液力緩速器性能的臺(tái)架測(cè)試

魏 瓊

Wei Qiong

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，陜西 西安 710300）

0 引 言

傳統(tǒng)的汽車制動(dòng)方法是將機(jī)械摩擦制動(dòng)器安裝在輪轂上，通過(guò)制動(dòng)踏板張合作用于輪轂實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，由于制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的大量熱能無(wú)法充分釋放，輪轂及摩擦襯片會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱、龜裂、燒損，從而使制動(dòng)失效，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致輪胎過(guò)早爆裂，引發(fā)嚴(yán)重的交通事故[1]。為了改善車輛的制動(dòng)安全性，尤其對(duì)于長(zhǎng)途大客車及城市公共汽車，可在車輛上加裝發(fā)動(dòng)機(jī)緩速器、液力緩速器、電渦流緩速器等輔助制動(dòng)設(shè)備。液力緩速器具有高速制動(dòng)力矩大、制動(dòng)平穩(wěn)、噪聲小、壽命長(zhǎng)和體積較小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)車、重型載貨車、軍用車輛以及工程機(jī)械等領(lǐng)域。

液力緩速器的使用工況十分復(fù)雜，例如在城市道路上進(jìn)行持續(xù)制動(dòng)并要求快速響應(yīng)、在山區(qū)道路上恒速下坡或長(zhǎng)時(shí)間下坡、在接近收費(fèi)站或其他障礙物時(shí)單獨(dú)制動(dòng)、在高速行駛時(shí)進(jìn)行緊急制動(dòng)等[2]；所以，使用壽命長(zhǎng)、扭矩特性穩(wěn)定、制動(dòng)平穩(wěn)、響應(yīng)迅速是對(duì)液壓緩速器的基本要求。

本文對(duì)某型液壓緩速器進(jìn)行臺(tái)架測(cè)試，對(duì)其特性進(jìn)行分析，為該型液壓緩速器的合理配裝提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 液力緩速器結(jié)構(gòu)

液力緩速器結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 液力緩速器結(jié)構(gòu)

在液力緩速器中，定輪與緩速器殼體相連，動(dòng)輪通過(guò)空心軸、凸緣與車輛傳動(dòng)軸連接，動(dòng)輪和定輪上均鑄有葉片。車輛制動(dòng)時(shí)控制閥向油箱施加氣壓，使油液沖入動(dòng)輪和定輪間的工作腔，動(dòng)輪葉片高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，工作腔中油液在離心力和壓力的共同作用下沖向定子，定子承受油液正向沖擊，同時(shí)對(duì)于油液起著反向作用，部分油液被反向打回轉(zhuǎn)子，從而對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生反向作用，降低轉(zhuǎn)速，并將轉(zhuǎn)子動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，再通過(guò)熱交換器散熱的方式實(shí)現(xiàn)車輛制動(dòng)。液力緩速器不工作時(shí)，控制系統(tǒng)將油液釋放出油箱，保證工作腔無(wú)油，不會(huì)在車輛行駛時(shí)產(chǎn)生阻力。

2 液力緩速器性能測(cè)試

2.1 臺(tái)架試驗(yàn)工作原理

液力緩速器的試驗(yàn)臺(tái)架如圖2 所示。緩速器前端連接陪試變速器，陪試變速器空套在輔助支撐的花鍵套上，緩速器后端通過(guò)傳動(dòng)軸連接電機(jī)，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)緩速器運(yùn)轉(zhuǎn)，使定子、轉(zhuǎn)子產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。緩速器工作時(shí)產(chǎn)生的扭矩可通過(guò)后端扭矩儀測(cè)得。

圖2 液力緩速器的試驗(yàn)臺(tái)架

2.2 外特性的臺(tái)架試驗(yàn)

液力緩速器起作用的車速范圍為20～100 km/h，在車輛實(shí)際運(yùn)行中，液力緩速器通常工作在40～80 km/h。以商用車平均后橋速比4.5（通常后橋速比為2.8～6.7）進(jìn)行計(jì)算，則傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速為900～1 700 r/min，從散熱功率角度考慮，較低車速時(shí)液力緩速器工作時(shí)間可以略長(zhǎng)，較高車速時(shí)工作時(shí)間要求縮短[3]。

液力緩速器的外特性試驗(yàn)主要分析制動(dòng)扭矩隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系，反映扭矩輸出特性。液力緩速器可用的最高車速所對(duì)應(yīng)的傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速約為1 700 r/min，其外特性試驗(yàn)曲線如圖3 所示，各恒定控制氣壓下轉(zhuǎn)速由1 700 r/min 降至0 的過(guò)程中緩速器輸出扭矩不斷變化。

圖3 緩速器不同控制氣壓下外特性曲線

從圖3 可以看出，隨著傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速下降，每條外特性曲線均呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)，即每條外特性曲線均出現(xiàn)一個(gè)峰值扭矩，并且隨著控制氣壓降低，峰值扭矩及峰值扭矩所對(duì)應(yīng)的傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速均逐漸減小。例如，2.2 bar 控制氣壓的峰值扭矩為4 600 Nm，而2.0 bar 控制氣壓的峰值扭矩為4 000 Nm；2.2 bar 控制氣壓的峰值扭矩對(duì)應(yīng)的傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速為1 300 r/min，而2.0 bar 控制氣壓的峰值扭矩對(duì)應(yīng)的傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速為1 200 r/min。

2.3 內(nèi)特性的臺(tái)架試驗(yàn)

液力緩速器的內(nèi)特性試驗(yàn)主要分析恒速狀態(tài)下緩速器的輸出扭矩和內(nèi)部壓力變化，可以為恒速制動(dòng)和內(nèi)部檢測(cè)提供參考。

2.3.1 扭矩的變化

圖4 為液力緩速器在傳動(dòng)軸1 200 r/min 恒速狀態(tài)下不同控制氣壓所對(duì)應(yīng)的扭矩曲線，傳動(dòng)軸恒速下扭矩均呈現(xiàn)先快速上升后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，隨著控制氣壓增大，趨于穩(wěn)定的扭矩值也不斷增大。不同氣壓下緩速器的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不同，主要與緩速器的散熱功率有關(guān)?？刂茪鈮狠^低時(shí)所產(chǎn)生的制動(dòng)扭矩小，緩速器可以長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，控制氣壓較高時(shí)緩速器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間相對(duì)較短。

圖4 傳動(dòng)軸恒轉(zhuǎn)速下不同控制氣壓的扭矩曲線

2.3.2 內(nèi)部壓力的變化

圖5 為液力緩速器內(nèi)部壓力在傳動(dòng)軸1 200 r/min 恒速狀態(tài)下跟隨控制氣壓變化的過(guò)程，緩速器定子背面、熱交換器進(jìn)油口、內(nèi)部工作腔和轉(zhuǎn)子背面的壓力均隨著控制氣壓增大而增大。

圖5 控制氣壓對(duì)緩速器內(nèi)部壓力的影響

液力緩速器正常工作過(guò)程中控制氣壓將油槽中的油液壓入工作腔，控制氣壓越大則進(jìn)入工作腔的油液越多。動(dòng)輪葉片高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，工作腔中油液在離心力和壓力的共同作用下沖向定子，定子承受油液正向沖擊，所承受的壓力最大，部分油液被反向打回轉(zhuǎn)子，從而產(chǎn)生阻止轉(zhuǎn)子正常工作的制動(dòng)扭矩，工作腔中的油液越多則緩速器產(chǎn)生的制動(dòng)扭矩越大。到達(dá)定子的另一部分油液沿葉片流入出油口進(jìn)入熱交換器進(jìn)行冷卻，由于油路管道出油口孔徑較小，會(huì)產(chǎn)生很大的壓降，所以熱交換器的進(jìn)油口壓力偏小。

2.4 響應(yīng)時(shí)間的臺(tái)架試驗(yàn)

液力緩速器的響應(yīng)時(shí)間反映其動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。開啟響應(yīng)時(shí)間是從空擋直接切換至最高制動(dòng)擋時(shí)開始計(jì)時(shí)，當(dāng)液力緩速器產(chǎn)生額定輸出扭矩的90%時(shí)停止計(jì)時(shí)；關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間是液力緩速器達(dá)到額定輸出扭矩并穩(wěn)定后，從最高制動(dòng)擋直接切換至空擋時(shí)開始計(jì)時(shí)，當(dāng)液力緩速器輸出扭矩衰減至額定輸出扭矩的20%時(shí)停止計(jì)時(shí)。由圖3液力緩速器的外特性曲線可知，當(dāng)控制氣壓為2.0 bar 時(shí)，在傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速1 200 r/min 附近，輸出扭矩最大。為了測(cè)試緩速器的響應(yīng)時(shí)間，將傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 200 r/min，并開啟緩速器，待輸出扭矩穩(wěn)定后關(guān)閉緩速器，得到如圖6 所示輸出扭矩隨擋位變化曲線。

圖6 制動(dòng)擋位對(duì)緩速器內(nèi)特性的影響

圖6 中緩速器的額定輸出扭矩為4 000 Nm，額定輸出扭矩的90%為3 609 Nm，對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)為第33.91 s，制動(dòng)擋位開啟時(shí)間點(diǎn)為第31.89 s，則開啟響應(yīng)時(shí)間為二者之差，即2.02 s。緩速器由最高制動(dòng)擋切換至空擋所對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)為第41.31 s，輸出扭矩衰減至額定扭矩20%所對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)為第42.01 s，則關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間為二者之差，即0.7 s。

液力緩速器制動(dòng)扭矩開啟響應(yīng)時(shí)間越短越好，同時(shí)避免沖擊和波動(dòng)，否則車輛制動(dòng)時(shí)會(huì)引起駕乘人員不適；當(dāng)退出制動(dòng)擋位時(shí)，需盡快消除制動(dòng)扭矩，方便車輛進(jìn)行加速。

3 結(jié)束語(yǔ)

液力緩速器目前已經(jīng)在貨車上得到廣泛應(yīng)用，在整車設(shè)計(jì)匹配過(guò)程中，緩速器的性能指標(biāo)是一個(gè)重要參數(shù)。本文基于試驗(yàn)臺(tái)架對(duì)于緩速器的外特性、內(nèi)特性以及響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，為與整車合理匹配提供參考。