牽引車輔助制動研究

肖殿東

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牽引車輔助制動研究

肖殿東

（陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司，陜西 西安 710077）

大馬力發(fā)動機(jī)小速比后橋已成為牽引車動力總成發(fā)展的趨勢，后橋速比變小要求輔助制動力矩有較大提升，液力緩速器+發(fā)動機(jī)缸內(nèi)制動可以同時(shí)滿足車輛在低、中、高速時(shí)的輔助制動需求，是牽引車輔助制動的最佳選擇。

輔助制動；液力緩速器；發(fā)動機(jī)缸內(nèi)制動

引言

隨著汽車行業(yè)對道路安全的重視和國家法律法規(guī)的實(shí)施，行車輔助制動越來越受到重視，科技的進(jìn)步讓輔助制動更有效，更智能，在行車制動中承擔(dān)著越來越多的制動任務(wù)。牽引車作為主要的公路運(yùn)輸車型，有其自身的發(fā)展特點(diǎn)，匹配輔助制動也是大勢所趨。輔助制動大致分以下幾種：發(fā)動機(jī)排氣制動，發(fā)動機(jī)缸內(nèi)制動，電渦流緩速器制動，液力緩速器制動等。

1 牽引車動力總成自身發(fā)展特點(diǎn)

受制于發(fā)動機(jī)技術(shù)的瓶頸，2010年以前，國內(nèi)通用牽引車發(fā)動機(jī)排量不超過10升，功率不超過375 HP，最大輸出扭矩不超過2000Nm。典型的如濰柴WP10 336、WP10 375、玉柴YC6M 330、東風(fēng)康明斯ILSe340、錫柴CA6DL2-35E3F 350等，發(fā)動機(jī)排量7-10升，功率330-375HP，輸出扭矩1500-2000Nm。隨著科技的進(jìn)步，發(fā)動機(jī)發(fā)展日新月異，大排量大扭矩大功率發(fā)動機(jī)層出不窮，排量由7升增加到10升、11升、12升、13升，正在向15升發(fā)展。發(fā)動機(jī)功率也是一路增大，從330HP增加到350HP、375HP、385HP、400HP、420HP、430HP、480HP、500HP，2017年濰柴推出WP13 550發(fā)動機(jī)，功率550HP。輸出扭矩也一直在增加，范圍從1500Nm-2600Nm。徹底改點(diǎn)了“小馬拉大車”的局面。

2018年，GB1589-2004《道路車輛外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》與七部委聯(lián)合發(fā)布的公路運(yùn)輸法治超辦法統(tǒng)一，結(jié)束了55噸和49噸之爭，整車總質(zhì)量不超過49噸。

整車總質(zhì)量不變或略有降低，輪胎所需的驅(qū)動力就不變或略有降低，由于發(fā)動機(jī)功率及輸出扭矩增大，由輪胎＝發(fā)動機(jī)×變速器×橋速比可知，驅(qū)動橋的速比就會越來越小。牽引車驅(qū)動橋速比已由2010年前通用的5.962、4.11降低至現(xiàn)在的3.737、3.364、3.083，現(xiàn)在已有2.864、2.678的橋速比匹配。

大馬力發(fā)動機(jī)+小速比后橋已成為牽引車動力總成的趨勢，即“大馬拉小車”。由于橋速比變小，相同車速時(shí)，傳動軸轉(zhuǎn)速更低。輔助制動通常是作用在傳動軸上的，由輪胎制動力＝傳動軸制動力×橋速比可知，輔助制動所需最大制動力矩增大，且在傳動軸低轉(zhuǎn)速時(shí)需能達(dá)到較大的制動力矩。

2 牽引車輔助制動研究

2.1 發(fā)動機(jī)排氣制動

發(fā)動機(jī)排氣制動廣泛地應(yīng)用在柴油發(fā)動機(jī)和氣體發(fā)動機(jī)上，牽引車應(yīng)用廣泛。其工作原理為：在發(fā)動機(jī)排氣管上設(shè)置調(diào)節(jié)閥，通過該閥的關(guān)閉增加排氣行程的壓力，利用產(chǎn)生的負(fù)壓獲得制動力。一般情況下，排氣制動蝶閥安裝于發(fā)動機(jī)排氣歧管之上，通過關(guān)閉發(fā)動機(jī)排氣通道的辦法，使發(fā)動機(jī)活塞在排氣行程時(shí)，受氣體的反向壓力，減緩發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度而產(chǎn)生制動作用，從而達(dá)到控制車速的目的。排氣制動力與排氣量關(guān)系密切[1]。近年來，隨著發(fā)動機(jī)技術(shù)的發(fā)展，發(fā)動機(jī)排量增大較快，13升發(fā)動機(jī)排氣制動功率可達(dá)150-180kW，其制動力矩作用在發(fā)動機(jī)曲軸，制動力矩需要通過變速器增扭和后橋增扭后，才能傳遞到輪胎進(jìn)行制動。在發(fā)動機(jī)高轉(zhuǎn)速低車速時(shí)，所需制動力矩大，制動功率小，由于變速器速比大，其制動效果尚可，但在高車速時(shí)，由于變速器速比小，其制動力矩會不足。綜上，發(fā)動機(jī)排氣制動本身制動力矩小，在低車速時(shí)制動效果較好，在中高車速時(shí)，其制動力矩會不足。

2.2 發(fā)動機(jī)缸內(nèi)制動

發(fā)動機(jī)缸內(nèi)制動主要分為泄氣制動和壓縮釋放制動。泄氣制動是通過控制排氣門使壓縮空氣在壓縮過程中從排氣門泄漏出去，從而減少了能量輸出，使發(fā)動機(jī)減速。壓縮釋放制動是當(dāng)前主流的發(fā)動機(jī)制動技術(shù)，相較于排氣制動和泄氣制動，制動功率和效率也是最高的。壓縮釋放制動的原理是：四沖程柴油機(jī)在壓縮沖程終了時(shí)將排氣門打開，這時(shí)發(fā)動機(jī)在壓縮缸內(nèi)空氣時(shí)所做的功被釋放到排氣系統(tǒng)，膨脹沖程便沒有能量回壓活塞，從而達(dá)到使柴油機(jī)減速的目的。壓縮釋放制動雖然比目前HPD(高功率制動)制動功率稍低，但相比較排氣制動、泄氣制動，輸出的制動功率已經(jīng)有著明顯的優(yōu)勢[2][3]。目前較流行的皆可博（Jack Brake）和濰柴的尤順制動都屬于壓縮釋放制動，其制動功率可高達(dá)300kW。由于其制動也要經(jīng)過變速器和后橋增扭后作用到輪胎上，在中低車速發(fā)動機(jī)高轉(zhuǎn)速下，效果較好，但在高車速時(shí)，由于變速器速比小，其制動力矩略顯不足。

2.3 電渦流緩速器制動

電渦流緩速器利用電磁學(xué)原理把汽車行駛的動能轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)掉，從而實(shí)現(xiàn)減速和制動作用。電渦流緩速器部件總成包括：定子、轉(zhuǎn)子、控制器、驅(qū)動器、傳感器以及線束等。定子由非磁性材料組成，并相對車架固定，在它的周邊上均勻分布著多個(gè)鐵芯，鐵芯上繞有線圈，形成多個(gè)電磁鐵。在電磁鐵的外側(cè)安裝轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子用磁性材料制成，當(dāng)緩速器工作時(shí)線圈通入電流，在線圈的周圍形成磁場，轉(zhuǎn)子在磁場中轉(zhuǎn)動時(shí)切割磁力線，在轉(zhuǎn)子中形成渦電流。磁場對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生阻力，起到制動作用[4][5]。電渦流緩速器缺點(diǎn)明顯：自身重量大，制動力矩小，且長時(shí)間制動熱量無法散發(fā)工作溫度高，對鄰近部件有隱患，且存在嚴(yán)重的熱衰退，工作時(shí)電流大，影響整車其他電子元件等。電渦流緩速器很少匹配在牽引車上，目前只在客車上有使用，歐洲已基本淘汰電渦流緩速器。

2.4 液力緩速器

液力緩速器是以油液為工作介質(zhì)，通過轉(zhuǎn)子帶動油液作用到定子上，由于油液的沖擊和阻尼作用產(chǎn)生制動力矩，汽車的動能也因油液的阻尼作用轉(zhuǎn)換為熱能，并由整車散熱系統(tǒng)將熱能散發(fā)。液力緩速器有以下特點(diǎn)：（1）可長時(shí)間、大功率制動，無熱衰退，瞬間制動功率可達(dá)600kW，持續(xù)制動功率300kW以上；（2）制動扭矩大，單位質(zhì)量制動扭矩大；（3）制動柔和、平穩(wěn)、無沖擊，整車舒適性好；（4）恒速模式制動力自動調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)下坡定速巡航；（5）工作溫度低，對整車無潛在安全隱患，表面最高溫度小于150℃；（6）輕量化設(shè)計(jì)，體積小、質(zhì)量輕，與變速器安裝于一體，不需額外增加輔助支撐；（7）控制電流小，對整車電氣系統(tǒng)無干擾；（8）軸向尺寸短，便于安裝拆卸；（9）支持遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、故障診斷，產(chǎn)品智能化；（10）中高速制動效果好。

液力緩速器以其優(yōu)越的制動性能逐漸被市場認(rèn)可，牽引車匹配液力緩速器是大勢所趨。但液力緩速器也存在以下問題：（1）由于后橋速比變小，液力緩速器最大制動力需提升；（2）液力緩速器低轉(zhuǎn)速時(shí)制動力不足，需提升低轉(zhuǎn)速時(shí)其本身的制動力。

目前主流液力緩速器最大制動扭矩已由3200Nm提升至3800-4000Nm，如Voith 115 CT最大制動扭矩為3800Nm，法士特FHB400最大制動扭矩為4000Nm。低轉(zhuǎn)速時(shí)制動力小的問題可以通過以下途徑解決：（1）設(shè)計(jì)更大的定、轉(zhuǎn)子直徑，提升最大制動力矩，同時(shí)提高低轉(zhuǎn)速時(shí)的制動力矩；（2）增大液力緩速器與傳動軸之間的傳動速比，目前主流速比為2，一汽解放匹配法士特FHB400速比為2.13，斯堪尼亞緩速器速比可高達(dá)3以上；（3）使用超速檔變速器+大速比后橋，提升傳動軸轉(zhuǎn)速，低車速時(shí)制動效果提升，不影響整車動力性和油耗。

2.5 液力緩速器+發(fā)動機(jī)缸內(nèi)制動

液力緩速器在車輛中、高速時(shí)制動扭矩大，制動功率大，但低車速時(shí)制動力不足。發(fā)動機(jī)缸內(nèi)制動在車輛中、低速時(shí)制動力大，車輛高速時(shí)制動力、制動功率不足。液力緩速器和發(fā)動機(jī)缸內(nèi)制動是優(yōu)勢互補(bǔ)相輔相成的，液力緩速器+發(fā)動機(jī)缸內(nèi)制動可以同時(shí)滿足車輛在低、中、高速時(shí)的輔助制動需求。

3 結(jié)論

（1）大馬力發(fā)動機(jī)小速比后橋已成為牽引車動力總成發(fā)展的趨勢，后橋速比變小要求輔助制動力矩有較大提升。（2）使用超速檔變速器+大速比后橋，可以在不影響整車動力性和油耗情況下，提升低車速時(shí)液力緩速器的效果。（3）可以通過設(shè)計(jì)更大的定、轉(zhuǎn)子直徑，提升液力緩速器最大制動力矩，同時(shí)提高低轉(zhuǎn)速時(shí)的制動力矩，或通過增大液力緩速器與傳動軸之間的傳動速比提升低轉(zhuǎn)速時(shí)的制動力矩。（4）液力緩速器+發(fā)動機(jī)缸內(nèi)制動可以同時(shí)滿足車輛在低、中、高速時(shí)的輔助制動需求，是牽引車輔助制動的最佳選擇。

[1] 花偉.發(fā)動機(jī)排氣制動系統(tǒng)[J].中國西部,2017.10.

[2] 王侃侃,劉杰,石魁.柴油機(jī)缸內(nèi)壓縮釋放制動技術(shù)分析[J].內(nèi)燃機(jī)與動力裝置,2017.03.

[3] 王作函.Jake Brake發(fā)動機(jī)輔助制動裝置[J].商用汽車,2002.12.

[4] 張霞,聶玉明,王波,等.電渦流緩速器性能探討[C].中國客車行業(yè)發(fā)展論壇暨2015中國客車學(xué)術(shù)年會,2016.

[5] 何仁,衣豐艷.電渦流緩速器性能評價(jià)方法[J].中國公路學(xué)報(bào), 2006.05.

Research on auxiliary braking of traction vehicle

Xiao Diandong

（Shaanxi Fast Gear Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710077 )

The matching of large power engine with small speed ratio rear axle has become the trend of powertrain development of traction vehicle, and the auxiliary braking is required to provide greater braking torque. This paper studies the development trend of several auxiliary braking. It is pointed out that hydraulic retarder and engine in-cylinder braking is the best choice for auxiliary braking of traction vehicle.

Auxiliary braking; Hydraulic retarder; Engine in-cylinder braking

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.10.023

U462

A

1671-7988(2019)10-64-03

U462

A

1671-7988(2019)10-64-03

肖殿東（1982-），男，工程師，碩士，就職于陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司，主要從事液力緩速器開發(fā)及整車應(yīng)用匹配工作。