液力缓速器制动力矩影响因素研究

张孟锋，强中伟

（陕西法士特汽车传动工程研究院实验中心，陕西 西安 710119）

液力缓速器制动力矩影响因素研究

张孟锋，强中伟

（陕西法士特汽车传动工程研究院实验中心，陕西 西安 710119）

文章说明了安装液力缓速器的必要性，以法士特FHB320B为例，描述了液力缓速器的基本组成和工作原理，并重点分析了液力缓速器制动力矩的影响因素：充液量、缓速器结构参数和转子转速，为液力缓速器的研究提供参考。

液力缓速器；制动力矩；充液量；结构参数

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.12.034

Keyworks: hydraulic retarder; breaking torque; liquid volume; structural parameters

CLC NO.: U463.53 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)12-101-04

引言

随着我国经济和道路交通事业的发展，汽车的客货运输量和行车速度不断提高，行车安全也越发重要，而良好的制动性能是汽车安全行驶的重要保障。传统的汽车制动方式是在车轮上安装机械式摩擦制动器，依靠车轮上的制动蹄块张合，对车轮上的轮毂施加摩擦力矩，从而使车辆减速或制动。但这种机械式摩擦制动器在频繁或长时间制动时，产生的大量热量得不到及时传递，造成制动轮毂和制动摩擦衬片过热、制动轮毂龟裂、制动摩擦衬片烧毁而引起制动失效，甚至轮胎早期爆裂，造成重大交通事故[1]。为了提高汽车特别是长途大客车和城市公交车的制动安全性，配备汽车辅助制动装置十分必要，如发动机排气制动、电涡流制动装置和液力缓速器制动。由于液力缓速器具有制动力矩大、制动平稳、噪声小、寿命长和体积较小等优点，在内燃机车、重型载货车、军用车辆以及工程机械等领域得到了广泛的应用[2]。

制动力矩的大小是考察液力缓速器工作效果的关键,影响液力缓速器制动力矩的关键因素是工作腔的充液量、缓速器结构参数和转子转速，本文以法士特并联缓速器FHB320B为例，对影响制动力矩的因素进行总结和概括。

1、液力缓速器的组成

液力缓速器是集机、电、气、液、比例控制等一体化的产品，其主要由液力缓速器机械总成、操作手柄、缓速器控制器、线束、指示灯和CAN端口等组成，如图1所示。缓速器机械总成为产生制动力矩的主体装置，操作手柄是司机操作发出指令的装置，控制器是接收指令并根据指令进行判断再发出指令来控制机械总成上的执行装置——气动比例控制阀，线束是用于连接机械总成、控制器、操纵手柄等的导线，指示灯用于显示缓速器的工作和故障状态，CAN端口主要用于控制器的电源取电和整车的相互通讯接口。

2、液力缓速器的工作原理

并联缓速器与变速箱的连接示意图如图2所示，在变速器后盖总成内设置一个缓速器被动齿轮与缓速器驱动齿轮以2:1的齿数比啮合传动。

图3 并联缓速器结构简图

如图3所示，并联缓速器机械总成主要由缓速器驱动齿轮、气动比例控制阀、工作腔、油池壳和热交换器等组成。油池壳的作用是储存工作介质（机油），热交换器的作用是通过发动机冷却水将缓速器油液产生的热量带走。工作腔是缓速器工作的核心，主要包括定子、转子和工作腔壳体等部件。取自整车气源的气体通过控制阀进入缓速器油池壳，将油池壳内温度较低的油液压入定转子之间的工作腔壳体内，高速运动的转子搅动油液，使油液产生离心力并冲击到定子叶片上，而定子叶片对旋转的油液产生方向相反的向心力，该向心力即为缓速器的制动力矩，制动扭矩通过缓速器驱动齿轮放大2倍作用到变速器输出轴上，从而达到对传动系统的制动减速作用。在此过程中，油液在工作腔进出口形成压力差，并进行循环，流经热交换器时，车辆动能转变成的热能被来自发动机冷却系统的冷却水带走，冷却后的油再重新进入工作腔，这样即组成了一个完整的工作循环。总体来说，液力缓速器的工作过程可以分为充油过程、制动扭矩产生过程、油液热交换过程和回油过程。

3、缓速器制动力矩的影响因素

3.1 缓速器制动力矩与充液量的关系

缓速器在实际工作中，工作腔内并不是完全充满液体，工作腔内的流体是油液和空气的混合物。而缓速器制动力矩的大小取决于工作腔内油液的量以及转子的转速。

图4 缓速器制动力矩与充液量的关系

缓速器挡位手柄产生的电信号经电子控制单元处理后传输到气动比例控制阀并控制其开度，比例阀控制进入油池压缩空气的压力。在控制压力的作用下，相应量的油液被压入定子和转子之间的工作腔，压缩空气的压力不同，供入工作腔的油液量也不同，从而产生不同的制动力矩，如图4所示。

图5为法士特FHB320B缓速器在最大控制气压3.0bar下缓速器的制动力矩特性曲线图，从图可看出在1100r/min左右，缓速器达到最大（标称）扭矩值3200Nm。

图5 FHB320B缓速器力矩特性

3.2 液力缓速器的结构参数对制动力矩的影响

控制气压不同时，缓速器的充液量对缓速器的制动力矩影响很大，但当控制气压一定时，怎样调整缓速器的结构参数，才能对制动性能产生一定的影响作用？因此有必要对液力缓速器的结构参数进行研究，以提高液力缓速器的制动性能。

液力缓速器是一种特殊的液力耦合器，其制动性能可由制动力矩的大小得以体现，其计算公式为：[3]

式中：λ——制动力矩系数；

ρ——工作液密度，g/cm3；

g——重力加速度，m/ s2；

D——循环圆有效直径，m；

n——转子转速，r/min。

由公式(1)可知，缓速器制动力矩的大小主要与制动力矩系数、工作液密度、循环圆有效直径，转子的转速等因素相关。

3.2.1 制动力矩系数λ对制动力矩的影响

由公式(1)可知，制动力矩系数λ与缓速器的制动力矩成正比，理论上，λ越大，制动力矩越大，对于直线型叶片的缓速器来说，λ的大小约为0.006～0.009之间。制动力矩系数与缓速器的充液量有关。[3]

3.2.2 工作液密度对制动力矩的影响

由公式(1)可知，工作液密度与缓速器的制动力矩成正比，理论上，工作液的密度越大，制动力矩越高，实际上，考虑到工作液除了传递动力外，还有润滑、冷却和清洁运动部件的作用，流体的阻力不能过大，工作液的密度必须在一个合理的范围内，目前，法士特FHB320B缓速器使用的是金吉星SJ 10W-40润滑油，具有良好的润滑性能、防锈防腐性能和抗氧化性能，能够满足缓速器的正常使用。

3.2.3 缓速器的结构参数对制动力矩的影响

液力缓速器的结构参数是影响缓速器制动力矩的关键因素，主要包括叶型参数和循环圆参数。叶型参数包括叶片数目、叶片倾斜角、叶片前缘角；循环圆参数主要是循环圆的直径。[4]

图6 FHB320B缓速器的定子与转子

3.2.3.1 叶片数目的影响

叶片数是影响液力缓速器制动性能的重要因素之一，液力缓速器内的叶片数目对液流的循环量有明显影响，液力缓速器的液流出入口位于同一平面内，液流在转子间旋转，受离心力和循环流道的约束，表现为封闭的螺旋运动。随着叶片数的增加，单个流道内的循环流量减少，因此单个流道的制动力矩呈下降趋势，但是总制动力矩却是先增加后降低，这是由于叶片数的增加，摩擦系数和摩擦力增加，进入和离开叶片的突然扩大和突然收缩的阻力系数增加，各种损失增加，所以制动力矩增大。[5]当叶片增加到一定数目后，因轴面分速度沿叶片间分布不均匀程度逐渐减小，涡流现象减轻，因此总制动力矩下降。[6]因此，存在合理的叶片数目值，能够使缓速器的扭矩达到最大。另外，定子和转子的叶片必须有一定的差值，目的是防止叶片数目相同而使流体产生振荡。

图7 叶片倾角

3.2.3.2 叶片倾斜角的影响

如图7所示，叶片倾斜角是指叶片所在平面与转子旋转轴线法平面的夹角。当叶片倾斜方向与转子旋转方向一致时，称为前倾角，相反时称为后倾角。当循环圆直径相同时，采用前倾角能够获得更大的制动扭矩，故液力缓速器的叶片通常是前倾的直叶片。参照液力缓速器之前的研究成果，存在合理的角度值，能够使缓速器的扭矩达到最佳。

3.2.3.3 叶片前缘角的影响

叶片前缘角是叶片前边缘的倒角。它同样对缓速器的制动力矩存在影响。通常认为，叶片前缘角减小会使工作液的循环流量增加，从而增加制动力矩[7]，但由于叶片强度的影响，叶片前缘角并不是越小越好，故存在最佳的叶片前缘角，使缓速器的制动力矩和叶片强度达到最佳。

3.2.3.4 循环圆直径的影响

循环圆是指工作液在转子与定子叶片间循环流动时流道的轴面形状，循环圆的最大直径称作循环圆的有效直径。循环圆须保证缓速器定转子与其它部件整周旋转和正常工作。存在合理的循环圆有效直径，能使缓速器的制动性能达到最优。

图8 循环圆

另外，在法士特FHB320B缓速器上进行的定子进出油口位置的更改、进出油口孔径的更改、以及定子边缘槽长的更改，也是在调整缓速器的结构参数，从而调整参与循环的油液量，以改变缓速器的制动力矩。

4、转子转速对制动力矩的影响

液力缓速器的工作腔压力与转子转速成正比关系，转子转速越高，工作腔压力越大，在充液量不变的情况下，而工作腔压力越大，制动力矩就越大。

5、结束语

液力缓速器对车辆的行驶安全非常重要，安装液力缓速器等辅助制动机构是大势所趋，怎样提高液力缓速器的制动性能也是研究的重点。影响液力缓速器的制动力矩的主要因素有充液量、缓速器结构参数和转子转速，因此，在设计过程中，需要综合考虑各个因素，才能使设计工作更加合理。

[1] 刘成晔.汽车辅助制动装置发展综述[J].中国安全科学学报, 2008, 18(1):105-111.

[2] 张玉玺.程秀生.刘维海.毕乾坤.孙家春.液力缓速器的试验研究[J].工程机械,2007(38):4～7.

[3] 范守林.液力缓速器.城市车辆.2002.No.4:51～52.

[4] 赵静一,王巍.液力传动.机械工业出版社.2007.

[5] 童祖楹,刘祥春.液力耦合器[M].上海:上海交通大学出版社,1988.

[6] 严军,何仁,鲁明.液力缓速器变叶片数的三维数值模拟[J].专用汽车,2002(4):27～31.

[7] 吕金贺,褚亚旭.叶片楔角对液力缓速器内流场的影响分析[J].北华大学学报（自然科学版）,2013(10).

Study On Factors Influencing Breaking Torque Of Hydraulic Retarder

Zhang Mengfeng, Qiang Zhongwei
(Shaanxi Fast Auto Drive Group Transmission Test Center, Shaanxi Xi'an 710119)

This paper illustrates the necessity of installation of Retarder. Take the Fast FHB320B Retarder as an example, it describes the structure and principle of the retarder, and analyzes the factors of the breaking torque of hydraulic retarder. The factors are liquid volume, structural parameters and rotor speed of retarder, which provide the references of the research of retarder.

U463.53

A

1671-7988 (2016)12-101-04

张孟锋，就职于陕西法士特汽车传动工程研究院实验中心工程师，研究方向为机械传动与检测技术。