械能轉(zhuǎn)化為熱能，這些熱能被液壓油液吸收，并通過熱交換器傳遞到液力緩速器的冷卻液系統(tǒng)中。

3 液力緩速器液壓系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)組成

液力緩速器的液壓系統(tǒng)如圖3所示，主要由開關閥、控制閥、主換向閥、排空閥、吸濾器、安全閥、減損裝置等組成。

圖3 液力緩速器液壓系統(tǒng)組成

（1）開關閥用于控制液力緩速器是否工作。當開關閥通電開啟時，液力緩速器內(nèi)部充注液壓油液后開始工作；斷電關閉時，緩速器充液油路被切斷，液力緩速器退出工作。

（2）控制閥又稱為比例閥，用于控制液壓系統(tǒng)的液壓油液壓力，調(diào)節(jié)液力緩速器的制動功率大小。控制閥由液力緩速器控制單元（緩速器ECU）輸出的脈寬調(diào)制（PWM）信號控制，實現(xiàn)調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的油液壓力。控制閥控制的液壓油液壓力作用于液壓泵的彈簧端，彈簧端壓力越大，液壓系統(tǒng)的液壓油液壓力越大。

（3）主換向閥用于控制液壓油路的循環(huán)方向，它是個二位多路換向閥，其位置受開關閥控制。開關閥斷電關閉時，主換向閥在彈簧作用下處于下位，液力緩速器和壓力油路切斷，排空通道被接通；開關閥通電開啟時，主換向閥在油壓作用下上移，接通液力緩速器的液壓油液充注通道。

（4）排空閥在液力緩速器退出工作時打開，將液力緩速器內(nèi)部的液壓油液排空。

（5）減損裝置由2個液壓活塞和受活塞驅(qū)動的2個半圓鋼片（也稱為隔離鋼片）組成。當緩速器不工作時，2個液壓活塞在彈簧力作用下向轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)中心方向移動，帶動2個隔離鋼片嵌入到轉(zhuǎn)子與定子之間，切斷轉(zhuǎn)子與定子之間的渦流，降低緩速器能量損失。當液力緩速器工作時，2個液壓活塞受液壓油液驅(qū)動壓縮彈簧實現(xiàn)徑向外移，帶動兩個隔離鋼片退入到液力緩速器殼體切槽中。

（6）安全閥可以在液壓系統(tǒng)壓力過高時，開啟泄壓，為液壓系統(tǒng)提供保護。

（7）吸濾器用于過濾液壓油液中的雜質(zhì)，更換變速器液壓油液時，需要一同更換吸濾器。

（8）灌裝閥用于為液壓系統(tǒng)快速充注液壓油液。

3.2 液壓系統(tǒng)工作原理

如圖3所示，當液力緩速器不工作時，開關閥斷電處于上位，主換向閥的下游液壓油液通過開關閥排空，主換向閥在彈簧作用下處于下位。油泵通過吸濾器從變速器抽吸液壓油液，液壓油液流經(jīng)熱交換器后，再通過主換向閥、節(jié)流孔、開關閥，最后回流到變速器底部。由于油泵彈簧室沒有油壓，油泵輸出壓力較低，油泵驅(qū)動下的液壓系統(tǒng)以低壓進行循環(huán)，滿足變速器和液力緩速器的潤滑和散熱需要。

如圖4所示，當液力緩速器工作時，開關閥通電打開，閥芯壓縮彈簧下移，油泵輸出的液壓油液經(jīng)過開關閥流至主換向閥下端面，推動主換向閥移至上位，緩速器充液通道被接通，實現(xiàn)對液力緩速器充注液壓油液。開關閥輸出的另外一路液壓油液推動排空閥（壓縮彈簧）左移，將排空通路切斷。

圖4 液力緩速器工作時的液壓系統(tǒng)

液力緩速器完成充注液壓油液后，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生泵油作用（相當于一個油泵），在離心力作用下，液壓油液在靠近轉(zhuǎn)子外邊緣的出油口出油，靠近旋轉(zhuǎn)中心的進油孔回油。此時的液壓油液的循環(huán)回路為：液力緩速器外邊緣出油口→主換向閥→熱交換器→主換向閥→靠近液力緩速器旋轉(zhuǎn)中心的進油孔。

油泵供油通道并聯(lián)在液壓油液循環(huán)回路中，根據(jù)輸出功率需要，對油壓進行調(diào)節(jié)（通過控制閥改變油泵的泵油流量，實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)的壓力調(diào)節(jié)）。

3.3 液力緩速器電控系統(tǒng)

液力緩速器電控系統(tǒng)主要由中央配電盒、起動開關、組合開關右手柄、E模塊、緩速器ECU、油溫傳感器、壓力傳感器、冷卻液溫度傳感器、比例閥、開關閥等組成（圖5）。

圖5 液力緩速器電控系統(tǒng)

（1）組合開關右手柄。組合開關右手柄用于液力緩速器的制動功率控制，有“OFF擋”“B擋”“1擋”“2擋”“3擋”“4擋”共6個擋位位置。將右手柄推至最前方位置為關閉擋；向后撥第一個位置為B擋（恒速擋），在此擋位時，制動轉(zhuǎn)矩根據(jù)車速控制需要隨時進行調(diào)節(jié)，以保證下坡車速恒定；再向后撥動依次為“1擋”“2擋”“3擋”“4擋”，使液力緩速器輸出固定的制動功率。組合開關右手柄輸出的擋位信號首先通過硬線傳遞給E模塊，再通過CAN線傳遞到緩速器ECU，各擋位的開關信號電壓邏輯值如表1所列。

表1 組合開關右手柄擋位信號電壓邏輯值

（2）壓力傳感器。為緩速器ECU提供液壓油液的壓力信號（圖6），以監(jiān)控液力緩速器的制動轉(zhuǎn)矩。

圖6 液力緩速器相關傳感器安裝位置

（3）油溫傳感器。檢測液壓油液溫度，此信號用于保護液壓系統(tǒng)。當液壓油液溫度超過145 ℃時，液力緩速器開始限制制動功率；溫度大于165 ℃時，制動功率降為0。

（4）冷卻液溫度傳感器。檢測熱交換器出液口的冷卻液溫度，此信號用于系統(tǒng)保護。當冷卻液溫度超過95 ℃時，液力緩速器開始限制制動功率；超過115 ℃時，制動功率降為0。

（5）開關閥用于控制液力緩速器工作。開關閥通電，液力緩速器工作；開關閥斷電，緩速器退出工作。

（6）控制閥用于制動功率控制，其通電電流與液力緩速器工作油壓成正比關系。

（7）緩速器ECU接收傳感器信號并進行處理和運算，然后通過控制執(zhí)行器實現(xiàn)液力緩速器的工作控制。緩速器ECU通過CAN線與整車通信，具有自診斷功能，當系統(tǒng)發(fā)生故障時會存儲相關故障代碼。

4 液力緩速器的冷卻液系統(tǒng)

4.1 液力緩速器的冷卻液系統(tǒng)組成

液力緩速器冷卻液系統(tǒng)如圖7所示。對于配備液力緩速器的車型，從發(fā)動機氣缸蓋流出的冷卻液需要經(jīng)過旁通閥或熱交換器才能進入節(jié)溫器殼體。發(fā)動機控制單元通過對旁通閥的控制，來調(diào)節(jié)熱交換器是否參與冷卻循環(huán)。

圖7 液力緩速器冷卻系統(tǒng)循環(huán)示意圖

旁通閥（也稱為蝶閥）安裝于節(jié)溫器殼體下方（圖8），是一種電控氣動執(zhí)行器。當不啟用液力緩速器時，氣動缸活塞桿在彈簧力的作用下縮回，帶動搖臂驅(qū)動蝶閥軸，使蝶閥保持在開啟位置。開啟緩速器后，發(fā)動機控制單元控制旁通閥電磁閥通電，使電磁閥打開，為氣動缸充氣。在壓縮空氣的作用下，活塞桿伸出，驅(qū)動搖臂將蝶閥關閉。

圖8 液力緩速器冷卻系統(tǒng)組成示意圖

4.2 液力緩速器冷卻液系統(tǒng)工作原理

當緩速器未工作時，旁通閥打開，熱交換器不參與冷卻液系統(tǒng)冷卻循環(huán)，此時冷卻系統(tǒng)大、小循環(huán)和無液力緩速器車型完全一致。當溫度低時冷卻液通過小循環(huán)冷卻液管路回到冷卻液泵入口，冷卻液不經(jīng)過散熱器散熱，以便快速提升冷卻液溫度；當溫度升高、節(jié)溫器開啟后，冷卻液通過大循環(huán)管路并流經(jīng)散熱器進行散熱，以實現(xiàn)對發(fā)動機進行溫度控制。

當液力緩速器工作時，旁通閥關閉，熱交換器參與冷卻液循環(huán)，以滿足液力緩速器散熱的需要。

5 總結

重型卡車在高速路或山路的下坡路段行駛時，有時需要長時間和頻繁的制動，由此制動器會產(chǎn)生巨大熱量影響制動效果，很容易導致車輛失速失控，裝配液力緩速器可以有效避免此問題。另外，裝配液力緩速器后，也減少了摩擦制動器的制動頻率，可以大幅度延長輪胎和制動摩擦片的使用壽命，節(jié)約車輛使用成本。

基于以上，重型卡車裝配液力緩速器很有意義。