張孟鋒，強(qiáng)中偉

（陜西法士特汽車傳動(dòng)工程研究院實(shí)驗(yàn)中心，陜西 西安 710119）

液力緩速器制動(dòng)力矩影響因素研究

張孟鋒，強(qiáng)中偉

（陜西法士特汽車傳動(dòng)工程研究院實(shí)驗(yàn)中心，陜西 西安 710119）

文章說(shuō)明了安裝液力緩速器的必要性，以法士特FHB320B為例，描述了液力緩速器的基本組成和工作原理，并重點(diǎn)分析了液力緩速器制動(dòng)力矩的影響因素：充液量、緩速器結(jié)構(gòu)參數(shù)和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，為液力緩速器的研究提供參考。

液力緩速器；制動(dòng)力矩；充液量；結(jié)構(gòu)參數(shù)

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

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和道路交通事業(yè)的發(fā)展，汽車的客貨運(yùn)輸量和行車速度不斷提高，行車安全也越發(fā)重要，而良好的制動(dòng)性能是汽車安全行駛的重要保障。傳統(tǒng)的汽車制動(dòng)方式是在車輪上安裝機(jī)械式摩擦制動(dòng)器，依靠車輪上的制動(dòng)蹄塊張合，對(duì)車輪上的輪轂施加摩擦力矩，從而使車輛減速或制動(dòng)。但這種機(jī)械式摩擦制動(dòng)器在頻繁或長(zhǎng)時(shí)間制動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的大量熱量得不到及時(shí)傳遞，造成制動(dòng)輪轂和制動(dòng)摩擦襯片過(guò)熱、制動(dòng)輪轂龜裂、制動(dòng)摩擦襯片燒毀而引起制動(dòng)失效，甚至輪胎早期爆裂，造成重大交通事故[1]。為了提高汽車特別是長(zhǎng)途大客車和城市公交車的制動(dòng)安全性，配備汽車輔助制動(dòng)裝置十分必要，如發(fā)動(dòng)機(jī)排氣制動(dòng)、電渦流制動(dòng)裝置和液力緩速器制動(dòng)。由于液力緩速器具有制動(dòng)力矩大、制動(dòng)平穩(wěn)、噪聲小、壽命長(zhǎng)和體積較小等優(yōu)點(diǎn)，在內(nèi)燃機(jī)車、重型載貨車、軍用車輛以及工程機(jī)械等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[2]。

制動(dòng)力矩的大小是考察液力緩速器工作效果的關(guān)鍵,影響液力緩速器制動(dòng)力矩的關(guān)鍵因素是工作腔的充液量、緩速器結(jié)構(gòu)參數(shù)和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，本文以法士特并聯(lián)緩速器FHB320B為例，對(duì)影響制動(dòng)力矩的因素進(jìn)行總結(jié)和概括。

1、液力緩速器的組成

液力緩速器是集機(jī)、電、氣、液、比例控制等一體化的產(chǎn)品，其主要由液力緩速器機(jī)械總成、操作手柄、緩速器控制器、線束、指示燈和CAN端口等組成，如圖1所示。緩速器機(jī)械總成為產(chǎn)生制動(dòng)力矩的主體裝置，操作手柄是司機(jī)操作發(fā)出指令的裝置，控制器是接收指令并根據(jù)指令進(jìn)行判斷再發(fā)出指令來(lái)控制機(jī)械總成上的執(zhí)行裝置——?dú)鈩?dòng)比例控制閥，線束是用于連接機(jī)械總成、控制器、操縱手柄等的導(dǎo)線，指示燈用于顯示緩速器的工作和故障狀態(tài)，CAN端口主要用于控制器的電源取電和整車的相互通訊接口。

2、液力緩速器的工作原理

并聯(lián)緩速器與變速箱的連接示意圖如圖2所示，在變速器后蓋總成內(nèi)設(shè)置一個(gè)緩速器被動(dòng)齒輪與緩速器驅(qū)動(dòng)齒輪以2:1的齒數(shù)比嚙合傳動(dòng)。

圖3 并聯(lián)緩速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

如圖3所示，并聯(lián)緩速器機(jī)械總成主要由緩速器驅(qū)動(dòng)齒輪、氣動(dòng)比例控制閥、工作腔、油池殼和熱交換器等組成。油池殼的作用是儲(chǔ)存工作介質(zhì)（機(jī)油），熱交換器的作用是通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水將緩速器油液產(chǎn)生的熱量帶走。工作腔是緩速器工作的核心，主要包括定子、轉(zhuǎn)子和工作腔殼體等部件。取自整車氣源的氣體通過(guò)控制閥進(jìn)入緩速器油池殼，將油池殼內(nèi)溫度較低的油液壓入定轉(zhuǎn)子之間的工作腔殼體內(nèi)，高速運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子攪動(dòng)油液，使油液產(chǎn)生離心力并沖擊到定子葉片上，而定子葉片對(duì)旋轉(zhuǎn)的油液產(chǎn)生方向相反的向心力，該向心力即為緩速器的制動(dòng)力矩，制動(dòng)扭矩通過(guò)緩速器驅(qū)動(dòng)齒輪放大2倍作用到變速器輸出軸上，從而達(dá)到對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)減速作用。在此過(guò)程中，油液在工作腔進(jìn)出口形成壓力差，并進(jìn)行循環(huán)，流經(jīng)熱交換器時(shí)，車輛動(dòng)能轉(zhuǎn)變成的熱能被來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的冷卻水帶走，冷卻后的油再重新進(jìn)入工作腔，這樣即組成了一個(gè)完整的工作循環(huán)。總體來(lái)說(shuō)，液力緩速器的工作過(guò)程可以分為充油過(guò)程、制動(dòng)扭矩產(chǎn)生過(guò)程、油液熱交換過(guò)程和回油過(guò)程。

3、緩速器制動(dòng)力矩的影響因素

3.1 緩速器制動(dòng)力矩與充液量的關(guān)系

緩速器在實(shí)際工作中，工作腔內(nèi)并不是完全充滿液體，工作腔內(nèi)的流體是油液和空氣的混合物。而緩速器制動(dòng)力矩的大小取決于工作腔內(nèi)油液的量以及轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。

圖4 緩速器制動(dòng)力矩與充液量的關(guān)系

緩速器擋位手柄產(chǎn)生的電信號(hào)經(jīng)電子控制單元處理后傳輸?shù)綒鈩?dòng)比例控制閥并控制其開度，比例閥控制進(jìn)入油池壓縮空氣的壓力。在控制壓力的作用下，相應(yīng)量的油液被壓入定子和轉(zhuǎn)子之間的工作腔，壓縮空氣的壓力不同，供入工作腔的油液量也不同，從而產(chǎn)生不同的制動(dòng)力矩，如圖4所示。

圖5為法士特FHB320B緩速器在最大控制氣壓3.0bar下緩速器的制動(dòng)力矩特性曲線圖，從圖可看出在1100r/min左右，緩速器達(dá)到最大（標(biāo)稱）扭矩值3200Nm。

圖5 FHB320B緩速器力矩特性

3.2 液力緩速器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)制動(dòng)力矩的影響

控制氣壓不同時(shí)，緩速器的充液量對(duì)緩速器的制動(dòng)力矩影響很大，但當(dāng)控制氣壓一定時(shí)，怎樣調(diào)整緩速器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，才能對(duì)制動(dòng)性能產(chǎn)生一定的影響作用？因此有必要對(duì)液力緩速器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行研究，以提高液力緩速器的制動(dòng)性能。

液力緩速器是一種特殊的液力耦合器，其制動(dòng)性能可由制動(dòng)力矩的大小得以體現(xiàn)，其計(jì)算公式為：[3]

式中：λ——制動(dòng)力矩系數(shù)；

ρ——工作液密度，g/cm3；

g——重力加速度，m/ s2；

D——循環(huán)圓有效直徑，m；

n——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min。

由公式(1)可知，緩速器制動(dòng)力矩的大小主要與制動(dòng)力矩系數(shù)、工作液密度、循環(huán)圓有效直徑，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速等因素相關(guān)。

3.2.1 制動(dòng)力矩系數(shù)λ對(duì)制動(dòng)力矩的影響

由公式(1)可知，制動(dòng)力矩系數(shù)λ與緩速器的制動(dòng)力矩成正比，理論上，λ越大，制動(dòng)力矩越大，對(duì)于直線型葉片的緩速器來(lái)說(shuō)，λ的大小約為0.006～0.009之間。制動(dòng)力矩系數(shù)與緩速器的充液量有關(guān)。[3]

3.2.2 工作液密度對(duì)制動(dòng)力矩的影響

由公式(1)可知，工作液密度與緩速器的制動(dòng)力矩成正比，理論上，工作液的密度越大，制動(dòng)力矩越高，實(shí)際上，考慮到工作液除了傳遞動(dòng)力外，還有潤(rùn)滑、冷卻和清潔運(yùn)動(dòng)部件的作用，流體的阻力不能過(guò)大，工作液的密度必須在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，目前，法士特FHB320B緩速器使用的是金吉星SJ 10W-40潤(rùn)滑油，具有良好的潤(rùn)滑性能、防銹防腐性能和抗氧化性能，能夠滿足緩速器的正常使用。

3.2.3 緩速器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)制動(dòng)力矩的影響

液力緩速器的結(jié)構(gòu)參數(shù)是影響緩速器制動(dòng)力矩的關(guān)鍵因素，主要包括葉型參數(shù)和循環(huán)圓參數(shù)。葉型參數(shù)包括葉片數(shù)目、葉片傾斜角、葉片前緣角；循環(huán)圓參數(shù)主要是循環(huán)圓的直徑。[4]

圖6 FHB320B緩速器的定子與轉(zhuǎn)子

3.2.3.1 葉片數(shù)目的影響

葉片數(shù)是影響液力緩速器制動(dòng)性能的重要因素之一，液力緩速器內(nèi)的葉片數(shù)目對(duì)液流的循環(huán)量有明顯影響，液力緩速器的液流出入口位于同一平面內(nèi)，液流在轉(zhuǎn)子間旋轉(zhuǎn)，受離心力和循環(huán)流道的約束，表現(xiàn)為封閉的螺旋運(yùn)動(dòng)。隨著葉片數(shù)的增加，單個(gè)流道內(nèi)的循環(huán)流量減少，因此單個(gè)流道的制動(dòng)力矩呈下降趨勢(shì)，但是總制動(dòng)力矩卻是先增加后降低，這是由于葉片數(shù)的增加，摩擦系數(shù)和摩擦力增加，進(jìn)入和離開葉片的突然擴(kuò)大和突然收縮的阻力系數(shù)增加，各種損失增加，所以制動(dòng)力矩增大。[5]當(dāng)葉片增加到一定數(shù)目后，因軸面分速度沿葉片間分布不均勻程度逐漸減小，渦流現(xiàn)象減輕，因此總制動(dòng)力矩下降。[6]因此，存在合理的葉片數(shù)目值，能夠使緩速器的扭矩達(dá)到最大。另外，定子和轉(zhuǎn)子的葉片必須有一定的差值，目的是防止葉片數(shù)目相同而使流體產(chǎn)生振蕩。

圖7 葉片傾角

3.2.3.2 葉片傾斜角的影響

如圖7所示，葉片傾斜角是指葉片所在平面與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線法平面的夾角。當(dāng)葉片傾斜方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向一致時(shí)，稱為前傾角，相反時(shí)稱為后傾角。當(dāng)循環(huán)圓直徑相同時(shí)，采用前傾角能夠獲得更大的制動(dòng)扭矩，故液力緩速器的葉片通常是前傾的直葉片。參照液力緩速器之前的研究成果，存在合理的角度值，能夠使緩速器的扭矩達(dá)到最佳。

3.2.3.3 葉片前緣角的影響

葉片前緣角是葉片前邊緣的倒角。它同樣對(duì)緩速器的制動(dòng)力矩存在影響。通常認(rèn)為，葉片前緣角減小會(huì)使工作液的循環(huán)流量增加，從而增加制動(dòng)力矩[7]，但由于葉片強(qiáng)度的影響，葉片前緣角并不是越小越好，故存在最佳的葉片前緣角，使緩速器的制動(dòng)力矩和葉片強(qiáng)度達(dá)到最佳。

3.2.3.4 循環(huán)圓直徑的影響

循環(huán)圓是指工作液在轉(zhuǎn)子與定子葉片間循環(huán)流動(dòng)時(shí)流道的軸面形狀，循環(huán)圓的最大直徑稱作循環(huán)圓的有效直徑。循環(huán)圓須保證緩速器定轉(zhuǎn)子與其它部件整周旋轉(zhuǎn)和正常工作。存在合理的循環(huán)圓有效直徑，能使緩速器的制動(dòng)性能達(dá)到最優(yōu)。

圖8 循環(huán)圓

另外，在法士特FHB320B緩速器上進(jìn)行的定子進(jìn)出油口位置的更改、進(jìn)出油口孔徑的更改、以及定子邊緣槽長(zhǎng)的更改，也是在調(diào)整緩速器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而調(diào)整參與循環(huán)的油液量，以改變緩速器的制動(dòng)力矩。

4、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)制動(dòng)力矩的影響

液力緩速器的工作腔壓力與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越高，工作腔壓力越大，在充液量不變的情況下，而工作腔壓力越大，制動(dòng)力矩就越大。

5、結(jié)束語(yǔ)

液力緩速器對(duì)車輛的行駛安全非常重要，安裝液力緩速器等輔助制動(dòng)機(jī)構(gòu)是大勢(shì)所趨，怎樣提高液力緩速器的制動(dòng)性能也是研究的重點(diǎn)。影響液力緩速器的制動(dòng)力矩的主要因素有充液量、緩速器結(jié)構(gòu)參數(shù)和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要綜合考慮各個(gè)因素，才能使設(shè)計(jì)工作更加合理。

[1] 劉成曄.汽車輔助制動(dòng)裝置發(fā)展綜述[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 18(1):105-111.

[2] 張玉璽.程秀生.劉維海.畢乾坤.孫家春.液力緩速器的試驗(yàn)研究[J].工程機(jī)械,2007(38):4～7.

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[4] 趙靜一,王巍.液力傳動(dòng).機(jī)械工業(yè)出版社.2007.

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[6] 嚴(yán)軍,何仁,魯明.液力緩速器變?nèi)~片數(shù)的三維數(shù)值模擬[J].專用汽車,2002(4):27～31.

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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

張孟鋒，就職于陜西法士特汽車傳動(dòng)工程研究院實(shí)驗(yàn)中心工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)械傳動(dòng)與檢測(cè)技術(shù)。