車用液力緩速器布置方式分類與特點分析

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. 北京理工大學車輛傳動國家重點實驗室， 北京 100081)

引言

液力緩速器作為機械主制動器的輔助制動裝置，能使公路鐵路重型運載車輛在高速或下長坡行駛工況下，有效地降低或保持行駛速度，減輕機械主制動器磨損，保證車輛安全平穩(wěn)地減速制動[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)達國家的交通法規(guī)均對車輛輔助制動系統(tǒng)做了詳細的規(guī)定。我國頒布的國家標準GB 7258-2012《機動車運行安全技術(shù)條件》中，就輔助制動裝置也提出：車長大于9 m的客車(專用校車車長為8 m)、總質(zhì)量大于等于12 t的貨車和專項作業(yè)車、所有危險貨物運輸車，應裝備液力緩速器或其他輔助制動裝置[4-6]。而與其他輔助制動方式相比， 液力緩速器具有較小的質(zhì)量提供較高的制動轉(zhuǎn)矩，且持續(xù)制動特性優(yōu)越等優(yōu)點，適合在車輛上應用[7-9]。

根據(jù)液力緩速器與變速機構(gòu)的位置關(guān)系，按車輛正常行駛時能量在傳動機構(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型匯總[10]。

圖1 布置方式分類與代表機型

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

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構(gòu)前，發(fā)動機與液力變矩器(可選)后，傳動系統(tǒng)布置如圖2所示。

圖2 前置型液力緩速器布置簡圖

前置型液力緩速器多與液力變矩器、變速機構(gòu)集成于變速箱中，形成液力——機械綜合傳動自動變速裝置[11]。圖3為兩款液力緩速器前置型的自動變速器簡圖，其中圖3a為Allison AT545R型自動變速器結(jié)構(gòu)簡圖，圖3b為HAT8560型自動變速器傳動簡圖?？梢?，液力緩速器均安裝在變速機構(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)得到簡化，結(jié)構(gòu)比較緊湊。

圖3 前置型液力緩速器

當車輛處于液力制動工況時，發(fā)動機停止工作，液力緩速器動輪由旋轉(zhuǎn)的車輪帶動，由于變速箱的增速作用，輸入液力緩速器動輪轉(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轉(zhuǎn)矩。當變速機構(gòu)處于不同擋位時，緩速器傳遞到車輪處的制動轉(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時調(diào)節(jié)整車制動轉(zhuǎn)矩。當車輛需要緊急制動時，可將變速機構(gòu)置于最低一擋，以使得緩速器可輸出最大的制動轉(zhuǎn)矩[12-13]，計算公式如下：

(1)

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

(2)

可見，當車速一定時，it越大，即對應變速擋位越低，制動轉(zhuǎn)矩越高。

但前置型液力緩速器制動時，變速機構(gòu)必須結(jié)合，制動換擋時，車輛制動特性會受變速箱換擋品質(zhì)的影響，且容易產(chǎn)生動力中斷與沖擊，影響制動的平順性。另外，緩速器工作時，其制動功率不應超過變速機構(gòu)額定傳遞功率，以保證傳動部件的使用安全，因此其制動特性會受到一定限制，且難以實現(xiàn)復雜的液力制動控制。

1.2 牽引——制動型液力變矩緩速器

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——制動型液力變矩/緩速裝置，其置于變速機構(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)簡圖[14]，其中，P表示泵輪；T表示渦輪；S表示導輪；Z1和Z2分別表示2個剛性連接的制動輪；L表示閉鎖離合器；Z表示制動離合器。

圖4 液力變矩緩速器結(jié)構(gòu)簡圖

液力變矩緩速器與傳統(tǒng)液力變矩器的結(jié)構(gòu)區(qū)別是增加了制動輪與相應的制動部件，使得裝置工作液體的循環(huán)流道明顯增長。在工作輪組成的循環(huán)流道軸向增加的制動部件分為兩部分：制動輪Z1與制動輪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)由單一定輪與動輪組成，液力變矩緩速器的工作葉輪在制動工況時相當于多個定輪與動輪交叉布置，以實現(xiàn)減速制動功能[15-16]。

液力變矩緩速器是一種復雜的可實現(xiàn)牽引和制動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，具有較高的工程應用價值。

2 中置型液力緩速器

中置型液力緩速器布置在變速機構(gòu)中部，其傳動系統(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——制動型液力變矩緩速裝置，集成于變速機構(gòu)中。當變速器處于不同的擋位時，變速機構(gòu)傳遞的功率以不同的路線通過液力變矩緩速器，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型自動變速器結(jié)構(gòu)簡圖，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，以實現(xiàn)變矩與緩速功能[17]。

圖5 液力緩速器中置傳動系統(tǒng)布置簡圖

圖6 中置型液力緩速裝置安裝布置簡圖

液力變矩器正轉(zhuǎn)時，傳輸驅(qū)動力并增大轉(zhuǎn)矩；而逆轉(zhuǎn)時渦輪反轉(zhuǎn)，向失速的泵輪和導輪傳遞油液以輸出制動轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)車輛減速制動，因此在變矩與緩速工況下，裝置可使用相同的充放油回路。這種獨特的結(jié)構(gòu)使緩速動作反應快，而且不需附加額外的減速裝置，簡化了自動變速器的結(jié)構(gòu)，并且緩速時可以與發(fā)動機制動聯(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，液力變矩緩速器除了受到變速箱徑向結(jié)構(gòu)限制，還需要與變速機構(gòu)進行性能匹配，因此通用性不強。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功率不應超過變速機構(gòu)額定傳遞功率。

3 變速機構(gòu)后置型液力緩速器

此種液力緩速器布置在變速機構(gòu)后方，車輛處于液力制動工況下，發(fā)動機停止工作，變速機構(gòu)切換成空擋，因此液力緩速器動輪轉(zhuǎn)速與變速機構(gòu)傳動比無關(guān)，僅于車速、車輪半徑、主減速器的傳動比等固定參數(shù)有關(guān)。因此，駕駛員在使用液力緩速器制動時，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)有多個不同的制動擋位以及恒矩/恒速的制動策略，以實現(xiàn)緩速器在不同車況下的合理使用[20-21]。

由于制動功率傳遞時無需流經(jīng)變速機構(gòu)，因此后置型液力緩速器可以產(chǎn)生較大的制動功率，比如HR380后置型液力緩速器，其在緊急制動時，瞬時功率可達4000 kW，一般的變速機件很難承受這樣的沖擊[22]。另外，后置型液力緩速器工作時不存在動力中斷，即動輪轉(zhuǎn)速連續(xù)變化，因而制動沖擊更小，制動過程更為平順，但當整車速度較低時，相對于前置型液力緩速器而言，相同車速下后置型緩速器動輪轉(zhuǎn)速較低，制動特性不佳。

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

圖7 液力緩速器后置傳動系統(tǒng)布置簡圖

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輪直接與變速機構(gòu)輸出軸聯(lián)接，從安裝方式上又可以分為集成式與獨立式。集成式是將緩速器與變速箱做成一體傳動系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝與布置。圖8為Allison HD4560R型自動變速器，液力緩速器集成在變速機構(gòu)后，液力緩速器徑向尺寸可以較大，以擁有良好的制動能容，且其與變速機構(gòu)、變矩器的距離相對較近，必要時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圖

獨立式是指液力緩速器作為獨立單元串聯(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)計思想，優(yōu)點在于相對獨立的緩速器整體易于拆卸與安裝，有利于緩速器的維護、保養(yǎng)以及故障排查[26-27]。

圖9 獨立式串聯(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中間齒輪實現(xiàn)與變速箱并聯(lián)。此型緩速器多采用獨立式安裝，緩速器在變速器外獨立布置，便于拆裝與維護。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)計不影響車輛變速箱取力，有效減小傳動軸長度，不會與周圍部件產(chǎn)生干涉，結(jié)構(gòu)更小、更緊湊，且可匹配不同型號變速器。通過安裝一個增速齒輪級，使其具有更良好的整車低速制動特性。因此在具有相同的制動特性情況下，并聯(lián)后置型液力緩速器質(zhì)量更輕，體積更小，但由于增速齒輪對在配合傳力時會產(chǎn)生一定的切向分力與軸向分力，制動時會對傳動部件產(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功率較低。

4 前置型與后置型液力緩速器制動特性的研究

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)安裝于變速機構(gòu)前與變速機構(gòu)后，對兩種狀態(tài)下的車輛實時制動過程開展仿真研究。將液壓回路仿真模型[28]、液力緩速器制動特性仿真模型和車輛制動仿真模型進行集成，獲得了下長坡制動工況整車緩速仿真模型，如圖11所示，具體建模過程可參見文獻[3]。設(shè)定制動仿真條件，如表1所示。

圖11 整車制動仿真模型

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

制動轉(zhuǎn)矩是評價液力緩速器制動特性的關(guān)鍵指標，而整車制動車速變化則是液力緩速器輸出制動轉(zhuǎn)矩的直接體現(xiàn)。液力緩速器輸出制動轉(zhuǎn)矩與車速動態(tài)仿真結(jié)果，如圖12與圖13所示。當液力緩速器前置時，受變速機構(gòu)傳動比作用。1擋時，緩速器初始動輪轉(zhuǎn)速最高，其輸出制動轉(zhuǎn)矩也最大，瞬時轉(zhuǎn)矩接近241000 N·m，遠高于2擋時的最大轉(zhuǎn)矩15000 N·m，而后隨著車速的迅速降低，動輪轉(zhuǎn)速降低，制動轉(zhuǎn)矩下降也很明顯，與上文分析結(jié)果一致。當液力緩速器后置制動時，緩速器動輪轉(zhuǎn)速不受變速機構(gòu)擋位影響，動態(tài)制動過程輸出的制動轉(zhuǎn)矩最大為16000 N·m，高于前置型2～6擋制動轉(zhuǎn)矩，制動特性良好。

圖12 液力緩速器輸出制動轉(zhuǎn)矩圖

圖13 車速圖

當液力緩速器前置時，受變速機構(gòu)傳動比作用，除了6擋外，其他擋位變速機構(gòu)輸出的制動轉(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。變速機構(gòu)置于6擋時，制動初期車速明顯上升，這是由于整車的減速制動力小于車輛沿著路面的重力分力，而后隨著制動轉(zhuǎn)矩上升，車速減小。對于后置型，緩速器制動轉(zhuǎn)矩直接作用在車輪上，不受變速機構(gòu)擋位影響，其制動初期亦出現(xiàn)車速上升的現(xiàn)象，制動后期車速穩(wěn)定值也要高于前置型1～5擋。對比可見，緩速器前置型2擋與后置型初始所達到的最高制動轉(zhuǎn)矩相近，但受變速機構(gòu)對轉(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，且所能達到的穩(wěn)定車速更低，整車低速制動特性要優(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轉(zhuǎn)矩，使得車輛可有效實現(xiàn)減速制動，但前置型液力緩速器制動時，容易產(chǎn)生動力中斷與沖擊，影響制動平順性，且制動功率受變速機構(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，除了受到變速箱徑向結(jié)構(gòu)限制，還需要與變速機構(gòu)進行性能匹配，因此通用性不強；

(3) 后置型液力緩速器布置在變速機構(gòu)后方，控制參量清晰、明確，并可應用復雜的制動策略。其工作時不存在動力中斷，因而制動沖擊更小，制動過程更平穩(wěn)，但當車速較低時，相比于前置型液力緩速器，后置型緩速器動輪轉(zhuǎn)速較低，制動特性不佳；

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