面向重型履帶車輛的新式電渦流- 液力復(fù)合型緩速器研究

田金山， 李德勝， 寧克焱， 方青峰， 葉樂志， 張凱

(1.北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 北京 100124； 2.中國北方車輛研究所， 北京 100072)

0 引言

隨著現(xiàn)代重型履帶車輛質(zhì)量的增加和速度的提高，對制動頻率和功率的要求越來越高，單一的機(jī)械制動系統(tǒng)已經(jīng)難以滿足車輛的制動要求。為保證履帶車輛具有良好的行駛安全性和機(jī)動性，使其在高速行駛中能夠迅速減速停車，在長下坡持續(xù)制動中能夠低于限速行駛，國外發(fā)達(dá)國家在履帶車輛上普遍采用輔助制動系統(tǒng)[1]，如德國采埃孚(ZF)公司、德國福伊特(Voith)公司、美國艾里遜(Allison)公司等在液力輔助制動系統(tǒng)(緩速器)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用比較早，技術(shù)成熟，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)類型多樣并已系列化生產(chǎn)[2-3]。近年來，國內(nèi)液力制動理論與技術(shù)研究迅速發(fā)展，北京理工大學(xué)對適用于履帶車的牽引- 制動型液力變矩器和雙循環(huán)圓液力緩速器進(jìn)行了設(shè)計、試驗及控制方法的研究[4-7]；吉林大學(xué)通過對民用輪式車輛電控液力緩速器內(nèi)部的三維流場仿真與試驗得出其制動特性與熱交換系統(tǒng)傳熱特性，并研發(fā)出相應(yīng)的模糊控制算法來對緩速器進(jìn)行智能控制[8-12]；江蘇大學(xué)通過數(shù)值模擬研究了液力緩速器內(nèi)部液體流動的速度分布、壓力分布和湍動能分布規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計及優(yōu)化[13-15]。在控制策略上將液力緩速器與機(jī)械制動器進(jìn)行聯(lián)合制動控制，兼顧了液力緩速器高速時制動效率高、機(jī)械摩擦式制動器低速時制動效能穩(wěn)定的特點。液力緩速器制動扭矩與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速呈二次方關(guān)系，因此在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較低時制動扭矩不足，此時采用聯(lián)合制動策略，當(dāng)車速低于32 km/h后采用機(jī)械摩擦式制動，該方案在頻繁的制動工況下接觸式主制動器仍會面臨壽命大幅度縮短的困境；對于緊急制動，響應(yīng)時間尤為重要，主制動器響應(yīng)時間在0.3 s以內(nèi)，而普通民用液力緩速器響應(yīng)時間大約在2 s左右，難以及時為主制動器分擔(dān)制動功率。為加快液力緩速器的響應(yīng)，常采用通過蓄能器將高壓油迅速沖入液力緩速器內(nèi)部的方法，這一套復(fù)雜的高壓油路大幅度增加了整套設(shè)備的成本、降低了可靠性。

針對上述問題，本文結(jié)合響應(yīng)快、低速特性好的電渦流緩速原理與高速特性好的液力緩速原理，在液力緩速器的設(shè)計空間內(nèi)，設(shè)計一種電渦流- 液力復(fù)合型緩速器(簡稱電液復(fù)合緩速器)，其轉(zhuǎn)子既是電渦流緩速部分中磁路的一部分，又是液力緩速部分循環(huán)圓的一部分[16]。通過對其主要涉及的電磁場與流場分別建立數(shù)學(xué)模型，并通過數(shù)值計算方法研究分析該新型結(jié)構(gòu)的性能。在履帶車輛不同制動工況下設(shè)計相應(yīng)的控制策略，模擬整車在新型電液復(fù)合緩速器與主制動器聯(lián)合制動下的制動特性。

1 結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)集成設(shè)計

本文結(jié)合電渦流緩速器與液力緩速器原理的優(yōu)點與缺點提出電液復(fù)合緩速器思路，具體設(shè)計時，需要確定兩種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的選型，對兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行集成設(shè)計，并通過設(shè)計散熱結(jié)構(gòu)控制各部件的溫升。

根據(jù)勵磁方式不同，電渦流緩速器分為永磁緩速器、電勵磁緩速器。其中：永磁緩速器雖然不耗電，但是在其不工作時，需要通過一個移動部件屏蔽永磁體磁場，導(dǎo)致永磁緩速器體積較大、功率密度低；電勵磁緩速器可直接通過控制勵磁線圈電流，對緩速器制動性能進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，故電勵磁緩速器體積功率密度較永磁緩速器高。

電勵磁緩速器根據(jù)勵磁線圈的個數(shù)、布置形式不同，又可分為多線圈分布式布置緩速器和單線圈橫向磁通緩速器。單線圈橫向磁通緩速器勵磁線圈電感大，工作時響應(yīng)時間較長，為提高其響應(yīng)時間需要通過大功率電源短期內(nèi)增加勵磁線圈的供電電壓，以降低響應(yīng)時間。多線圈結(jié)構(gòu)的緩速器由于每組勵磁線圈較小、電感小，不需要額外增加勵磁電源電壓，響應(yīng)時間即可達(dá)到要求。

多線圈分布式布置緩速器依據(jù)工作面的不同分為盤式緩速器、轂式緩速器。液力緩速器工作面為端面，為滿足液力部分的結(jié)構(gòu)要求，需在轉(zhuǎn)子、定子圓盤端面做液力循環(huán)圓、葉片等結(jié)構(gòu)。盤式電渦流緩速器工作面的結(jié)構(gòu)與液力部分結(jié)構(gòu)沖突，而轂式緩速器作用面為轉(zhuǎn)子外圓面，在轉(zhuǎn)子兩側(cè)端面可集成液力緩速部分的循環(huán)圓結(jié)構(gòu)，故選用轂式緩速器。

液力緩速器根據(jù)控制方式的不同主要分為控制進(jìn)口油壓和控制出口油壓兩種。采用以上兩種常見的控制方式，可增加液力緩速器的制動功率，但是導(dǎo)致油液長時間在工作腔內(nèi)作用，整體流量小，出口油液溫度高。電液復(fù)合緩速器結(jié)構(gòu)，油液既要在液力緩速部分的工作腔內(nèi)循環(huán)工作，又要為電渦流緩速部分的發(fā)熱部件降溫。為保證電渦流緩速部分的散熱、防止油液汽化，需要油液從液力緩速部分噴出時流量大且溫度較低。液力緩速部分采用開式控制，保證循環(huán)油液的大流量，而對其進(jìn)出口壓力不做控制，該方案滿足要求且成本低、控制難度小。

電渦流部分選擇響應(yīng)速度較快的多線圈分布式布置轂式結(jié)構(gòu)，液力部分為降低成本及控制難度而采用出口壓力不控制的傳統(tǒng)循環(huán)圓結(jié)構(gòu)，如圖1所示。為了在電渦流緩速器的轉(zhuǎn)子上集成液力循環(huán)圓，需要將傳統(tǒng)轂式電渦流緩速器位于外圈的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)移到緩速器內(nèi)圈，轉(zhuǎn)子兩側(cè)對稱布置液力循環(huán)圓結(jié)構(gòu)，以平衡液力部分產(chǎn)生的軸向力。

1.2 工作原理

電渦流緩速部分接到控制指令進(jìn)行制動時，為勵磁線圈通電，相鄰的兩組勵磁線圈通電后激勵出相反的磁動勢，在定子、磁極、轉(zhuǎn)子外圈和磁極與轉(zhuǎn)子之間的氣隙上產(chǎn)生閉合磁路。根據(jù)電渦流原理以及集膚效應(yīng)原理旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子外圈產(chǎn)生電渦流，將傳動軸動能轉(zhuǎn)化為熱能。

當(dāng)兩側(cè)的液力緩速部分工作時，油液被旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子帶動，在循環(huán)圓內(nèi)做環(huán)流和渦流，其動量矩周期變化，對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生阻力矩，最終將傳動軸動能轉(zhuǎn)化為油液內(nèi)能。

油液在液力緩速部分的循環(huán)圓內(nèi)工作后，通過轉(zhuǎn)子外圈的通油孔進(jìn)入電渦流緩速部分轉(zhuǎn)子外圈與定子磁極之間的氣隙中，為電渦流緩速部分的高溫轉(zhuǎn)子降溫。最終高溫油液匯聚到集油腔內(nèi)，從定子底部的油路出口排出，進(jìn)入熱交換器散熱，準(zhǔn)備進(jìn)行下一個油路循環(huán)。

電液復(fù)合緩速器在原液力緩速器的設(shè)計空間內(nèi)將電渦流緩速器與液力緩速器設(shè)計為一體，從而獲得響應(yīng)快、全速段制動功率密度高的性能，其制動性能由電渦流緩速部分與液力緩速部分的制動功率共同構(gòu)成?？祉憫?yīng)和低速特性主要依靠電渦流緩速部分作用，高速段大扭矩依靠液力緩速部分與電渦流緩速部分共同作用。

1.3 電液復(fù)合緩速器關(guān)鍵技術(shù)分析

電液復(fù)合型緩速器中電渦流緩速部分與液力緩速部分在工作時相互影響，由油液溫度作為紐帶進(jìn)行聯(lián)系。

若液力緩速部分功率過高，將使一定流量的油液沸騰或汽化，造成安全隱患，且高溫油液進(jìn)入電渦流緩速部分后，導(dǎo)致電渦流發(fā)熱部件散熱效果下降，故在電液復(fù)合型緩速器高速、大功率下合理分配各部分制動功率占比十分重要。在保證緩速器安全工作前提下，為設(shè)計合理、有效的控制策略，需要分析電渦流緩速部分和液力緩速部分與溫度場耦合的性能，以及液力部分不同流量情況下的性能。

本文采用有限元方法分別分析緩速器的電磁和液力性能，通過雙向順序耦合技術(shù)，利用溫度場聯(lián)系電磁場和流場。轉(zhuǎn)子高速運轉(zhuǎn)下，液力緩速部分通過調(diào)節(jié)油液流量控制充液率，實現(xiàn)制動功率的調(diào)節(jié)。在分析液力緩速部分時需要采用多相流技術(shù)，對不同流量的液力性能進(jìn)行預(yù)測。

2 電渦流緩速部分性能分析

2.1 制動扭矩分析

通過有限元分析，得出復(fù)合緩速器電渦流緩速部分瞬態(tài)下制動扭矩隨時間的變化值，如圖2所示。由圖2可見，當(dāng)勵磁電流為恒定值時，電渦流緩速部分在12.5 ms后輸出穩(wěn)定制動扭矩，將電磁功能復(fù)合進(jìn)緩速器后提高了緩速器的響應(yīng)時間。

電渦流緩速部分轉(zhuǎn)子表面發(fā)熱，發(fā)熱部位浸泡在油液中進(jìn)行冷卻散熱，溫度可保持在150 ℃內(nèi)。對緩速器電渦流緩速部分進(jìn)行速度特性分析，圖3為緩速器電渦流緩速部分在150 ℃時，不同轉(zhuǎn)速的制動扭矩和制動功率曲線。由圖3可見：電渦流緩速部分在1 000 r/min以下時功率密度較高，制動扭矩上升速率快；電渦流緩速部分等于1 000 r/min時制動扭矩達(dá)到峰值；當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升時，由于高頻集膚效應(yīng)的影響，緩速器制動扭矩開始小幅下降，但制動功率仍保持上升趨勢。

緩速器響應(yīng)時間包括勵磁電流的響應(yīng)時間和磁場穩(wěn)定時間。勵磁電流的響應(yīng)時間為控制信號輸入到控制器后，控制器控制絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)為勵磁線圈加載電壓，勵磁線圈電流達(dá)到穩(wěn)定的時間。磁場穩(wěn)定時間為勵磁電流穩(wěn)定后，電磁場達(dá)到穩(wěn)定的時間。電磁場穩(wěn)定代表輸出穩(wěn)定制動扭矩。

2.2 響應(yīng)時間分析

勵磁線圈的響應(yīng)時間問題是一個電阻與電感串聯(lián)電路的零狀態(tài)電流響應(yīng)時間問題。通過 (1) 式～(3)式得出：

L=μN2S/lm，

(1)

(2)

t=5τ，

(3)

式中：L為勵磁線圈電感；μ為勵磁線圈材料磁導(dǎo)率；N為勵磁線圈匝數(shù)；S為勵磁線圈漆包線截面積；lm為勵磁線圈漆包線總長度；τ為時間常數(shù)；R為勵磁線圈電阻；t為響應(yīng)時間。

由(1)式～(3)式推導(dǎo)可知，L=0.056 H、τ=0.036 s、t=0.18 s，其中t=0.18 s為勵磁電流達(dá)到0.994Imax時的時間，Imax為勵磁線圈穩(wěn)定后的電流值，故緩速器電渦流緩速部分的響應(yīng)時間約為0.193 s. 履帶車輛制動器響應(yīng)時間為0.3 s，故緩速器電渦流緩速部分將在制動器動作之前提前發(fā)揮輔助制動作用。

3 液力緩速部分性能分析

通過計算流體力學(xué)(CFD)仿真對液力緩速部分性能進(jìn)行分析，轉(zhuǎn)子壁面受到的制動扭矩如圖4所示。在零時刻流道內(nèi)充液率為0.5，轉(zhuǎn)子以1 000 r/min轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，帶動內(nèi)部流體做環(huán)流與渦流運動。制動扭矩短時間內(nèi)急劇上升，主要受轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的影響。0.045 s后緩速器制動扭矩上升斜率變小，但仍未達(dá)到穩(wěn)定，此時制動扭矩主要受內(nèi)部充液率變化的影響；到0.335 s后緩速器進(jìn)出口流量達(dá)到穩(wěn)定，內(nèi)部充液率達(dá)到0.78，制動扭矩保持不變。

液力緩速部分在轉(zhuǎn)子左、右兩側(cè)各設(shè)置一款液力緩速器，平衡單側(cè)液力緩速器對轉(zhuǎn)子的軸向力。圖5為液力緩速部分在不同轉(zhuǎn)速下的制動扭矩與制動功率曲線。從圖5中可以看出，整體上液力緩速部分制動扭矩小于同特征參數(shù)的普通液力緩速器，因為本文液力緩速部分轉(zhuǎn)子與定子之間的間隙為開放出口，簡化了緩速器內(nèi)部高壓腔室結(jié)構(gòu)，增加了緩速器冷卻液循環(huán)流量，從而降低了從液力緩速部分流出的冷卻液溫度，增強(qiáng)了電渦流緩速部分的散熱能力。液力緩速部分制動扭矩與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速平方呈正比，轉(zhuǎn)子低速運轉(zhuǎn)時制動扭矩較小，高速運轉(zhuǎn)時制動扭矩急劇增長，考慮到整車散熱系統(tǒng)的散熱功率，將會在高速下對液力緩速部分的制動功率進(jìn)行抑制。

液力緩速部分響應(yīng)時間主要為緩速器的沖液時間，可通過CFD仿真得到其不同充液率的響應(yīng)時間。液力緩速部分響應(yīng)時間遠(yuǎn)大于電渦流緩速部分的響應(yīng)時間。由于在液力緩速器充液率為0.92時，對應(yīng)的液力緩速部分充液時間為1.4 s[17]，而電渦流部分的響應(yīng)時間僅為0.2 s，因此在緊急制動情況下，僅依靠液力緩速部分工作難以滿足響應(yīng)時間的需求，還需要電渦流緩速部分快速響應(yīng)，消耗部分制動功率。

4 電渦流- 液力復(fù)合制動性能及協(xié)調(diào)控制

4.1 最優(yōu)制動性能曲線

電液復(fù)合型緩速器制動扭矩是電渦流緩速部分和液力緩速部分制動扭矩之和。該樣機(jī)工作狀態(tài)以轉(zhuǎn)速600 r/min為分界線，轉(zhuǎn)速小于600 r/min為低速工況，高于600 r/min為高速工況。電渦流緩速部分在低速下性能優(yōu)越，液力緩速部分高速下能量密度高，其共同作用的速度特性如圖6和圖7所示。由圖6和圖7可以看出：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在600 r/min以下時，電渦流緩速部分制動扭矩高于液力緩速部分制動扭矩；轉(zhuǎn)速超過600 r/min時，復(fù)合緩速器主要體現(xiàn)液力部分的大扭矩特性；在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時，電渦流緩速部分制動扭矩達(dá)到最大值，之后制動扭矩隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速提升開始下降，而此時液力緩速部分制動扭矩是電渦流緩速部分的3倍左右。

電液復(fù)合型緩速器，響應(yīng)時間是一個重要技術(shù)指標(biāo)。如圖8所示，電渦流緩速部分在0.2 s之前開始工作，這一時間小于主制動器的響應(yīng)時間。普通民用液力緩速器響應(yīng)時間為2～3 s，軍用液力緩速器采用高壓油泵可將液力緩速器的響應(yīng)時間縮短到0.5 s，但復(fù)雜的輔助高壓油路增加了成本、降低了系統(tǒng)的可靠性。本文采用低壓油泵泵送工作液，響應(yīng)速度主要依靠電渦流緩速部分。

4.2 控制策略

本文所述的電液復(fù)合緩速器為降低控制難度和成本，其液力緩速部分出口壓力不做控制，僅通過進(jìn)口油液流量進(jìn)行調(diào)整。電渦流部分的制動功率可通過勵磁電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。低速時，液力緩速部分制動扭矩小、不穩(wěn)定，電渦流緩速部分的制動功率占主導(dǎo)地位。為保證電渦流緩速部分在最佳狀態(tài)下工作，需要控制進(jìn)口油液流量最大，加強(qiáng)散熱。當(dāng)緩速器高速運行時，液力緩速部分制動功率高，考慮到整車的散熱能力，在高速下需通過調(diào)節(jié)進(jìn)口流量調(diào)節(jié)液力部分制動功率。由于液力部分調(diào)節(jié)響應(yīng)較慢，而當(dāng)轉(zhuǎn)速大于1 000 r/min時電渦流緩速部分制動功率仍占總體制動功率的25%，緩速器制動功率可通過調(diào)節(jié)電渦流緩速部分進(jìn)行模糊控制。

當(dāng)車輛在緩坡恒速巡航時，首先通過緩速器高擋位將車速降到設(shè)定巡航速度附近，然后通過模糊控制算法調(diào)節(jié)電渦流緩速部分的勵磁電流，實現(xiàn)恒速巡航。

當(dāng)制動時間充足時，可采用緩速制動模式，僅依靠電液復(fù)合緩速器工作或在車輛車速高于30 km/h時通過電液復(fù)合緩速器緩速制動，低于30 km/h時緩速器與制動器聯(lián)合制動。

在車輛緊急制動時，電液復(fù)合緩速器與主制動器共同作用。緩速器電渦流部分和液力部分均調(diào)節(jié)為最高擋位，其時緩速器電渦流緩速部分將在主制動之前作用，提前消耗制動功率。

5 結(jié)論

本文提出一種新式電液復(fù)合緩速器，在直徑480 mm、寬度160 mm的有效空間內(nèi)，將一個多線圈轂式結(jié)構(gòu)電渦流緩速器和兩個小型液力緩速器集成設(shè)計，獲得了低速大扭矩、快速響應(yīng)和高速大扭矩的制動性能。目前，已完成樣機(jī)試制，后期進(jìn)行試驗測試。通過仿真預(yù)測分析：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在600 r/min以下時，電渦流緩速部分性能優(yōu)越；高于600 r/min后，液力部分制動扭矩占比不斷增加。電液復(fù)合緩速器的電渦流緩速部分響應(yīng)時間僅為0.2 s遠(yuǎn)小于液力緩速器，滿足現(xiàn)代高速、重載履帶車輛對于輔助制動系統(tǒng)的制動需求。