车用液力缓速器布置方式分类与特点分析

彭 勇 朱华光 魏 巍 闫清东

(1. 北京宇航系统工程研究所， 北京 100076; 2. 北京理工大学车辆传动国家重点实验室， 北京 100081)

引言

液力缓速器作为机械主制动器的辅助制动装置，能使公路铁路重型运载车辆在高速或下长坡行驶工况下，有效地降低或保持行驶速度，减轻机械主制动器磨损，保证车辆安全平稳地减速制动[1-3]。为保证在山区公路行驶的重型汽车与客车的行车安全，发达国家的交通法规均对车辆辅助制动系统做了详细的规定。我国颁布的国家标准GB 7258-2012《机动车运行安全技术条件》中，就辅助制动装置也提出：车长大于9 m的客车(专用校车车长为8 m)、总质量大于等于12 t的货车和专项作业车、所有危险货物运输车，应装备液力缓速器或其他辅助制动装置[4-6]。而与其他辅助制动方式相比， 液力缓速器具有较小的质量提供较高的制动转矩，且持续制动特性优越等优点，适合在车辆上应用[7-9]。

根据液力缓速器与变速机构的位置关系，按车辆正常行驶时能量在传动机构中的传递方向，液力缓速器可主要分为前置型液力缓速器、中置型液力缓速器与后置型液力缓速器。图1表示了液力缓速布置分类与代表机型汇总[10]。

图1 布置方式分类与代表机型

液力缓速器不同的布置方式主要影响车辆传动系统的集成化、维护的简便性以及制动特性和液压系统设计与布置的难易程度，因此开展液力缓速器不同布置方式及其对制动特性的影响研究十分必要。针对液力缓速器在传动系统中的布置方式进行总结，分析比较了前置、中置与后置型液力缓速器在空间布置、制动特性、维护性等方面的优缺点，并基于某型双循环圆液力缓速器，实例研究了液力缓速器前置与后置型式对制动特性的影响。

1 前置型液力缓速器

1.1 传统前置型液力缓速器

传统前置型液力缓速器多置于变速机构前，发动机与液力变矩器(可选)后，传动系统布置如图2所示。

图2 前置型液力缓速器布置简图

前置型液力缓速器多与液力变矩器、变速机构集成于变速箱中，形成液力——机械综合传动自动变速装置[11]。图3为两款液力缓速器前置型的自动变速器简图，其中图3a为Allison AT545R型自动变速器结构简图，图3b为HAT8560型自动变速器传动简图。可见，液力缓速器均安装在变速机构前方，液力变矩器后方。前置型液力缓速器可与变矩器共享工作油液，液压油路以及换热器，因而其充放油结构与冷却系统得到简化，结构比较紧凑。

图3 前置型液力缓速器

当车辆处于液力制动工况时，发动机停止工作，液力缓速器动轮由旋转的车轮带动，由于变速箱的增速作用，输入液力缓速器动轮转速一般高于变速箱输出轴转速，因此缓速器可输出较大制动转矩。当变速机构处于不同挡位时，缓速器传递到车轮处的制动转矩亦不相同，因此可根据路况使用需要，不断变换变速挡位以实时调节整车制动转矩。当车辆需要紧急制动时，可将变速机构置于最低一挡，以使得缓速器可输出最大的制动转矩[12-13]，计算公式如下：

(1)

式中，v为车速；rt为车轮半径；nt为车轮转速；it为缓速器动轮到车轮处的传动比；n为缓速器动轮转速；T为缓速器输出制动转矩；Tt为作用在车轮上的制动转矩；λ为缓速器制动系数；ρ为油液密度；D为缓速器有效直径；μ为缓速器到车轮机械传动效率。将上式整理，可得Tt与各参数间的关系式：

(2)

可见，当车速一定时，it越大，即对应变速挡位越低，制动转矩越高。

但前置型液力缓速器制动时，变速机构必须结合，制动换挡时，车辆制动特性会受变速箱换挡品质的影响，且容易产生动力中断与冲击，影响制动的平顺性。另外，缓速器工作时，其制动功率不应超过变速机构额定传递功率，以保证传动部件的使用安全，因此其制动特性会受到一定限制，且难以实现复杂的液力制动控制。

1.2 牵引——制动型液力变矩缓速器

另一种前置型液力缓速装置为液力变矩缓速器，它是一种牵引——制动型液力变矩/缓速装置，其置于变速机构前，液力变矩器与缓速器集成一体。图4为TCR375型液力变矩缓速器结构简图[14]，其中，P表示泵轮；T表示涡轮；S表示导轮；Z1和Z2分别表示2个刚性连接的制动轮；L表示闭锁离合器；Z表示制动离合器。

图4 液力变矩缓速器结构简图

液力变矩缓速器与传统液力变矩器的结构区别是增加了制动轮与相应的制动部件，使得装置工作液体的循环流道明显增长。在工作轮组成的循环流道轴向增加的制动部件分为两部分：制动轮Z1与制动轮Z2，两者刚性连接。而液力变矩缓速器与液力缓速器在结构形式上的区别较大，一般液力缓速器结构由单一定轮与动轮组成，液力变矩缓速器的工作叶轮在制动工况时相当于多个定轮与动轮交叉布置，以实现减速制动功能[15-16]。

液力变矩缓速器是一种复杂的可实现牵引和制动两种工况的液力元件，在结构与功能上可将液力变矩器和液力缓速器合二为一，且结构可靠性高，具有较高的工程应用价值。

2 中置型液力缓速器

中置型液力缓速器布置在变速机构中部，其传动系统布置如图5所示。中置型液力缓速器一般与液力变矩器做成一体，成为一种牵引——制动型液力变矩缓速装置，集成于变速机构中。当变速器处于不同的挡位时，变速机构传递的功率以不同的路线通过液力变矩缓速器，使得变速箱可将变矩、变速、缓速等功能集于一体，整体结构紧凑。图6即为Voith DIWA 3E型自动变速器结构简图，其中采用的液力变矩缓速器是一种可逆转的液力变矩器，以实现变矩与缓速功能[17]。

图5 液力缓速器中置传动系统布置简图

图6 中置型液力缓速装置安装布置简图

液力变矩器正转时，传输驱动力并增大转矩；而逆转时涡轮反转，向失速的泵轮和导轮传递油液以输出制动转矩，实现车辆减速制动，因此在变矩与缓速工况下，装置可使用相同的充放油回路。这种独特的结构使缓速动作反应快，而且不需附加额外的减速装置，简化了自动变速器的结构，并且缓速时可以与发动机制动联合工作[18-19]，但此种布置形式的液力变矩缓速器不便于拆卸、安装与维护，液力变矩缓速器除了受到变速箱径向结构限制，还需要与变速机构进行性能匹配，因此通用性不强。另外，与前置型液力缓速器类似，中置型液力变矩缓速器的制动功率不应超过变速机构额定传递功率。

3 变速机构后置型液力缓速器

此种液力缓速器布置在变速机构后方，车辆处于液力制动工况下，发动机停止工作，变速机构切换成空挡，因此液力缓速器动轮转速与变速机构传动比无关，仅于车速、车轮半径、主减速器的传动比等固定参数有关。因此，驾驶员在使用液力缓速器制动时，仅需要关注缓速器的起效程度与车速变化即可，控制参量更为清晰、明确。后置型液力缓速器通常设有多个不同的制动挡位以及恒矩/恒速的制动策略，以实现缓速器在不同车况下的合理使用[20-21]。

由于制动功率传递时无需流经变速机构，因此后置型液力缓速器可以产生较大的制动功率，比如HR380后置型液力缓速器，其在紧急制动时，瞬时功率可达4000 kW，一般的变速机件很难承受这样的冲击[22]。另外，后置型液力缓速器工作时不存在动力中断，即动轮转速连续变化，因而制动冲击更小，制动过程更为平顺，但当整车速度较低时，相对于前置型液力缓速器而言，相同车速下后置型缓速器动轮转速较低，制动特性不佳。

对于变速机构后置型液力缓速器，按其与传动轴布置关系可以主要分为串联式与并联式，传动系统布置如图7所示。

图7 液力缓速器后置传动系统布置简图

3.1 串联后置型液力缓速器

串联后置型液力缓速器的动轮直接与变速机构输出轴联接，从安装方式上又可以分为集成式与独立式。集成式是将缓速器与变速箱做成一体传动系统整体结构紧凑，便于安装与布置。图8为Allison HD4560R型自动变速器，液力缓速器集成在变速机构后，液力缓速器径向尺寸可以较大，以拥有良好的制动能容，且其与变速机构、变矩器的距离相对较近，必要时可使用变矩器的散热系统[23-25]。

图8 集成式串联后置型液力缓速器布置简图

独立式是指液力缓速器作为独立单元串联在变速箱后。图9为Voith R120型液力缓速器安装安装图与各部分布置图。液力缓速器作为独立的液力元件，本身自带有充放油系统，控制系统与冷却散热系统，其产品体现出模块化通用设计思想，优点在于相对独立的缓速器整体易于拆卸与安装，有利于缓速器的维护、保养以及故障排查[26-27]。

图9 独立式串联后置型液力缓速器

3.2 并联后置型液力缓速器

并联后置型液力缓速器通过中间齿轮实现与变速箱并联。此型缓速器多采用独立式安装，缓速器在变速器外独立布置，便于拆装与维护。图10为Voith R115型并联后置式液力缓速器的布置方式和结构图。

1.节温器 2.水箱 3.风扇 4.热交换器5.缓速器油温传感器 6.水温传感器图10 并联后置型液力缓速器布置与结构图

相比串联型液力缓速器，此种并联设计不影响车辆变速箱取力，有效减小传动轴长度，不会与周围部件产生干涉，结构更小、更紧凑，且可匹配不同型号变速器。通过安装一个增速齿轮级，使其具有更良好的整车低速制动特性。因此在具有相同的制动特性情况下，并联后置型液力缓速器质量更轻，体积更小，但由于增速齿轮对在配合传力时会产生一定的切向分力与轴向分力，制动时会对传动部件产生一定冲击，因此较串联型液力缓速器而言，并联型液力缓速器可提供的最大制动功率较低。

4 前置型与后置型液力缓速器制动特性的研究

HAT8560型双循环圆液力缓速器为本研究研制的前置型缓速器，适用于某重型运载车辆。分别将HAT8560型双循环圆液力缓速器串联安装于变速机构前与变速机构后，对两种状态下的车辆实时制动过程开展仿真研究。将液压回路仿真模型[28]、液力缓速器制动特性仿真模型和车辆制动仿真模型进行集成，获得了下长坡制动工况整车缓速仿真模型，如图11所示，具体建模过程可参见文献[3]。设定制动仿真条件，如表1所示。

图11 整车制动仿真模型

初始车速v0/km·h-1路面坡度θ/%初始充液率q仿真时间ts/s变速箱工作挡位5090301～6

制动转矩是评价液力缓速器制动特性的关键指标，而整车制动车速变化则是液力缓速器输出制动转矩的直接体现。液力缓速器输出制动转矩与车速动态仿真结果，如图12与图13所示。当液力缓速器前置时，受变速机构传动比作用。1挡时，缓速器初始动轮转速最高，其输出制动转矩也最大，瞬时转矩接近241000 N·m，远高于2挡时的最大转矩15000 N·m，而后随着车速的迅速降低，动轮转速降低，制动转矩下降也很明显，与上文分析结果一致。当液力缓速器后置制动时，缓速器动轮转速不受变速机构挡位影响，动态制动过程输出的制动转矩最大为16000 N·m，高于前置型2～6挡制动转矩，制动特性良好。

图12 液力缓速器输出制动转矩图

图13 车速图

当液力缓速器前置时，受变速机构传动比作用，除了6挡外，其他挡位变速机构输出的制动转矩均使车速直接降低，挡位越低，下降梯度越明显，且最终稳定车速越小。变速机构置于6挡时，制动初期车速明显上升，这是由于整车的减速制动力小于车辆沿着路面的重力分力，而后随着制动转矩上升，车速减小。对于后置型，缓速器制动转矩直接作用在车轮上，不受变速机构挡位影响，其制动初期亦出现车速上升的现象，制动后期车速稳定值也要高于前置型1～5挡。对比可见，缓速器前置型2挡与后置型初始所达到的最高制动转矩相近，但受变速机构对转速与转矩的作用，缓速器前置型2挡的整车速度下降更快，且所能达到的稳定车速更低，整车低速制动特性要优于后置工况。

5 结论

(1) 前置型液力缓速器结构紧凑，低变速挡位可输出较大的制动转矩，使得车辆可有效实现减速制动，但前置型液力缓速器制动时，容易产生动力中断与冲击，影响制动平顺性，且制动功率受变速机构限制；

(2) 中置型液力缓速器一般与液力变矩器做成一体，集成于变速机构中，整体结构紧凑，但此种布置形式不便于拆卸、安装与维护，除了受到变速箱径向结构限制，还需要与变速机构进行性能匹配，因此通用性不强；

(3) 后置型液力缓速器布置在变速机构后方，控制参量清晰、明确，并可应用复杂的制动策略。其工作时不存在动力中断，因而制动冲击更小，制动过程更平稳，但当车速较低时，相比于前置型液力缓速器，后置型缓速器动轮转速较低，制动特性不佳；

(4) 前置型与后置型液力缓速器制动特性实例对比表明，后置型液力缓速器具有良好的制动特性，前置型液力缓速器低挡位输出制动转矩优于后置型，其整车低速制动特性也优于后置工况。