王科燕，孫彤波，柴亞軍，馬 豪，胡 鑫

（1.陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司 汽車傳動(dòng)工程研究院，陜西 西安 710019； 2.西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710072）

國(guó)家法規(guī)《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》（GB 7258—2017）的輔助制動(dòng)7.5.1中明確規(guī)定“車長(zhǎng)大于9 m的客車（對(duì)專用校車為車長(zhǎng)大于8 m）、總質(zhì)量大于或等于12000 kg 的貨車和專項(xiàng)作業(yè)車、總質(zhì)量大于3500 kg 的危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸貨車，應(yīng)裝備緩速器或其他輔助制動(dòng)裝置”；JT/T 1285－2020制動(dòng)系統(tǒng)6.2.3要求“N2類、N3類危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸貨車應(yīng)裝備緩速器或其他輔助制動(dòng)裝置”[1]。

隨著上述國(guó)標(biāo)的落地，國(guó)內(nèi)商用車廠商均不斷提高匹配液力緩速器比例。但是，目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有不同制動(dòng)扭矩的緩速器機(jī)械結(jié)構(gòu)均各不相同，整車匹配緩速器時(shí)需設(shè)計(jì)不同種類的整車布置方案，無(wú)形之中增加了緩速器匹配難度及國(guó)標(biāo)實(shí)際落地難度。且緩速器制動(dòng)扭矩受傳動(dòng)軸輸入轉(zhuǎn)速影響較大，在低傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速區(qū)域制動(dòng)扭矩較小，無(wú)法滿足大馬力小后橋整車使用需求。

因此，本文基于現(xiàn)有4000 N.m并聯(lián)液力緩速器，保持其機(jī)械結(jié)構(gòu)不變，設(shè)計(jì)三種不同緩速器齒輪增速比的緩速器驅(qū)動(dòng)齒輪和被動(dòng)齒輪，裝箱進(jìn)行相關(guān)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，研究齒輪增速比對(duì)緩速器制動(dòng)扭矩的影響。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出相應(yīng)齒輪增速比的緩速器，滿足不同配置、不同型號(hào)車型匹配緩速器時(shí)對(duì)制動(dòng)扭矩的不同需求，同時(shí)整車匹配緩速器時(shí)可保持簡(jiǎn)單統(tǒng)一的布置方案。

1 并聯(lián)液力緩速器結(jié)構(gòu)及工作原理

液力緩速器是集機(jī)械、電氣、氣動(dòng)、液力傳動(dòng)、比例控制、遠(yuǎn)程服務(wù)等于一體的車輛輔助制動(dòng)裝置，它將車輛緩速制動(dòng)時(shí)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為工作液的熱能，利用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液循環(huán)將熱量散發(fā)[2]。根據(jù)緩速器在整車傳動(dòng)系上的布置方式，液力緩速器可分為串聯(lián)液力緩速器和并聯(lián)液力緩速器[3]。

并聯(lián)緩速器是指緩速器裝配在變速箱尾部并與整車傳動(dòng)軸成并聯(lián)形式分布。緩速器驅(qū)動(dòng)齒輪與變速箱連接內(nèi)部設(shè)計(jì)的緩速器被動(dòng)齒輪嚙合，通過(guò)這對(duì)嚙合齒輪進(jìn)行扭矩傳遞，與整車傳動(dòng)軸平行成并聯(lián)形式分布，裝配在整車傳動(dòng)系上，輸入轉(zhuǎn)速即為整車傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速乘以緩速器齒輪增速比[4]。

緩速器工作時(shí)，取自整車氣源的壓縮氣體通過(guò)比例閥進(jìn)入緩速器油池殼，將油液壓入定、轉(zhuǎn)子組成的工作腔，高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子使油液加速，并作用至定子上，定子給轉(zhuǎn)子一個(gè)與其旋轉(zhuǎn)方向相反的作用力，即制動(dòng)力矩。

由于使用緩速器制動(dòng)時(shí)緩速器實(shí)際制動(dòng)扭矩主要受整車配置及行車速度等因素影響，因此，不同配置的車型對(duì)緩速器制動(dòng)性能要求不盡相同。現(xiàn)今商用車市場(chǎng)的配置趨勢(shì)為大馬力小后橋車型，即整車設(shè)計(jì)的后橋速比較小。這意味著在相同車速下，傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速更低。由于緩速器工作原理，傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速作為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的輸入，緩速器制動(dòng)扭矩受傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速影響較大，因此，在低傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速區(qū)間段內(nèi)緩速器制動(dòng)扭矩相對(duì)更小，無(wú)法滿足商用車下坡所需的制動(dòng)扭矩。

因此，在并聯(lián)液力緩速器結(jié)構(gòu)不變的前提下，研究緩速器齒輪增速比對(duì)緩速器制動(dòng)扭矩性能的影響非常重要。

2 臺(tái)架實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程設(shè)計(jì)了2.0、2.03、2.138三種齒輪增速比的緩速器驅(qū)動(dòng)齒輪和被動(dòng)齒輪，分別進(jìn)行樣箱裝配，并搭載在實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，如圖1所示。

圖1 緩速器搭載在變速箱上實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.1 緩速器制動(dòng)扭矩性能實(shí)驗(yàn)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 1046—2016及GB 12676—2014的相關(guān)試驗(yàn)方法及要求，進(jìn)行緩速器制動(dòng)扭矩測(cè)試實(shí)驗(yàn)即緩速器外特性實(shí)驗(yàn)[5]。測(cè)試時(shí)緩速器輸入氣壓分別為300 kPa、270 kPa、240 kPa、210 kPa、180 kPa、150 kPa，對(duì)比分析傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速?gòu)?500 r/min降至0 r/min時(shí)的緩速器制動(dòng)扭矩曲線。

齒輪增速比為2.138時(shí)，測(cè)試不同氣壓下傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速?gòu)?500 r/min下降至0 r/min的緩速器外特性曲線，數(shù)據(jù)曲線如圖2所示。

齒輪增速比為2.03時(shí)，測(cè)試不同氣壓下傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速?gòu)?500 r/min下降至0 r/min的緩速器外特性曲線，數(shù)據(jù)曲線如圖3所示。

圖3 增速比2.03時(shí)不同氣壓下外特性曲線

齒輪增速比為2.0時(shí)，測(cè)試不同氣壓下傳動(dòng)軸 轉(zhuǎn)速?gòu)?500 r/min下降至0 r/min的緩速器外特性曲線，數(shù)據(jù)曲線如圖4所示。

圖4 增速比2.0時(shí)不同氣壓下外特性曲線

對(duì)不同氣壓下三種速比的外特性曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，表1為最大制動(dòng)扭矩及轉(zhuǎn)速700～1500 r/min區(qū)間平均制動(dòng)扭矩。

表1 最大制動(dòng)扭矩及轉(zhuǎn)速700～1500 r/min區(qū)間平均制動(dòng)扭矩

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，增大緩速器齒輪增速比對(duì)提高并聯(lián)液力緩速器制動(dòng)扭矩較為明顯，尤其在低傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速區(qū)間段緩速器制動(dòng)扭矩提升非常明顯。故在不改變并聯(lián)液力緩速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的情況下，僅通過(guò)增大緩速器齒輪增速比就能大幅提升緩速器制動(dòng)扭矩，并能滿足大馬力小后橋車輛在低車速時(shí)使用緩速器的制動(dòng)需求，歷史性的首次滿足后橋速比為2.6:3.0的小后橋商用車匹配緩速器的需求，同時(shí)通過(guò)限制緩速器最大制動(dòng)扭矩控制方法，將緩速器大制動(dòng)扭矩對(duì)應(yīng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速范圍變寬，即整車車速范圍變寬，以達(dá)到使用緩速器制動(dòng)時(shí)制動(dòng)力平穩(wěn)、無(wú)沖擊效果。此外，還可進(jìn)一步降低緩速器匹配條件，整車匹配不同齒輪增速比的緩速器時(shí)可保持統(tǒng)一的整車布置方案。

2.2 緩速器疲勞壽命實(shí)驗(yàn)

循環(huán)重復(fù)如下2個(gè)步驟進(jìn)行疲勞壽命實(shí)驗(yàn)，步驟1：傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速1000 r/min，緩速器制動(dòng)扭矩0 N.m，時(shí)長(zhǎng)9 s；步驟2：傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速1000 r/min，緩速器制動(dòng)扭矩4000 N.m，時(shí)長(zhǎng)42 s。累計(jì)進(jìn)行300 h疲勞實(shí)驗(yàn)后，拆箱檢查，緩速器驅(qū)動(dòng)齒輪、被動(dòng)齒輪、軸承、空心軸、定轉(zhuǎn)子葉片和緩速器工作腔均完好無(wú)損。證明三種不同齒輪增速比緩速器驅(qū)動(dòng)齒輪和被動(dòng)齒輪設(shè)計(jì)合理，可靠性滿足整車使用需求，可投入生產(chǎn)使用，其實(shí)驗(yàn)后的狀態(tài)如圖5、圖6所示。

圖5 緩速器被動(dòng)齒輪疲勞試驗(yàn)后狀態(tài)

圖6 緩速器驅(qū)動(dòng)齒輪疲勞試驗(yàn)后狀態(tài)

3 緩速器齒輪增速比設(shè)計(jì)

液力緩速器制動(dòng)扭矩理論計(jì)算公式如下[6]：

式中，i為齒輪增速比；n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；n1為傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速；D為轉(zhuǎn)子的有效循環(huán)圓直徑；ρ為潤(rùn)滑油密度。

目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有4000 N·m并聯(lián)液力緩速器（齒輪增速比為2.0）與兩種競(jìng)品在低傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速下的最大制動(dòng)扭矩?cái)?shù)據(jù)，如表2所示?；谝毫徦倨髦苿?dòng)扭矩理論計(jì)算公式，可計(jì)算出在不同低傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速下欲達(dá)到競(jìng)品在該轉(zhuǎn)速下的最大扭矩值所需的緩速器齒輪增速比，如表2所示，當(dāng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)，競(jìng)品2最大制動(dòng)扭矩值為3100 N.m，基于現(xiàn)有4000 N.m緩速器設(shè)計(jì)緩速器齒輪增速比為2.342時(shí)才能達(dá)到競(jìng)品2扭矩值。

表2 低傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速下最大制動(dòng)扭矩對(duì)比

并通過(guò)理論計(jì)算得出緩速器齒輪增速比為2.342時(shí)的制動(dòng)扭矩曲線數(shù)據(jù)，與現(xiàn)有4000 N.m緩速器及兩種競(jìng)品制動(dòng)扭矩曲線進(jìn)行對(duì)比分析，如圖7所示。

圖7 增速比2.342與競(jìng)品制動(dòng)扭矩對(duì)比曲線

與競(jìng)品相比國(guó)內(nèi)現(xiàn)有4000 N.m并聯(lián)液力緩速器低轉(zhuǎn)速時(shí)制動(dòng)扭矩較小，且最大制動(dòng)扭矩的傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速區(qū)間范圍較窄。

但是，當(dāng)齒輪增速比為2.342時(shí)，從圖7可看出，其制動(dòng)扭矩較現(xiàn)有4000 N.m并聯(lián)液力緩速器制動(dòng)扭矩提升非常明顯：在傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速低于600 r/min時(shí)，其制動(dòng)扭矩與競(jìng)品制動(dòng)扭矩持平；在傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速高于600 r/min時(shí)，其制動(dòng)扭矩值遠(yuǎn)大于競(jìng)品水平，并可通過(guò)限扭矩控制方法，限制最大制動(dòng)扭矩為4000 N.m，即最大制動(dòng)扭矩范圍變寬且達(dá)到競(jìng)品水平。

同理，根據(jù)緩速器制動(dòng)扭矩理論計(jì)算公式，現(xiàn)有三種齒輪增速比緩速器的制動(dòng)扭矩曲線，及不同配置的商用車匹配緩速器時(shí)實(shí)際需求制動(dòng)扭矩，可設(shè)計(jì)該配置商用車所需緩速器齒輪增速比，并能通過(guò)計(jì)算得到相應(yīng)緩速器制動(dòng)扭矩曲線用于控制使用。不僅可以滿足小后橋車型低車速行駛時(shí)對(duì)緩速器制動(dòng)扭矩的需求，同時(shí)通過(guò)限扭矩控制方式實(shí)現(xiàn)高傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速時(shí)制動(dòng)扭矩平穩(wěn)無(wú)沖擊，即可實(shí)現(xiàn)車輛使用緩速器定速巡航時(shí)高效平穩(wěn)無(wú)沖擊。

4 總結(jié)

基于現(xiàn)有并聯(lián)液力緩速器設(shè)計(jì)了2.0、2.03、2.138三種緩速器齒輪增速比的緩速器驅(qū)動(dòng)齒輪和被動(dòng)齒輪，分別進(jìn)行樣箱裝配并進(jìn)行緩速器制動(dòng)扭矩實(shí)驗(yàn)測(cè)試及疲勞壽命實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，可在現(xiàn)有并聯(lián)液力緩速器機(jī)械結(jié)構(gòu)下，通過(guò)提升緩速器齒輪增速比將低傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速段緩速器制動(dòng)扭矩提升，同時(shí)通過(guò)限扭控制方法使最大制動(dòng)扭矩的傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速范圍變寬，即能滿足現(xiàn)在市場(chǎng)大馬力小后橋車型匹配液力緩速器的性能需求，并達(dá)到競(jìng)品水平。在整車匹配緩速器時(shí)可保持簡(jiǎn)單統(tǒng)一的布置方案，基于現(xiàn)有緩速器及整車匹配實(shí)際需求，設(shè)計(jì)出相應(yīng)齒輪增速比的緩速器，用以滿足不同配置不同型號(hào)車型匹配緩速器時(shí)對(duì)制動(dòng) 扭矩的不同需求。