樊建利　曹愛紅

摘 要：隨著汽車保有量的持續(xù)增長，環(huán)保、能源、安全問題越來越引起人們的重視。緩速器是利用電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)汽車制動(dòng)的一種輔助制動(dòng)裝置。該文在分析緩速器結(jié)構(gòu)和制動(dòng)原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種能量儲(chǔ)存式緩速器，可在實(shí)現(xiàn)汽車輔助制動(dòng)的同時(shí)將制動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)行儲(chǔ)存，當(dāng)汽車再次啟動(dòng)或加速時(shí)，能將儲(chǔ)存的電能釋放，解決了傳統(tǒng)緩速器將制動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱能而浪費(fèi)的弊端，有利于提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性和行駛安全性，具有較廣的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：緩速器 能量儲(chǔ)存 制動(dòng) 汽車

中圖分類號(hào)：U46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）11（c）-0084-02

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國汽車保有量持續(xù)增長，2015年新注冊登記的汽車達(dá)2 385萬輛，與2014年相比，私家車增長了17.77%，每百戶家庭擁有私家車31輛，汽車占機(jī)動(dòng)車的比率近5年從47.06%上升至61.82%。由此可以看出，汽車在交通運(yùn)輸中占有重要的地位。當(dāng)然，汽車的普及隨之帶來了安全、節(jié)能等問題，汽車緩速器應(yīng)運(yùn)而生。汽車緩速器安裝于變速器與驅(qū)動(dòng)橋之間，利用電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)汽車制動(dòng)的一種輔助制動(dòng)裝置。隨著國家對交通安全、節(jié)能環(huán)保的重視，緩速器越來越普及。

緩速器的結(jié)構(gòu)大都是由轉(zhuǎn)子總成、定子總成所構(gòu)成，基本都是應(yīng)用于大車上。另外，這些緩速器在進(jìn)行輔助制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)產(chǎn)生的能量基本都以熱能消耗掉了，無疑是對資源的浪費(fèi)。因此研究如何將制動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的大部分能量進(jìn)行收集存儲(chǔ)，當(dāng)汽車加速或啟動(dòng)時(shí)再將存儲(chǔ)的能量釋放出來的緩速器將是非常有意義的。該文介紹永磁式緩速器和電渦流緩速器的能量收集理論。

1 緩速器結(jié)構(gòu)和制動(dòng)原理

1.1 電渦流緩速器

電渦流緩速器由機(jī)械裝置和電控裝置組成。機(jī)械裝置由定子總成、轉(zhuǎn)子總成等部件組成。在固定架的圓周上均勻地分布著定子的鐵心，鐵心是由高導(dǎo)磁材料制成，鐵心上套有勵(lì)磁線圈，構(gòu)成磁極。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子盤和轉(zhuǎn)子軸構(gòu)成，呈圓盤形，同樣采用具有導(dǎo)磁性能良好的磁性材料制成，轉(zhuǎn)子盤中心凹陷，其上鑄有葉片和氣道，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的散熱。轉(zhuǎn)子連接于傳動(dòng)軸上，可隨傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。定子安裝在車架上或變速器后端，相對車架是固定不動(dòng)的；電控裝置由控制器、勵(lì)磁線圈、驅(qū)動(dòng)器、傳感器等組成，控制器安裝在儀表板上，顯示勵(lì)磁電流工作狀態(tài)和手自動(dòng)勵(lì)磁的切換操作。

電渦流緩速器的工作原理分3步：當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)踏板或按下緩速器的控制開關(guān)時(shí)，電渦流緩速器的勵(lì)磁線圈導(dǎo)通而勵(lì)磁，在定子總成之間構(gòu)成磁路回路，此為第一步電生磁。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)切割定子勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的磁力線，在轉(zhuǎn)子內(nèi)部產(chǎn)生方向相反的渦旋狀感應(yīng)電流，即渦流，此步為磁生電。產(chǎn)生渦流的轉(zhuǎn)子盤處在定子產(chǎn)生的磁場中，就會(huì)受到磁力的作用，產(chǎn)生阻止轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力即產(chǎn)生制動(dòng)力，此步為電磁力矩。渦流流動(dòng)產(chǎn)生的熱能通過轉(zhuǎn)子盤葉片的風(fēng)力迅速散發(fā)出去。

1.2 永磁式緩速器

永磁式緩速器由機(jī)械裝置、輔助裝置、控制裝置3部分組成。機(jī)械裝置也是由定子和轉(zhuǎn)子等部件組成。定子由永磁體、定子鑄體、磁鐵保持架、磁鐵支架、氣缸組件等組成。永磁體沿圓周方向均勻地且磁極交替反向地裝在磁鐵保持架內(nèi)的磁鐵支架上，磁鐵支架套裝在定子鑄體上，通過銷子與保持架連接。定子一般安裝在變速器后端殼體上，相對車架而言，固定不動(dòng)。轉(zhuǎn)子通常由轉(zhuǎn)子鼓、轉(zhuǎn)子臂和散熱片構(gòu)成。轉(zhuǎn)子鼓用導(dǎo)磁性能高剩磁小的鐵磁材料制成。轉(zhuǎn)子鼓外設(shè)有散熱片，實(shí)現(xiàn)散熱功能。轉(zhuǎn)子鼓通過法蘭與動(dòng)力輸出軸連接，隨輸出軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)?？刂蒲b置部分由開關(guān)、指示燈、傳感器、電磁閥、儲(chǔ)氣罐等組成。

永磁式緩速器與電磁緩速器的工作原理基本相同，區(qū)別是永磁緩速器的勵(lì)磁不是采用勵(lì)磁線圈而是利用永久磁鐵勵(lì)磁。制動(dòng)時(shí)，磁極交替反向的永磁體產(chǎn)生勵(lì)磁磁場，在勵(lì)磁磁場的作用下，轉(zhuǎn)子鼓內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，永磁體產(chǎn)生的勵(lì)磁磁場對帶電的轉(zhuǎn)子鼓產(chǎn)生阻止轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力，盡而對傳動(dòng)軸產(chǎn)生制動(dòng)或減速作用，制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的熱量通過轉(zhuǎn)子鼓散熱片的對流和輻射迅速地將熱量散發(fā)掉。

2 制動(dòng)能量儲(chǔ)存方式

由上面分析可知，這兩種緩速器都存在能量浪費(fèi)的弊端。若能將汽車在制動(dòng)過程中的動(dòng)能進(jìn)行存儲(chǔ)，需要時(shí)再進(jìn)行釋放，則有利于提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性和行駛安全性。按照能量儲(chǔ)存的方式，汽車制動(dòng)能量儲(chǔ)存可以分為液壓儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能和蓄電池儲(chǔ)能3種形式。

2.1 液壓儲(chǔ)能

液壓儲(chǔ)能系統(tǒng)工作過程如圖1所示，首先將汽車減速或制動(dòng)時(shí)的機(jī)械能利用液壓裝置轉(zhuǎn)換成液壓能，存儲(chǔ)在儲(chǔ)能器中；當(dāng)汽車啟動(dòng)或加速時(shí)，系統(tǒng)將制動(dòng)時(shí)存儲(chǔ)在儲(chǔ)能器中液壓能通過液壓裝置轉(zhuǎn)換成機(jī)械能為汽車傳動(dòng)系統(tǒng)提供額外能量，增加驅(qū)動(dòng)力。

2.2 飛輪儲(chǔ)能

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)工作過程如圖2所示，將汽車減速或制動(dòng)時(shí)的動(dòng)能利用傳動(dòng)裝置轉(zhuǎn)換為飛輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)能；當(dāng)汽車啟動(dòng)或加速時(shí)，高速運(yùn)轉(zhuǎn)的飛輪將之前制動(dòng)時(shí)存儲(chǔ)的動(dòng)能再通過傳動(dòng)裝置轉(zhuǎn)換為汽車啟動(dòng)或加速的驅(qū)動(dòng)力，增加驅(qū)動(dòng)能力。

2.3 蓄電池儲(chǔ)能

蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)工作過程如圖3所示，將汽車減速或制動(dòng)時(shí)的動(dòng)能利用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，存儲(chǔ)在儲(chǔ)能器中，電能儲(chǔ)能器可以選用蓄電池或者超級電容；當(dāng)汽車啟動(dòng)或加速時(shí)，利用電動(dòng)機(jī)將儲(chǔ)存的電能轉(zhuǎn)換為汽車啟動(dòng)或加速的驅(qū)動(dòng)力，增加驅(qū)動(dòng)能力。

3 緩速器能量儲(chǔ)存方案設(shè)計(jì)

對于永磁式緩速器和電渦流緩速器而言，在它們輔助制動(dòng)過程中，車輛的耗電量明顯增加，也就是說若要永磁式緩速器和電渦流緩速器真正實(shí)現(xiàn)輔助制動(dòng)作用，必須要增加汽車蓄電池或發(fā)電機(jī)的容量，因此在進(jìn)行永磁式緩速器和電渦流緩速器設(shè)計(jì)時(shí)，必須選擇合適的能量儲(chǔ)存方案。

我們在上面介紹了3種制動(dòng)能量儲(chǔ)存方式，其中液壓和飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)是將汽車制動(dòng)或減速的動(dòng)能進(jìn)行轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)后直接釋放利用的，缺點(diǎn)是能量不能實(shí)現(xiàn)長久地儲(chǔ)存，并且液壓儲(chǔ)能系統(tǒng)要求密封性高，存在能量損失較大的缺點(diǎn)，因此，液壓和飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)對于永磁式緩速器和電渦流緩速器而言并不是最優(yōu)方案。蓄電池電能儲(chǔ)能系統(tǒng)將制動(dòng)的能量轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)行存儲(chǔ)，能夠?yàn)槠嚦潆妰?chǔ)能，消耗電能很小，可實(shí)現(xiàn)能量的長久儲(chǔ)存，具有穩(wěn)定性、輕量化、保養(yǎng)簡單的優(yōu)點(diǎn)。因此，永磁式緩速器和電渦流緩速器能量儲(chǔ)存方案選擇蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。

緩速器的整體設(shè)計(jì)是將緩速器安裝于發(fā)動(dòng)機(jī)/變速器與后驅(qū)動(dòng)橋輸入端之間，能量儲(chǔ)存的關(guān)鍵技術(shù)是緩速器的控制系統(tǒng)，整個(gè)控制系統(tǒng)包含脈動(dòng)控制、回饋制動(dòng)控制、電流控制等?？刂葡到y(tǒng)的芯片選擇具有低功耗、高可靠性、運(yùn)算速度快的芯片，用于實(shí)現(xiàn)各部分的精確控制。工作過程為：正常行駛時(shí)，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)將動(dòng)力傳遞至變速器；制動(dòng)時(shí)，控制電路切斷發(fā)動(dòng)機(jī)至變速器間的動(dòng)力傳遞，緩速器開始工作，提供輔助制動(dòng)能量，使得驅(qū)動(dòng)橋的轉(zhuǎn)速降低，汽車行駛速度下降，與此同時(shí)，控制電路啟動(dòng)能量儲(chǔ)存環(huán)節(jié)，使其處于邊收集能量邊提供制動(dòng)能量。

4 結(jié)語

蓄電池儲(chǔ)能式緩速器將緩速器安裝于變速器和后橋輸入端之間，在輔助制動(dòng)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了能量的長久存儲(chǔ)，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、便于安裝、制動(dòng)平穩(wěn)、節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)，適用于大、中、小型汽車。隨著世界能源危機(jī)和國家對交通安全的重視，能量儲(chǔ)存式緩速器定將成為未來緩速器的發(fā)展趨勢。

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