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电涡流缓速器磁场分析及运动学仿真研究 摘要 本文介绍了汽车辅助制动器电涡流缓速器的机械结构及工作原理，并阐 述了文献中电涡流缓速器的计算模型，在前人工作的基础上，对某一型号的车用 电涡流缓速器进行了结构设计，并在此结构参数为基础，利用有限元分析软件对 电涡流缓速器的二维磁场进行了仿真分析，并分析了结构参数变化对电涡流缓速 器的磁场影响。 建立了车用电涡流缓速器的数学模型，并利用s i m u l i n k 软件建立起仿真模 型，同时根据设定具体的参数，对模型进行了仿真。对使用电涡流缓速器的整车 减速过程的性能进行分析，了解了装用电涡流缓速器的整车制动情况。 本文建立了比较完整的电涡流缓速器理论体系。对电涡流缓速器的设计与制 造具有一定的指导意义。 关键词：电涡流缓速器磁场分析运动学仿真 t h em a g n e t i cf i e l da n a l y s i sa n dt h ek i n e m a t i c ss i m u l a t i o n r e s e a r c ho fe d d yc u r r e n tr e t a r d e r a b s t r a c t t h i sa r t i c l ei n 仃o d u c e dt h ea u t o m o b i l ea s s i s t a n c eb r 。妇一e d d yc u r r e n t r e t a r d e rm e c h a n i s ma n dt h ep r i n c i p l eo f w o r k a n dd e s c r i b e dt h ec a l c u l a t i o nm o d e lo f e d d y c u r r e n tr e t e r d a ri nt h ed o c u m e n t b a s e do nt h ew o r k eo ft h ep r e d e c e s s o r , d e s i g n e dt h ee d d y c u r r e n tr e t a r d e ro fac a r a n db a s e do nt h i ss t r u c t u r ep a r a m e t e r , b yu s i n gt h ef i n i t e e l e m e ma n a l y s i ss o r w a r et oa n a l y z e2 dm a g n e t i s mo fe d d yc u r r e n tr e t a r d e r i n f l u e n c e s o fs f f u c t u r e p a r a m e t e r s t ot h em a g n e t i cf i e l do fe d d yc u r r e n tr e t a r d e rw e r e i n v e s t i g a t e d t h i sa r t i c l ee s t a b l i s h e dt h ec a l c u l a t i o nm o d e lo fe d d yc u r r e n tr e t a r d e r a n db y u s i n gs i m u l i n ks o f t w a r e ，t h i sa r t i c l ea l s oe s t a b l i s h e dt h es i m u l a t i o nm o d e lo fe d d y c u r r e n t r e t a r d e r s i m u l t a n e o u s l y a c t s a c c o r d i n g 幻t h eh y p o t h e s i s c o n c r e t e p a r a m e t e r , c a r r i e do nt h es i m u l a t i o nt ot h em o d e l a n a l y z e dt h ep e f f o r n l a l l c eo ft h e v e h i c l ed e c e l e r a t i o nw h i c hu s ee d d yc u r r e n tr e t a r d e r a n du n d e r s t a n dt h eb r a k e s i t u a t i o no f ac a ru s e de d d yc u r r e n tr e t a r d e r 1 r t l i sa r t i c l eh a se s t a b l i s h e dq u i t ec o m p l e t et h e o r ys y s t e mo f e d d yc u r r e n tr e t a r d e p r o v i d e a l li m p o r t a n tb a s i sf o rt h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r e k e yw o r d s ：e d d yc u r r e n tr e t a r d e r ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；k i n e m a t i cs i m u l a t i o n 图表清单 图1 1 电涡流缓速器实物图 图2 1 电涡流缓速器结构示意图 图2 2 电涡流缓速器控制线路图 图2 3 电涡流缓速器的磁场 图2 4 电涡流缓速器制动力矩产生示意图 表2 1 在山路上下长坡后制动器前制动盘的温度变化情况 表2 2 制动衬片磨损量的比较 图2 5 电子控制后的温度与制动力矩曲线示意图 图3 1 计算模型模拟结果 表3 1 气隙参数值 图4 1 二维平面电磁场边界条件 表4 1 有限元模型参数 图4 2p l a n e l 3 单元示意图 图4 3p l a n e 5 3 单元示意图 图4 4 有限元模型 图4 5 磁力线分布图 图4 6 非线性条件下磁感应强度云图 图4 7 低碳钢的磁化曲线 图4 8 ( a ) 电流变化时最大磁感应强度变化曲线 图4 8 电流变化时平均磁感应强度变化曲线 图4 9 ( a ) 气隙变化时最大磁感应强度变化曲线 图4 9 ( b ) 气隙变化时平均磁感应强度变化曲线 图4 1 0 ( a ) 转子盘厚度变化时最大磁感应强度变化曲线 图4 1 0 ( b ) 转子盘厚度变化时平均磁感应强度变化曲线 图5 1 单轮受力模型 表5 1 仿真参数 表5 2 地面附着系数和车轮相对滑移率对应值 图5 2 运动仿真模型 图5 3 ( a ) 最高档位时速度与时间的关系曲线 图5 3 ( b ) 最高档位时加速度与时间的关系曲线 图5 4 一档时加速度与时间的关系曲线 图5 5 二档时加速度与时间的关系曲线 图5 6 三档时加速度与时间的关系曲线 图5 7 四种档位情况下速度与时间的关系曲线 图5 8 四种档位情况下车速与加速度的关系曲线 2 9 m m n 屹b m始m凹”骝剪虬钉驼铊钙躬稻稻铝犍钞钾卯卯卯豇钉 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得 盒a b 王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名； ；谚 签字日期：刀年扫加日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金e b 王些盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金世 王些左堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名音链三 签字日期：斛月矽日 导师签名： 汐争 二， 签字日期：知口7 年c ：月k 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：当 粕。，l 例小i e 乖雹二c 刚电话： 通讯地址： 邮编： 致谢 本文是在导师田杰副教授的精心指导下完成的。在读研究生期间，导 师对我的学习及论文工作倾注了大量的心血，在生活上给予了无微不至的 关怀。导师严谨的治学态度、求实创新的开拓精神。诲人不倦、宽以待人 的高尚品质给我留下深刻的印象，这些都将对我以后的学习和工作产生巨 大的影响。同时还要衷心感谢我的师母张萍老师在我读研期间给我的关心 和帮助! 在此对恩师和张老师表示我衷心的谢意! 同时，真诚地感谢机械原理及零件教研室的黄康教授、王勇副教授给 我各方面的指导和帮助，并创造了许多必要条件和学习机会l 并感谢教研 室的其他所有老师在我读研期问给予的诸多帮助。 感谢教研室的刘建明、娄银庭、顾庆昌、李香滨、李林、汝艳、屈玉 丰、魏鹏等同学给予的关心和帮助。 最后，还要深深感谢我的父母和我的家人! 感谢所有支持及帮助过我 的亲人、同学和朋友们。 作者：张宁 2 0 0 7 年5 月3 0 日 第一章绪论 近年来由于电控技术和装置在汽车上的大量使用，如电子控制燃油喷射发 动机的应用，在极大地减少排污和节省燃油的同时，还增大了发动机的输出功 率，大马力、大载客量、大吨位的汽车不断涌现，尤其是舒适高速、大载客量 的豪华大巴已是人们出行的首选。但是我国绝大多数汽车上使用的制动器，还 仅仅是安装在车轮上的机械式摩擦制动器，其结构基本上仍保留传统方式，制 动性能也没有根本改进和提高。随着机动车的驱动功率、车速及载荷的增加， 现有的车轮制动器已不能满足车辆的制动需求。车轮制动器的缺点是在车辆制 动频繁以及下坡时长时间制动都会产生制动器过热现象，导致制动效能降低， 甚至制动失效。尤其是下坡时潜伏的不安全因素，直接危及行车安全。而且制 动蹄片使用周期短，需要频繁停车更换蹄片，由此导致运营成本增加的问题。 尽管盘式制动器已逐渐取代鼓式制动器，但仍不能从根本上解决闯题。尤其是 频繁制动的城市公交大巴和长年行驶在山区的载货汽车、长途大型客车上，普 遍存在制动器摩擦片使用寿命短，由于车轮轮毅发烫产生的热衰退致使制动性能下 降，以及轮胎易分层造成早期爆裂的弊病，严重者有时甚至危及乘客和财产的安全。 电涡流缓速器是解决运输车辆制动力不足的完善方案，它是独立的，可以不须使 用主制动器就能减缓车辆行驶速度，增强车辆的安全性，是使车辆减速的一套辅助制 动系统。 由于缓速器采用电磁涡流工作原理，没有摩擦，因此不会出现磨损现象配合优良 的电子控制配件使用，必能获取更好的防抱死防滑效能。根据调查，制动摩擦片的寿 命取决于车辆的使用工况及驾驶员的驾驶习惯，我国大中型客车缓速器使用调查结果 显示：安装了缓速器的客车制动摩擦片寿命比未装缓速器的客车制动蹄片寿命延长 4 7 倍。因此可以说道路运输卡车安装缓速器可以缩短制动摩擦片的更换周期，减少 制动器的维修次数，同时可以降低维修费用、减少车辆损坏。同时可以提高驾驶的安 全性和舒适感，减少驾驶员的疲劳、提高工作效率、减少急刹车、使驾驶员更顺畅。 在欧洲，客车安装缓速器已有3 0 多年的历史，大客车使用已极为普遍，技术也 相对成熟，产品更新换代迅速。而在我国，近几年部分高档大客车才开始安装使用缓 速器，并且大多是进口产品，只有极少部分使用的是国内开发研制的新产品。 1 9 5 4 年7 月1 7 日，法国立宪会议曾在部长会议上，首次提出了车辆使用缓速器 的必要性的有关提案，规定所有载重量超过8 吨、并经常需要在难行的道路上行驶的 车辆需加装缓速器。此案与1 9 5 6 年6 月2 7 日达成了对缓速器及其性能的严格规定。 1 9 7 2 年3 月1 0 日，法国交通法令规定所有自重超过1 1 吨，装载易爆易燃货物的 车辆需要安装缓速器。1 9 8 1 年3 月2 4 日的法令也强制要求所有在难行路上行驶、载 客量超过4 t 的车辆也要装上缓速器。 1 9 7 1 年欧洲共同体根据当时德国实施的法令，首次提出了载重量超过l o 吨、载 客量超过8 人的车辆的制动器的持久力测试规范和基本要求，同时制定了有关法令。 此测试分为与缓速器相关的测试i i ( 载货) 及依据e e c 7 1 3 2 0 原则的测试i i a ( 载客) 。 同时该法令也要求测试车辆在坡道上行驶的技术检测数据。 为适应市场需要，国内客车企业都在努力提高车辆的安全性，客车安装电涡流缓 速器就是提高客车安全性的重要手段之一。2 0 0 4 年7 月1 日我国开始执行的交通部最 新发布的营运客车类型划分级等级评定标准中规定，高二级以上的客车必须安装 制动缓速装置。 缓速器作为一种辅助刹车系统的先进技术应用于道路运输车辆，并且可与在全球 深受信赖的a b s ( 制动防抱) 系统兼容。其诸多优点证明，缓速器今后将成为长途客 车和公交车上必备的安全装置【l 】。 1 2 辅助制动器概述1 捌 图1 1 电涡流缓速器实物幽 为保证汽车的安全行驶，车辆上必须装备行车制动器。一般情况下，将摩擦制动 作为车辆的主制动方式。摩擦制动是依靠于车轮上的制动蹄块对车轮的摩擦力矩来实 现制动的，它是应用最广泛的一种制动方式，在许多车辆、机床和其他设备上都有应 用。摩擦制动的工作原理非常简单、制动时，使车轮的制动蹄张开，压迫并摩擦车轮 2 上的轮毂，从而起到使车辆减速或制动的目的。这种制动方式结构比较简单，制动时 比较灵敏，但使用一段时间后，其可靠性降低较大，尤其不适合车辆在特殊路况下和 下长坡道路时的长时间行驶。此时，制动摩擦产生的能量很大，又不能得到及时有效 地散发，在这种情况下，产生的大量热量将使车轮的制动蹄块和制动轮毂温度升高、 甚至烧毁，从而导致制动蹄块摩擦系数降低或使制动失效。这对行驶中的车辆是十分 有害和危险的，并能酿成重大事故。 由于汽车技术的迅速发展和道路条件的不断改善，汽车的行驶速度普遍提高；同 时一些商用汽车的大型化发展，其最大总质量也不同程度的增加，从而增加了车辆的 惯性。另一方面，随着汽车保有量的急剧增加，道路行车密度日益增大，导致交通事 故不断发生，已引起公众对道路交通安全的密切关注。这些因素对汽车制动装置的提 出了更加苛刻的要求。 高速、超载、频繁制动、制动过热、制动效能降低同样在威胁着道路运输重型商 用汽车的行车安全。尤其严重的是超载，许多驾驶员采用了向制动器喷水或在高速公 路停车场的专用制动冷却水中冷却制动器，从而达到提高制动器效能的目的。当前， 由于制动失灵引起的交通事故越来越频繁，传统制动方式的局限性也越来越明显。 对整车质量较大的商用汽车而言，虽然制动防抱系统a b s 、电子制动系统e b s 等先进技术的采用大大提高了制动系统的可靠性，但制动器的温度过高和制动片的磨 损仍然是困扰汽车制动系统的两大问题，前者严重影响了汽车制动效能同时加速了制 动器磨损，后者带来了使用成本的增加。因此，在大型商用车上采用辅助制动系统已 是不可缺少、并成为一种技术发展趋势。 从2 0 世纪9 0 年代开始，中国进入了公路建设发展的时期，尤其是1 9 9 8 年中国 实施积极的财政政策以来，中国公路建设投资数量之大、开工项目之多举世瞩目。从 1 9 9 0 - 2 0 0 3 年的1 4 年间，中国公路建设累计投资近2 万亿人民币，其中仅2 0 0 3 年就 达3 7 1 5 亿元，创历史新高。到2 0 0 3 年底，中国公路通车总里程达1 8 1 万公里，居世 界第三位，其中4 4 是在最近1 4 年内修通的，在过去的十多年里，高速公路在中国 取得了较快的发展，建设规划和通车里程都创造了世界纪录。中国高速公路从零起步， 经过十多年的建设，目前已突破3 万公里，高速公路总里程位居世界第二，为支撑中 国经济和社会全面发展的迫切需要，中国政府从2 0 0 1 年起，开始制定国家高速公路 网规划，这个规划将指导中国今后2 0 年到3 0 年内高速公路的建设和发展。据介绍， 国家高速公路网将在整合“五纵七横”国道主干线及8 条西部大通道等国家干线路网 的基础上，形成“首都连接省会、省会彼此相通、连接主要地市、覆盖主要县市”的 全国性公路主骨架网络，将连接中国绝大多数大中城市、国家和区域性经济中心、交 通枢纽、重要对外口岸等。 随着汽车工业的技术进步，汽车发动机功率逐年增加，现代汽车发动机功率已经 比过去增加了2 3 倍。汽车性能的改善提高和道路条件的日趋完善，汽车行驶速度大 幅度提高，这就意味在同样的制动条件、同样的时间内，现代汽车的制动器要产生更 多的热量，要承受更多的热负荷。然而现在的车辆制动器虽经多方面改进，如加宽制 动鼓和摩擦片的尺寸，改变摩擦片材料配方，鼓式制动改为盘式制动等，但都无法从 根本上解决问题。因为受空间尺寸的限制，现有车轮制动器的散热能力始终是有限的， 其制动性能最多仅比原来提高1 2 倍。频繁或长时间制动后，温升过高不可避免，面 临的现实是现代汽车的安全性能没有提升，反而大大降低了。 随着现代汽车运行速度越来越快，汽车的制动负荷也越来越大，特别是在频繁停 车的市内公共汽车上和山区行驶的汽车上，制动负荷过大的问题更加突出。若这些制 动负荷全部由行车制动系统来承担，就会造成制动鼓和制动摩擦片过热，从而造成制 动效能下降，甚至制动能力完全消失，这是汽车的安全要求所不能允许的。另外，行 车制动系统的负荷过重，也使制动摩擦片和制动的使用寿命大大缩短，使汽车的使用 成本上升，维修工作量加大。为解决该问题，必须在汽车上加装辅助制动系统。 主要行驶于矿山或山区公路上的汽车经常要下长坡。为不使汽车在本身重力作用 下不断加速到危险程度，应当对汽车进行持续制动，将由势能转化成的那一部分动能 再转化成熟能散逸掉，从而使汽车速度稳定在某个安全值。此外，经常在行车密度很 高，交通情况复杂的城市街道上行驶的汽车( 如市内公共汽车) ，为避免交通事故， 需要进行频繁的不同强度的制动。在这些情况下，单靠行车制动系是难以完成这样的 制动任务的，因为制动器长时间频繁工作不仅会使得其温度大大增高，还会使制动器 发生热衰退，以致制动效能衰退甚至完全失效。若采用辅助制动系统，则能避免这种 情况发生。辅助制动系统能够降低车速或保持车速稳定，但不能将车辆紧急制停。辅 助制动系中用以产生制动力矩对车辆起缓速作用的部件称为缓速器。故在这种行驶条 件下运行的汽车，往往有必要增设辅助制动系统。 近年来，国内商用汽车重型化、高档化趋势明显，越来越多的高尖端科技将逐渐 应用于现代公路交通，而缓速器作为一种辅助制动装置的先进技术应用于道路运输汽 车，并且可与在全球深受信赖的a b s ( 制动防抱系统) 兼容，其诸多优点证明，缓速 器今后将成为长途客车、公交客车和重型卡车上必备的安全装置。 1 2 1 汽车辅助制动装置的作用与工作原理 汽车在山区道路上下坡行驶时，制动系统将汽车的势能转化为动能然后转化为了 热能。而主制动系统的特性是在短时间内可以产生很大的制动功率，但随着时间的增 长，由于产生的热能不能及时传递给周围环境，使得制动器的温度不断升高，制动器 产生热衰退，制动功率不断下降，所以它不满足山区公路上连续下坡行驶时的制动要 求。这样，就造成了汽车连续下坡行驶时，主制动器很可能失去或部分失去制动效能， 使得交通事故发生的频率高于其他道路。 实际上，汽车连续下坡时的制动减速工作可由辅助制动装置来承担。这是由于它 与主制动系统相比较虽然在短时间可以吸收的功率比较小，但是它吸收的功率在很长 4 的时间内可以保持不交( 或基本不变) ，而汽车连续下坡时虽然需要的制动功率与紧 急制动相比很小，但是在整个下坡过程中，都需要这样的大功率，辅助制动系统可以 满足这样的要求。所以在国外，辅助制动系统作为与主动制动系统相互独立的制动系 统已得到充分的重视。例如，在德国道路交通法规中规定，客车总重在5 5 吨以上， 载货汽车总重在9 吨以上必须加装持续制动装置( d a u e r b r e m s e ) ，或称为第三制动装 置( d r i t t e b r e m s e ) 。而在中国，长期以来依靠驾驶员经常给主制动轮毂浇水，实施强 行冷却，来满足汽车连续下长坡时的制动要求。这种方法一方面可靠性不高，另一方 面冬季行驶时水流到地面上结冰会直接影响到后续车辆的安全性。 辅助制动装置的作用是在不使用或少使用行车制动器的情况下，使车辆行驶速度 降下来或保持稳定，但不能将车辆紧急制停，这种作用称为缓速作用。辅助制动装置， 可以不使用主制动器就能减缓车辆行驶速度，增强车辆的安全性，其作用原理与传统 制动方式不同，又延长传动系和制动系寿命的功效。在辅助制动装置中用以产生制动 力矩并且对车辆起到缓速作用的部件称为缓速器。现代车用缓速器主要有液力缓速 器和电涡流缓速器等，两种缓速器虽然结构形式、安装方式和工作原理不同，但两者 的作用结果是相似的，都是为了辅助制动而减缓车速，增进制动器及相关零部件的 性能。随着新的自动控制装置面世，使用缓速器已成为新的技术趋势。缓速器所具备 的瞬间快速反应作用能更好发挥效力。 电涡流缓速器是一种无接触制动方式，通过转子高速转动与电磁作用，吸收车辆 制动能量，达到减速的目的。缓速器可以加强制动器系统，不需要使用主制动器就能 减缓车辆行驶速度。由于电涡流缓速器采用电磁涡流原理，没有摩擦，因此不会出 现磨损现象。配合优良的电子控制，能够获取更好的防抱死、防滑效能。根据调查， 制动摩擦片的寿命取决于车辆的使用工况和驾驶员的驾驶习惯，国内大中型客车缓速 器的使用调查显示：安装缓速器的客车制动摩擦片寿命要比未装缓速器的客车制动 蹄片寿命延长4 7 倍。公路运输车辆安装缓速器可以缩短制动摩擦片的更换周期，减 少制动器的维修次数，同时可以降低维修费用，还可以提高驾驶的安全性和舒适感， 减少驾驶员的疲劳、提高工作效率、减少急刹车、使得驾驶更顺畅。 1 ，2 2 汽车辅助制动装置的分类以及发展趋势 常用于车辆的辅助制动装置主要有以下5 种形式。 1 ) 发动机缓速器 对行驶中的汽车的发动机停止供给燃料，并将变速器挂入某一前进档，使汽车得 以通过驱动轮和传动系带动发动机曲轴继续旋转。这样，本来是汽车动力源的发动机 就变成消耗汽车动能从而对汽车起缓速作用的空气压缩机。在这种情况下，汽车对发 动机输入的动能大部分耗损在机内的进气、压缩、排气过程中，小部分消耗于对水泵、 油泵、空压机、发电机等附件的驱动上。发动机及上述各附件阻碍曲轴旋转的力矩即 5 为传动系放大后传给驱动轮。发动机缓速器具有以下优点：制动功率大；与发动机集 成一体从而体积小，质量轻：可以提供大小不同的制动力矩；基本不需要额外消耗能 量。另外，从排气门释放出的清洁的、高速运动的压缩空气，可清除燃烧室和排气系 统积炭，减少积炭对发动机的磨损。但发动机缓速器只适合部分柴油机，具有局限性。 2 ) 发动机排气辅助制动装置 汽车在挂档前进时，对发动机停止供油，汽车前进的惯性力通过驱动轮和传动系 反带发动机曲轴继续旋转。这样，发动机就像空气压缩机那样，对汽车起到了缓速的 作用。为了加强发动机这种缓速作用，可设法增加进气、排气、压缩等方面的阻力， 如阻塞进气或排气通道或改变进、排气门启闭时刻等。其中，比较常用的方法是在发 动机排气管处设置排气阀。在需要缓速时，关闭排气阀，阻塞排气通道。该方法又称 为排气缓速。排气缓速式制动系统的基本原理是利用设置在排气通道内的蝶形节流阀 来堵塞排气通道并停止供油，使发动机在压缩和排气过程中都能压缩纯空气，这时发 动机变为压缩机来吸收汽车动能，增大功耗，迫使发动机降低转速，从而实现在短时 间内降低车速的目的。 3 ) 电涡流缓速器 利用电涡流所产生的制动作用使动能转化为电涡流所产生的热能由装设在圆盘 上的散热片散发到大气中。 4 ) 液力缓速器 液力缓速器的主要零件是固定叶轮和旋转叶轮，一般安装在变速器处。当汽车需 要缓速时，汽车通过驱动桥和变速器等反带液力缓速器的旋转叶轮转动，固定叶轮通 过流动的液体对旋转叶轮产生阻力矩，使汽车缓速。液力缓速器的工作原理是缓速器 随变速器输出轴转动，而定子不动。当缓速器没有油时，转子空转，没有减速作用。 1 3 电涡流缓速器研究的意义 近年来，我国的汽车工业处在高速发展期。可以预见，在未来的若千年内汽车的 数量会以很高的速度增加。随着人们对汽车安全性和舒适性的要求越来越高。安装缓 速器的汽车的品种和数量也必将是越来越多的。电涡流缓速器的市场需求是巨大的。 目前，我国的高档客车，如上海申沃客车、郑州宇通客车、东风日产客车底盘、 厦门金龙等，几乎都己安装了进口的电涡流缓速器。主要是法国泰乐马、西班牙的弗 雷纳萨和日本的日野牌电涡流缓速器。其中，法国泰乐马是当今世界上历史最悠久、 规模最大的电涡流缓速器生产和供应商。进口电涡流缓速器的质量比较稳定。但价格 相对较高。国产的只有深圳特尔佳缓速器，虽然价格较进口的产品低，但无论是质量、 性能和稳定性，还是产品规格品种都还与进口电涡流缓速器存在较大的差距。 加强研究，迅速提高汽车用电涡流缓速器的设计与制造能力，掌握具有自主知识 产权的电涡流缓速器的关键技术，对全面替代进口产品，促进我国民族汽车工业的发 6 展具有重要的意义。 我们以机械与汽车工程学院新型机电传动研究所为依托，长期从事与电磁机械相 关的研究工作，具有很好的工作积累和研究基础。我们有能力在汽车用电涡流缓速器 的关键技术研究上取得成果。 1 4 电涡流缓速器研究和发展的状况 电涡流缓速器是在1 9 世纪利欧傅科( l e o nf o u c a u l t ) 发现的电磁感应理论的基 础上发展起来的。1 9 0 3 年，斯特克勒( s t e c k e l ) 首先申请了一种电磁制动装置的专利。 1 9 3 6 年，鲁尔塞瑞真( r a o t ds a r a z i n ) 首次将电磁制动技术应用到汽车上。1 9 3 8 年 出现将电涡流缓速器用万向节与中心传动法兰结合起来组成的安全缓速制动器。1 9 6 5 年泰乐马( t e l m a ) 公司设计出首台没有中心轴、直接安装到变速器或驱动桥上的 电涡流缓速器。该类型缓速器的出现，使其结构趋于紧凑、质量变轻，并且安装简便， 从而使得电涡流缓速器在汽车上的应用更加广泛。1 9 9 3 年出现了将电磁缓速器与传动 轴做成一体的产品。 国际上，电涡流缓速器的著名生产厂商主要有：法国的泰乐马( t e l m a ) 、西班 牙的弗瑞纳萨( f r e n r i s a ) 和克莱姆( 。a m ) 德国的克罗伏特( 。i f t ) 以及 日本的东京部品工业( t o k y o b u h i k o g y o ) 和五十铃住友( i s u z u s u m i t o m o ) 等，其产品已发展成多系列，可适合各种形式的车辆。法国的泰乐马( t e l m a ) 公 司是世界上的电涡流缓速器最大的制造商，其每年的产销量为三万台，仅这家公司的 产品在世界上装车使用量就达5 0 多万台。其产品广泛安装在雷诺、戴姆勒奔驰、沃 尔沃、依维柯、斯堪尼亚、尼奥普兰等著名汽车公司生产的重型汽车和大中型客车上。 目前欧、美、日等发达国家汽车界已经把缓速器作为标准件在多种级别的客车和中型、 重型汽车上装用，作为现有汽车制动系统的必要补充装置。 总体上讲，电涡流缓速器在我国研制、生产和应用尚处于起步阶段。现代汽车的 驱动功率、车速以及载荷的增加使得车轮制动器的负荷进一步加大，而且人们越来越 注重汽车的安全性、使用经济性、舒适性和环保性，所以电涡流缓速器的作用在国内 汽车界开始受到重视。2 0 0 2 年6 月1 日交通部已颁布实施中华人民共和国交通行业标 准j 1 仃3 2 5 - - 2 0 0 2 营运客车类型划分及等级评定，该标准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备缓速器。建设部2 0 0 2 年1 0 月1 日公布执行的c j f r 1 6 2 - - 2 0 0 2 城市客车分等级技术要求与配置也规定超二级、超 一级、高级的市区和城郊城市客车规定必须装备缓速器。因此，大型客车、货车装备 缓速器已经成为大势所趋，即使达不到高二级的客车，也把缓速器列为选装件。可以 预计电涡流缓速器必将在国内拥有广阔的市场应用前景。 随着我国汽车工业的蓬勃发展，市场对电涡流缓速器的装车需求也急剧增加，国 内已有许多大、中型豪华客车，如上海申沃、郑州宇通、东风日产、厦门金龙、苏州 7 金龙等客车安装了电涡流缓速器，大多选装法国泰乐马和西班牙的弗瑞纳萨电涡流缓 速器。国内众多企业和部分科研单位看到电涡流缓速器潜在市场，积极从事电涡流缓 速器的研究和开发。目前国内的电涡流缓速器的生产和研制厂商有：深圳的特尔佳科 技有限公司、浙江嵊州市艇湖汽车零部件厂、无锡三生科技有限公司、江苏超力电器 有限公司、扬州洪泉实业公司、扬州华露机电有限公司、济南中国重型汽车集团发动 机和长安大学等一些科研院所也在进行相关产品开发及其关键技术的研究工作，并已 经取得一定科研成果。总体上讲，电涡流缓速器在我国研制、生产和应用尚处在起步 阶段。 现有的电涡流缓速器多采用继电器分级控制，这样所产生的制动力矩是分级阶梯 状不连续的。其发展方向是采用无级调节技术，即通过电子控制装置调节激磁线圈中 的电流大小来控制磁场的产生，从而使得所产生的制动力矩连续变化，以更好适应车 辆制动要求。 1 5 本课题研究的主要内容 本论文通过对汽车用电涡流缓速器的机械结构、电磁参数的研究，确定机械、电 磁中影响电涡流缓速器工作性能的主要参数，及各参数之间的相互作用关系，建立起 汽车用电涡流缓速器缓速器关键部件的设计模型，为其设计和制造提供理论基础。 论文第三章，对前人所作工作进行了总结，并在前人计算模型的基础上，对适合 某一型号的客车的电涡流缓速器进行了结构设计，确定其主要参数。为后面仿真分析 提供参数依据。 论文第四章，在掌握了电磁场理论和有限元法的基础上，运用有限元分析软件 a n s y s ，依据第三章确定的结构参数，并对模型进行简化，建立了电涡流缓速器的有 限元模型。并对此模型进行了磁场分析，同时通过改变电涡流缓速器的主要结构参数， 研究其对电涡流缓速器磁场的影响程度。此项工作对电涡流缓速器的设计具有重要意 义。 论文第五章，对装用电涡流缓速器的整车建立了运动学模型，并利用s i m u l i n k 软 件把运动学模型转化为仿真模型。在不同制动情况下对其进行了仿真，通过分析仿真 结果考察在不同情况下电涡流缓速器的制动性能，为电涡流缓速器的设计与制造提供 了依据。 通过本课题的研究，将会推动电涡流缓速器得到更广泛的应用。同时，对于其它 磁力机械的分析研究亦有借鉴作用。 第二章电涡流缓速器 2 1 电涡流缓速器结构及工作原理1 2 l 电涡流缓速器的结构是由机械装置和电控装置两部分组成。电涡流缓速器的机械 装置部分是由定子、转子及固定架等部件组成。 2 1 1电涡流缓速器的机械装置部分 电涡流缓速器的机械装置部分的结构 如图所示： 电涡流缓速器定子上一般有八个高 导磁材料制成的铁心，呈圆周分布，均 匀地安装在高强度的固定架上。八个励 磁线圈套于铁心上，共同构成磁极。圆 周上相对两个励磁线圈串联或并联成一 组磁极，并且相邻两个磁极均为n ，s 相 间，这样就形成相互独立的四组磁极。 转子通常由前转子盘、后转子盘和转子 轴构成。前后转子盘均为圆环状，一般 用导磁性能高且剩磁率低的铁磁材料制 成，实际生产中常选用电磁纯铁或低碳 钢等材料。为了及时将涡流产生的热量 散发掉，通常转子盘上铸有散热叶片和 图2 1电涡流缓速器结构示意图 通风气道。转子通过连接凸缘与传动轴相连，并随传动轴自由转动。前后转子盘和定 子磁极间保持有极小的均匀的气隙，以使转予盘旋转时不会刮擦到定子上。从减小磁 阻角度讲气隙越小越好，但气隙的测定还必须考虑机加工的公差和转子、定子受热后 的热膨胀的影响，一般在o 7 6 - 2 7 0 m m 范围内变动。 2 1 2 电涡流缓速器的控制装置部分 电涡流缓速器的电控装置部分主要由电涡流缓速器指示器、驱动控制器、电涡流 励磁线圈、车速信号传感器、制动压力信号传感器等装置组成【1 3 ，1 9 1 9 图2 2 电涡流缓速器控制线路图 2 1 3电涡流缓速器的工作原理 电涡流缓速器工作原理是：工作时向励磁线圈通直流电流，在定子、气隙、转子 盘之间构成回路，如图2 3 所示。当转子盘运动时会引起磁通量变化，从而在转子盘 上产生电涡流，旋转的转子盘上的电流回路切割定子产生的磁力线而产生电磁力，其 方向可通过弗莱明( f l e m i n ) 左手法则来判断，其方向与转子旋转的方向相反，电磁 旋转方向 - - - - - 嘲匪、囡冈：j 囡囟：i嘲囡区 一- 怕j “ j - 争 ，- l 。、。 。一。- 一。 。1 。 图2 3 电涡流缓速器的磁场 力的合力沿转子盘周向形成一个与转子旋转方向相反的制动力矩，如图2 4 所示。同 时涡流在具有一定电阻的转子盘内部流动时，会产生热效应而导致转子盘发热，这样 车辆行驶的动能就通过感应电流转化为热能，并通过转子盘将热量散发掉，从而实现 汽车的减速和缓速 磁 力矩 图2 4 电涡流缓速器制动力矩产生示意图 2 2 电涡流缓速器的使用效果 2 2 1 提高了汽车的安全性 由于电涡流缓速器可承担制动系统3 0 - - 8 0 的负荷，可使得车轮制动器的使用 次数显著减少，因而可避免由于制动器热衰退而引发的安全事故。这对长期行使在山 区的车辆和需频繁制动停车的城市公共汽车尤为有益。据日本t b k 公司提供的试验 资料，在箱根新道1 8 分钟的下坡行驶中，不使用缓速器下坡踩制动踏板1 3 次，制动 鼓最高温度达5 7 5 0 ( 2 ，使用缓速器下坡，只踩过1 次制动踏板，制动鼓最高温度仅为 6 4 0 c 。表2 1 是我们在依维柯a 4 9 1 0 客车上装t e l m a c 3 7 6 4 缓速器( 该缓速器只有三 个档位，手控操纵方向式) 后山路试验的结果。试验路段是选在福建省福安到福鼎的一 段平均坡度大于6 ，坡长6 k m 的山路。试验时环境温度为2 7 * ( 2 ，每次下坡时间约 1 1 分钟。从表中可以看出使用缓速器后踩制动踏板的次数明显减少，特别是使用i i 档 和i 档时基本上可以不用车轮制动器做减速就可实现汽车安全下坡，并且前制动盘的 温度始终保持在低温状态。 传统的车轮制动器，由于在安装调整过程不可能把左右车轮的制动树片与制动鼓 ( 盘) 间的间隙调完全一样，加之制动衬片的磨损也不均匀，这样常常造成因左右轮制 动力大小不而发生制动跑偏现象。而电涡流缓速器的制动力矩是作用在传动系上 的，不会产生左右车轮制动力分配不均的问题，因此可显著减少汽车制动时跑偏现象 的发生。 由于频繁制动，传统的车轮制动器的制动鼓( 盘) 内部温升可达5 0 0 - 6 0 0 0 c 多度， 轮处的胎肩也常高达2 0 0 0 ( 2 ，这极易造成轮胎因过热而爆胎。而使用缓速器后，制动 鼓( 盘) 的温度都不会太高，这样由于制动器温度过高而发生爆胎造成的交通事故几乎 可以避免。 因为电涡流缓速器是在原有的制动系统上另外加装的辅助装置，这样即使制动系 统突然失效，汽车仍有制动减速能力。这也相当于给车辆多增加了一套应急制动装置， 从而增大了车辆的行车安全系数。另外，安装缓速器后驾驶员更容易控制车间距与行 驶速度，这对高速行驶的汽车的安全性也大有益处。 表2 1 在山路上下长坡后制动器前制动盘的温度变化情况 缓速器所在初始时前制动盘踩制动板的次数试验后前制动盘 档位温度( o c )( 使用车轮制动温度( o c ) 左右器)左右 不用减速器 3 73 5 3 9 2 4 12 4 4 i 档 4 44 71 51 2 0 1 3 0 i i 档3 83 524 44 5 i i i 档 4 43 8o4 45 2 2 2 2 提高了坡道行驶时的平均速度 随着道路条件的改善，人们也希望汽车在行驶过程中具有更高的平均车速，如 果要求汽车在6 的坡道上以6 0 k i n h 速度行驶6 k m 时，单靠发动机制动或者使用车 轮制动器很难满足要求，由于高档位的发动机制动和排气制动效果比低档位的差，因 此单靠变速器档位控制车速只能使汽车低速行驶。一般使用排气制动的汽车挂高档 时，在超过4 的坡道上就不能形成稳定的行驶车速，不得不靠脚制动减速。而缓速 器本身不存在与变速器档位关联的制动动力变化，因此下坡时利用缓行器可以维持较 高的车速行驶。另外，安装缓速器后增强了驾驶员下长坡时安全感，不必担心因车速 高而制动减速后造成制动器过热，因此这也一定程度上可提高车辆下长坡时的平均速 度。通过对大型汽车上使用缓速器后的效果调查表明：坡道上的稳定行车速度可以提 高一倍，山区高速公路上的平均速度可由6 0 k m h 提高到7 0 k m h 。 2 2 3 提高了汽车使用经济性 表2 2 所示是在深圳特区第2 2 3 路和第2 0 8 路公共汽车线路上，对安装电涡流缓 速器和末安装电涡流缓速器的车辆制动衬片千公里磨损量平均值的比较。2 2 3 路未安 装电涡流缓速器的车辆制动衬片平均磨损量比安装了的高达5 - - 8 倍，2 0 8 路为6 _ _ 9 倍。这充分说明使用缓速器后，由于用车轮制动的次数大幅度减少，从而制动衬片的 磨损量也显著减少。 表2 2 制动衬片磨损量的比较 千公里平均磨左前轮右前轮左后轮右后轮 损量( 单位： m m ) 安装缓速器车 0 0 9 30 0 8 80 0 6 9 0 1 0 5 辆 未安装缓速器 o 5 6 4 o 6 1 5o 6 1 80 6 5 2 的车辆 未安装磨损值 6 0 67 0 09 0 36 2 4 安装磨损值 通常使用电涡流缓速器后，制动蹄片总成的寿命可延长4 8 倍。另外由于轮胎温 升降低，轮胎的热粘滞抱死现象也极少发生，据统计因此轮胎使用寿命可以延长2 0 。这样，平常调整制动器和更换制动蹄总成等的维修成本大幅度下降。进而由于维 修和保养时间的缩短，汽车营运时间延长，以及平均行驶车速提高，故运输效率可以 提高。据在深圳部分公交车上安装使用电涡流缓速器实际运用表明：使用缓速器后， 平均每辆车一年可节省人工保养费用3 4 0 0 4 0 0 0 元；制动衬片寿命能够至少延长四 倍；另外由于维修工作量所占用工时的减少，每辆公交车一年可增加营运时间至少三 个工作日，从而可增加营运收入2 6 0 0 , - - 3 6 0 0 元。因此对广大用户来说，安装电涡流缓 速器的费用支出完全可以从减少车轮制动器日常维护和维修成本上得到补偿。 2 2 4 提高了舒适性 安装了电涡流缓速器的汽车，对手动操纵方式的缓速器而言可以减少制动踏板的 使用频次，对脚动操纵方式的缓速器而言可以减少制动所需的踏板力。在下长坡时不 需要频繁变换变速器档位以增加发动机和排气制动的效果，也不必担心低档运行时发 动机超速运转。因而使用缓速器可以减少驾驶人员的劳动强度，避免产生疲劳感。同 时使用缓速器缓和了制动所造成的冲击和噪声，这样驾驶变得更安全、更容易。此外， 电涡流缓速器工作平稳，能够提供平滑、渐进、安静的减速制动力，从而也大大提高 了车辆在制动减速过程中的乘坐舒适性。 2 2 5 提高了汽车的环保性能 电涡流缓速器由于其非接触式制动的特点，工作时没有摩擦材料接触，因此其本 身不会产生制动声响：同时由于传统车轮制动器工作负荷的大大减轻，制动时所特有 的令人讨厌的“尖叫”声也不会产生。因此使用电涡流缓速器可以消除一般汽车制动 时产生的尖锐噪声。通常的摩擦片材料在锖8 动时会产生有害于环境的粉尘，如石棉粉、 化学粘合剂微粒、金属及有机物粉沫等，日积月累将对人体和生物构成危害。缓速器 的使用可以显著减少制动器的粉尘污染达5 0 以上。因此使用电涡流缓速器另一个提 高环保性能在于显著减少制动粉尘对环境的污染。电涡流缓速器是一种制动力矩大， 稳定性好、可靠性高的汽车辅助制动装置。其工作原理是：利用电磁学原理把行驶汽 车的动能转化为热能而散发掉，从而实现汽车的减速和制动。其优点是：结构简单； 制动力矩大，范围广；响应时间短；制动力大小可调，易实现自动控制；可靠性高。 缺点是：重量较重，发热量大，消耗电能。其发展趋势是：轻型化、整体化、电子控 制。电涡流缓速器在汽车辅助制动中的效果明显：1 ) 能够减少车轮制动器热衰退，制 动跑偏，轮胎过热爆胎现象的发生，因此提高了汽车的行驶安全性：2 ) 能提高汽车下 长坡的平均行驶速度和增强驾驶员下长坡时安全感；3 ) 可延长制动衬片使用寿命，减 少制动器的维修保养工作量，从而使得安装有缓速器的汽车具有良好的使用经济性； 4 ) 可减轻驾驶员的工作疲劳强度，制动过程柔和、平稳，提高了车辆的乘坐舒适性； 5 ) 显著减少制动时噪声和粉尘污染，提高汽车环保性。电涡流缓速器是一种符合现代 汽车向高速、安全、环保、舒适潮流方向发展的辅助系统，它必将拥有广阔的市场使 用前景和产生良好的社会经济效益。 2 3 电涡流缓速器的发展趋势 ( 1 ) 轻量化 为了克服质量大的缺点，近年来各厂家除了优化电涡流缓速器结构外，还在选用 材料上下功夫，即选用既满足性能要求同时质量又较轻的材料。如克罗伏特( k l o f t ) 公司的电涡流缓速器的质量和体积近年来都有减小，特别是其转子质量较其他公司减 小3 5 。另外，为了提高冷却效率，还改进了转子盘的冷却气流，使其流速由一般的 1 2 m s 提高到3 6 m s 。 ( 2 ) 集成化 即将电涡流缓速器与车桥集成一体。如西班牙的西班牙的弗瑞纳萨( f r e n r l s a ) 公司设计和生产的一种内置于车桥中的电涡流缓速器( 其型号为f 1 ￥o o l ) 。这种内置 式缓速器整体车桥是由一根中心车桥、一组差速系统、一个两半片式电涡流缓速器和 两个标准空气制动系统组成的。它是专为半挂车而设计的，安装在拖架上，替换半挂 车的一根车桥，这样产生的制动力直接作用在半挂车的尾部，可避免