汽车液力缓速器的原理及应用

作者：华南理工大学 黄榕清 吴磊

欢迎访问e展厅 展厅 3 传动/转向/制动系统展厅 变速箱, 离合器, 制动系统... 汽车制动系是汽车安全行驶中最重要的系统之一。随着发动机技术发展和道路条件的改善，汽车的行驶速度和单次运行距离都有了很大的发展，行驶动能大幅度的提高，从而使得传统的摩擦片式制动装置越来越不能适应长时间、高强度的工作需要。由于频繁或长时间地使用行车制动器，出现摩擦片过热的制动效能热衰退现象，严重时导致制动失效，威胁到行车安全[1]。车辆也因为频繁更换制动蹄片和轮胎导致运输成本的增加。为了解决这一问题，应运而生的各种车辆辅助制动系统迅速发展，液力缓速器就是其中一种。 一、液力缓速器的发展历史 最早出现液力缓速器是为了解决火车短距离内减速困难的问题。此后，液力缓速器被用在汽车列车上，发现其很好的辅助制动效果。当今液力缓速器越来越多地被运用到重型载货汽车和大、中型客车上。随着其应用的发展，出现了很多生产液力缓速器的公司。比较著名的液力缓速器厂商有德国福伊特（VOITH）公司、法国泰尔马（TELMA）公司、美国通用公司、日本TBK公司等[2]。目前来看，其生产技术已经比较成熟，形成了适用于各种车型的系列产品。我国的液力缓速器研发已经有一定的发展，但不管是技术水平还是应用数量都远落后于国外。 二、液力缓速器结构、工作原理及控制方式 （一）基本结构 液力缓速器结构大致相同，以VOITH液力缓速器为例（图1），它是由转子、定子、工作腔、输入轴、热交换器、储油箱和壳体组成。其安装方式一般分为与传动轴串连和并连两种。串连时可在变速器前、后安装；如果采取并连，则缓速器和变速器做成一个整体来安装。对于装有带液力变矩器的自动变速器车辆来说，原变速器系统已配备了储油罐、油泵和散热器等部件，因此，在配有自动变速器的客车和载货汽车上安装液力缓速器成本更低。 （二）工作原理 缓速器工作时，压缩空气经电磁阀进入储油箱，将储油箱内的变速器油经油路压进缓速器内，缓速器开始工作。转子带动油液绕轴线旋转；同时，油液沿叶片方向运动，甩向定子。定子叶片对油液产生反作用，油液流出定子再转回来冲击转子，这样就形成对转子的阻力矩，阻碍转子的转动，从而实现对车辆的减速作用。工作液在运动过程中使进出口形成压力差，油液循环流动，通过热交换器时，热量被来自发动机冷却系统的冷却水带走。整个系统工作原理如图2所示。 （三）制动力矩计算公式 缓速器的制动力矩计算公式根据其布置形式有所不同。其基本计算公式为 M=λρgD5n2 式中：D——转子有效循环直径，m；n——转子转速，r/min；λ——制动力矩系数（与叶轮外形有关）； ρ——一流体介质的密度；g——重力加速度。 对于常见的缓速器，装在变速器之前的布置形式的制动力矩可以写成 式中：va——汽车车速，km/h；ig——变速器传动比；i0——主减速器传动比；r——车轮半径，m。 若选择缓速器放在变速器输出端的布置形式，则需要加装齿轮增速装置来获得较高转速，进而获得较大的缓速力矩。所以这种布置方式比较复杂。此时缓速器制动力矩应为 式中：iz——增速装置传动比。 （四）制动力矩的控制 缓速器的控制调节方式可以分为档位调节模式与制动力矩可以连续变化的调节模式两种。 1．档位调节模式 档位调节模式一般又分为手动操纵模式和车辆制动系联动操纵模式。手动操作模式下一般按制动力矩大小排成1～5档，每个档位充入缓速器的油液，由安装在制动管路上的压力传感器提供的压缩空气的压力信号决定，从而控制进入缓速器的油液质量，以达到控制制动力矩的目的。每个档位都能够维持一定的缓速强度，可实现汽车在坡路上等速行驶。 2．制动力矩连续变化的调节模式 制动力矩还有连续变化的调节方式，其控制方式是利用安装在制动踏板下的制动量位置传感器采集得到制动量信号。该制动量位置传感器是一个可变电阻，当制动踏板位置改变时，可变电阻的阻值也发生变化，则得到一个变化电压值反应出制动量的变化；再根据制动量大小和车速大小由电控单元发出脉宽调制信号来控制电液比例阀的电压，进而控制比例调速阀出口开度来控制流入缓速器的液体的质量。当制动过程结束时，电控单元控制回油泵迅速回油，从而通过这种控制方式达到控制液力缓速力矩的目的。 （五）车速信号和制动量信号处理电路 车速信号是通过原车的车速信号传感器得到方波的电信号。制动量位置信号是通过安装在制动踏板处的一个可变电阻得到相应的电压信号。这两个信号通过车速和制动量信号处理电路处理后，再进入专门的A/D转换器转换成数字量。车速和制动量处理电路原理图如图3所示。该处理电路的功能是对车速和制动量信号进行处理——主要是对车速信号进行处理。车速的方波信号通过一个隔离电容，起到抗干扰的作用，再经过由二极管D3，电阻R29、R30和R31、R32，三极管T11和T10组成的两级触发放大电路放大后，进入由二极管D4、D5，电容C5、C6、C7， 电阻R33、R34、R35、R36，积分器U3和可变电阻RV1组成的积分电路。积分电路用于实现低速开关的功能，当车速小于设定值的时候，缓速器不工作，车速电压输出线路就输出无效的开关信号，此时不再对车速进行A/D转换和判断处理。如果车速高于设定值，积分电路输出有效的开关信号，车速信号送入下一步的A/D转换器转换为数字量，进入单片机进行处理判断。制动量信号不需要进行A/D转换，直接送单片机处理。 三、液力缓速器应用的效果 在缓速器转子有效工作半径不变的情况下，缓速器的制动力矩与进入的工作油液量和压力有关，也随着传动轴的转速而变化。以VOITH的某种液力缓速器为例，800～2000r/min工作转速时有很高的缓速力矩，最高可以达到4000Nm[3，4]，其制动作用是非常明显的。从最新的液力缓速器的应用研究表明，利用发动机制动、排气制动、液力缓速器来联合控制制动时，效果更为理想。发动机制动在低转速下有不错的减速效果，随着转速升高，排气制动、缓速器制动开始介入，制动强度逐渐加大。这样配合使用，可使汽车稳定下坡，提高了汽车下坡的安全性[5]。 深圳市公共交通（集团）有限公司曾对所属3路线公交车辆进行对比分析。3号线路有空调巴士20辆，装有B300R自动变速器，有液力缓速器；普通巴士17辆，装备AT545自动变速器，无液力缓速器。两种车均为EQ1141G底盘。经过对比分析，普通巴士的换片、换鼓量分别是空调巴士的1.73和2.03倍，报修频率是空调巴士的1.93倍[6]。由此可见液力缓速器的使用效果是相当理想的。 四、总结 1．提高了车辆行驶的安全性。大大减少了坡道行驶时由于行车制动器热衰退引发的安全事故，使得汽车在下坡时平均行驶速度提高，在平路行驶时，可以比较容易地控制调节车速和保持车间距离。 2．减少了频繁的缓速和制动，提高了车辆的舒适性和操纵灵活性，大大降低了驾驶员的疲劳强度，减少了制动噪声。 3．提高了车辆运输的经济性。由于行车制动次数的减少，制动器和轮胎的磨损大大减少，从而延长了制动器和轮胎维修更换的周期，延长了汽车实际运行时间，由此带来的经济效益非常明显。 综上所述，车辆在安装了液力缓速器后可以有效地提高驾驶安全性、乘座舒适性和路面适应性；具有下坡平均车速高、车辆运输经济性好等优点，它的应用和研究必将越来越广泛。 参考文献： [1] 余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，1997.71- 81. [2] 祁宏钟，雷雨成.缓速器的发展、原理和应用研究[J].北京汽车，2002，（2）：1- 3. [3] 范守林.液力缓速器[J].城市车辆，2002，（4）：51- 52. [4] HELMUT SCHRECK.ZF Retarder in Commercial Vehicles[J].SAE Transmission，922452，1992.739- 749. [5] 余强，陈萌三，马建，等.发动机制动、排气制动与缓行器联合作用的模糊控制系统研究[J].汽车工程，2004，（4）：477- 480. [6] 罗治中.汽车缓速器的应用[J].城市公共交通. 2000，（1）：21-23. [7] Cooney Timothy J，Mowatt Jol E. Developement of a HydraulicRetarder For the Allison AT545R Transmission[C]. SAE952606， 1995.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (4/15/2007)