彭 勇 朱華光 魏 巍 閆清東

(1. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所， 北京 100076; 2. 北京理工大學(xué)車輛傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081)

引言

液力緩速器作為機(jī)械主制動(dòng)器的輔助制動(dòng)裝置，能使公路鐵路重型運(yùn)載車輛在高速或下長(zhǎng)坡行駛工況下，有效地降低或保持行駛速度，減輕機(jī)械主制動(dòng)器磨損，保證車輛安全平穩(wěn)地減速制動(dòng)[1-3]。為保證在山區(qū)公路行駛的重型汽車與客車的行車安全，發(fā)達(dá)國(guó)家的交通法規(guī)均對(duì)車輛輔助制動(dòng)系統(tǒng)做了詳細(xì)的規(guī)定。我國(guó)頒布的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 7258-2012《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》中，就輔助制動(dòng)裝置也提出：車長(zhǎng)大于9 m的客車(專用校車車長(zhǎng)為8 m)、總質(zhì)量大于等于12 t的貨車和專項(xiàng)作業(yè)車、所有危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸車，應(yīng)裝備液力緩速器或其他輔助制動(dòng)裝置[4-6]。而與其他輔助制動(dòng)方式相比， 液力緩速器具有較小的質(zhì)量提供較高的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，且持續(xù)制動(dòng)特性優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)，適合在車輛上應(yīng)用[7-9]。

根據(jù)液力緩速器與變速機(jī)構(gòu)的位置關(guān)系，按車輛正常行駛時(shí)能量在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的傳遞方向，液力緩速器可主要分為前置型液力緩速器、中置型液力緩速器與后置型液力緩速器。圖1表示了液力緩速布置分類與代表機(jī)型匯總[10]。

圖1 布置方式分類與代表機(jī)型

液力緩速器不同的布置方式主要影響車輛傳動(dòng)系統(tǒng)的集成化、維護(hù)的簡(jiǎn)便性以及制動(dòng)特性和液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與布置的難易程度，因此開(kāi)展液力緩速器不同布置方式及其對(duì)制動(dòng)特性的影響研究十分必要。針對(duì)液力緩速器在傳動(dòng)系統(tǒng)中的布置方式進(jìn)行總結(jié)，分析比較了前置、中置與后置型液力緩速器在空間布置、制動(dòng)特性、維護(hù)性等方面的優(yōu)缺點(diǎn)，并基于某型雙循環(huán)圓液力緩速器，實(shí)例研究了液力緩速器前置與后置型式對(duì)制動(dòng)特性的影響。

1 前置型液力緩速器

1.1 傳統(tǒng)前置型液力緩速器

傳統(tǒng)前置型液力緩速器多置于變速機(jī)構(gòu)前，發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器(可選)后，傳動(dòng)系統(tǒng)布置如圖2所示。

圖2 前置型液力緩速器布置簡(jiǎn)圖

前置型液力緩速器多與液力變矩器、變速機(jī)構(gòu)集成于變速箱中，形成液力——機(jī)械綜合傳動(dòng)自動(dòng)變速裝置[11]。圖3為兩款液力緩速器前置型的自動(dòng)變速器簡(jiǎn)圖，其中圖3a為Allison AT545R型自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，圖3b為HAT8560型自動(dòng)變速器傳動(dòng)簡(jiǎn)圖?？梢?jiàn)，液力緩速器均安裝在變速機(jī)構(gòu)前方，液力變矩器后方。前置型液力緩速器可與變矩器共享工作油液，液壓油路以及換熱器，因而其充放油結(jié)構(gòu)與冷卻系統(tǒng)得到簡(jiǎn)化，結(jié)構(gòu)比較緊湊。

圖3 前置型液力緩速器

當(dāng)車輛處于液力制動(dòng)工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作，液力緩速器動(dòng)輪由旋轉(zhuǎn)的車輪帶動(dòng)，由于變速箱的增速作用，輸入液力緩速器動(dòng)輪轉(zhuǎn)速一般高于變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速，因此緩速器可輸出較大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)變速機(jī)構(gòu)處于不同擋位時(shí)，緩速器傳遞到車輪處的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩亦不相同，因此可根據(jù)路況使用需要，不斷變換變速擋位以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)整車制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)車輛需要緊急制動(dòng)時(shí)，可將變速機(jī)構(gòu)置于最低一擋，以使得緩速器可輸出最大的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩[12-13]，計(jì)算公式如下：

(1)

式中，v為車速；rt為車輪半徑；nt為車輪轉(zhuǎn)速；it為緩速器動(dòng)輪到車輪處的傳動(dòng)比；n為緩速器動(dòng)輪轉(zhuǎn)速；T為緩速器輸出制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；Tt為作用在車輪上的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；λ為緩速器制動(dòng)系數(shù)；ρ為油液密度；D為緩速器有效直徑；μ為緩速器到車輪機(jī)械傳動(dòng)效率。將上式整理，可得Tt與各參數(shù)間的關(guān)系式：

(2)

可見(jiàn)，當(dāng)車速一定時(shí)，it越大，即對(duì)應(yīng)變速擋位越低，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩越高。

但前置型液力緩速器制動(dòng)時(shí)，變速機(jī)構(gòu)必須結(jié)合，制動(dòng)換擋時(shí)，車輛制動(dòng)特性會(huì)受變速箱換擋品質(zhì)的影響，且容易產(chǎn)生動(dòng)力中斷與沖擊，影響制動(dòng)的平順性。另外，緩速器工作時(shí)，其制動(dòng)功率不應(yīng)超過(guò)變速機(jī)構(gòu)額定傳遞功率，以保證傳動(dòng)部件的使用安全，因此其制動(dòng)特性會(huì)受到一定限制，且難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的液力制動(dòng)控制。

1.2 牽引——制動(dòng)型液力變矩緩速器

另一種前置型液力緩速裝置為液力變矩緩速器，它是一種牽引——制動(dòng)型液力變矩/緩速裝置，其置于變速機(jī)構(gòu)前，液力變矩器與緩速器集成一體。圖4為TCR375型液力變矩緩速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖[14]，其中，P表示泵輪；T表示渦輪；S表示導(dǎo)輪；Z1和Z2分別表示2個(gè)剛性連接的制動(dòng)輪；L表示閉鎖離合器；Z表示制動(dòng)離合器。

圖4 液力變矩緩速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

液力變矩緩速器與傳統(tǒng)液力變矩器的結(jié)構(gòu)區(qū)別是增加了制動(dòng)輪與相應(yīng)的制動(dòng)部件，使得裝置工作液體的循環(huán)流道明顯增長(zhǎng)。在工作輪組成的循環(huán)流道軸向增加的制動(dòng)部件分為兩部分：制動(dòng)輪Z1與制動(dòng)輪Z2，兩者剛性連接。而液力變矩緩速器與液力緩速器在結(jié)構(gòu)形式上的區(qū)別較大，一般液力緩速器結(jié)構(gòu)由單一定輪與動(dòng)輪組成，液力變矩緩速器的工作葉輪在制動(dòng)工況時(shí)相當(dāng)于多個(gè)定輪與動(dòng)輪交叉布置，以實(shí)現(xiàn)減速制動(dòng)功能[15-16]。

液力變矩緩速器是一種復(fù)雜的可實(shí)現(xiàn)牽引和制動(dòng)兩種工況的液力元件，在結(jié)構(gòu)與功能上可將液力變矩器和液力緩速器合二為一，且結(jié)構(gòu)可靠性高，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

2 中置型液力緩速器

中置型液力緩速器布置在變速機(jī)構(gòu)中部，其傳動(dòng)系統(tǒng)布置如圖5所示。中置型液力緩速器一般與液力變矩器做成一體，成為一種牽引——制動(dòng)型液力變矩緩速裝置，集成于變速機(jī)構(gòu)中。當(dāng)變速器處于不同的擋位時(shí)，變速機(jī)構(gòu)傳遞的功率以不同的路線通過(guò)液力變矩緩速器，使得變速箱可將變矩、變速、緩速等功能集于一體，整體結(jié)構(gòu)緊湊。圖6即為Voith DIWA 3E型自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，其中采用的液力變矩緩速器是一種可逆轉(zhuǎn)的液力變矩器，以實(shí)現(xiàn)變矩與緩速功能[17]。

圖5 液力緩速器中置傳動(dòng)系統(tǒng)布置簡(jiǎn)圖

圖6 中置型液力緩速裝置安裝布置簡(jiǎn)圖

液力變矩器正轉(zhuǎn)時(shí)，傳輸驅(qū)動(dòng)力并增大轉(zhuǎn)矩；而逆轉(zhuǎn)時(shí)渦輪反轉(zhuǎn)，向失速的泵輪和導(dǎo)輪傳遞油液以輸出制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)車輛減速制動(dòng)，因此在變矩與緩速工況下，裝置可使用相同的充放油回路。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使緩速動(dòng)作反應(yīng)快，而且不需附加額外的減速裝置，簡(jiǎn)化了自動(dòng)變速器的結(jié)構(gòu)，并且緩速時(shí)可以與發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)聯(lián)合工作[18-19]，但此種布置形式的液力變矩緩速器不便于拆卸、安裝與維護(hù)，液力變矩緩速器除了受到變速箱徑向結(jié)構(gòu)限制，還需要與變速機(jī)構(gòu)進(jìn)行性能匹配，因此通用性不強(qiáng)。另外，與前置型液力緩速器類似，中置型液力變矩緩速器的制動(dòng)功率不應(yīng)超過(guò)變速機(jī)構(gòu)額定傳遞功率。

3 變速機(jī)構(gòu)后置型液力緩速器

此種液力緩速器布置在變速機(jī)構(gòu)后方，車輛處于液力制動(dòng)工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作，變速機(jī)構(gòu)切換成空擋，因此液力緩速器動(dòng)輪轉(zhuǎn)速與變速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比無(wú)關(guān)，僅于車速、車輪半徑、主減速器的傳動(dòng)比等固定參數(shù)有關(guān)。因此，駕駛員在使用液力緩速器制動(dòng)時(shí)，僅需要關(guān)注緩速器的起效程度與車速變化即可，控制參量更為清晰、明確。后置型液力緩速器通常設(shè)有多個(gè)不同的制動(dòng)擋位以及恒矩/恒速的制動(dòng)策略，以實(shí)現(xiàn)緩速器在不同車況下的合理使用[20-21]。

由于制動(dòng)功率傳遞時(shí)無(wú)需流經(jīng)變速機(jī)構(gòu)，因此后置型液力緩速器可以產(chǎn)生較大的制動(dòng)功率，比如HR380后置型液力緩速器，其在緊急制動(dòng)時(shí)，瞬時(shí)功率可達(dá)4000 kW，一般的變速機(jī)件很難承受這樣的沖擊[22]。另外，后置型液力緩速器工作時(shí)不存在動(dòng)力中斷，即動(dòng)輪轉(zhuǎn)速連續(xù)變化，因而制動(dòng)沖擊更小，制動(dòng)過(guò)程更為平順，但當(dāng)整車速度較低時(shí)，相對(duì)于前置型液力緩速器而言，相同車速下后置型緩速器動(dòng)輪轉(zhuǎn)速較低，制動(dòng)特性不佳。

對(duì)于變速機(jī)構(gòu)后置型液力緩速器，按其與傳動(dòng)軸布置關(guān)系可以主要分為串聯(lián)式與并聯(lián)式，傳動(dòng)系統(tǒng)布置如圖7所示。

圖7 液力緩速器后置傳動(dòng)系統(tǒng)布置簡(jiǎn)圖

3.1 串聯(lián)后置型液力緩速器

串聯(lián)后置型液力緩速器的動(dòng)輪直接與變速機(jī)構(gòu)輸出軸聯(lián)接，從安裝方式上又可以分為集成式與獨(dú)立式。集成式是將緩速器與變速箱做成一體傳動(dòng)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝與布置。圖8為Allison HD4560R型自動(dòng)變速器，液力緩速器集成在變速機(jī)構(gòu)后，液力緩速器徑向尺寸可以較大，以擁有良好的制動(dòng)能容，且其與變速機(jī)構(gòu)、變矩器的距離相對(duì)較近，必要時(shí)可使用變矩器的散熱系統(tǒng)[23-25]。

圖8 集成式串聯(lián)后置型液力緩速器布置簡(jiǎn)圖

獨(dú)立式是指液力緩速器作為獨(dú)立單元串聯(lián)在變速箱后。圖9為Voith R120型液力緩速器安裝安裝圖與各部分布置圖。液力緩速器作為獨(dú)立的液力元件，本身自帶有充放油系統(tǒng)，控制系統(tǒng)與冷卻散熱系統(tǒng)，其產(chǎn)品體現(xiàn)出模塊化通用設(shè)計(jì)思想，優(yōu)點(diǎn)在于相對(duì)獨(dú)立的緩速器整體易于拆卸與安裝，有利于緩速器的維護(hù)、保養(yǎng)以及故障排查[26-27]。

圖9 獨(dú)立式串聯(lián)后置型液力緩速器

3.2 并聯(lián)后置型液力緩速器

并聯(lián)后置型液力緩速器通過(guò)中間齒輪實(shí)現(xiàn)與變速箱并聯(lián)。此型緩速器多采用獨(dú)立式安裝，緩速器在變速器外獨(dú)立布置，便于拆裝與維護(hù)。圖10為Voith R115型并聯(lián)后置式液力緩速器的布置方式和結(jié)構(gòu)圖。

1.節(jié)溫器 2.水箱 3.風(fēng)扇 4.熱交換器5.緩速器油溫傳感器 6.水溫傳感器圖10 并聯(lián)后置型液力緩速器布置與結(jié)構(gòu)圖

相比串聯(lián)型液力緩速器，此種并聯(lián)設(shè)計(jì)不影響車輛變速箱取力，有效減小傳動(dòng)軸長(zhǎng)度，不會(huì)與周圍部件產(chǎn)生干涉，結(jié)構(gòu)更小、更緊湊，且可匹配不同型號(hào)變速器。通過(guò)安裝一個(gè)增速齒輪級(jí)，使其具有更良好的整車低速制動(dòng)特性。因此在具有相同的制動(dòng)特性情況下，并聯(lián)后置型液力緩速器質(zhì)量更輕，體積更小，但由于增速齒輪對(duì)在配合傳力時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的切向分力與軸向分力，制動(dòng)時(shí)會(huì)對(duì)傳動(dòng)部件產(chǎn)生一定沖擊，因此較串聯(lián)型液力緩速器而言，并聯(lián)型液力緩速器可提供的最大制動(dòng)功率較低。

4 前置型與后置型液力緩速器制動(dòng)特性的研究

HAT8560型雙循環(huán)圓液力緩速器為本研究研制的前置型緩速器，適用于某重型運(yùn)載車輛。分別將HAT8560型雙循環(huán)圓液力緩速器串聯(lián)安裝于變速機(jī)構(gòu)前與變速機(jī)構(gòu)后，對(duì)兩種狀態(tài)下的車輛實(shí)時(shí)制動(dòng)過(guò)程開(kāi)展仿真研究。將液壓回路仿真模型[28]、液力緩速器制動(dòng)特性仿真模型和車輛制動(dòng)仿真模型進(jìn)行集成，獲得了下長(zhǎng)坡制動(dòng)工況整車緩速仿真模型，如圖11所示，具體建模過(guò)程可參見(jiàn)文獻(xiàn)[3]。設(shè)定制動(dòng)仿真條件，如表1所示。

圖11 整車制動(dòng)仿真模型

初始車速v0/km·h-1路面坡度θ/%初始充液率q仿真時(shí)間ts/s變速箱工作擋位5090301～6

制動(dòng)轉(zhuǎn)矩是評(píng)價(jià)液力緩速器制動(dòng)特性的關(guān)鍵指標(biāo)，而整車制動(dòng)車速變化則是液力緩速器輸出制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的直接體現(xiàn)。液力緩速器輸出制動(dòng)轉(zhuǎn)矩與車速動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果，如圖12與圖13所示。當(dāng)液力緩速器前置時(shí)，受變速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比作用。1擋時(shí)，緩速器初始動(dòng)輪轉(zhuǎn)速最高，其輸出制動(dòng)轉(zhuǎn)矩也最大，瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩接近241000 N·m，遠(yuǎn)高于2擋時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩15000 N·m，而后隨著車速的迅速降低，動(dòng)輪轉(zhuǎn)速降低，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩下降也很明顯，與上文分析結(jié)果一致。當(dāng)液力緩速器后置制動(dòng)時(shí)，緩速器動(dòng)輪轉(zhuǎn)速不受變速機(jī)構(gòu)擋位影響，動(dòng)態(tài)制動(dòng)過(guò)程輸出的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩最大為16000 N·m，高于前置型2～6擋制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，制動(dòng)特性良好。

圖12 液力緩速器輸出制動(dòng)轉(zhuǎn)矩圖

圖13 車速圖

當(dāng)液力緩速器前置時(shí)，受變速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比作用，除了6擋外，其他擋位變速機(jī)構(gòu)輸出的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩均使車速直接降低，擋位越低，下降梯度越明顯，且最終穩(wěn)定車速越小。變速機(jī)構(gòu)置于6擋時(shí)，制動(dòng)初期車速明顯上升，這是由于整車的減速制動(dòng)力小于車輛沿著路面的重力分力，而后隨著制動(dòng)轉(zhuǎn)矩上升，車速減小。對(duì)于后置型，緩速器制動(dòng)轉(zhuǎn)矩直接作用在車輪上，不受變速機(jī)構(gòu)擋位影響，其制動(dòng)初期亦出現(xiàn)車速上升的現(xiàn)象，制動(dòng)后期車速穩(wěn)定值也要高于前置型1～5擋。對(duì)比可見(jiàn)，緩速器前置型2擋與后置型初始所達(dá)到的最高制動(dòng)轉(zhuǎn)矩相近，但受變速機(jī)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的作用，緩速器前置型2擋的整車速度下降更快，且所能達(dá)到的穩(wěn)定車速更低，整車低速制動(dòng)特性要優(yōu)于后置工況。

5 結(jié)論

(1) 前置型液力緩速器結(jié)構(gòu)緊湊，低變速擋位可輸出較大的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使得車輛可有效實(shí)現(xiàn)減速制動(dòng)，但前置型液力緩速器制動(dòng)時(shí)，容易產(chǎn)生動(dòng)力中斷與沖擊，影響制動(dòng)平順性，且制動(dòng)功率受變速機(jī)構(gòu)限制；

(2) 中置型液力緩速器一般與液力變矩器做成一體，集成于變速機(jī)構(gòu)中，整體結(jié)構(gòu)緊湊，但此種布置形式不便于拆卸、安裝與維護(hù)，除了受到變速箱徑向結(jié)構(gòu)限制，還需要與變速機(jī)構(gòu)進(jìn)行性能匹配，因此通用性不強(qiáng)；

(3) 后置型液力緩速器布置在變速機(jī)構(gòu)后方，控制參量清晰、明確，并可應(yīng)用復(fù)雜的制動(dòng)策略。其工作時(shí)不存在動(dòng)力中斷，因而制動(dòng)沖擊更小，制動(dòng)過(guò)程更平穩(wěn)，但當(dāng)車速較低時(shí)，相比于前置型液力緩速器，后置型緩速器動(dòng)輪轉(zhuǎn)速較低，制動(dòng)特性不佳；

(4) 前置型與后置型液力緩速器制動(dòng)特性實(shí)例對(duì)比表明，后置型液力緩速器具有良好的制動(dòng)特性，前置型液力緩速器低擋位輸出制動(dòng)轉(zhuǎn)矩優(yōu)于后置型，其整車低速制動(dòng)特性也優(yōu)于后置工況。