（机械设计及理论专业论文）电涡流缓速器的理论研究.pdf

摘要 摘要 随着经济的发展和和人民生活水平的提高，人们对车辆行使安全的要求越来 越高。电涡流缓速器是一种辅助制动装置，它能够承担5 0 9 0 的制动工作，使 得车轮制动器的温度大大降低，保证制动蹄片处于良好的技术状态。而且安装电 涡流缓速器能使车辆制动更平稳，并有效的减少车辆制动时的噪声。 本文首先对目前车辆制动进行分析，得出安装缓速器的必要性，并对电涡流 缓速器的结构、工作原理、使用性能进行了阐述。本课题主要完成了四个方面的 工作。第一部分的工作是在前人的基础上提出了电涡流缓速器制动力矩的计算方 法，并与某实例进行了比较，证明该方法可行。还分析了励磁线圈参数、气隙、 转子盘大小等因素对制动力矩的影响。后面的三部分工作，圭运用有限元软件 a n s y s 对电涡流缓速器的磁场、温度场和强度进行了分析。在磁场分析中，通 过编制a p d l 程序较为方便的分析了电涡流缓速器的2 d 磁场。磁场的强度可以 通过调整气隙或者励磁线圈的参数而得到最佳。在温度分析中，分析了完全依靠 电涡流缓速器制动，车辆在紧急制动和缓行制动两种情况下的温度分布，前者最 高温度达到2 0 7 * ( 2 ，后者最高温度达到3 3 4 1 2 。温度升高产生了一定的膨胀，不 过对气隙影响不大，但产生了较大的热应力。在强度分析中，综合考虑了某种情 况下在制动力矩、转速、温度三者对强度的影响。在车辆剐开始制动时，温度低， 是转速对强度产生主要影响，而在车辆减速到较小速度时，温度对强度产生主要 影响。 关键词电涡流缓速器；有限元；a p d 。 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m ya n dt h ei m p r o v e m e n to fl i v i n gs t a n d a r d ， p e o p l eh a v ep a i dm o r ea t t e n t i o nt ot h es a f e t yo f t h ev e h i c l e t h ee d d yc u r r e n tb r a k e i s at l l i r db r a k i n gs y s t e m ，w h i c hc a nt a k eo n5 0 9 0p e r c e n tb r a k ew o r k ，a n dt h e n c o o lt h e w h e e lc l u t c hg r e a t l y u s i n gt h ee d d yc u r r e n tb r a k ec a nk e e pt h ew h e e lc l u t c hi na s a t i s f a c t o r yt e c h n o l o g ys t a t u s ，a n dm a k et h ec a rr u nm o l ts m o o t h l yi na d d i t i o nt h e n o i s ed e c r e a s e sw h i l eb r a k i n g f i r s t l yt h ed i s s e r t a t i o nr e p r e s e n t e dt h en e c e s s i t yo fu s i n gt h er e t a r d e r , a n d i n t r o d u c e dt h ee d d yc u r r e n tb r a k e ，i n c l u d i n gt h eo p e r a t i n gp r i n c i p l e ，t h es t r u c t n r ea n d t h es e r v i c ep e r f o r m a n c e n e x tt h ep a p e rs h o w e dt h ef o u rp a r t sw o r kw h i c hh a v eb e e n f i n i s h e d o nt h ef o u n d a t i o no fp r e d e c e s s o r sw o r k ，ac a c u l a t i o nm e t h o do fb r a k e t o r q u ei sb r o u g h tf o r - a r di nt h ef i r s tp a r t ，a n dt h e na n a l y z e dt h ee f f e c to fe x c i t a t i o n c o i lp a r a m e t e r , a i rs p a c e ，a n dp l a t ed i m e n s i o n t h en e x tt h r e ep a r t sw o r ki sa n a l y s i so f t h em a g n e t i cf i e l d ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，t h es t r e s so ft h ee d d yc u r r e n tb r a k eb y eu s i n g t h ec a es o f t w a r ea n s y s i nt h ea n a l y s i so ft h em a g n e t i cf i e l d t h ea p d lm e t h o di s ag o o dw a yt o g e tt h em a g n e t i cf i e l d t h ei n t e n s i t yo ft h em a g n e t i cc a l lb e s t r e n g t h e n e dt h r o u g ha d j u s t i n gt h ea i rs p a c ea n de x c i t a t i o nc o i lp a r a m e t e r i nt h e a n a l y s i so f t e m p e r a t u r e ，t w oc a s e s ，w h i c ho n ec a s ei se m e r g e n c yb r a k i n ga n dt h eo t h e r c a s ei sg r a d u a lb r a k i n g ，& r ec o n s i d e r e d i nt h ef o r m e rc a s et h em a x i m u m t e m p e r a t u r e r e a c h e s2 0 7d e g r e ec e l s i u s ，a n di nt h el a t t e rc a s et h em a x i m u m t e m p e r a t u r er e a c h e s 3 3 4d e g r e ec e l s i u s t h et e m p e r a t u r e sr i s eb r o u g h ts o m ec e r t a i ne x p a n s i o n b u tt h e e x p a n s i o na f f e c t e dl e s so na i rs p a c e ，b u tb r o u g h tl a r g e rt h e r m a ls 打e s s i nt h ea n a l y s i s o ft h es t r e s s ，t h eb r a k i n gt o r q u e ，t h er o t a t i o ns p e e da n dt h et e m p e r a t u r ea r ea l l c o n s i d e r e d k e yw o r d st h ee d d yc u r r e n tb r a k e ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；a p d l - i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下迸行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，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，也不包含为获符一 ! 立工! l e 盍芏或其它教育机构 的学位或证书丽使用过的材料。与我一同丁作的州品对_ 本研究所做的任何贡献均 已在论文巾作了明确的说明并表示了谢意。 签名：黧! 壶置 f 1 期 关于论文使用授权的说明 2 m 出s 1 f 本人完伞了解j e 塞工业盘堂有关保留、使用学位论丈的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件允许论文被查阅平i l 借间；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的沦文在解密后应遵守此胤定) 虢强螂帅虢嘲慨一丝 1 1 引言 第1 章绪论 制动系统是行车安全的首要保证。目前我国现在正普遍使用的大巴及载重汽 车上装用的制动器还仅仅是安装在车轮上的机械式摩擦制动器。经常在行车密度 很高，交通复杂的城市道路上行使的汽车，为了避免交通事故，需要频繁的进行 不同强度的制动。行使在矿山或山区道路的载重货车经常要下坡，为了不使汽车 在自身重力作用下不断加速，需要对货车进行持续制动。在这些情况下，单纯的 行车制动将使得车轮轮毂的温度急剧升高，致使制动性能下降，车轮轮胎易分层 造成早期爆裂，严重者甚至危机乘客和财产的安全。另外车辆制动时还会产生尖 锐刺耳的金属声及有害物质的颗粒。 早在2 0 世纪6 0 年代，法国等国家就开始了一种叫电涡流缓速器的辅助制动 装置。经过四十余年的研究开发和在多种车型上装用，经实践证明，电涡流缓 速器在技术上是完全可行的【2 】。它是彻底解决车辆特别是大型客车及载重汽车制 动系统问题的一种比较完美的方案。车辆上同有的传统制动鼓、制动蹄片的制动 系统，加上电涡流缓速器这种方案已经被v o l v o 、s c a n i a 、d e n n i e s 等世界 著名客车制造厂所采用，应用越来越广泛。目前主要有法国的t e l m a 公司、西 班牙的k l a m 公司、德国的k l o f t 公司在生产电涡流缓速器。由于装配电涡 流缓速器的安全性得到汽车界的普遍认可，现在欧、美、日等发达国家已经把缓 速器定为标准件在各种级别的客车和中型、重型车辆上普遍装用，作为制动系统 的必要补充装置。 目前国内已经有部分大客车上装配了电涡流缓速器，但大都选装进口件。国 内多家企业和科研院所对电涡流缓速器进行了研究开发。深圳的特尔佳公司是国 内电涡流缓速器生产最大的厂家，其产品主要选装在一些中型客车和公交车上。 此外浙江温州的瑞立公司( 其某型号的电涡流缓速器如图卜1 所示) 与一汽展开 了合作，用户可以直接购买装配有电涡流缓速器的载重货车。此外，深圳冠亚公 司，江苏的超力公司，上海的程迈公司等单位也生产电涡流缓速器，江苏大学和 长安大学等科研院所也在做相关研制工作。2 0 0 2 年6 月1 日交通部已经颁布实 旋中华人民共和国交通彳亍业标准j t t 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 都必须装配缓速器。而从这几年来看国内电涡流缓速器市场非常火爆，单单深圳 特尔佳公司2 0 0 3 年全年销售5 0 0 0 台实现销售7 0 0 0 多万元。 图1 - 1电涡流缓速器实物图 f i g 1 - 1e d d yc u r r e n tb r a k e 1 2 电涡流缓速器研究的意义 现代汽车在向着高速、安全、环保、舒适的方向发展。辅助制动器是提高车 辆性能的重要装置。西方等发达国家已经把缓速器定为标准件在各种级别的客车 和中型，重型车辆上普遍装用。交通部于2 0 0 2 年颁布的颏的交通行业标准也促 使了电涡流缓速器在国内的研究开发和生产，但目前国内产品与国外相比有不少 差距，因此有必要进行研究，提高产品性能。另外中国巨大的汽车市场也孕育着 巨大的电涡流缓速器市场，优质的产品将带来可观的经济效益。 1 3 电涡流缓速器研究和发展状况 文献 3 简述了旋转涡流制动器的优点，通过理论推导与实验修正提出了涡 流制动功率计算的使用公式，该公式反映了电磁机构各变量之间的关系，并根据 初步给定的外部条件提出了旋转涡流制动器的思想方法，进行了设计计算，得到 了结果参数。该文是国内最早的关于电涡流缓速器方面的文献。 文献 4 阐述了一种与市场上常见的电涡流缓速器结构不一样的设计方法。 它的电磁线圈绕定子径向端面布置，这样虽然在制造时比较复杂，但整个机械结 构变得相对简单。转子工作层采用侄低碳钢的表面镀上0 1 5 m m 的铜，这样可使 转子盘的电导率增大，产生的涡电流和制动力矩也就相应变大。在转子的外表面 设计出风道，以加强散热效果。作者在设计时主要采用实验的方法，对影响制动 转矩大小的各参数进行设计，在设计时主要优先考虑定子铁磁线圈和转予工作面 的形状的影响，然后通过测试磁感应强度值的分布来进行参数选定。 文献 5 阐述了日本五十铃开发的一种电涡流缓速器，它在缓速器上配置的 是永久磁铁，通过气动控制永久磁铁的移动来控制缓速器的接通( 工作) 与断开 ( 不工作) 。它最大的特点是可以实现大幅度的轻量化、小型化( 仅3 0 k g ) 。由 于用的是永久磁铁，因此几乎不消耗电力。连续使用自身不会产生过热，能持续 不断保持制动力的稳定性和持久性。不过它所提供的制动力矩偏小，只能用于中 小型的客车。 文献 6 运用电磁位对a - 由一a 方法和库仑规范实现了三维涡流场定解问题 的完整表述。建立了1 8 有限元模型，运用四面体单元，模拟并分析了电涡流缓 速器的磁场分布。 文献 7 推导出了装有电涡流缓速器的车辆在弯道制动过程中的运动微分方 程，给出了制动时的理想制动曲线公式，并以实车为例对缓速器在弯道上的制动 性能进行了试验。 文献 8 阐述了一种新型电动机，它的机械结构与电涡流缓速器基本一样， 当在定子铁磁线圈中通以交变的电压时，就会产生交变的磁场，进而在转子盘中 产生感应电势，从而产生电磁转矩，带动转予旋转，整个过程与电涡流缓速器中 产生制动转矩正好相反。文献对这种电机中转予盘上的磁感应强度、涡电流的分 布进行分析，先采用结构与经验分析的方法对其驱动力矩进行计算，然后采用有 限元的分析，进行数值计算。此文对磁感应强度和转子盘上的电压分布的假设和 简化值得借鉴。 文献 9 通过对电涡流缓速器的耗电特性以及汽车发电机、蓄电池的供电特 性进行分析，并通过实车试验，论证了安装缓速器后汽车原伊：电系统是否能满足 供电需要。结果表明，安装电涡流缓速器后，一般不需要对原车辆供电系统改造。 仅靠蓄电池给缓速器供电，供电时间接近2 h 。经过对发电机供电功率计算与发 电机供电电压的测量，发电机满足供电需要。运行实验证实，蓄电池无亏电现象。 文献 1 0 提出了装用缓速器后汽车前后制动力分配的广义i 曲线概念，导出 了同步附着系数的计算公式。建立了带缓速器汽车的制动力与广义i 曲线匹配的 定性评价法和定量评价法，从而能从制动稳定性角度对缓行器制动力匹配的优劣 程度给出评价。 文献 1 1 对利用缓速器减速停车时的工作模式进行了分析，建立了基于神经 网络的缓速器控制速度仿真模型，可以实时得到不同速度下任一总距离和任一档 位时的控制距离和缓速器接通时的速度。提出了停车距离控制系统的原理与方 案。利用距离控制，可以在不使用车轮制动器的情况下将车速控制到预定范围。 文献 i x 根据实验现象，转予盘表面的磁感应强度在转子静止时最大，随着 转子盘的速度增加，其表面的磁感应强度值逐渐减少，假设其磁感应强度值的变 化是按指数函数关系随速度增加逐渐降低。然后对其边界条件加以假定，从而可 以计算出转子盘表面的磁感应强度的分布函数。进而计算出因涡电流而损耗的功 率。根据理论分析和实验做了以下几个方面参数变化对转子盘制动力矩的影响。 转子盘表面为铜、铝、铁时制动力矩随转子转速的变化曲线。不同的定子线 圈直径下制动力矩随转子转速的变化曲线。在某一恒定转速下，磁场气隙变化 时制动力矩的变化。理论数据与实验值的比较。从而对电涡流缓速器的设计提 供了理论依据和特性分析。 文献 1 3 用分析的方法对转子盘的涡旋电流的分布进行了计算，一般电涡流 缓速器上的电磁线圈都是缠绕在圆柱铁芯上，而文献使用的电磁线圈的形状是长 方形，这样其涡旋电场的分布就可直接用数学公式来表示，然后根据电磁学理论， 可得出在导体作旋转运动时的电流密度的计算公式，把边界条件代入后，可得出 确定解。与文献 1 2 一样，假定转子盘表面的磁感应强度按指数函数关系随速度 增加逐渐降低。从而可以应用洛仑兹力公式，即磁场对运动电荷的作用力的公式， 计算出转子盘所受到的制动力矩。 其实真正解决涡流问题还是需要运用有限元法。作者曾尝试用有限元软件 a n s y s 去仿真电涡流缓速器中的涡流，可以看见涡流，并查看其分布大体是正 确的，但数值不对，可参看图2 7 。国外有不少专家在研究这方面的问题，可参 阅相关文献【1 4 】【1 5 】1 1 6 l 。 1 4 本课题的主要内容 本课题在电磁学、热学、力学等基础上，运用计算软件m l a t l a b 和有限元软 件a n s y s 等工具主要完成了以下几部分的内容： ( 1 ) 电涡流缓速器的介绍阐述了汽车的制动问题，介绍了有关缓速器的法 规。对电涡流缓速器的机械结构和电控装置进行了论述，还详细介绍了其性能特 点和使用效果。 ( 2 ) 电涡流缓速器的制动力矩的计算及其影响因素的分析介绍了三种电涡 流缓速器制动力矩的汁算方法。在前人的基础上提出自己的计算方法，编程计算 了在不同情况下的电涡流缓速器制动力拒及制动功率的大小及其随各种因素影 响的情况。对电涡流缓速器的结构设计进行了一些思考。 ( 3 ) 电涡流缓速器的磁场分析运用有限元软件a n s y s 的电磁模块对电涡 流缓速器的磁场进行了分析。在静态情况下，分析了励磁电流、气隙、非线性材 料对磁场的影响。 第1 章绪论 ( 4 ) 电涡流缓速器的温度分析运用有限元软件a n s y s 的热模块对电涡流 缓速器的散热进行了分析。在紧急制动和缓行制动的情况下，电涡流缓速器的温 度升高。并分析温升带来的热膨胀对气隙的影响和热应力对强度的影响。 ( 5 ) 电涡流缓速器关键部件的强度分析对受复杂载荷的电涡流缓速器关键 零部件一转子盘进行应力分析，其几何模型与实际情况符合。铪出了在制动力拒 载荷、速度载荷、温度载荷等不同情况下的转子盘应力分布。 北京工业大学工学硕士学位论文 曼兰詈詈曩置皇皇鲁詈! 皇i , , i i 量量皇詈舅曼曼皇曹鼍詈曼皇皇寡曼詈墨皇 第2 章电涡流缓速器 2 1 车辆制动器及相关法规 2 1 1 车辆制动器 车辆自诞生时起，制动系统在车辆的安全方面就扮演着至关重要的角色。最 原始的制动控制只是驾驶员操纵一组简单的机械装置向制动器施加作用力，这时 的车辆质量比较小，速度比较低，机械制动足以满足车辆制动的需要。近年来， 随着车辆技术的进步和汽车行驶速度的提高，制动变的越来越重要。现在车辆的 平均行驶速度一般都能达到原来的2 倍或更多，这就意味着在同样的制动条件 下、同样的时间内，现在车辆的制动器要产生更多的热量，要承受更大的热负荷， 而在道路通行情况差的城市( 如北京、上海、广州等) ，虽然车辆行驶的速度没 有很大提高甚至育些下降，但是车辆制动器工作的更加频繁，制动器发热更严重。 现在的车辆制动器虽经多方改进，其制动性能最多也仅比原来提高1 2 倍【l ”。面 临的现实是：现在城市公交车辆的制动安全性能没有提升，反而大大有所降低。 通过对城市公交车辆在行驶中运用制动的强度和次数进行统计分析，统计发现使 用最为频繁的制动方式是低强度制动，即所谓“点刹”( 见图2 1 ) 。车辆在刹车 时，会做减速运动。制动强度越高，减速度就越大。我们把减速度在0 ，2 - 1 2 m s 2 的车辆制动称为低强度制动，把减速度在1 2 3 m s 2 的车辆制动称为正常制动， 把减速度在3 m s 2 以上的车辆制动称为紧急制动。图中表明，城市车辆在行驶中 使用低强度制动的比例占了8 5 。越是繁华的闹市，这一比例就越高，车轮制动 器的温升也越高。城市公共交通这一特殊的使用工况使得公交车辆的制动器越来 越不堪重负，制动热衰退、制动片快速磨损、制动轮毂损坏、轮胎热爆裂等矛盾 时刻困扰着公交公司。 行驶于矿山或山区公路上的车辆，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速度，常对汽车进行持续制动。垮由势能转化成的那一部分 动能再转化成热能而散发掉，从而使汽车速度稳定在某个安全值以下。在这些情 况下，造成行车制动器的负荷很大，而且，长时间的制动会使制动器产生大量热 量，引起过热现象，从而导致摩擦系数降低，使制动效能下降，这对行驶中的车 辆是十分危险的，可能发生制动失效而酿成重大事故。 2 0 1 0 0 l 2 3 45r f p 制动制动一 图2 - 1 车辆减速度与刹车次数关系图 f i g 2 - 11 1 mr e l a t i o n s h i pb e t w e e nv e h i c l ed e c e l e r a t i o na n db r a k i n gf r e q u e n c y 例如：我国滇南地区的“元江坡”长度达4 0 k i n ，平均坡度为8 ，车辆由坡 顶下行至坡底需低速行驶约2 小时。由于制动时间长，刹车片积累的热量多，摩 擦系数降低和衬面磨损加剧，制动能力下降，使得用摩擦制动的刹车装置极难控 制。因此，运行过程中须以水管连续囱制动鼓淋水降温，否则会因制动鼓过热而 丧失制动能力，造成重大灾难性事故【1 8 1 。 分析现有车轮制动器存在各种问题的原因，最重要的一点，就是高温积累。 道路试验表明，经过一定次数的制动，轮毂内表面的温度就高达5 8 0 c ，轮毂和 轮胎胎肩部位的温度分别达到2 5 0 。c 和1 7 0 1 c 。在高温作用下，制动片摩擦系数 将大幅度下降，而摩擦片的磨损率将急剧上升。我们知道，摩擦片是由几种不同 成分粉末状的摩擦材料与粘接剂混合压制而成的。在正常制动时，摩擦产生的高 温会使摩擦片的表面材料发生变异，并被磨掉极薄的表层。如果在单位时间内使 用制动的次数较少时，制动产生的热量有足够的时间进行散发，摩擦片基体的材 料性质不会发生变化，因而能够保持正常的使用性能。如果制动使用过于频繁， 制动产生的热量来不及散发，使得车轮制动器的温度始终保持在数百度的高温状 态。摩擦片在高温持续侵袭下，从表层到内部的材料产生了不同程度的变异，特 别是粘接剂的有效成分大量挥发、碳化，以致基体的材料发生崩溃，失去机械强 度，变得十分疏松。这时摩擦片不仅失去了应有的摩擦系数，而且会迅速磨损， 从而使制动性能劣化( 见图2 2 ) 。 北京工业大学工学硕士学位论文 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 05 01 0 01 8 02 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 温度( 0 0 1 图2 - 2 温度与摩擦系数和磨损率的关系 f i g 2 - 2t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt e m p e r a t u r ea n df r i c t i o nc o e f f i c i e n t , w e a l r a t e 从以上分析可以看出，要使车轮制动器保持正常的制动性能和使用寿命，关 键要控制制动器的温度，使之不至于上升到危害摩擦片的程度。多年来人们对于 车辆制动性能的改进，大多是围绕车轮制动器来进行的，如加宽制动鼓和摩擦片 的尺寸，改变摩擦材料配方等，但这些都不能从根本上解决问题。因为能量是守 恒的，制动器作为一种将动能转化为热能的特定装置，其产生热量的多少与制动 负荷是密切相关的。现有的车轮制动器，由于受空间尺寸的限制，其散热能力有 限，在频繁制动或者持续制动的条件下会出现高温积累。因此，对常在山区公路 上行驶的大型客货车以及一些要求制动距离短、反应灵敏迅速的特种车辆而言， 为保证具有良好的制动性能，除行车制动器外，还应装备辅助制动器，将车轮制 动器的负荷进行分流，使车轮制动器温度控制在安全范围内。 2 1 2 有关辅助制动器的法规 现在许多国家的交通法规已将辅助制动装置作为车辆的必备系统。如德国的 交通法规就明文规定：总质量在5 5 吨以上的客车和9 吨以上的载重汽车，必须 装有辅助制动装置。在北欧、美国语部、日本等多山地丘陵地区，许多公共汽车、 工程用车、重型运输汽车上都装备了液力缓速制动器。在瑞士也有类似德i 雪的法 规：总质量超过3 5 吨的牵引车以及总质量8 吨以上的载重车必须安装辅助制动 系统。2 0 0 2 年6 月lj 交通部颁布了实施中华人民共和国交通行业标准j t t 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置辅助制动系统。 一毋一碍帑避 6 5 4 r 、3 2 1 0 0 o 0 一扯o 0 0 罨毫描臀莽瓣峨鲛避 第2 章电涡流缓速器 2 2 电涡流缓速器的结构及工作原理 缓速器是一种辅助刹车系统，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，其作用原理与传统制动方式不同。现代缓速器主要有液 力缓速器l l 卅和电涡流缓速器，这两种缓速器虽然结构形式、安装方式、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，提高车辆的 制动性能。 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。 2 2 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是由定子、转子及固定架! 孛部件组成【2 0 i 1 2 1 1 。 如图2 3 所示，电涡流缓速器定子上一般有八个( 也有六个的) 高导磁材料制 成的铁心2 ，呈圆周均匀地分布在固定架6 ：。八个励磁线圈3 套于铁心上，共 同构成磁极。圆局上相邻两个磁极串联成一对磁极，这样磁极n 、s 相问，共形 成四对n 、s 相间的磁极。 转予通常由前转子盘、后转子盘l 和转子轴4 构成。前后转子盘均为圆盘状， 用导磁性能良好的铁磁材料制成，一般厚度为2 0 r a m 左右。不过，为了及时将涡 流产生的热量散发掉，转子盘上通常都铸有散热叶片和通风气道，而且为了更好 产生空气流动，转子盘不是板状的，其中心会凹陷下去，可参阅第三章的转子盘 图。转子通过法兰盘联结在传动轴突缘上，可随传动轴自由转动。前后转子盘和 定予磁极间保持有极小的均匀的气隙7 ，其值一般在0 7 融2 7 0 m m 范围内变动。 电涡流缓速器的定子一般是通过固定架安装于车架上( 或变速器的后端外 壳，或驱动桥的主减速器外壳上) ，两者呈刚性连接，即相对车架而言，定子是 固定不动的。 北京工业大学工学硕士学位论文 图2 - 3电涡流缓速器的结构示意图 卜转子盘2 一铁心3 - 激励线圈4 一转子轴5 一轴承6 一固定架7 一气隙8 一接线柱 f i g 2 - 3t h ee d d yc u r r e n tb r a k ec o n s t r u c t i o ns k e t c hm a p 1 - p l m e2 - i r o nc o r e3 - e x c i t i n gc o i l4 - r o t o rs h a r 5 - s h a f tb e a r i n g6 - s t a t i o n a r yb a r r i e r7 - a i rs p a c e8 - c o n n e c t o r 2 2 2 电涡流缓速器的电控装置部分 电涡流缓速器的电控装置部分一般是由控制器、驱动器、励磁线圈、车速信 号传感器、制动压力信号传感器等组成f 2 2 1 23 1 。电流控制示意图如图2 4 所示。 电涡流缓速器控制器是装于驾驶室仪表板上的，其上有缓速器用于当前励磁 电流工作状态的显示，还有按钮可进行手动励磁或自动励磁的切换操作。 驱动器是缓速器的中央控制器，也是励磁线圈的功率驱动模块，它根据控制 器的操作信号，车速信号及制动气压等工况输入信号，自动调节和控制各对磁极 的励磁电流大小，并进行自动切换。 励磁线圈是电涡流缓速器的执行部分，它直接控制所产生磁场的强弱，能根 据当时车速的高低，在传动轴上自动产生于车速成比例的，合适的阻力矩，迫使 车辆迅速制动减速。 车速传感器信号实际上产生零速开关信号，通过驱动器的控制，使得当车辆 被制动静止时，自动切断缓速器的励磁电流，避免驾驶员在车停后仍踩在制动踏 板，造成仍向缓速器励磁线圈供电，浪费及损坏线圈。 第2 章电涡流缓速鞋 制动压力传感器属于线性传感器，它产生的电信号反映了制动压力的线性变 化大小，并向驱动器传输，以控制缓速器的励磁电流的量值大小，宏观上实现了 缓速器的减速制动力矩随制动压力值作比例变化。 控制盒 车速传感器信号卜一 卜 脉冲振荡源 l ，电磁线圈 厂i 蓖疆n 手动开关信号l + 功率元件 _ 叫指示灯 蓄电池 图2 - 4 缓速器励磁电流控制示意图 f i g 2 4t h er e t a r d e re x c i t a t i o nc u r r e n t - c o n t r o l l e ds k e t c hm a p 2 2 3 电涡流缓速器的工作原理 电涡流缓速器是一个减速装置，将车辆的动能转化为热能消耗掉，来实现车 辆的减速和制动。+ 电涡流缓速器制动力矩的产生具体过程这样：当驾驶员接通缓速器的控制手 柄( 或踩下制动踏板) 开关进行减速或制动时，电涡流缓速器的励磁线圈自动通以 直流电流而励磁，产生的磁场在定子磁极、气隙和前后转子盘之间构成回路，如 图2 5 所示。磁极磁通量的大小与励磁线圈的匝数以及所通过的电流大小有关， 另外转子盘和铁心的材料也影响磁场的分布。这时在旋转的转子盘上，其内部无 数个闭合导线所包围的面积内的磁通量就发生变化( 或者说其内部无数个闭合导 线就切割励磁线圈所产生的磁力线) ，从而在转子盘内部产生无数涡旋状的感应 电流，即涡电流( 简称涡流) ，如图2 7 所示。在转子盘内会因为磁通的减少或增 加而产生两种方向相反的涡流。一旦涡电流产生后，磁场就会对这些涡流产生力 的作用，即阻止转子盘转动的力( 制动力) ，阻力的方向可由弗点明( f l e m i n ) 左手 法则来判断。阻力的合力沿转子盘周向形成与其旋转方向相反的制动力矩，如图 2 6 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 上的叶片产生的强劲风力将热量迅速散发出去。 北京工业大学工学硕士学位论文 旋转方向 励磁线圈铁心 气隙 转子盘 磁极 图2 - 5 电涡流缓速器的磁场 f i g 2 _ 5t h ee d d yc u r l t n tb r a k em a g n e t i cf i e l d 圈2 - 6 电涡流缓速器制动力矩的产生示意图 f i g 2 6t h ee d d ye r a r e n tb r a k et o r q u es k e t c hm a p 1 2 矩 磁力线 第2 章电涡流缓速器 图2 - 7 电涡流缓速器中的涡流 f i g 2 - 7t h ee d d yc u r r e n tb r a k e sf l o wc u r r e n t 图2 8 是某电涡流缓速器在不同档位上的制动力矩与转速的特性曲线。电 涡流缓速器常常采用通过控制励磁电流的大小来控制输出的制动力矩大小。从特 性曲线上可以看出力矩随转速增加而迅速增大，达到一定转速时有极大值，而后 由于涡流去磁效应影响，随着转速增加制动力矩略有下降。 01 0 0 02 0 0 03 0 0 0 p 转速( r r a i n ) + t 图2 - 8 各档制动力矩与转速的特性曲线 f i g 2 8t h ec h a r a c t e r i s t i cc u r v eb e t w e e nr e t a r d i n gt o r q u ea n dr o t a t i o n a ls p e e d 0 0 0 抛 州 m 跏 枷 一目n)裂r垦世 北京工业大学工学硕士学位论文 2 3 电涡流缓速器的性能特点及使用效果 2 3 1 性能特点 电涡流缓速器利用电磁场原理工作，本身没有机械磨损其优越性能比较突 出阱】。 ( 1 ) 制动效能高试验检测其制动功率为励磁功率的5 0 8 0 倍，其最大制 动转矩可达到3 0 0 0 n m 。在行车制动过程中电涡流缓速器产生的制动力矩占总制 动力拒的3 0 9 0 。特别是在常用速度范围内，其制动力拒比例达5 0 以上。 t v 曲线如图2 - 9 所示，图中t 。，t ：，l 分别为制动器、电涡流缓速器及两者合成 的制动扭矩。 ( 2 ) 故障率低、可靠性好电涡流缓速器本身没有机械磨损，散热良好，平 均故障时间达1 5 8 0 0 小时。缓速器定子线圈的标定温度为1 3 0 c ，b 级绝缘，实 际工作温度7 0 左右。 ( 3 ) 制动响应快，操作性能好相对于机械制动器，电信号控制和电磁场工 作的响应更快。在撵作上，与制动踏板联动，司机只需要踩下制动踏板，电涡流 缓速器即先于机械铂动器起作用，自动发挥作用。 啊璃扭 熟t _ 一- _ _ 一 t 3 。 ， ， ，、 、 l t 1 l a n sa d m i n ，在弹出的c o n f i g u r a t i o no p t i o n s 对话框中选择c o n f i g u r e 北京工业大学工学硕士学位论立 图5 - 1a n s y s 与p r o e 的连接1图5 - 2a n s y s 与p r o ，e 的连接2 f i g ，5 1a n s y s c o n n e c t i o nw i t hp r o ，e 】f i g 5 2a n s y s c o n r l e c t i o ow i t hp r o e2 c o n n e c t i o nf o rp r o e ( 如图5 一1 ) ，到最后需要确定p r o e 的安装路径：c ：p r o g r a m f i l e s p r o e 2 0 0 1 ( 如图5 2 ) 。另外还需要注意的是p r o e 2 0 0 1 下的 p r o e 2 0 0 l k i 4 8 6n t n m s d 要替换为版本信息为2 4 0 2 0 0 3 4 5 0 的n m s d l 4 ”。 导入到a n s y s 8 0 的转子盘几何模型如图5 - 4 所示。 图5 - 3p r 0 e 中转f 盘的模型 图5 - 4a n s y s 中转子盘的模型 f i g 5 - 3t h ep l a t em o d e li np r o e f i g ，5 4t h ep l a t em o d e li na n s y s 由于p r o e 几何模型导入到a n s y s 后，被处理成一个整体，而在后续的加 载中，转予盘的各部分加载不同，因此需要对其进行切割，模型被切成三部分。转 子盘工作层的盘片一部分，转子盘的散热片一部分，转子盘内圈和肋一部分。 转子盘的材料属性：密度为7 8 0 0 k g m 3 ，比热c 为4 7 0 j k g k ，热传导率k x x 为4 2 w m k 。 选择热单元s o l i d 7 0 ，单元有8 节点，只有一个自由度( t e m p e r a t u r e ) ，即能用 于稳态热分析也能用于瞬态热分析。由于每个节点只有一个自由度，计算不是很 耗时。 为了对凡何模型进行合理的网格划分，要对关键的线段进行尺寸控制。划分 两格后共产生1 0 9 9 0 0 个单元，3 0 6 4 6 个节点，其有限元模型如图5 - 5 所示。 第5 章电涡流缓速器的温度分析 图5 5 转子盘有限元模型 f i g 5 5t h ep l a t em f i n 沁e l e m e mm o d e l 5 。4 2 约束条件和载荷的确定 设定配有瑞立集团r z 2 8 型号电涡流缓速器的某车辆总重量为1 0 吨，车轮半 径r 为0 5 m 。r z 2 8 缓速器装配在传动轴之间，主减速器的传动比i 为5 8 3 3 ， 某次运动过程为：完全用电涡流缓速器使车速从1 2 0 1 m h 减速到3 0 k m h ，然后 汽车以3 0 k m h 的速度匀速行驶5 分钟。外界环境温度为o c ，分析这个过程转 子盘的温度变化情况。 取转子盘平均温度为2 0 0 。c ，所以特征温度= 妄( o + 2 0 0 ) = 1 0 0 。据此查 得空气的物性为h 3 1 ：以= 3 2 1 x 1 0 2 w j ( m _ | ) 心= 2 3 1 3 x l o - 6 m 2 i s ，p r m = 0 6 8 8 。 5 4 2 1 生热率载荷的确定 车速为1 2 0 k m h 时，对应的转子盘转速： 玮：坚烘1 2 而0 x 1 0 3x 6 0 x 5 8 3 3 。3 7 1 5 ( 湘) 3 6 0 0 2 石，3 6 0 0 2 石o 5 、7 同理可以计算在车速为1 2 0 k m h 时，对应的转子盘转速= 9 2 9 ( r m ) 根据前文提出的制动力矩计算方法，可以算得转子盘在转速分别为3 7 1 5 ( r ) 和9 2 9 ( r m ) 时的制动功率分别为4 3 8 x 1 0 5 ( w ) 和1 3 7 x 1 0 5 ( w ) 。从前文还可以看 到制动过程中，制动功率近似呈线性变化，所以可以以平均功率计算在车速从 1 2 0 k m h 减速到3 0 l ( i n h 大约耗时t = 瓦聂面0 夏5 2 i l x t l 0 万7 i 万“1 8 ( s ) 。 o 5 ( 4 3 8 十1 3 7 、1 0 5 一r 生热率为单位时间单位体积产生得热量( 能量) 。对电涡流缓速器转子盘来说 即为单位体积消耗的涡流功率，其大小为卫，其中p 为制动功率，v 为转子盘的 体积。可以通过a n s y s 的计算功能直接可以计算得到，其大小为o 3 0 2 x 1 0 。m 3 。 所以，在车渺i 2 0 蛔h 时，对应的生点淬为詈黧鬻, a , 7 3 x 1 0 7 ( w 脯) 在车速为3 0 k m h ，对应的生热率为杀；j 翥譬爷a , 2 3 x 1 0 7 ( w ，m 3 ) 5 4 2 2 对流载荷的确定 转子盘转动的时候。空气在肋和散热片之问流动，转子盘通过空气的流动( 对 流) 而得到散热。这种散热可以判定为管槽内强制对流换热，其雷诺数为： r 。= 一u d ( 5 1 2 ) v “ 式中u 一空气流动速度 设定空气流动是一维的 4 6 1 ，绝对速度是径向的，还满足”无冲击条件”， 可参看图5 - 6 所示，按速度三角形所示，可以得到“= o p r t g ( c ) 。其中b 可以由转 子盘肋的斜率计算，结果为4 8 7 度，a 可以由入口的位置计算得到，结果为9 3 度，所以c 为3 9 2 度。 以车速为3 0 k m h 来计算入口处的风速： “= a ) r t g ( c ) = 百9 2 9 。2 “r 。下0 3 2 4 t g ( 3 9 2 ) “1 2 8 沏s ) d 为当量直径肺j ，d = 导，其中九为通道的流动截面积，p 为流体湿润的流 道周长，即湿周。相关参数可以直接通过a n s y s 计算得到。 d = 4 _ xf ( 0 _ 4 i 6 百x i l 0 - 1 x i 0 泛2 0 x j l 0 - t 一) = 0 0 2 8 ( 州) 2 f o 4 6 4 - 0 2 1 0 - 1 7 所以雷诺帆= 等= 慧等= 1 5 5 x 1 0 4 0 4 为紊流换热，其换热实验关联式为： 乙= o 0 2 3 r 。, 。8 f 二。4 q 第5 章电涡流缓速器的温度分析 其中q 为考虑入口段对表面传热系数影响的入口效应修正系数。对，d ( 6 0 图5 - 6 转于盘入1 3 处风速计算示意图 f i g 5 6t h ea i rs p e e dc a l c u l a t i o ns k e t c hm a pi np l a t ee n t r y 的短管必须用修正系数毛考虑入口段对h 的影响，公式为q = l + ( d 1 ) ”，所以 n ：k d , n 曷= l + ( d 1 ) ”= 1 + ( o 0 2 8 ( 0 5 1 8 0 3 8 4 ) ) 0 7 。1 3 3 为考虑边界层内温度分布对表面传热系数影响的温度修正系数，对气体被 燃的情况其公式擗( 玎5 ，所以将盘的删嘲黑广”她，4 转子盘的表面传热系数 = 尝 所以： 虬。= 0 0 2 3 如o8 巴o4 毛t = 0 0 2 3 x ( 1 5 5 x 1 0 4 ) o8 x o 6 8 8 “x 1 3 3 x 0 7 4