寧克焱，李德勝，田金山，蓋江濤，歐陽(yáng)巍，蘭海，龐惠仁

(1.中國(guó)北方車輛研究所 車輛傳動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100072;2.北京工業(yè)大學(xué) 材料與制造學(xué)部，北京 100124)

0 引言

隨著動(dòng)力傳動(dòng)、行走系統(tǒng)的不斷創(chuàng)新發(fā)展和性能提升，有人、無(wú)人等高機(jī)動(dòng)平臺(tái)的加速、轉(zhuǎn)向和持續(xù)越野速度等機(jī)動(dòng)性能顯著提升，制動(dòng)需求日漸迫切，要求高機(jī)動(dòng)平臺(tái)制動(dòng)研發(fā)向系統(tǒng)層面實(shí)現(xiàn)更高、更快、更好的發(fā)展［1-2］。

近年來(lái)，車輛在高機(jī)動(dòng)使用和機(jī)動(dòng)能力兩個(gè)方面都有了明顯提升，尤其是涉及熱載荷的持續(xù)制動(dòng)功率:

1) 車輛實(shí)戰(zhàn)化使用的基本特點(diǎn)是高機(jī)動(dòng)使用。以40 t 級(jí)車輛為例，動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)改進(jìn)前的越野平均車速在30 km/h 左右，改進(jìn)后顯著提升，由于實(shí)戰(zhàn)化高機(jī)動(dòng)使用其制動(dòng)持續(xù)功率由不足10 kW 提高至20 kW 以上，并在近年內(nèi)，隨發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)和制動(dòng)的針對(duì)性改進(jìn)提高至30 kW 以上，由此帶來(lái)了嚴(yán)重的機(jī)械制動(dòng)高溫問(wèn)題(見(jiàn)圖1)，芯板骨架體積溫升達(dá)767 ℃，持續(xù)高溫導(dǎo)致支撐回位不暢、磨損加劇和周邊部件熱燒損故障等系列問(wèn)題。

圖1 頻繁制動(dòng)(81 次持續(xù)功率30 kW) 累積溫升試驗(yàn)Fig.1 Frequent braking-cumulative temperature rise test(81 times，continuous power 30 kW)

2) 新型高機(jī)動(dòng)平臺(tái)的機(jī)動(dòng)能力將顯著提升。新裝備越野平均速度將從30～40 km/h 提升至40～60 km/h，在制動(dòng)距離指標(biāo)持平的前提下，其制動(dòng)速度、制動(dòng)強(qiáng)度和制動(dòng)功率(發(fā)熱量) 也將分別顯著提升30%、30%、90%，為實(shí)現(xiàn)同樣機(jī)動(dòng)性安全性制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間也需要縮短25%。

綜上，高機(jī)動(dòng)平臺(tái)隨機(jī)動(dòng)性能不斷提升，制動(dòng)匹配需求日漸突出。以分擔(dān)持續(xù)制動(dòng)功率為優(yōu)化目標(biāo)的制動(dòng)緩速技術(shù)，需要進(jìn)一步結(jié)合各種緩速的研發(fā)現(xiàn)狀和相關(guān)研發(fā)工作進(jìn)展，對(duì)近期可行緩速研發(fā)方案的匹配效果進(jìn)行評(píng)估，為高機(jī)動(dòng)平臺(tái)緩速制動(dòng)技術(shù)提供新的技術(shù)途徑。

1 高機(jī)動(dòng)平臺(tái)緩速匹配設(shè)計(jì)的輸入分析

車輛制動(dòng)基本需求有行車、駐車兩類，機(jī)械制動(dòng)是其基本、安全保障，緩速起輔助、改善作用。行車制動(dòng)具有大能量/功率的特點(diǎn)，從安全角度設(shè)計(jì)需要機(jī)械制動(dòng)滿足基本的行車制動(dòng)需求(包括緊急制動(dòng))，從改善機(jī)械制動(dòng)的磨損壽命、溫升和制動(dòng)性能的角度，需要低空損、易控的緩速匹配起效。對(duì)于駐車制動(dòng)，一般緩速不起作用。緩速匹配研究需要緊密對(duì)接行車制動(dòng)載荷的匹配設(shè)計(jì)需求，建立緩速匹配指標(biāo)體系，并在工程層面不斷提升主要匹配適用性指標(biāo)。

1.1 車輛行車制動(dòng)典型制動(dòng)工況與載荷譜分析

對(duì)車輛行車制動(dòng)5 種典型制動(dòng)工況和制動(dòng)載荷譜進(jìn)行分析，車輛行車制動(dòng)工況分為3 類，分別是10 000 km 全壽命當(dāng)量化制動(dòng)、下坡穩(wěn)速制動(dòng)、緊急制動(dòng)，其中全壽命當(dāng)量化制動(dòng)包括常規(guī)停車制動(dòng)、常規(guī)減速制動(dòng)、實(shí)戰(zhàn)化高機(jī)動(dòng)行駛等。該分析為制動(dòng)緩速匹配研發(fā)明確了基礎(chǔ)需求牽引，尤其是載荷譜以其多工況特點(diǎn)對(duì)緩速匹配計(jì)算的作用最為突出。

一般情況下高機(jī)動(dòng)行駛制動(dòng)載荷在全壽命中有限使用。作為全壽命考核用載荷譜，按10 000 km的10%體現(xiàn)高機(jī)動(dòng)行駛綜合制動(dòng)，其各減速度區(qū)間制動(dòng)綜合頻次統(tǒng)計(jì)分布如圖2 所示。將制動(dòng)載荷各速度段分布頻次與加速度段分布頻次根據(jù)隸屬度函數(shù)關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，獲得4 類工況下制動(dòng)載荷譜如表1 所示(總制動(dòng)次數(shù)1 522 次，總制動(dòng)能量4 493 MJ) 。

圖2 各減速度區(qū)間制動(dòng)綜合頻次分布圖Fig.2 Comprehensive frequency distribution of braking in each deceleration zone

表1 全壽命行駛綜合制動(dòng)載荷譜Table 1 Comprehensive braking load spectrum for full life driving

1.2 緩速匹配指標(biāo)體系

在滿足綜合傳動(dòng)集成布置需求的前提下，基于已有高速高能容機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)和聯(lián)合制動(dòng)總體匹配設(shè)計(jì)研究進(jìn)展，形成簡(jiǎn)化后的緩速匹配指標(biāo)體系如表2(指標(biāo)值為2 025 目標(biāo)) 所示。

表2 緩速匹配指標(biāo)體系Table 2 Retarding matching index system

按照表2 指標(biāo)體系可實(shí)現(xiàn)緩速匹配的對(duì)比評(píng)價(jià)，確定目前的緩速匹配研制主線，實(shí)現(xiàn)好用、耐用、實(shí)用的緩速匹配系統(tǒng)研發(fā)。

2 緩速技術(shù)性能分析

2.1 緩速技術(shù)

2.1.1 液緩技術(shù)

液力緩速器(簡(jiǎn)稱液緩) 是一種利用液力耗能原理將轉(zhuǎn)子動(dòng)能轉(zhuǎn)化為液體內(nèi)能的裝置，用于消耗車輛機(jī)械能，為車輛減速制動(dòng)［3］，其主要由動(dòng)輪、定輪、散熱器和控制系統(tǒng)組成。當(dāng)液緩工作時(shí)，控制系統(tǒng)將油液注入動(dòng)輪和定輪組成的循環(huán)圓腔內(nèi)，接著動(dòng)輪帶動(dòng)油液進(jìn)行渦流和環(huán)流運(yùn)動(dòng)，從而將動(dòng)輪的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為流體能量，同時(shí)高溫油液流經(jīng)散熱器，其熱量被耗散在周圍空氣中。液緩按照控制方式可分為閉式、開(kāi)式［4］;按照葉片類型可分為弧形葉片、傾斜葉片［5］。

根據(jù)液力制動(dòng)原理，德國(guó)福伊特(Voith) 公司于1961 年推出第一款用于1 000 t 柴油火車的液緩，1968 年首次將液緩應(yīng)用于車輛上。福伊特公司的液緩產(chǎn)品已成系列化，目前超過(guò)20 萬(wàn)臺(tái)歐美、日本等國(guó)的商用車輛安裝了該公司產(chǎn)品［6］。此外，著名的液緩廠商還有德國(guó)采埃弗(ZF) 公司、瑞典斯堪尼亞(Scannia) 公司和美國(guó)艾里遜(Allison) 公司。國(guó)內(nèi)對(duì)于液緩的研究雖然起步晚，但經(jīng)過(guò)多所大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)的不懈努力，已經(jīng)對(duì)液緩的制動(dòng)性能、控制方法進(jìn)行了大量研究。國(guó)內(nèi)液緩生產(chǎn)廠家如法士特、特爾佳、蒼泰等公司，目前已初具規(guī)模。

當(dāng)前液緩的前沿發(fā)展方向?yàn)椴⒙?lián)式高速液緩、水介質(zhì)液緩和變速箱集成式液緩。

2.1.1.1 并聯(lián)式高速液緩技術(shù)

按照緩速器的安裝位置，可以分為串聯(lián)型緩速器和并聯(lián)型緩速器(見(jiàn)圖3) 。安裝于驅(qū)動(dòng)線上的液緩被稱為串聯(lián)式液緩(見(jiàn)圖3(b) VR133-2 型)［7］，但當(dāng)車速較低時(shí)液緩扭矩較小。為解決上述問(wèn)題，出現(xiàn)了并聯(lián)式液緩，該型液緩的轉(zhuǎn)子軸與變速箱傳動(dòng)軸通過(guò)齒輪機(jī)構(gòu)連接，實(shí)現(xiàn)增速。從而利用液緩高速段的大扭矩特性進(jìn)行制動(dòng)，液緩結(jié)構(gòu)更小巧、緊湊，在傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速僅為500 r/min 時(shí)，制動(dòng)扭矩也可達(dá)到2 000 N·m［8］。為解決液緩低速扭矩不足的問(wèn)題，研究人員還推出了將液緩與低速大扭矩的發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)或摩擦制動(dòng)器聯(lián)合使用等方案［9］。

圖3 液緩產(chǎn)品圖Fig.3 Hydraulic retarder products

2.1.1.2 水介質(zhì)液緩技術(shù)

傳統(tǒng)液緩采用油作為工作液。福伊特公司生產(chǎn)的Aquatarder 系列液緩(見(jiàn)圖3(c)) 和蒼泰公司生產(chǎn)的液緩均采用水作為工作介質(zhì)。由于液緩制動(dòng)扭矩與工作介質(zhì)密度呈正比，且水的密度和比熱容大于油，能夠提高液緩制動(dòng)功率和熱容量。此外還可省去原液緩系統(tǒng)中的油水交換器，直接利用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液和車上原有的冷卻系統(tǒng)［10］，從而降低成本。

2.1.1.3 變速箱集成式液緩技術(shù)

國(guó)內(nèi)的變速箱集成式液緩研發(fā)歷經(jīng)近30 年，分為兩個(gè)方向: 一是從開(kāi)始按照西方國(guó)家的大扭矩比例控制(如具備變速箱生產(chǎn)設(shè)計(jì)能力的廠家德國(guó)倫克(Renk) 公司將高功率液緩集成到HSWL354 型傳動(dòng)箱內(nèi)，如圖4 所示，主要滿足最高車速緊急制動(dòng)所需［11］) ;二是采用類似俄羅斯T80坦克等適度液緩匹配方式，在降低對(duì)液力、液壓等工業(yè)加工條件要求的基礎(chǔ)上開(kāi)展機(jī)液聯(lián)合所需緩速系統(tǒng)研制，主要由兵器第一研究院開(kāi)展相關(guān)研發(fā)工作，形成了獲發(fā)明獎(jiǎng)的“高效能機(jī)械液力聯(lián)合制動(dòng)技術(shù)”。這兩個(gè)研制方向目前情況: 前者能夠?qū)崿F(xiàn)15 000 N·m 等級(jí)的額定制動(dòng)扭矩，但最低制動(dòng)扭矩難以控制在6 000 N·m 以下，比例控制效果不理想，響應(yīng)時(shí)間在0.8 s 左右;后者能夠?qū)崿F(xiàn)4 000～6 000 N·m 左右的額定制動(dòng)扭矩，但也存在比例控制效果不理想的問(wèn)題(更低制動(dòng)扭矩控制困難)，響應(yīng)時(shí)間在0.4～0.5 s 左右。圖4 中，ГT 為液力變矩器，Г3 為液力緩速器，CДP 為匯流排，OT 為停車制動(dòng)器，БP 為側(cè)減速器。

圖4 HSWL354 型傳動(dòng)箱Fig.4 RENK HSWL 354

2.1.2 電緩技術(shù)

電渦流緩速器(簡(jiǎn)稱電緩) 是一種利用電渦流制動(dòng)原理將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能的非接觸式緩速制動(dòng)元件。重載車輛在其傳動(dòng)系統(tǒng)中安裝電緩，持續(xù)下坡路段或非緊急制動(dòng)時(shí)，依靠電緩消耗傳動(dòng)軸的動(dòng)能，滿足車輛對(duì)制動(dòng)的需求［12］。電緩按照勵(lì)磁可分為永磁、電磁;按照散熱方式可分為風(fēng)冷和水冷。

1903 年出現(xiàn)了世界首個(gè)關(guān)于電渦流制動(dòng)的專利，1936 年起，電緩技術(shù)被逐步應(yīng)用于汽車。電緩著名廠商有法國(guó)TELMA 公司、西班牙FRENRLSA公司和KLAM 公司、德國(guó)KLOFT 公司，以及日本TOKYOBUHIKOGYO 公司和ISUZU/SUMITOMO 公司等。其中TELMA 公司是世界上最大電緩制造商，產(chǎn)品被廣泛安裝在雷諾、戴姆勒-奔馳、曼、沃爾沃、依維柯、斯堪尼亞、尼奧普蘭等著名汽車公司生產(chǎn)的重型汽車和大中型客車上。近年來(lái)，隨著我國(guó)汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，國(guó)內(nèi)多家企業(yè)開(kāi)展電緩研制與生產(chǎn)，如深圳特爾佳公司、洛陽(yáng)南峰機(jī)電公司、江蘇淮安惠民公司、揚(yáng)州洪泉公司、浙江瑞立公司和嘉興紐曼公司等［13］。

2.1.2.1 傳統(tǒng)風(fēng)冷電緩技術(shù)

應(yīng)用最廣泛的電緩主要有盤式和轂式，如圖5所示，兩種電緩結(jié)構(gòu)不同、原理相似。電緩主體包括兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件(定子與轉(zhuǎn)子) 和多組勵(lì)磁線圈，相鄰的勵(lì)磁線圈反向通電產(chǎn)生磁場(chǎng)，定子與轉(zhuǎn)子之間形成閉合磁路。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電渦流。電渦流激勵(lì)出的感應(yīng)磁場(chǎng)抑制原磁場(chǎng)的變化，表現(xiàn)為轉(zhuǎn)子阻力矩。電渦流引起電阻熱，熱通過(guò)強(qiáng)制對(duì)流散熱的方式擴(kuò)散到周圍空氣中。盤式電緩電渦流產(chǎn)生在轉(zhuǎn)子側(cè)面，轂式電緩電渦流產(chǎn)生在轉(zhuǎn)子內(nèi)圓面。電渦流產(chǎn)生在轉(zhuǎn)子上，轉(zhuǎn)子上集成散熱風(fēng)道，對(duì)高溫轉(zhuǎn)子進(jìn)行對(duì)流散熱［14］。

圖5 電緩產(chǎn)品圖Fig.5 Eddy current retarder products

對(duì)電緩研究集中在電緩制動(dòng)扭矩理論計(jì)算和仿真模擬，利用現(xiàn)代設(shè)計(jì)優(yōu)化方法對(duì)電緩磁路進(jìn)行優(yōu)化，提升電緩功率密度。優(yōu)化風(fēng)道結(jié)構(gòu)，改善材料特性，降低高溫轉(zhuǎn)子在高速離心力作用下的崩裂風(fēng)險(xiǎn)［15-16］。圖6 描述了轉(zhuǎn)子溫度升高時(shí)扭矩不斷下降的特性［17］，從中可見(jiàn)當(dāng)溫度升高時(shí)間至550 s 時(shí)，制動(dòng)扭矩從1 700 N·m 下降至960 N·m。這是因?yàn)楦邷叵罗D(zhuǎn)子的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率下降，導(dǎo)致電緩扭矩下降50%以上。

圖6 電緩制動(dòng)扭矩受熱衰退特性Fig.6 Thermal derating of the eddy current retarder braking torque

2.1.2.2 新型液冷電緩技術(shù)

為了解決電緩熱衰退問(wèn)題，近年國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了利用單個(gè)環(huán)形線圈勵(lì)磁、形成橫向磁通的新型電渦流緩速:采用單個(gè)環(huán)形線圈勵(lì)磁，形成橫向磁通磁場(chǎng);電渦流產(chǎn)生在定子;定子集成水套、濕式冷卻結(jié)構(gòu)散熱。以內(nèi)嵌式電渦流緩速器為例(見(jiàn)圖7)，單個(gè)環(huán)形勵(lì)磁線圈安裝在定子上，勵(lì)磁線圈被軟磁材料包裹。圖7 中ω 為轉(zhuǎn)速。當(dāng)線圈通電時(shí)，線圈周圍產(chǎn)生環(huán)形磁場(chǎng)，在定子、轉(zhuǎn)子形成閉合磁路。轉(zhuǎn)子內(nèi)外圈分布齒結(jié)構(gòu)聚磁，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)定子表層磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生周期變化，電渦流產(chǎn)生在定子表層。與傳統(tǒng)電緩相比，由于電渦流產(chǎn)生部位由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)化到定子上，新型電緩方便對(duì)高溫定子進(jìn)行液冷散熱［18-19］。新型緩速功率密度提高30%以上，提高了電緩持續(xù)制動(dòng)能力。目前北京工業(yè)大學(xué)與兵器第一研究院和清研瑞能公司、揚(yáng)州安行公司、旭升電器公司等單位在研發(fā)該類產(chǎn)品。

圖7 水冷內(nèi)嵌式電渦流緩速器結(jié)構(gòu)Fig.7 Basic structure of the water-cooling embedded eddy current retarder

2.2 液緩和電緩國(guó)內(nèi)研發(fā)可行性對(duì)比

基于相同綜合傳動(dòng)集成布置邊界約束，對(duì)兩類緩速的匹配功率密度對(duì)比計(jì)算分析見(jiàn)表3，因?yàn)轫憫?yīng)速度快，1.43 MW 電緩速研發(fā)目標(biāo)優(yōu)于原有HCBS 聯(lián)合制動(dòng)液緩指標(biāo)。

表3 緩速研發(fā)指標(biāo)對(duì)比Table 3 Comparison of R＆D indexes of retarder

綜合以上國(guó)內(nèi)液緩、電緩研發(fā)歷史和現(xiàn)狀，綜合指標(biāo)對(duì)比分析如表4 所示。

表4 緩速研發(fā)近況綜合對(duì)比分析Table 4 Comprehensive comparison of R＆D of retarder

以上分析表明，預(yù)期新型高功率密度電緩在滿足綜合傳動(dòng)集成設(shè)計(jì)的前提下，能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)合制動(dòng)總體匹配設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，具有更好地滿足新型綜合傳動(dòng)緩速匹配設(shè)計(jì)需求的可行性。

3 電緩發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)綜合分析與優(yōu)化

3.1 電緩制動(dòng)理論模型

電緩一般由轉(zhuǎn)子、定子和線圈組成，如圖7 所示:電緩安裝在密封齒輪箱中，轉(zhuǎn)子隨驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn);線圈圓周方向由轉(zhuǎn)子和定子包圍，并固定在定子上。當(dāng)線圈通電時(shí)，線圈周圍產(chǎn)生環(huán)形磁場(chǎng)(磁感應(yīng)強(qiáng)度B0) ;凸極分布在轉(zhuǎn)子的外環(huán)上用于集磁。

定子的表面在圓周方向上以強(qiáng)弱順序交替分布。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，定子上的磁場(chǎng)會(huì)隨時(shí)間變化，因此在定子中會(huì)產(chǎn)生渦流。由定子上的渦流激發(fā)的感應(yīng)磁場(chǎng)(磁感應(yīng)強(qiáng)度Bi) 抑制了原始磁場(chǎng)的變化，表現(xiàn)為制動(dòng)扭矩。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，瞬態(tài)磁感應(yīng)強(qiáng)度Bδ為B0和Bi之和。由式(3) 中獲得在定子上產(chǎn)生的渦流密度J。根據(jù)趨膚效應(yīng)的原理，在定子的表面層產(chǎn)生渦流并引起電阻加熱。假設(shè)定子的外徑是無(wú)限大的，定子內(nèi)表面的J最大為Jm，并且隨著半徑的增加，J 將減小，變化規(guī)律如式(4) 所示。定子上平均渦流密度的強(qiáng)度由線圈電流大小控制。由于制動(dòng)能量被轉(zhuǎn)換為渦流產(chǎn)生的熱量，制動(dòng)功率PE和扭矩ME可根據(jù)式(6)～式(7)獲得。材料的磁導(dǎo)率變換會(huì)影響磁路磁阻，造成整體磁感應(yīng)密度變化。另外，由式(5) 可以看出，磁導(dǎo)率與電導(dǎo)率也會(huì)對(duì)電渦流層厚度造成影響，電渦流制動(dòng)模型是一個(gè)強(qiáng)非線性模型。

式中:σ 為電導(dǎo)率;μ 為磁導(dǎo)率;t 為時(shí)間;r 為電渦流產(chǎn)生位置半徑;r1為轉(zhuǎn)子內(nèi)徑;Δ 為集膚深度;V 為產(chǎn)生電渦流的體積。

3.2 熱磁耦合仿真技術(shù)及高功率密度電緩總體優(yōu)化設(shè)計(jì)

電緩的轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，定子上產(chǎn)生的電渦流受到電流集膚效應(yīng)的嚴(yán)重影響。電渦流主要產(chǎn)生在靠近轉(zhuǎn)子的定子表層。由于定子上需要足夠體積的軟磁材料進(jìn)行導(dǎo)磁，集成在定子上的散熱水套必將遠(yuǎn)離定子發(fā)熱表面。對(duì)發(fā)熱面進(jìn)行直接冷卻(濕式散熱) 將大幅提升電緩的散熱能力。根據(jù)電磁學(xué)、傳熱學(xué)原理，分別對(duì)濕式散熱和水套散熱的雙凸極電緩應(yīng)用有限元法求解穩(wěn)態(tài)磁-熱流耦合模型，定子截面的溫度結(jié)果如圖8 所示。由圖8 可見(jiàn)，對(duì)發(fā)熱面進(jìn)行直接冷卻，將使定子渦流產(chǎn)生層保持在較低溫度，利于提高持續(xù)制動(dòng)扭矩。此外，在保證散熱能力的前提下，水道由磁飽和程度較高的定子轉(zhuǎn)移到磁飽和程度較低的轉(zhuǎn)子上，提升了體積功率密度。濕式電緩定子可更薄，雙凸極電緩轉(zhuǎn)子的做功半徑將得到提升。

圖8 穩(wěn)態(tài)定子溫度云圖Fig.8 Steady-state temperature on the stator

在直徑480 mm、軸向160 mm 設(shè)計(jì)空間下，傳統(tǒng)風(fēng)冷電緩、新型內(nèi)嵌式電緩及雙凸極電緩的制動(dòng)性能進(jìn)行對(duì)比見(jiàn)表5，從中可知雙凸極電緩功率密度最高。

表5 三種電緩制動(dòng)特性對(duì)比Table 5 Breaking characteristics of three kinds of eddy current retarder

雙凸極電緩轉(zhuǎn)子上設(shè)計(jì)流道如圖9 所示。冷卻液首先被噴到轉(zhuǎn)子內(nèi)圈，高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子將冷卻液甩到定子內(nèi)圈表面，直接對(duì)電渦流層進(jìn)行冷卻。圖10 所示為濕式雙凸極電緩制動(dòng)特性曲線，從中可以看出由于冷卻液的直接冷卻，電渦流層的最高溫度為220 ℃左右，扭矩從1 936 N·m 下降至1 564 N·m。與圖5 常規(guī)風(fēng)冷電緩扭矩-溫度特性對(duì)比，熱衰退大大降低。

圖9 雙凸極電緩結(jié)構(gòu)Fig.9 Structure of the doubly salient eddy current retarder

圖10 雙凸極電緩扭矩及溫度特性曲線Fig.10 Torque and temperature characteristic curves of the doubly salient eddy current retarder

3.3 過(guò)勵(lì)磁控制技術(shù)

重型商用車輛對(duì)電緩的響應(yīng)時(shí)間沒(méi)有過(guò)高需求。但對(duì)于高機(jī)動(dòng)平臺(tái)，緩速具備快速響應(yīng)和短時(shí)間極限制動(dòng)能力是重要指標(biāo)。提高電緩短時(shí)間極限扭矩的直接方法就是增強(qiáng)勵(lì)磁，主要有蛇形線圈、高壓等實(shí)現(xiàn)方法。

新型電緩工作時(shí)，提高勵(lì)磁線圈兩端電源電壓，電緩制動(dòng)扭矩的起效過(guò)程如圖11 所示。電壓升高，引起勵(lì)磁線圈的電流增大，勵(lì)磁增加，縮短響應(yīng)時(shí)間。由于材料的磁通密度會(huì)飽和，勵(lì)磁增加，制動(dòng)扭矩增量會(huì)下降。對(duì)于商用車輛，需要考慮制動(dòng)的經(jīng)濟(jì)性，降低用電量，優(yōu)化功耗比。對(duì)于高機(jī)動(dòng)平臺(tái)，需要緩速在高機(jī)動(dòng)制動(dòng)時(shí)充分發(fā)揮效能，電緩過(guò)勵(lì)磁設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)短時(shí)間極限扭矩和快速響應(yīng)的目標(biāo)。

圖11 勵(lì)磁對(duì)電緩扭矩的影響Fig.11 Influence of excitation on torque

3.4 電磁材料性能提升

電緩的制動(dòng)能力與材料的電磁特性密切相關(guān)。磁導(dǎo)率下降導(dǎo)致軟磁材料各部分的磁阻增加，因降低了氣隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度，最終使電緩扭矩下降。利用材料磁飽和系數(shù)表征不同材料磁導(dǎo)率，通過(guò)有限元計(jì)算可知磁飽和系數(shù)越低、電緩扭矩越小，如圖12 所示。由圖12 可見(jiàn): 渦流產(chǎn)生部位的材料電導(dǎo)率小幅提升有利于電渦流的產(chǎn)生;若電導(dǎo)率大幅提升，會(huì)導(dǎo)致集膚效應(yīng)顯著，從而抑制渦流的產(chǎn)生。集膚效應(yīng)與轉(zhuǎn)速和電導(dǎo)率相關(guān)。通過(guò)電渦流有限元計(jì)算，分析轉(zhuǎn)速與電導(dǎo)率對(duì)電緩扭矩的影響，計(jì)算結(jié)果如圖13 所示。由圖13 可見(jiàn): 隨著轉(zhuǎn)速與電導(dǎo)率的升高，電緩制動(dòng)扭矩均是先升高再降低。因此在選擇材料電磁屬性時(shí)，要與電緩工作轉(zhuǎn)速聯(lián)合確定。在設(shè)計(jì)之初還要考慮溫度對(duì)材料電磁性能的影響，因常用軟磁材料的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率隨著溫度的升高而下降。

圖12 磁飽和系數(shù)對(duì)電緩扭矩的影響Fig.12 Influence of magnetic saturation coefficient on torque

圖13 不同轉(zhuǎn)速下電導(dǎo)率對(duì)電緩制動(dòng)扭矩的影響Fig.13 Effect of conductivity on braking torque of the eddy current retarder at different speeds

綜上，電磁性能受溫升影響小、磁導(dǎo)率大和電導(dǎo)率與制動(dòng)速度匹配的電緩材料，將成為高功率密度高速電緩研發(fā)的又一關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)。

4 高機(jī)動(dòng)平臺(tái)電緩匹配研究與分析

通過(guò)對(duì)3 類行車制動(dòng)需求的匹配計(jì)算和電緩對(duì)輔助系統(tǒng)需求分析，明確了電緩主要研發(fā)指標(biāo)的匹配效果:1.5 MW 緩速匹配可分擔(dān)能量比例達(dá)70%(響應(yīng)時(shí)間指標(biāo)對(duì)該指標(biāo)有顯著影響)，而且不會(huì)對(duì)車輛已有電源、油冷和輔助散熱系統(tǒng)造成顯著影響。分析進(jìn)一步量化確認(rèn)了近期加速電緩研發(fā)的意義和必要性。

4.1 電緩對(duì)高機(jī)動(dòng)行駛制動(dòng)的功率匹配分析

按表6 參數(shù)進(jìn)行緩速匹配分析。

表6 車輛參數(shù)Table 6 Vehicle parameters

基于以上近期電緩指標(biāo)實(shí)現(xiàn)情況(響應(yīng)時(shí)間按0.3 s、緩速最低截至速度/最高速度按0.25)，分別以最新全壽命制動(dòng)載荷譜(10 000 km 跑車，體現(xiàn)高機(jī)動(dòng)跑車情況)、緊急制動(dòng)和單一高機(jī)動(dòng)行駛工況(國(guó)際軍事比賽最苛刻的接力賽工況) 為例，根據(jù)式(8) 統(tǒng)計(jì)全壽命周期緩速分擔(dān)總能量，分析采用新電緩能夠?qū)崿F(xiàn)的匹配效果。

式中:W 為全壽命周期緩速分擔(dān)總能量;te為全壽命運(yùn)行時(shí)間;T 為緩速制動(dòng)扭矩。

通過(guò)基于全壽命制動(dòng)載荷譜電緩匹配分擔(dān)能量計(jì)算(見(jiàn)表7) 可知，0.8 MW 電緩即可實(shí)現(xiàn)39%的能量分擔(dān)比例;進(jìn)一步計(jì)算表明:1.5 MW 電緩可實(shí)現(xiàn)70%左右(對(duì)最新全壽命制動(dòng)載荷譜達(dá)73%，對(duì)原有全壽命制動(dòng)載荷譜達(dá)74%，即使對(duì)全部實(shí)戰(zhàn)化高機(jī)動(dòng)跑車工況也能達(dá)到68%) 的能量分擔(dān)比例(如響應(yīng)時(shí)間降到0.8 s，比例顯著降低到59%，如高速制動(dòng)比例增加，該下降程度會(huì)更顯著)，即使對(duì)最極端的非比例控制緊急制動(dòng)1.5 MW 電緩也可實(shí)現(xiàn)29%的能量分擔(dān)比例(見(jiàn)表8)，以上緩速匹配效果將徹底解決機(jī)械制動(dòng)高溫及磨損問(wèn)題，并以此促進(jìn)機(jī)械制動(dòng)完成體積質(zhì)量進(jìn)一步縮小20%的優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

表7 0.8 MW 電緩匹配分擔(dān)能量(全壽命制動(dòng)載荷譜)Table 7 Matching energy of 0.8 MW eddy current retarder (full life braking load spectrum)

表8 1.5 MW 電緩匹配分擔(dān)能量(緊急制動(dòng))Table 8 Matching energy of 1.5 MW eddy current retarder (emergency braking)

4.2 電緩對(duì)電源等輔助系統(tǒng)匹配需求分析

為了確認(rèn)新型電緩作為一種擬采用的新型緩速形式，其控制及冷卻等需求能否適應(yīng)車輛和綜合傳動(dòng)的匹配設(shè)計(jì)要求，以1 MW 電緩為例，完成了電緩對(duì)控制用電、冷卻流量、冷卻功率的評(píng)估，結(jié)果如表9 所示。表9 表明，車輛已有電源、油冷和輔助散熱系統(tǒng)，電源功率、冷卻油溫升和持續(xù)冷卻功率等指標(biāo)可直接滿足1 MW 電緩的工作要求。

通過(guò)表9 的“緩速出口的潤(rùn)滑油溫升”可以看出，緩速峰值功率對(duì)現(xiàn)有傳動(dòng)潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)的流量壓力較大，相關(guān)最高車速緩速匹配功率的增加也會(huì)直接導(dǎo)致傳動(dòng)潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)的流量需求增加，如1.2 MW 需150 L/min、1.5 MW 需185 L/min。

表9 電緩速對(duì)控制用電、冷卻流量、冷卻功率的評(píng)估Table 9 Evaluation of control power，cooling flow and cooling power of eddy current retarder

5 結(jié)論

本文在電緩關(guān)鍵技術(shù)研究基礎(chǔ)上進(jìn)行了高機(jī)動(dòng)平臺(tái)電緩匹配研究與分析。在3 類制動(dòng)工況下對(duì)電緩輔助制動(dòng)占比進(jìn)行了最優(yōu)研究。當(dāng)電緩制動(dòng)功率為0.8 MW時(shí)可分擔(dān)40%總制動(dòng)能量，當(dāng)電緩制動(dòng)功率達(dá)到1 MW 時(shí)可分擔(dān)近50%總制動(dòng)能量。采用電緩匹配將顯著改善高機(jī)動(dòng)使用情況下的機(jī)械制動(dòng)高溫和磨損問(wèn)題，同時(shí)可利用電緩比例可控性好的特點(diǎn)(峰值功率不高于5 kW 線控:通過(guò)低成本繼電器分級(jí)控制或IGBT 無(wú)級(jí)比例控制均可)，大部分可預(yù)見(jiàn)的中等強(qiáng)度(2 m/s2) 及以下的制動(dòng)需求將主要通過(guò)緩速控制完成，達(dá)到同時(shí)改善車輛制動(dòng)品質(zhì)的目的。新型電緩研究為新高機(jī)動(dòng)平臺(tái)的緩速制動(dòng)研發(fā)探索了一條自主可控的新路。