PDF《车用液力减速技术的应用与发展趋势分析》

2007年10月第35卷第10期 机床与液压 MACH I NE TOOL &

HYDRAUL ICS Oct12007 Vol135 No110 车用液力减速技术的应用与发展趋势分析

3 金毅 1,

2 , 项昌乐

1 , 马跃

1 (11北京理工大学 , 北京 100081;

21装甲兵工程学院 , 北京 100072) 摘要 : 简要介绍了车用液力减速技术的发展和应用范围 , 重点叙述了减速装置的工作原理、结构特点、国内外应用情 况并对其发展前景和方向作了分析预测.

关键词 : 车辆 ;

减速装置 ;

液力减速器 中图分类号 : TH137 文献标识码 : A 文章编号 :

1001 -

3881 (2007)

10 -

186 -

3 D evelopm ent and Prospect of Hydraulic Retarder J I N Yi 1,

2 , X I ANG Changle

1 , MA Yue

1 (11Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China;

21A rmored Forces Engineering Institute, Beijing 100072, China) Abstract: Development and application range of hydraulic retarder were reviewed. Its working princip le, structure and app lica2 tion of hydraulic retarder were described, and its perspective was analyzed. Keywords: Vehicle;

Speed reduction device;

Hydraulic retarder 在山区公路上行驶的车辆 , 下坡时为了限制车速 , 往往需要频繁使用制动器.传统汽车制动方式是在车 轮上安装机械式摩擦制动器 , 但频繁或长时间制动会 造成制动鼓 (盘)和摩擦衬片 (制动衬片 ) 过热 , 导 致制动效能衰退 , 甚至制动失效从而引起重大交通事 故.这个问题对城市公交车、长年行驶在山区的载货 汽车、长途大客车和一些野外作业的特种车辆尤为突 出.为保证车辆安全性和良好的制动性能 , 除行车制 动器外 , 以上车辆还应装备辅助制动器.在现有的多 种辅助制动装置中 , 液力减速装置由于其具有的大扭 矩、作用时间持久等优点受到广大用户的亲睐.

1 液力减速装置的工作原理及分类

111 工作原理及组成 图1车用液力减速装置类型图 液力减速装置的 基本工作原理 : 依靠 工作轮内液流的作用 将车辆的动能转化为 液体的热能 , 再通过 冷却器散热的方式实 现车辆制动 , 它主要 由工 作轮、控制系统,散热装置组成. 按照 减速装置的功能,其被分为液力减 速器和牵引制动型液力变矩器两种 , 其中牵引制动型 液力变矩器可以实现变矩和制动两种功能.减速器还 可以分为轮毂内的液力减速器、变速箱内的液力减速 器和 轴间反转型液力减速器.除此之外福伊特(Voith) 公司开发了水介质的减速器 , 因此按照工作 介质还可以分为水性介质和油性介质两种.由于目前 处于应用阶段的车用液力减速装置基本是油性介质 , 所以这里对水介质的减速器不再详述.液力减速装置 的基本类型的划分见图 1.

112 布置在非驱动轮轮毂内的液力减速器 图2轮毂内的液力减速器 图 2所示是德国 人在 20世纪 70年代 设计的一种布置在多 轴汽车非驱动轮轮毂 内的液力减速器.减 速器的转子通过一个 行星排与车轮的轮毂 相连 , 结构紧凑 , 不 需要对车辆原有的传 动系统做大的改动 , 由于使用了一个增速 行星排 , 提高了减速 器的制动效能 , 在一 定程度上可以对车辆起到减速的作用.但是该减速器 的缺陷也很明显: 布置在车轮轮毂内 , 径向尺寸受到 限制;

散热系统的布置困难 , 主要依靠车轮轮毂散热 , 散热能力有限 , 制动功率和连续制动时间受到限制.

113 布置在变速箱中的液力减速器 目前车辆上应用的液力减速器多数与变速箱做成 一体 , 它的结构紧凑 , 便于安装和布置.与布置在车 轮轮毂内相比 , 径向尺寸可以较大 , 有可能布置专用 的减速器散热器 ;

与发动机距离较近 , 必要的时候可

3 基金项目 : 总装备部预先研究项目 图3R1332 2型液力减速器 图4布置在行星变速箱 后的液力减速器 使用发动机散热器. 与变速箱布置在一 起的另一个好处是 : 位于车辆传动链的 中上环 节,减速器转子的 转速 高,制动力矩大. 图 3所示 是德国福伊特R1332 2型液力减速器 , 它可以以串联形式布置在变速 箱后 , 其与变速箱联合工作的结构简图见图 4.除了 图 4的布置方式外 , 还可以采用串联在变速箱前、与 变速箱并联、独立与变速箱串联的形式 , 这几种形式 图5液力减速器布 置形式示意图 的布置示意图见图 5. 图 6中的福伊特 R115 型液力减速器就是通 过中间齿轮实现与变 速箱 并联的减速器. 图3和图

6 所示减速 器均布置在变速机构 的后面 , 这种布置方 式优点是车辆换档时 不会 产生动力中断,但是为了提高低档时 的制动效能 , 往往需 要一个增速齿轮级. 图6福伊特 R115型液力减速器 液力减速器布置在变速机构前面时 , 高、低档时 转子转速都较高 , 可以不需要增速齿轮级 , 但是在车 辆换档时会产生动力中断和冲击.图7所示阿里森 AT545R液力减速器就是一种布置在变速机构前的液 力减速器.该液力减速器为了避免从 2档换 1档时的 冲击 , 在 1档时自动关闭. 图7阿里森 AT545R液力减速器

114 布置在轴间的反转型液力减速器 图 8为一种可以装在多轴车辆或拖车上的一种特 殊的液力减速器.该减速器的

2 个工作轮都是转动 的,一个正转 , 一个反转 , 分别由车辆的

2 根轴驱 动.冷却风扇由从减速器中甩出来的传动油驱动并对 传动油进行散热 , 冷却后的油再流回减速器.该减速 器由于采用反转结构 , 减速器的力矩系数较高 , 因而 可以在较低的转速下获得较高的制动力矩. 图8轴间反转型液力减速器工作原理图

115 牵引制动型液力变矩器 牵引 - 制动型液力减速器将液力变矩器和液力减 速器在结构上合二为一 , 主要有以下几个优点 : 节省 空间 , 总体布置方便 , 该型变矩器直接与发动机相连 接位于车辆传动链的高速环节 , 可以小尺寸获得大制 动力矩 , 同时由于空间上的便利 , 其有效制动半径较 单一功能的液力减速器都要大. 图 9所示减速装置是切割泵轮和涡轮型的牵引制 动型液力变矩器.其主要结构由 5个工作轮组成 : 泵轮、涡轮、导轮和 2个制动轮 , 其中 2个制动轮可以 看作由变矩器涡轮或泵轮切割而成 , 制动轮之间刚性 联接.在牵引工况 , 2个制动轮和涡轮自由旋转消耗 功率 , 在减速工况 , 直接将制动轮制动.两者的区别 在于 : 分割泵轮型变矩器在实现制动轮结构只需要双 层套轴 , 而分割涡轮型变矩器在实现时需要

3 层套 ・

7 8

1 ・ 第10期 金毅 等:车用液力减速技术的应用与发展趋势分析 轴,从结构上 , 分割泵轮型较简单. 图9牵引 - 制动型液力变矩器 图10 涡轮反转型液力变矩器 图10是涡轮反转 型牵引 - 制动复合型 液力减速器方案.其 主要结构由一个离合 器、一个制动器和一 个普通液力变矩器组 成.在牵引工况离合 器结合 , 制动器松开 ;

在制动工况 , 将离合 器松开 , 制动器结合 , 同时通过变速箱中的倒档机构 或专门的倒转机构使与出端相连的涡轮反转 , 带动液 体冲击泵轮 , 产生制动力矩.

2 车用液力减速技术的应用和发展现状

211 相关技术的发展 在车用液力减速技术的发展过程中 , 对制动扭矩 的精确控制和散热技术一直是该技术发展的关键 , 目 前处于应用阶段的各型车用液力减速装置通过采用现 代电子控制系统及合理的散热方案较好地满足了使用 要求. 其中 , 福伊特系列减速器配有独立的供油系统 , 以发动机机油作为减速器工作介质 , 工作液在运动中 使进出口形成压力差促使介质循环流经热交换器时 , 车辆动能转变成的热能被来自发动机冷却系统的冷却 水带走而散热.液力减速器利用发动机的冷却系统散 热.工作时 , 发动机处于怠速工况 , 温度一般不会超 过140℃, 紧急情况下超过 140℃, 减速力矩也不会 随温度升高而下降 , 仍会保持稳定的减速能力. ZF系列减速器与变速器的油道共用 , 当减速器 制动时 , 变速器油道与缓速器机油冷却器油道断开 , 机油只在缓速器与热交换器之间流动 ;

当缓速器停止 工作时 , 变速器油道与缓速器机油冷却器油道联通 , 变速器的机油被泵入机油冷却器油道中进行冷却.这 样即解决了减速器的散热问题 , 也保证了对变速器油 温的控制 , 速器与缓速器使用同一种机油 , 并且一次 换油 , 给使用者带来方便. 各系列的减速器的控制系统已由早期的液压控制 转化为综合电子系统 , 通过电子系统对液力减速器和 主制动器进行管理.电子系统对减速器的电液阀发出 指令 , 实现液力减速器制动扭矩的精确控制.减速器 的操纵装置可以安装在转向柱上也可以装成与行车制 动踏板联动.制动系统所有的控制都依靠电子控制单 元,它能根据系统内植入的程序 , 根据不同的工况 , 比如车速、自动踏板的行程、冷却水温度等 , 自动控 制系统的各项操作 , 并协调其它相关系统 (如ABS、 EBS) , 使车辆在最优化状态下工作.多数液力减速 器还具有下长坡时的巡航定速功能 , 利用手柄上的按 钮进行设定 , 福伊特系列减速器还可以根据驾驶员需 要有记忆的对减速能力进行分级管理控制.

212 车用液力减速技术的国内外应用现状 德国采埃孚 ( ZF) 公司、德国福伊特、美国通 用、瑞典斯堪尼亚公司等国外许多知名公司长期致力 于车用液力减速技术的研究与应用 , 并拥有系列化产 品.其中前两家公司在我国上海和和苏州分别设有生 产基地.20世纪 90年代初期 , 液力减速技术在欧美 的大型客车 , 运输载重及工程机械上就得到了广泛的 应用.国外许多国家的交通法规已将辅助制动装置作 为商用车的必备系统 , 如德国的交通法规就明文规定 总质量在 515t以上的客车和 9t以上的载货汽车 , 必 须装有辅助制动装置.瑞士也有类似的法规 : 总质量 超过 315t的牵引车以及总质量 8t以上的载货车必须 安装辅助制动系统. 我国在车用液力减速技术方面已有部分应用 , 少 数厂家也使用过产品 , 如原上海的 SH380 型汽车就 装备了液力减速器作为辅助制动装置.国内有部分客 车厂家选用液力减速器如亚星奔驰、中通客车、郑州 宇通.一些引进技术生产的重载汽车 , 也采用了液力 减速 (制动 ) 器,但大多是进口元件.总体来看 , 国内车用液力减速产品品种类少 , 技术也不成熟.近年,国内也制定了相应的法规和标准推进液力减速等 辅助制动技术的应用.2002年 6月

1 日,我国交通 部颁布实施的中华人民共和国交通行业标准 JT/T3252

2002 《 营运客车类型划分及等级评定 》中规定 : 中 型客车中高二级 , 大型客车中高一级、高二级和高三 级客车都必须装置缓速器.建设部同年公布执行的 《 城市客车分等级技术要求与配置 》也作出了相应的 规定.

3 发展方向与前景预测 近年来随着国内用户对车辆安全性和舒适性的要 求不断提高 , 车用液力减速技术已逐渐被人们熟悉 , 结合相关技术的发展历程和市场需求可以预见到车用 液力减速技术的发展将有以下显著特点 : (1) 液力减速器具有其它类型的减速器所不具 备的许多优势 , 这决定了液力减速器在车辆上的普遍 应用是未来发展的总趋势. (下转第 195页)・881・机床与液压 第35卷 矩作用的场合 , 一般情况下额定动载荷比额定静载荷 要小. (3) 疲劳剥落的位置理论上应该发生在应力作 用次数较多的滑块滚道 , 在实验中更多发生在轨道滚 道,这是因为材料系数 Ae 的不同. (4) 通过寿命实验 , 可以看出 , 当韦布尔斜率 m =

10 /9, 并且引入最小寿命 γ的 3个参数的韦布尔 分布拟合程度非常高.由寿命实验得到的与寿命相关 的参数见表 3. 图7寿命实验结果 表3各参数寿命计算结果 模式 Fy /kN γ/km η/km L50 /km L10 /km C /kN 一23152

3818 17912

16716 6214 二2914

5318 66017

52819 14110

39102 4 结论 由寿命理论分析得到的寿命值与寿命实验结果吻 合度很高 , 证明了理论分析是可行的 , 可以通过理论 分析准确地预测直线滚动导轨的寿命 , 计算其它与寿 命相关的参数 , 这对工程实践有着重要的意义 , 可以 有效地减少设计时间和降低实验成本. 参考文献 【1】清水茂夫 1直线滚动导轨系统的载荷分布与精度和刚 性的关系的研究 [ J ] 1精密工学会志 ,

19901 【2】清水茂夫 1直线滚动导轨系统的精度均化效果的研究 [ J ] 1精密工学会志 ,

19901 【3】方健 , 陈远雄 , 孙健利 1基于 ISO

147282 1标准滚动 导轨副东负荷和寿命分析 [ J ] 1制造技术与机床 ,

2006 (8)

1 【4】G1Lundberg, A1Palmgren1Dynam ic Capacity of Rolling Bearings1 I VA Handlinger,

19471 【5】清水茂夫 , 井泽实 1滚动疲劳寿命分布的研究 [ J ]

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1981 (4)

1 【6】万长森 1滚动轴承的分析方法 [ J ] 1机械工业出版 社,19871 【7】直线运动系统编委会 1直线运动系统的理论 [ J ] 1日 刊工业新闻社 ,

20011 【8】清水茂夫 , 井泽实 1直动钢球轴承的寿命研究 [ J ]

1 精密机械 ,

1979 (8)

1 作者简介 : 高飞 (1982―) , 男,贵州安顺人 , 江南大 学机械学院硕士研究生 , 研究方向为直线滚动导轨的优化设 计.E - mail: gaofei711@1261com.姜大志 (1957―) , 男,江苏盐城人 , 江南大学机械学院副教授 , 硕士研究生导师. 研究方向为机械设计与理论. 收稿日期 :

2006 -

11 -

20 (上接第 188页)(2) 车辆上将出现对停车制动器、液力减速器 等辅助系统进行统一集成控制的减速制动电控系统 , 该系统将集成 ABS/ASR等成为现代车辆智能控制和 自动巡航电子管理系统的一部分.同时制动系统的可 靠性可自我检测功能将进一步得到加强. (3) 具备液力变矩器和液力减速器功能的复合 型液力减速器的研制和应用将受到重视.尤其在大功 率的军用及民用特种车辆方向复合型变矩器有着广阔 的应用前景. 可以预测 , 由于车辆在安装了液力减速器后拥有 乘座舒适、驾驶安全、路面适应性强、下坡平均车速 高等优点 , 它的应用必将越来越广泛.无论是在军 用、工程机械等特种车辆还是在民用车辆上 ,........