李超,高凱,龐應(yīng)周

(西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710077)

0 引言

汽車液力緩速器作為獨(dú)立于主制動(dòng)的一種輔助制動(dòng)裝置，具有制動(dòng)扭矩大、制動(dòng)平穩(wěn)、壽命長(zhǎng)、體積小、制動(dòng)成本低等特點(diǎn)，可以最大限度地減少主制動(dòng)器的使用，防止長(zhǎng)下坡路段主制動(dòng)器過(guò)度使用造成制動(dòng)片摩擦過(guò)熱而失效，有效保障行車安全，近年來(lái)在重型卡車和長(zhǎng)途客車上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。我國(guó)山地多、坡陡且長(zhǎng)，配備液力緩速器的車輛可以提供穩(wěn)定的持續(xù)制動(dòng)力矩，保證車輛以較高車速在長(zhǎng)下坡路段安全行駛，避免主制動(dòng)長(zhǎng)時(shí)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(zhǎng)下坡路段的持續(xù)制動(dòng)性能進(jìn)行研究，對(duì)其應(yīng)用和開發(fā)具有指導(dǎo)意義。

1 液力緩速器的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)

國(guó)內(nèi)外液力緩速器的結(jié)構(gòu)基本相同，主要由定子、轉(zhuǎn)子、熱交換器、傳動(dòng)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(shí)其底部?jī)?chǔ)存油液，內(nèi)部開有孔道，便于油液循環(huán)流動(dòng)；緩速器傳動(dòng)軸和連接法蘭以花鍵連接，用于傳遞制動(dòng)扭矩，分別連接變速器輸出軸和整車傳動(dòng)軸；轉(zhuǎn)子與傳動(dòng)軸緊固，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)；定子與緩速器殼體緊固，固定不動(dòng)；熱交換器采用油水分離結(jié)構(gòu)，利用外部冷卻液帶走油液的熱量，達(dá)到降低油液制動(dòng)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(guò)控制進(jìn)入緩速器內(nèi)部氣壓的大小來(lái)控制輸出制動(dòng)扭矩。

圖1 液力緩速器結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

圖2為液力緩速器的工作原理簡(jiǎn)圖。轉(zhuǎn)子隨傳動(dòng)軸時(shí)刻轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)緩速器開始工作時(shí)，控制閥控制一定氣壓的空氣進(jìn)入緩速器內(nèi)部，將油底殼中的油液經(jīng)過(guò)管路壓入定轉(zhuǎn)子之間，轉(zhuǎn)子帶動(dòng)油液沿軸向和葉片方向高速運(yùn)動(dòng)，將油液甩向定子，定子固定不動(dòng)，迫使油液在工作腔內(nèi)做渦旋損耗運(yùn)動(dòng)[2]，對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生反作用力，從而產(chǎn)生制動(dòng)力矩，使車輛減速；產(chǎn)生制動(dòng)力矩的同時(shí)，將車輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，具體表現(xiàn)為高溫高壓的油液，這些油液經(jīng)過(guò)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(huán)往復(fù)，持續(xù)產(chǎn)生制動(dòng)力矩，直至主動(dòng)關(guān)閉緩速器或者達(dá)到整車最大散熱能力而自動(dòng)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(dòng)軸與變速器輸出軸連接，緩速器輸出法蘭與整車傳動(dòng)軸法蘭連接；氣路取自整車輔助氣路，建議從四回路保護(hù)閥的24口取氣，同時(shí)在氣路中增加獨(dú)立的空氣濾清器、開關(guān)氣路截止閥和獨(dú)立儲(chǔ)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(guān)信息，同時(shí)還要讀取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和控制制動(dòng)燈；緩速器與發(fā)動(dòng)機(jī)共用一套冷卻系統(tǒng)，采用先冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)后冷卻緩速器的方式，對(duì)整車?yán)鋮s水路進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑旌蛢?yōu)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(xù)制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的大量熱量需要通過(guò)整車散熱系統(tǒng)消化，必須在整車散熱系統(tǒng)的能力范圍內(nèi)，才可以保證緩速器正常工作。如果緩速器持續(xù)制動(dòng)產(chǎn)生的熱量大于整車的最大散熱能力，則會(huì)出現(xiàn)冷卻液開鍋、緩速器制動(dòng)油溫過(guò)高等現(xiàn)象，緩速器必須退出工作，優(yōu)先保證發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作。因此，必須對(duì)緩速器出水溫度和油溫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，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(shè)定坡道行駛車速為v，當(dāng)實(shí)時(shí)車速大于v，緩速器工作(必須在保證1、2條的前提下)；當(dāng)實(shí)時(shí)車速小于v，緩速器不工作；

(4)緩速器工作過(guò)程中，使用主制動(dòng)，緩速器自動(dòng)退出工作。

3 持續(xù)制動(dòng)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建

為了有效控制試驗(yàn)準(zhǔn)確性和便于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，此次試驗(yàn)采用臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)M整車緩速器制動(dòng)過(guò)程。試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)與原理如圖4所示，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，負(fù)載電機(jī)接收制動(dòng)功率和轉(zhuǎn)矩，通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)PC控制設(shè)備的運(yùn)行并測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)，緩速器采用獨(dú)立水冷的方式，散熱器和風(fēng)扇采用濰柴原裝WP12-375發(fā)動(dòng)機(jī)部件，水箱和水泵的選取與整車相同，測(cè)試臺(tái)架相關(guān)參數(shù)見表1。

圖4 緩速器試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)與原理

組件參數(shù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率800 kW,最高轉(zhuǎn)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(fù)載電機(jī)額定功率800 kW扭矩傳感器量程0～10 000 N·m轉(zhuǎn)速傳感器量程0～5 000 r/min控制和采集PC戴爾工作站W(wǎng)in7-64bit測(cè)試軟件緩速器專用測(cè)試軟件試驗(yàn)臺(tái)設(shè)定負(fù)載44×104 N

3.2 試驗(yàn)方法與結(jié)果

3.2.1 緩速器制動(dòng)特性試驗(yàn)

檢查試驗(yàn)臺(tái)各部件連接可靠，水、電、氣等連接正確，啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使其轉(zhuǎn)速保持在2 500 r/min，設(shè)定時(shí)間60 s，緩速器分別啟動(dòng)制動(dòng)1、2、3、4擋，測(cè)試60 s內(nèi)緩速器轉(zhuǎn)速?gòu)? 500 r/min勻速降至0的制動(dòng)力矩曲線和制動(dòng)功率曲線，結(jié)果如圖5、圖6所示：緩速器各擋制動(dòng)曲線均在起始階段迅速上升至最高點(diǎn)(轉(zhuǎn)速800～1 100 r/min時(shí))，后有一小落差后，制動(dòng)扭矩保持穩(wěn)定；緩速器制動(dòng)功率隨著轉(zhuǎn)速上升而上升，最大功率700 kW，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了整車設(shè)計(jì)散熱功率，因此制動(dòng)功率較大時(shí)油溫、水溫會(huì)急劇上升，無(wú)法在較大功率范圍內(nèi)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(dòng)功率曲線

3.2.2 緩速器持續(xù)制動(dòng)熱平衡試驗(yàn)

設(shè)車輪直徑為1.2 m，主減速器速比為4.42，分別計(jì)算車速為30、40、50、60 km/h時(shí)，對(duì)應(yīng)的緩速器轉(zhuǎn)速。檢查水、電、氣連接是否正常，設(shè)置負(fù)載44×104N，驅(qū)動(dòng)電機(jī)分別保持車速30、40、50、60 km/h時(shí)對(duì)應(yīng)的緩速器運(yùn)行工況，緩速器至最高擋，連續(xù)運(yùn)行12 min[5]，測(cè)量緩速器恒速制動(dòng)功率，觀察緩速器是否能夠連續(xù)工作12 min。測(cè)試數(shù)據(jù)見表2，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：緩速器在最大制動(dòng)擋位時(shí)，可保持40 km/h以內(nèi)恒速下長(zhǎng)坡行駛，車速大于50 km/h時(shí)，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(xù)制動(dòng)熱平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

4 結(jié)論

液力緩速器是通過(guò)攪動(dòng)工作腔中的油液做渦流作用而產(chǎn)生制動(dòng)扭矩的，其制動(dòng)扭矩的大小取決于工作腔中油液的體積和緩速器轉(zhuǎn)速。液力緩速器制動(dòng)過(guò)程是將車輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，需要依靠整車散熱系統(tǒng)進(jìn)行散熱；因此，整車匹配液力緩速器需對(duì)整車散熱系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母难b，采取先冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)后冷卻緩速器的方式進(jìn)行布置，冷卻水路要合理布置，可以適當(dāng)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(xù)下坡，提高運(yùn)輸效率。