车用电涡流缓速器制动过程的动力学仿真

宋欣钢　刘成晔　章欣华

摘要：介绍电涡流缓速器的结构、工作原理及安装位置。针对车辆持续制动时产生的制动问题，建立车用电涡流缓速器在制动过程中的动力学数学模型，运用MATLAB/Simulink，对其进行减速能力分析，结果表明：车辆在下坡时可在一定速度上稳定行驶，且制动力矩与坡度、速度相关，提高了车辆下坡时的平均行驶速度，从而提高了车辆的行驶安全性；车辆在水平路面上制动时，可以实现车辆的减速制动，且在电涡流缓速器的四个档位，即Ⅰ档、Ⅱ档、Ⅲ档、Ⅳ档分别制动时，制动能力依次增大。

关键词：车辆；电涡流缓速器；持续制动；行车安全

中图分类号：U463.53 文献标识码：A 文章编号：2095-7394（2016）02-0026-05

由于车辆在下长坡时和在城市内的频繁启动引起的连续制动导致的制动性能衰减和制动片磨损以至于制动系统失效问题，为了提高车辆的行驶安全性，2012年5月的新国标《GB7258-2012机动车运行安全技术条件》规定：车长大于9m的客车（对专用校车为车长大于8m）、总质量大于等于12000kg的货车和专项作业车、所有危险货物运输车，应装备缓速器或其他辅助制动装置。因此现在许多大中型客车和重型车辆安装了辅助制动装置，这样可以提高车辆下坡时的平均行驶速度，确保车辆能够安全行驶。电涡流缓速器是应用最广的一种缓速器，其可在较长时间内维持制动功率不发生变化，从而保证汽车安全行驶。本文通过对装用用电涡流缓速器的车辆在下坡制动和水平路面制动这两方面来探讨车辆的制动效能。

1 电涡流缓速器的介绍

1.1 电涡流缓速器的结构和工作原理

电涡流缓速器的缓速能力可以分为四个档位，即Ⅰ档、Ⅱ档、Ⅲ档、Ⅳ档，制动力矩比例分别是25%、50%、75%、100%，以保证不同的减速要求。其结构主要由定子、转子盘及固定架等装置构成，如图1所示。定子是由八个高导磁材料的铁芯构成，其上缠绕着励磁线圈，呈圆周均匀分布在固定架上，且上面相对的两个励磁线圈或串联或并联成一组磁极，并且相邻点的两个磁极的极性相反。转子是由转子盘和转子轴组成。转子通过凸缘装置与传动轴相连，并随着传动轴一起转动，定子则可以通过固定架安装在车架上。

电涡流缓速器的工作原理是：当缓速器的开关接通时，励磁线圈通直流电流，此时产生的磁场在定子、气隙及转子盘之间构成了回路。

当转子盘跟随着传动轴转动，磁通量发生变化，将在转子盘上产生电涡流，此后电涡流产生的磁场阻止带电转子盘转动，这个产生的阻力即是制动力，阻力合力形成了一个与转子旋转方向相反的制动力矩，同时由于涡电流的作用，转子盘发热，这样就将车辆的动能转化为热能，并将热量散发掉空气中，从而实现了车辆的减速目的。

1.2 电涡流缓速器的安装位置

电涡流缓速器安装在变速器的后端盖上、传动轴中间和后桥主减速器上，如图2所示。在图2a中，电涡流缓速器在变速器的后端盖上，在此位置会影响变速器、离合器的拆装；在图2b中，电涡流缓速器在传动轴中间，在此位置对传动轴的纵向承受力有影响；在图2c中，电涡流缓速器在后桥主减速器外壳上，在此位置时车辆的变速器等拆装方便，另一方面可能对主减速器壳体等产生影响。

2 电涡流缓速器制动时的车辆动力学方程

当车辆采用电涡流缓速器制动时，车辆的动力学方程为式中：F_j为车辆的减速阻力；F_i为车辆的坡道下滑力；F_f为车辆的滚动阻力；F_w为车辆的空气阻力；F_r为电涡流缓速器作用在驱动轮上的制动力；T为电涡流缓速器产生的制动力矩；i₀为主减速器传动比；r为车轮滚动半径；η_r为传动系的机械效率。

当装有电涡流缓速器的车辆在水平路面上行驶时，此时坡道下滑力F_i=0，车辆的动力学方程为：

若质量为m的车辆空挡在坡度为的坡道上滑行，建立数学模型：式中g为重力加速度；a为汽车纵向减速度；μ为车轮与地面之间的附着系数；G_D为空气阻力系数；P为空气密度；A为车辆横截面积；u为车辆速度。

式（4）可改写为：

式（7）中，可知测得车辆的瞬时加速度。以及知道坡度θ的大小，则可确定F_r的大小；如果车辆是恒速滑行，瞬时加速度大小为0，只需知坡度θ的大小，可确定F_r的大小。

3 电涡流缓速器的制动负荷控制

对车辆在辅助制动过程中进行分析，以某型车为例，该车质量为7250kg，主减速比为4.30，轮胎滚动半径为0.391m，迎风面积为4.435m²，其余参数在文献查得。该车选用的是法国泰乐玛生产的AD50-55型电涡流缓速器，其最大制动力矩为550N·m。

3.1 车辆下坡时坡度与速度对制动力矩影响

当车辆下坡行驶时，使用电涡流缓速器辅助制动，假定车辆是恒速下坡滑行，其瞬时加速度=0，由式（5）、（6）、（7），可得

文中验证车辆下坡时，车辆是否能够以一定速度稳定下滑，电涡流缓速器是否符合辅助制动的要求。以上面的车型为例分析，使车辆在不同的坡道上以速度为20、30、40km/h分别下滑，运用MATLAB/Simulink仿真软件，将车辆所需制动力矩的变化关系绘制成曲线，如图3所示。由图3可知，车辆所需电涡流缓速器的制动力矩的波动范围在给定的数值之内，符合该车型的制动要求，制动力矩随着道路坡度的增大而增大，且制动力矩的增大与坡度成一定的比值。

车辆在坡度无明显变化的坡道滑行时，车辆以不同的速度滑行所需制动力是不一样的。对于此种情况，需要验证电涡流缓速器的制动力是否符合要求，本文中设定在坡度为5%，最高车速不超过40km/h时，车辆以不同速度恒速下滑，制动力矩的变化关系曲线如图4所示。由图4可知，车辆在下坡时，所需要的制动力矩变化波动在电涡流缓速器的制动力矩范围之内，符合制动要求。车辆的速度较大时所需的制动力矩小于车辆速度较小时的制动力矩。

3.2 车辆下坡时电涡流缓速器的制动力矩变化

车辆在下坡滑行时，使用电涡流缓速器进行制动，降低车辆的行驶速度，并以一定的速度稳定行驶。若在理想状态，以某型车辆在60km/h在道路坡度为0.05的路上下滑，目标速度为30km/h。建立数学模型，由式（4）知：

F_r+F_w+F_f-mg sinθ=ma，开始制动时，使缓速器的制动力矩达到最大值，直到车辆速度达到目标值。在制动过程中，初期所需要的减速度较大，此后车辆的纵向减速度随着车速的变化而不停改变，其变化曲线如图5所示。车辆在行驶约270m后，到达目标速度30km/h，然后车辆的速度在接近30km/h的很小范围内波动变化，变化曲线开如图6所示。在此过程中，电涡流缓速器将继续进行工作，电涡流缓速器的制动力发生变化，制动力有一些波动，此时坡道分力与电涡流缓速器产生的制动力接近，纵向减速度的大小趋向于0，车辆速度趋于稳定，电涡流缓速器的制动力大小趋于固定值的很小范围内，如图7所示。

3.3 水平路面工况时，车辆的制动状况

当车辆在水平路面行驶时，为了控制车辆的行驶距离，降低车辆的行驶速度，可以采用电涡流缓速器制动。在制动过程中建立数学模型：

假定车辆的车速从50km/h减速至30km/h，在此速度区间内，验证电涡流缓速器的制动效果。假定风阻忽略不计，使电涡流缓速器的4个档位分别进行制动，分别得到其制动距离和制动时间，可以考察电涡流缓速器4个档位的减速能力。用MATLAB/Simulink软件，可以得到电涡流缓速器的4个档位的制动距离与时间关系曲线如图8所示，车辆速度与时间曲线如图9所示。由图8可知，车辆在水平路上进行减速制动时，无缓速器制动时车辆快速前进；而电涡流缓速器辅助制动时，车辆的制动距离比无缓速器时明显减少，且随着档位的增加，车辆到达目标速度时的制动距离越来越小，这些说明电涡流缓速器能够很好地完成车辆的减速工作。由图9可知，电涡流缓速器的4个档位的制动能力不一样，即档位越大制动能力越大。

4 结语

本文从车辆下坡时制动和水平路面制动等多角度进行分析，对装用电涡流缓速器的车辆进行研究，结果表明：（1）车辆下坡时，采用电涡流缓速器制动，车辆可以在一定的速度上稳定行驶，提高车辆下坡时的行驶速度；（2）车辆在一定速度稳定行驶时，电涡流缓速器制动力矩大小与坡度、车速有关，坡度增加，所需制动力矩增大，车辆速度增大，所需制动力矩减少；（3）车辆在水平路面行驶，电涡流缓速器制动时，可以控制车辆的行驶距离，降低车辆的速度，且制动力矩越大制动能力越大。由此可知对车辆加装辅助制动装置，可以提高汽车的行驶安全性，有效地控制车辆的行驶速度变化。

责任编辑 祁秀春