液力缓速器总体结构设计的研究

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液力缓速器总体结构设计的研究

       
        摘要：详细地阐述了液力缓速器的总体结构初步设计；介绍了这两种缓速器的发展起因、国外发展的历史及主要生产企业和国内外发展现状；指出了它们在国内的发展趋势等。
        关键词：缓速器；液力缓速器；电涡流缓速器；辅助制动；
1 起因
        中国山区面积广大，公路运输是山区的主要运输方式，对于主要行使在矿山或山区公路上的汽车，由于经常要下长坡，这就需要对它进行持续制动；另外，在一些人口密集的大城市或地区，经常在行车密度很高、交通情况复杂的城市街道上行使的汽车（如市内公交车），为了避免交通事故，需要进行频繁的不同强度的制动；还有，改革开放以来，随着道路条件的不断改善和车辆性能的不断提高，许多地区车辆的平均速度提高了2倍以上，而制动器的性能却提高的不多（1.2倍左右）[1]。在这些情况下，如果只用摩擦式制动器工作，将使制动器产生的热量增多，制动鼓和刹车片的温度升高，制动装置的摩擦系数减少，磨损系数增加，严重时还有可能导致制动失效引发安全事故。另外，只使用行车制动系，还存在着制动噪音污染，制动过程产生的粉尘污染以及维修频繁等有待解决的问题。
因此，除了必要的行车制动系外，往往有必要增设辅助制动系，以便将车轮制动器的工作负荷进行分流，使车轮制动器温度控制在安全范围内。辅助制动系也叫缓速制动系，用以使行驶的车辆速度降低或稳定在一定速度范围内，而不用以使车辆停驶。具体起缓速作用的部件叫做缓速器。按工作原理缓速器可分为发动机缓速装置、液力缓速器、电涡流缓速器、电机缓速装置和空气动力缓速装置等。
本文重点阐述液力缓速器总体结构初步设计和电涡流缓速器的有关部分。
2国外发展历史及主要生产企业
        德国的福伊特(voith)公司是世界上较早的研究液力缓速器的公司之一，该公司的第一台液力缓速器于1961年成功用于火车上，在1968年开发出用于公路车辆的第一台液力缓速器；电磁制动技术首次应用到汽车是在1936年，1938年出现将电涡流缓速器用万向节与中心传动法兰结合起来组成的安全缓速制动器。1965年世界上出现了首台直接安装到变速器或驱动桥上的电涡流缓速器[2]。该缓速器的出现使其结构趋于紧凑、重量变轻且安装简单,从而使电涡流缓速器在汽车上的应用更加广泛。
        液力缓速器和电涡流缓速器在国外都已发展了几十年，目前国外主要有法国的泰尔马（Telma）公司的电涡流式和液力式缓速器、德国福伊特（Voith）公司的福伊特系列液力缓速器和Frenelsa公司的电涡流式和液力式缓速器、美国通用汽车公司的Allison系列液力减速器以及日本的TBK公司电涡流式缓速器等。
3液力缓速器的总体结构初步设计
在国外，液力缓速器和电涡流缓速器已经发展成系列成熟的产品;在国内,国产的电涡流缓速器也只有三年左右的发展历史,但国产的液力缓速器却几乎还处于起步研发阶段，参考国外的液力缓速器结构性能优点，并结合国内的实际情况，液力缓速器总体结构初步设计如下图所示：


总体结构设计图原理说明如下。
        在非缓速制动状态下，机油液体存放于油槽里面，制动阀后边的电磁阀常开，储气筒通向油槽通气管路中的电磁阀常闭；在电控单元中预先设定有一系列流量差数值(油槽流出减去流入机油量的差值),此数值与制动阀后的气压传感器所测气压值呈一定的正变函数关系,而制动阀后的气压传感器所测气压值又正变于驾驶员踩制动踏板的踏板力(或制动踏板位置)大小,因此电控单元预先设定的一系列流量差数值也和踏板力呈正变关系,即制动踏板力大则所设定的流量差值也大,反之则小.
        当驾驶员踩制动踏板时，电控单元首先进行车速判断，当车速大于V0（如设定V0＝5km/h）,用液力缓速器进行制动; 此时电控单元指使制动阀后边的电磁阀关闭,并把油槽出入口处电控流量计实际所测流量差与对应于此时踏板位置的初始设定在电控单元里的流量差值比较,如果实际测得的流量差值小于电控单元里初始设定的对应于此时制动踏板位置的流量差值,则打开由储气筒通向油槽通气管路中的电磁阀向油槽中充入压缩空气,从而使油槽中的机油通过油槽出口处的单向阀充入液力缓速器的工作腔(缓速器工作腔通向油槽泄油通道中的电磁阀在非缓速制动时处于常闭状态,因此此时仍处于关闭状态).
        当电控单元判断出油槽出入口电控流量计实际测得的流量差近似等于初始设定在电控单元中的对应于此时制动踏板位置的流量差值时,则关闭由储气筒通向油槽通气管路中的电磁阀,停止对油槽充气, 则油槽中的机油液体停止向缓速器工作腔中充入.
        当驾驶员加大制动踏板力时,则又将出现实测的流量差值小于设定的对应于此时踏板位置的流量差值,电控单元指使由储气筒通向油槽通气管路中的电磁阀重新打开向油槽充入压缩空气,进而使油槽中的机油通过油槽出口处的单向阀进一步向缓速器工作腔中充入机油液体,直到实测流量差值又近似等于设定的差值,则再次关闭由储气筒通向油槽通气管路中的电磁阀,停止向缓速器工作腔中充入机油液体.
        当驾驶员减小制动踏板力的时候,则会出现两个电控流量计实测的流量差值大于设定的对应于此时踏板位置流量差值,这时电控单元指使油槽上方的电控减压阀打开使油槽中的气压减小,减小后的油槽气压数值与在电控单元中给其初始设定的数值近似相等,电控单元中给油槽中气压初始设定的一系列气压值是和制动阀后边的气压传感器所测气压值呈一定正变函数关系,也即与踏板力(或踏板位置)呈正变关系;因此踏板力减小,则初始设定的对应于此踏板位置的气压值也相应变小,当油槽中的气压下降到传感器实际测得的气压值近似等于设定的对应此时制动踏板位置的气压值时,电控减压阀关闭.与此同时,由缓速器工作腔通向油槽泄油管道中的电磁阀打开,一部分机油液体经过泄油管道和油槽油路入口处电控流量计流入油槽中,当两个电控流量计实测的流量差值近似等于设定的对应于此时踏板位置的流量差值时,则电控单元指使由缓速器工作腔通向油槽的泄油管路中的电磁阀关闭,停止泄油.
        当制动踏板力下降到等于零时,即踏板位置处于自由状态,则由以上叙述知,由缓速器工作腔通向油槽管路中的电磁阀处于常开,机油工作液完全流回油槽;此时电控单元对两个电控流量计实际测得的流量值记忆清零,一次缓速制动完成.
        在用液力缓速器制动缓速的过程中,如果电控单元检测到车速已经下降到V0以下时,则关闭由储气筒通向油槽通气管路中的电磁阀,打开制动阀后边的电磁阀开始利用常规制动器制动;与此同时,油槽上方的电控减压阀打开使油槽气压减压至大气压,并使缓速器工作腔通向油槽泄油管路中的电磁阀处于常开状态,工作机油液完全泄回油槽中.
        如果踩制动踏板一开始电控单元就检测到车速小于初始设定的V0值,则由于在非制动缓速状态下,制动阀后边的电磁阀处于常开,储气筒通向油槽通气管路中的电磁阀常闭,因此电控单元不动作,车辆利用常规制动器进行制动.
        另外，当温度传感器检测到缓速器工作腔中的工作机油液温度高于预先设定的机油临界温度时，电控单元指使动态循环冷却管路中的电磁阀打开，工作液将在工作腔中工作液的离心力和一定动力泵外力的作用下在动态循环冷却管道中循环冷却，并通过热交换器和通向发动机冷却系统的冷却管道把汽车动能转化的液体热能散发出去。
        此外，还有系统自诊断和故障安全功能，故障报警，当ABS起作用时液力缓速器退出工作等的设计，在此不作详述。
        经过对本结构设计的部分试验表明,该结构设计总体满足产品性能要求,可以作为液力缓速器总体结构设计的一个方案,供有关企业单位在研究开发该产品时参考.
4国内外发展现状
        在国外，经过几十年的发展，生产这两种缓速器的技术目前都已经比较成熟，形成了系列产品。例如，截至2000年，德国的福伊特（voith）公司已生产液力缓速器超过２０万台，法国的泰尔马(telma)公司每年生产的电涡流缓速器已经有3万台。在欧、美、日等发达国家，把缓速器作为标准件已经装备在多种级别的客车和中型、重型汽车上，作为现有汽车制动系统的必要补充装置。
        另据有关企业领导2005年初在国外考察后指出，在美国，电涡流缓速器销售有下滑趋势，而液力缓速器销售则呈上升趋势。
        在国内，2001年深圳特尔佳公司成为首家国产电涡流缓速器的企业（该公司仅2004年销售已接近10000台）。到2002年上半年国产的电涡流缓速器生产厂家也只有此一家；发展到目前，已有深圳冠业电子有限公司、广州瓯特玛电涡流科技有限公司和佛山市鑫鹰汽车科技有限公司等近百家公司均生产电涡流缓速器。而液力缓速器目前国产的还很少见。
5国内的发展趋势
电涡流缓速器在国内发展时间还很短，在产品研制、开发、应用、性能测试等方面总体上还处于比较低的阶段，与国外相比还有一定的差距，需要不断的改进和提高。未来一段时间电涡流缓速器将向着减轻重量，无级调速（现在多为分级调速，缓速力矩呈阶梯状非均匀变化）和智能化等方向发展。相对于电涡流缓速器，液力缓速器由于结构复杂，制造技术和精度要求高等原因，尽管国产的还很少见，不过现在国内已经有部分企业开始了对液力缓速器的研究开发，以便在市场竞争中占据主动地位，夺得尽可能多的市场份额。
        2002年7月1日，国家交通部已经开始执行“营运客车类型划分及等级评定”新标准，规定二级以上的客车必须安装制动缓速装置[3]，缓速器在国外普遍应用多年后，国家交通部将其列为大客车必备装置，是我国技术发展的一个必然趋势；另外，随着我国经济的快速发展，道路条件的持续改善和车辆性能的不断提高，为一些地区平均车速的进一步提高提供了客观条件；再者，随着人们生活水平的提高，人们对汽车的安全性、舒适性、环保等方面的要求也将不断提高。
上述各种因素将对缓速器在国内的发展起到极大的促进作用；可以预计，未来几年缓速器在国内将会得到快速的推广和应用，有着广阔的市场前景，缓速器在国内客货车上的普遍使用只是一个时间问题。
参考文献：
[1] 刘少林。电涡流缓速器性能测试系统的研究[D]。杭州：浙江大学，2004。
[2] 王　俊，周云辉。汽车用电磁缓速器[J]。汽车研究与开发，2000（2）：35－39。
[3] 杨勇。2002年上半年深圳特尔佳公司共销售电涡流缓速器575台，销售额1100万元[N]。中国客车网。

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除了液力缓速器外，还有一类性价比非常高的发动机缓速器，这类缓速器体积小可以灵活的安装在发动机的气门罩盖里面，工作原理是通过控制排气门的精确开闭，实现发动机压缩制动，不会增加油耗，对发动机功率无影响，且具有相当高的制动效率。