汽车液力缓速器持续制动性能研究

李超,高凯,庞应周

(西安职业技术学院，陕西西安 710077)

0 引言

汽车液力缓速器作为独立于主制动的一种辅助制动装置，具有制动扭矩大、制动平稳、寿命长、体积小、制动成本低等特点，可以最大限度地减少主制动器的使用，防止长下坡路段主制动器过度使用造成制动片摩擦过热而失效，有效保障行车安全，近年来在重型卡车和长途客车上的应用越来越广泛。我国山地多、坡陡且长，配备液力缓速器的车辆可以提供稳定的持续制动力矩，保证车辆以较高车速在长下坡路段安全行驶，避免主制动长时间的频繁使用，保障行车安全。因此，本文作者着重就液力缓速器在长下坡路段的持续制动性能进行研究，对其应用和开发具有指导意义。

1 液力缓速器的结构和工作原理

1.1 结构

国内外液力缓速器的结构基本相同，主要由定子、转子、热交换器、传动轴、缓速器壳体、控制阀等几部分组成，如图1所示。其中缓速器壳体一般连接于变速器后部起支撑和固定作用，同时其底部储存油液，内部开有孔道，便于油液循环流动；缓速器传动轴和连接法兰以花键连接，用于传递制动扭矩，分别连接变速器输出轴和整车传动轴；转子与传动轴紧固，同时转动；定子与缓速器壳体紧固，固定不动；热交换器采用油水分离结构，利用外部冷却液带走油液的热量，达到降低油液制动温度的目的；控制阀一般安装在液力缓速器顶部，与外部气路连接，通过控制进入缓速器内部气压的大小来控制输出制动扭矩。

图1 液力缓速器结构

1.2 工作原理

图2为液力缓速器的工作原理简图。转子随传动轴时刻转动，当缓速器开始工作时，控制阀控制一定气压的空气进入缓速器内部，将油底壳中的油液经过管路压入定转子之间，转子带动油液沿轴向和叶片方向高速运动，将油液甩向定子，定子固定不动，迫使油液在工作腔内做涡旋损耗运动[2]，对转子产生反作用力，从而产生制动力矩，使车辆减速；产生制动力矩的同时，将车辆的动能转化为热能，具体表现为高温高压的油液，这些油液经过管道流入热交换器冷却降压后再流回油底壳，热量被冷却液带走；如此循环往复，持续产生制动力矩，直至主动关闭缓速器或者达到整车最大散热能力而自动解除缓速器工作为止。

图2 液力缓速器工作原理

2 液力缓速器的整车匹配

液力缓速器一般直接安装于变速器后部，如图3所示，缓速器传动轴与变速器输出轴连接，缓速器输出法兰与整车传动轴法兰连接；气路取自整车辅助气路，建议从四回路保护阀的24口取气，同时在气路中增加独立的空气滤清器、开关气路截止阀和独立储气罐；缓速器控制器从整车电路取电，向整车CAN总线传递相关信息，同时还要读取发动机转速和控制制动灯；缓速器与发动机共用一套冷却系统，采用先冷却发动机后冷却缓速器的方式，对整车冷却水路进行适当的改造和优化。

图3 液力缓速器安装和冷却水路连接示意

整车匹配液力缓速器后，其整车散热能力没有改变，缓速器持续制动过程中产生的大量热量需要通过整车散热系统消化，必须在整车散热系统的能力范围内，才可以保证缓速器正常工作。如果缓速器持续制动产生的热量大于整车的最大散热能力，则会出现冷却液开锅、缓速器制动油温过高等现象，缓速器必须退出工作，优先保证发动机的正常工作。因此，必须对缓速器出水温度和油温进行实时监测，制定其恒速控制策略：

(1)冷却液温度大于108 ℃，缓速器退出工作；

(2)缓速器油温大于180 ℃，缓速器退出工作；

(3)设定坡道行驶车速为v，当实时车速大于v，缓速器工作(必须在保证1、2条的前提下)；当实时车速小于v，缓速器不工作；

(4)缓速器工作过程中，使用主制动，缓速器自动退出工作。

3 持续制动试验

3.1 试验平台构建

为了有效控制试验准确性和便于实时监测，此次试验采用台架试验模拟整车缓速器制动过程。试验台结构与原理如图4所示，驱动电机输出转矩和转速，负载电机接收制动功率和转矩，通过试验台PC控制设备的运行并测量相关数据，缓速器采用独立水冷的方式，散热器和风扇采用潍柴原装WP12-375发动机部件，水箱和水泵的选取与整车相同，测试台架相关参数见表1。

图4 缓速器试验台结构与原理

组件参数驱动电机额定功率800 kW,最高转速大于5 000 r/min变速器12挡变速器,挂直接挡,速比为1缓速器额定扭矩4 000 N·m,4挡控制负载电机额定功率800 kW扭矩传感器量程0～10 000 N·m转速传感器量程0～5 000 r/min控制和采集PC戴尔工作站Win7-64bit测试软件缓速器专用测试软件试验台设定负载44×104 N

3.2 试验方法与结果

3.2.1 缓速器制动特性试验

检查试验台各部件连接可靠，水、电、气等连接正确，启动驱动电机，使其转速保持在2 500 r/min，设定时间60 s，缓速器分别启动制动1、2、3、4挡，测试60 s内缓速器转速从2 500 r/min匀速降至0的制动力矩曲线和制动功率曲线，结果如图5、图6所示：缓速器各挡制动曲线均在起始阶段迅速上升至最高点(转速800～1 100 r/min时)，后有一小落差后，制动扭矩保持稳定；缓速器制动功率随着转速上升而上升，最大功率700 kW，远远超过了整车设计散热功率，因此制动功率较大时油温、水温会急剧上升，无法在较大功率范围内保持恒速下坡行驶。

图5 缓速器各挡特性曲线

图6 缓速器制动功率曲线

3.2.2 缓速器持续制动热平衡试验

设车轮直径为1.2 m，主减速器速比为4.42，分别计算车速为30、40、50、60 km/h时，对应的缓速器转速。检查水、电、气连接是否正常，设置负载44×104N，驱动电机分别保持车速30、40、50、60 km/h时对应的缓速器运行工况，缓速器至最高挡，连续运行12 min[5]，测量缓速器恒速制动功率，观察缓速器是否能够连续工作12 min。测试数据见表2，从试验结果可以看出：缓速器在最大制动挡位时，可保持40 km/h以内恒速下长坡行驶，车速大于50 km/h时，因整车散热功率不能满足缓速器散热要求而使缓速器被迫退出。

表2 缓速器持续制动热平衡试验数据表

4 结论

液力缓速器是通过搅动工作腔中的油液做涡流作用而产生制动扭矩的，其制动扭矩的大小取决于工作腔中油液的体积和缓速器转速。液力缓速器制动过程是将车辆的动能转化为热能，会产生大量的热量，需要依靠整车散热系统进行散热；因此，整车匹配液力缓速器需对整车散热系统进行适当的改装，采取先冷却发动机后冷却缓速器的方式进行布置，冷却水路要合理布置，可以适当加大散热水箱容积和水泵流量，以提高整车散热能力，保证缓速器以较高的车速连续下坡，提高运输效率。