汽车用电液缓速器性能特点及选择

顾振华

(扬州安行机电科技公司，江苏扬州 225000)

汽车用电液缓速器性能特点及选择

顾振华

(扬州安行机电科技公司，江苏扬州 225000)

比较电液缓速器与已有缓速器的性能，分析电液缓速器工作原理及对其性能进行评价的指标：最大制动力矩、热衰退率、响应时间。介绍电液缓速器的磁路结构，线圈组件，电液缓速器水冷系统，产品编号规则，电液缓速器安装的变速箱前置缓速器结构、变速箱后置缓速器结构和传动轴中置式缓速器结构型式，通过列表求解，得到选择车辆所需电液缓速器制动力矩和制动功率。

电液缓速器；评价指标；选型

0　引言

目前缓速器在国外已作为汽车的标准配置， 国内仅仅在部分大型客车上安装使用， 货车安装缓速器的比例很小。随着国家强制安装辅助制动装置标准的颁布以及商用车辆和挂车制动系技术要求及试验方法的颁布，对辅助制动装置本身提出明确的硬性要求。目前国内市场上的自励式缓速器制动力矩小，制动力矩衰退严重，不能完全满足车辆在山区道路以及平路的制动需求。而液力缓速器产品技术要求高、结构相对复杂，主要依靠进口，空损力矩较大，成本较高，而且低速时制动性能较差，难以满足客车和货车持续制动以及大功率制动的要求。因此新型的电液缓速器在提高车辆制动性能和安全性、防止因主制动系失效产生交通事故等方面具有重要意义。

1　电液缓速器的性能简介

电液缓速器也称双凸极液冷缓速器，是新型电涡流缓速器加水冷结构组成。据不完全统计：国内缓速器市场中95%以上都是使用电涡流缓速器，现在在大型客车上已经得到了广泛的应用。但是这种风冷缓速器由于采用的是空气冷却，在使用一段时间或者长时间使用时，缓速器的热衰退现象严重。而且空冷缓速器结构复杂且维护不便。这些问题使得这种传统的电涡流缓速器难以满足大型货车长时间制动对缓速器的要求。

针对当前这种缓速器的问题，北京工业大学的李德胜教授带领的课题组中，提出了一种双凸极构造的电磁电液缓速器，该结构形式的缓速器使用液体冷却方式，转子的形状如两个齿状的圆盘，使缓速器磁路中包含两个凸极。电液缓速器是一种特殊的电涡流缓速器，其工作原理与电涡流缓速器的类似。从能量的角度来说，电液缓速器的工作原理是将汽车的动能转化为热能，通过水道中的循环冷却液将缓速器产生的热量带走，从而实现减速的目的，其三维机构如图1所示。

电液缓速器与已有的缓速器相比较，具有以下优点：

(1)电液缓速器是目前缓速器中结构最为简单的缓速器，仅由转子、定子和线圈3种结构组成，装配简单且质量小。定子安装在缓速器结构的最外侧，半径增加了，制动力矩也随之增大，转子安装在缓速器的内侧，使其不易与其他零件发生摩擦，安全性能更高。

(2)电液缓速器动能转化的热能都集中在定子内表面上，而定子内有水道，能及时地将热量带走，降低缓速器温度，热衰退小。

(3)电液缓速器比液力缓速器成本低，结构简单；比电涡流缓速器质量轻，热衰退小；比永磁缓速器成本低，制动力矩大。

电液缓速器性能比较如表1所示。

表1　电液缓速器性能对比

2　电液缓速器工作原理

如图2所示，当转子随着连接的传动轴转动时，固定在定子套上的通电线圈相对转子转动，因此缓速器的转子内会产生磁场，定子切割转子凸极产生的磁力线在定子内表面产生涡流，生成阻碍车辆行驶的制动力矩。

缓速器的转子转动时，转子与定子气隙间的磁通密度也将产生周期性的变化。此时，定子内表面将产生涡流，而涡流形成的磁场与气隙间的磁场相互作用产生制动力矩，阻碍转子的转动，起到辅助制动的效果。电涡流在定子内表面流动时，由于定子的电阻，电能会转化成热能，因此汽车的动能将转化成热能，并通过定子水道内的液体带走。

根据楞次定律可知：涡流在定子内表面产生新的磁场，与之前线圈通电在转子上产生的磁场相互作用，阻碍转子的转动，从而产生制动力矩使车辆减速；当缓速器不工作时，线圈不通电流，缓速器的转子不会产生磁场，因此，定子内表面也就不会产生涡流，即不会产生制动力矩。

由于电液缓速器为电涡流缓速器的一种，对其性能进行评价时参考电涡流缓速器的评价指标：最大制动力矩、热衰退率、响应时间。

(1)最大制动力矩。由于在汽车平路紧急制动和陡坡制动时所需的减速度较大，故而需要缓速器提供很大的制动力矩，从而对汽车的特殊制动做出及时的反应。所以最大制动力矩是衡量缓速器制动能力的重要指标。

为了能更加清楚地了解电液缓速器的制动力矩大小与各设计参数之间的关系，可以先对其进行理论推导，然后进行仿真分析加以验证。

(2)热衰退率。由于缓速器较长时间工作会引起制动力矩持续下降，即热衰退，由于热衰退是缓速器制动力矩下降的一个重要现象，也是影响缓速器制动性能的重要指标。热衰退率越小，缓速器持续制动性能越稳定，热衰退率Fs计算公式为：

(1)

式中：Fs为热衰退率(%)；

Tmax为制动过程中产生的最大制动力矩值(N·m)；

Te为制动结束时产生的制动力矩值(N·m)。

(3)响应时间。响应时间是指从缓速器开始制动到产生最大制动力矩值的时间差。响应时间是衡量缓速器灵敏程度、反映汽车紧急制动的重要指标。较短的响应时间能够保证汽车在处理紧急刹车和陡坡制动中的安全问题。

3　电液缓速器的结构

从上文可知，电液缓速器由转子、定子和线圈3种结构组成，转子、定子组成一个工作磁路，装配简单且质量小。

3.1磁路

电液缓速器的磁路形式为缓速器的转子为凸极构造的齿形结构，磁力线在转子盘上会分开从各个齿经过气隙到达缓速器定子的内壁，气隙中的磁力线垂直于缓速器转子外圆面和缓速器定子内圆面。

转子和定子以转速n相对运动。当定子未发生磁饱和时，整个磁路系统为线性，气隙磁场可由涡流磁场和励磁磁场应用叠加原理得到。涡流磁场对励磁磁场的去磁作用和增磁作用恰好相同，缓速器中电磁场一般设计成饱和状态。考虑到磁饱和时，增磁边将使该部分磁极的磁饱和程度提高、磁导率减小，从而使该处实际的气隙磁场比不计饱和时略弱；去磁边实际的气隙磁场则与不计饱和时基本一致，因此缓速器工作时比静态时每个磁极下的磁通量有所减少，表现出一定的去磁效应。

为了提高缓速器的制动性能，在建立缓速器电磁场数学模型的基础上，利用数值模拟的方法求解缓速器电磁场方程。采用参数化方法，分析定子和转子材料的电导率和磁导率对制动性能的影响，并结合上述电导率和磁导率的分析，找到定子和转子最佳使用方式。

3.2线圈组件

需保证线圈能提供合适的磁动势，实现缓速器的制动功能。线圈结构由线圈支架及线圈组成，线圈的参数有线径、层数、匝数，在给定的条件下，计算满足使用功能条件的最佳匝数和层数匹配。线圈结构如图3所示。

(1)程序开发。以LabVIEW 2011程序为开发平台，开发线圈结构计算程序，如图4所示。

(2)在界面中给定条件栏中填写相关数据，填写完成后点击页面左上角右箭头，程序开始运行，待页面左上角红色按钮非使能(颜色变浅)，程序运行结束，界面如图4所示。若输出状态此时显示“计算已完成！”，表明计算结果已正确输出。如输出状态此时显示“没有满足条件参数。请重新计算！”，表明无计算结果(表格中显示为上次计算结果)。

3.3电液缓速器水冷系统

缓速器冷却循环系统如图5所示。冷却液在发动机与缓速器冷却循环系中的循环路径为：冷却液在水泵压力的作用下从发动机水套壁流过并从水套壁吸收热而升温经发动机出水口，然后流入缓速器定子水套。若缓速器工作则将热交换器的热量带走，然后流入节温器。若冷却液的温度小于80 ℃，则节温器的阀门关闭即按发动机冷却系小循环路径经水泵回到发动机的回水口，如此循环下去。当冷却液的温度大于80 ℃时，节温器的阀门开启，按发动机冷却系大循环路径，冷却液从水套壁周围流过并从水套壁吸收热量，经发动机出水口，然后流入缓速器定子水套后流入节温器，然后冷却液经散热器进水软管流入散热器；在散热器中，冷却液向流过散热器周围的空气散热而降温，最后冷却液经散热器出水软管返回水泵，如此循环不已。此方案考虑了发动机的大、小循环，而且节温器也发挥了温度调节作用。

4　电液缓速器的选择

4.1产品编号规则

产品编号规则如图6所示。

范例：如ABH21，代表安行公司后置式缓速器，制动力矩为2 100 N·m，接口为A型。

4.2电液缓速器的安装方式

电液缓速器可以安装在汽车的各个部位。选用不同的位置进行安装时，所需要的制动力矩也就不一样。缓速器的安装方式如图7所示。对于货车，电液缓速器一般都是安装在传动轴中间或者变速器之前；对于发动机后置的客车，缓速器一般装在变速器后端盖上；对于发动机后置短轴牵引车，缓速器可装在主减速器上。选择的结构型式包括变速箱前置缓速器结构、变速箱后置缓速器结构和中置式缓速器结构。散热方式需要考虑不同车辆的散热能力，分为与发动机散热系统串联和加装独立水箱两种。

4.3电液缓速器的选择

当采用电液缓速器为汽车辅助制动装置的时候，除了考虑其空间布置和散热能力以外，还应重点考虑电液缓速器所产生的制动力矩能否和汽车的减速要求相匹配。

(1)缓速器制动力矩选取不是越大越好，不能过大使轮胎在地面打滑。电液缓速器的最大制动力矩计算公式如下：

(2)

式中：Tmax为电磁电液缓速器的最大制动力矩；G为汽车重力；φ为路面附着系数；r为轮胎滚动半径；i0为汽车的主减速器传动比；L为汽车轴距；a为汽车质心至前轴中心线的距离；hg为汽车质心高度；du/dt为汽车的减加速度；g为重力加速度。

(2)电液缓速器制动力矩(功率)应与整车匹配的计算依据。GB12676-1999关于缓速器制动性能试验中规定：对于M3类和N3类车辆，满载车辆输入的能量必须相当于在相同时间内，以30 km/h的平均速度(变速器处于适当的挡位)在6%的坡道上，下坡行驶6 km所具有的能量；对于总质量大于10 000 kg的非城市客车中的M3类客车，满载车辆输入的能量必须相当于在相同时间内，以30 km/h的平均速度(变速器处于适当的挡位)在7%的坡道上，下坡行驶6 km所具有的能力。试验中，不得使用行车制动、应急制动和驻车制动。

按照上面的标准，作者以北汽福田生产的BJ5313VNCJJ-S型货车为例，选取后桥的减速比i为4.8，轮胎半径r为0.5 m，在汽车的行驶速度v为30 km/h、转速n为760 r/min时，可求得该车辆标准满载总质量为35 t，故需配备制动力矩T为1 750 N·m的电液缓速器。通过列表求解，可做成表2所示的车辆所需制动力矩和制动功率表。

表2　车辆所需制动力矩和制动功率

(3)综上所述，对于能够提供持续稳定的电液缓速器来说，汽车的行驶速度在30 km/h时，缓速器制动力矩的整车匹配关系如表2所示，即可以满足缓速器国家标准的要求。但是在实际的使用中，特别是当客车对缓速器有短距离制动和频繁制动的要求时，制动的加速度在小于0.6 m/s2时，驾驶员应该感觉不到明显的缓速器制动效果。对于大吨位的货车，缓速器的匹配关系完全可以按照表2进行选型；而对于客车的缓速器选型，一般设计时应该适当增大缓速器的制动力矩，使加速度能够符合0.6 m/s2≤a≤1 m/s2，从而满足驾驶员对辅助制动的要求。

5　结束语

为了克服车辆在连续制动时出现主制动系统磨损严重以及辅助制动系热衰退问题，增加车辆行驶的安全性，尤其在我国山区道路居多、长下坡等客观条件下，选用电液缓速器能满足车辆连续制动需求，降低车辆制动系统的使用成本，提高我国客车、货车产品的国际竞争力，意义重大。从国外缓速器发展历程看， 新型高科技的缓速器必然替代电涡流缓速器； 从国内重载货车缓速器市场看，适合中国国情的高性价比的电液缓速器产品性能优良，对于打破国外产品的垄断地位和增强国产汽车技术意义重大。

【1】叶乐志,李德胜,王跃宗,等.先进汽车缓速器理论与实验[M].北京:机械工业出版社,2013.

【2】顾振华.双凸极液冷缓速器线圈设计研究[J].汽车工艺师,2015(4):91-92.

Electro Hydraulic Retarder Performance Characteristics and Selection for Automobile

GU Zhenhua

(Yangzhou Anxing Electromechanical Technology Co., Ltd., Yangzhou Jiangsu 225000,China)

The performance of electro hydraulic retarder was compared with that of existing retarder.The electro hydraulic retarder working principle and the performance evaluation indexes: maximum braking torque, thermal recession rate and response time were analyzed.Magnetic structure of electro hydraulic retarder,the coil assembly, electro hydraulic retarder water-cooling system, product numbering rule, electro hydraulic retarder mounting gear box front brake structure, transmission rear retarder structure and transmission shaft built-in retarder structure type were introduced. Through list calculation, braking torque and braking power of the electro hydraulic retarder needed in the vehicle selection were gotten.

Electro hydraulic retarder; Evaluation index; Selection

2015-06-04

顾振华，男，本科，高级工程师，研究方向为汽车缓速器。E-mail：370318836@qq.com。