武金龍 ,謝凡 ,黃志 ,鄧習(xí)樹 ,彭國偉

（1.410100 湖南省 長沙市 三一汽車制造有限公司；2.412000 湖南省 株洲市 湖南機(jī)動(dòng)車檢測技術(shù)有限公司）

0 引言

液力緩速器作為獨(dú)立于行車制動(dòng)的一種高效輔助制動(dòng)裝置[1]，具有體積小、扭矩大、制動(dòng)平穩(wěn)、成本低等特點(diǎn)[2-3]，常用于長下坡持續(xù)制動(dòng)的場景，能夠有效避免重載車輛下坡路段制動(dòng)器過熱而失效，保障行車安全，近兩年越來越多地被應(yīng)用于商用車及長途客車。而液力緩速器的卓越性能是建立在整車良好匹配的基礎(chǔ)上，因此本文著重就其具體設(shè)計(jì)匹配及轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)方法進(jìn)行研究，對(duì)緩速器的開發(fā)和應(yīng)用提供參考。

1 液力緩速器結(jié)構(gòu)和工作原理

液力緩速器由定子、轉(zhuǎn)子、傳動(dòng)軸、散熱器、殼體、控制閥等組成[4]，如圖1 所示。緩速器通常位于變速箱后部，其底部儲(chǔ)存工作油液，內(nèi)部開有油液循環(huán)用的孔道，緩速器的傳動(dòng)軸連接變速箱輸出軸和傳動(dòng)軸。轉(zhuǎn)子隨傳動(dòng)軸實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，定子固定于腔體內(nèi)部?？刂崎y不同開度對(duì)應(yīng)于緩速器的不同擋位。

圖1 液力緩速器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.1 Interior structure of hydrodynamic retarder

基本工作原理：當(dāng)緩速器開始工作時(shí)，控制閥控制一定氣壓的空氣進(jìn)入緩速器內(nèi)部，將油底殼中的油液經(jīng)過孔道壓入定轉(zhuǎn)子腔體內(nèi)，轉(zhuǎn)子帶動(dòng)油液沿軸向和葉片方向高速運(yùn)動(dòng)，將油液甩向定子，定子固定于殼體，迫使油液在腔體內(nèi)做渦旋損耗運(yùn)動(dòng)，對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生反作用力，從而產(chǎn)生制動(dòng)力矩，使車輛減速[5]。產(chǎn)生制動(dòng)力矩的同時(shí)，將車輛動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，高溫高壓的油液經(jīng)過散熱器冷卻降壓后再回流至油底殼，冷卻液經(jīng)過散熱器將熱量帶走。如此循環(huán)往復(fù)，持續(xù)產(chǎn)生制動(dòng)力矩，直至駕駛員主動(dòng)關(guān)閉緩速器或達(dá)到整車最大散熱能力，緩速器自動(dòng)解除工作為止。

2 緩速器與整車的匹配

2.1 液力緩速器布置及匹配

商用車的液力緩速器一般采用并聯(lián)式[6]，即緩速器輸入軸齒輪與變速箱輸出軸齒輪嚙合，如圖2 所示。布置過程中需注意與車架等是否存在干涉、緩速器殼體的最小離地間隙等。通常液力緩速器與發(fā)動(dòng)機(jī)共用一套冷卻系統(tǒng)，冷卻回路如圖3 所示。液力緩速器對(duì)整車散熱能力的要求較高，因此整車散熱系統(tǒng)的匹配是關(guān)鍵。整車在匹配緩速器時(shí)，應(yīng)綜合考慮緩速器的轉(zhuǎn)速、扭矩、冷卻液流量及壓力、散熱器功率等。以ZF 某款緩速器為例，整車匹配時(shí)應(yīng)遵循以下原則：（1）無論大小循環(huán)，發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻液必須全部流經(jīng)緩速器的熱交換器；（2）冷卻水管內(nèi)徑一般要≥50 mm，保證足夠的冷卻液流量；（3）緩速器進(jìn)出水管的布置應(yīng)由下朝上，避免管路氣蝕；（4）水泵選型應(yīng)確保其流量≥280 L/min；（5）選取合適的散熱器功率≥220 kW。

圖2 緩速器的位置Fig.2 Position of hydrodynamic retarder

圖3 緩速器冷卻回路Fig.3 Cooling circuit of hydrodynamic retarder

2.2 液力緩速器的控制策略

由于緩速器和發(fā)動(dòng)機(jī)共用一套冷卻系統(tǒng)，為了避免出現(xiàn)冷卻液開鍋、緩速器制動(dòng)油溫過高等現(xiàn)象，必須為緩速器制定合適的控制策略，一般應(yīng)遵循以下原則：（1）冷卻液溫度≥105℃，緩速器自動(dòng)退出工作；（2）冷卻液溫度≥95℃，緩速器逐步限扭；（3）緩速器工作時(shí)，風(fēng)扇應(yīng)全速運(yùn)轉(zhuǎn)；（4）制動(dòng)及加速時(shí)緩速器應(yīng)自動(dòng)退出工作。（5）緩速器應(yīng)具有恒速及不同的制動(dòng)擋。

2.3 液力緩速器參數(shù)匹配

緩速器轉(zhuǎn)速與車速滿足式（1）：

式中：N——緩速器轉(zhuǎn)速，r/min；V——車速，km/h；R——輪胎滾動(dòng)半徑，m。

平地制動(dòng)瞬時(shí)最大制動(dòng)減速度滿足式（2）：

式中：m——整車質(zhì)量，kg；g——重力加速度，9.8 m/s2；amax——瞬時(shí)最大制動(dòng)減速度，m/s2；Fv——當(dāng)前車速下車輛行駛阻力，N；V——當(dāng)前車速，m/s；Pmax——緩速器瞬時(shí)最大制動(dòng)功率，W。

坡道恒速擋持續(xù)制動(dòng)時(shí)滿足式（3）：

式中：m——整車質(zhì)量，kg；g——重力加速度，9.8 m/s2；α——坡度；Fv——當(dāng)前車速V 下的車輛行駛阻力，N；V——當(dāng)前車速，m/s；P——散熱器的額定功率，W。

參照2.1、2.2 中緩速器的設(shè)計(jì)理論，按照式（1）—式（3），對(duì)某款商用車進(jìn)行緩速器匹配選型。經(jīng)過仿真及校核計(jì)算，確定整車及液力緩速器的主要相關(guān)參數(shù)，具體見表1。

表1 商用車主要參數(shù)表Tab.1 Key parameters of heavy vehicle

3 實(shí)車轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)

3.1 液力緩速器制動(dòng)減速特性轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)

將車輛固定在重型轉(zhuǎn)鼓上，根據(jù)車輛的GVW 質(zhì)量得出行駛阻力系數(shù)見表2。將車輛及轉(zhuǎn)鼓充分預(yù)熱后，基于此行駛阻力系數(shù)滑行并設(shè)定轉(zhuǎn)鼓阻力參數(shù)。完成準(zhǔn)備工作后，記錄車速、持續(xù)時(shí)間、減速度、制動(dòng)功率、制動(dòng)力、緩速器進(jìn)出水溫等參數(shù)。試驗(yàn)過程中，通過選取合適擋位來保證發(fā)動(dòng)機(jī)初始轉(zhuǎn)速1 500～1 800 r/min，并且確保輪胎無明顯打滑。在轉(zhuǎn)鼓上開展緩速器70～30 km/h 速度區(qū)間的最大減速度試驗(yàn)[7]，試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。緩速器可提供優(yōu)秀的制動(dòng)力，平均減速度達(dá)到0.8～1.0 m/s2。進(jìn)一步分析此速度區(qū)間緩速器的制動(dòng)力和制動(dòng)功率，結(jié)果分別如圖4、圖5 所示。緩速器的制動(dòng)力在起始階段迅速上升至最高點(diǎn)（緩速器轉(zhuǎn)速1 500 r/min 時(shí)），有一小回落后制動(dòng)力基本保持穩(wěn)定；緩速器啟動(dòng)瞬時(shí)制動(dòng)功率達(dá)到530 kW，因遠(yuǎn)超散熱器的額定功率290 kW，所以無法在較大功率范圍內(nèi)保持長時(shí)間制動(dòng)，緩速器的制動(dòng)功率跟車速基本保持一次線性關(guān)系。

圖4 緩速器制動(dòng)扭矩隨轉(zhuǎn)速的曲線Fig.4 Curve of hydrodynamic retarder braking torque vs speed

圖5 緩速器制動(dòng)功率隨轉(zhuǎn)速的曲線Fig.5 Curve of hydrodynamic retarder braking power vs speed

表2 車輛行駛阻力推薦系數(shù)Tab.2 Recommended running resistance coefficients of vehicle

表3 平直道路緩速器制動(dòng)減速度Tab.3 Hydrodynamic retarder braking deceleration on straight road

3.2 6%坡持續(xù)制動(dòng)熱平衡試驗(yàn)

由式（1）計(jì)算可得30～70 km/h 速度區(qū)間對(duì)應(yīng)的緩速器轉(zhuǎn)速。用轉(zhuǎn)鼓模擬6%坡道（轉(zhuǎn)鼓設(shè)置為F 模式），在恒速擋模式下，轉(zhuǎn)鼓驅(qū)動(dòng)車輛分別以30,40,50,60,70 km/h 運(yùn)行12 min，測量緩速器恒速制動(dòng)功率，觀察緩速器是否能連續(xù)運(yùn)行12 min。測試結(jié)果見表4。

表4 恒速擋持續(xù)制動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表Tab.4 Constant gear continuous braking test data

從試驗(yàn)結(jié)果知，緩速器恒速擋可保持70 km/h 車速長時(shí)間勻速下坡，此時(shí)平均制動(dòng)功率為288.7 kW，已基本達(dá)到散熱器額定制動(dòng)功率290 kW，因此該商用車在6%下坡工況下恒速擋能維持的最大車速為70 km/h。6%坡道上緩速器水溫與車速關(guān)系曲線如圖6 所示。隨著車速的增加水溫逐步上升，70 km/h 時(shí)，緩速器的水溫維持在90～95℃，此時(shí)散熱器已基本達(dá)到穩(wěn)定平衡狀態(tài)。6%坡道上緩速器的制動(dòng)功率及轉(zhuǎn)速與車速之間關(guān)系如圖7 所示。制動(dòng)功率及轉(zhuǎn)速跟車速基本保持一次線性關(guān)系。

圖6 6%坡道緩速器水溫跟車速關(guān)系曲線Fig.6 Relation curve between retarder water temperature and vehicle speed on 6% slope

圖7 制動(dòng)功率及轉(zhuǎn)速跟車速關(guān)系曲線Fig.7 Relation curve between braking power and vehicle speed

4 結(jié)論

液力緩速器通過攪動(dòng)殼體中的油液做渦流運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生制動(dòng)力，液力緩速器制動(dòng)過程將車輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱能，持續(xù)制動(dòng)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，需要依靠整車?yán)鋮s系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，其瞬時(shí)制動(dòng)力取決于緩速器的瞬時(shí)最大制動(dòng)功率，而坡道上恒速擋持續(xù)穩(wěn)定車速的大小則由整車散熱器的散熱功率決定，因此整車?yán)鋮s系統(tǒng)匹配的好壞直接決定了液力緩速器的制動(dòng)效果。適當(dāng)增大整車散熱功率，能保證液力緩速器穩(wěn)定的持續(xù)制動(dòng)性能。