（车辆工程专业论文）电涡流缓速器在汽车制动中的控制研究.pdf

摘要 电涡流缓速器是独立于车辆主制动系统和驻车制动系统以外的一个重要的 辅助持续制动装置，对于在山区公路上使用的商用车是不可缺少的。电涡流缓速 器能够承担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。 本文首先对目前我国的道路状况进行分析，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、安装方式、使用性能等方面进行了阐述。为方 便驾驶员在下连续长坡时的操作，减少疲劳，提高行驶安全性，文中提出了用电 涡流缓速器制动时的智能化控制方案，并运用p r o t e l9 9s e 软件对智能控制系统 的实现进行了设计。最后，文中提出了该控制系统在大客车底盘综合试验台上的 试验方案。 论文工作为下一步的产品开发打下基础。 关键词：电涡流缓速器；制动装置；智能控制；电路板设计；试验 a b s t r a c t e l e c t r i c a le d d yc u r r e n tr e t a r d e ri sa ni m p o r t a n ta s s i s t a n tc o n t i n u o u sb r a k i n g d e v i c e ，w h i c hi ss e l f - e x i s t e n tt om a j nb r a k i n gs y s t e ma n dp a r k i n gb r a k i n gs y s t e m ，i ti s m d i s p e n s a b l et ot h ec o m m e r c i a lv e h i c l er u n n i n go i lt h em o u n t a i nm a d e l e c t r i c a l e d d yc u r r e n tr e t a r d e r 锄t a k eo n5 0 - 9 0p e r c e n tb r a k i n gw o r k , w h i c hc o o lt h ew h e e l c l u t c hg r e a t l y , t h e r e b y , e l e c t r i c a le d d yc u r r e n tr e t a r d e r 锄k e e pw h e e lb r a k i n gs y s t e m i no r d e rt ow o r k b e s i d e ，u s i n ge l e c t r i c a le d d yc u r r e n tb r a k ea l s oc a nm a k et h ev e h i c l e r u nm o r es m o o t h l ya n dd e c r e a s et h en o i s e e f f e c t i v e l yw h i l eb r a k i n g , t h ep a p e ra n a l y z e st h ep r e s e n ts t a t u so fo u tc o u n t r ym a d f i r s t l yf i n d so u tt h e n e c e s s i t y o f u s i n g t h er e t a r d e r , e x p o u n d s t h es t r u c t u r e 、o p e r a t i n g p r i n c i p l e 、i n s t a l l a t i o n a n dt h es e r v i c ep e r f o r m a n c eo fe l e c t r i c a le d d yc u r r e n tr e t a r d e r i no r d e rt om a k e o p e r a t i o nc o n v e n i e n t , l e s s e nw e a r ya n dr a s i es a f e t yo nt h ec o n t i n u o u sd o w n h i l lr o a d , t h es t u d yp u t sf o r w a r di n t e l l i g e n tc o n t r o lm e t h o do nc o n t i n i l o u sb r a k i n gs y s t e mo ft h e e l e c t r i c a le d d yc u r r e n tr e t a r d e r , a n dd e s i g n si n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mb a s 吨o n p r o t e l9 9s e a tl a s t , t h et h e s i sb r i n g sf o r w a r dt e s t i n gm e t h o do nt h ea l l - a r o u n dt e s t b e do fc o a c h - b u sc h a s i s t h es t u d yl a y saf o u n d a t i o no fp r o d u c t sd e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：e l e c t r i c a le d d yc u r r e n tr e t a r d e r ；b r a k i n gd e v i c e ；i n t e l l i g e n t c o n t r o l ；c i r c u i tb o a r d ；t e s t 论支缴钏性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：焦、a 牧争一簿j 月驴日 论支知识产仅仅属声。月 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 玲t 年s 黾| f 日 ? 。年谮。日 第一章绪论 1 - 1 汽车的制动性能及其评价指标 汽车行驶时，能在短距离内迅速停车且维持行驶方向的稳定性和在下长坡时 能维持一定车速，以及在坡道上长时间保持停驻的能力称为汽车的制动性。汽车 制动性能直接关系着汽车的行驶安全。只有在保证行车安全的前提下才能充分的 发挥汽车的其他使用性能，诸如提高汽车车速、汽车的机动性能等。汽车的制动 性不仅取决于制动系的性能，还与汽车的行驶性能、轮胎的机械特性、道路的附 着条件以及制动操作有关的人体特征有密切关系【n 。 汽车的制动性能主要由制动效能、制动抗热衰退性和制动时汽车的方向稳定 性三个方面来评价 2 1 1 3 。下面就这三个方面分别加以介绍。 i 制动效能 制动效能是指汽车迅速降低行驶速度直至停车的能力，是制动性能最基本的 评价指标。它通过制动力、制动减速度、制动距离和制动时间几个参数来评定。 ( 1 ) 制动力 为使行驶中的汽车减速或停车，必须由路面对汽车产生一个与其行驶方向相 反的作用力，这个外力就是汽车制动力。对于一定质量的汽车来说，制动力越大 制动减速度越大，制动距离越短。所以制动力是从本质上评价汽车制动性能的参 数，制动力对汽车的制动性能具有决定性的影响。 ( 2 ) 制动减速度 制动减速度反映了制动时汽车速度降低的快慢。对某特定的汽车而言，其 质量一定，能产生的制动力也是一定的，因此制动减速度是一个确定值，制动初 速度对减速度的影响不大。制动减速度是一个整车性能参数，可以反映汽车的整 体减速过程，但它反映不出各轮的制动力大小及分配情况，要全面反映制动性能 时，应将制动减速度与制动力、制动跑偏、制动协调时间等参数综合考虑。一般 情况下，制动减速度可用速度分析仪、制动减速度仪等设备测量并计算其平均值。 ( 3 ) 制动距离 制动距离是指车辆在规定的初速度下急踩制动时，从脚接触制动踏板( 或手 触动制动手柄) 时起至车辆停住车辆驶过的距离。它包括了制动协调时间和以最 大减速度持续制动时间内汽车驶过的距离。它是评价汽车制动性能最直观的一个 参数，与汽车实际运行的制动情况最接近。驾驶员对一部汽车的制动性能往往也 是通过制动距离来获得直观认识的。制动距离不等于车轮在路面上拖压印的长 度，因为制动距离中包含有制动协调时间内汽车驶过的距离，此段时间车轮尚未 拖压印。制动距离与制动踏板力即制动系中的液压或气压有关，故给出制动距离 时应指明相应的踏板力或制动系中的压力。 ( 4 ) 制动时间 制动时间指制动过程所经历的时间，它很少作为单纯的评价指标。但是作为 分析制动过程和评价制动效能时又是不可缺少的参数。如对于同一型号的两辆汽 车产生同样制动力所经历的时间不同，则两辆汽车的制动距离就可能相差较大， 对行驶安全将产生不同效果。因此通常把制动时间作为一辅助的评价指标。 2 制动抗热衰退性 汽车制动抗热衰退性能“1 是指汽车高速制动、短时间重复制动或下长坡连续 制动时制动效能的热稳定性。因为制动过程实质是把汽车的动能通过制动器吸收 转化为热能，制动过程中制动器温度不断升高，制动器摩擦系数下降，制动器摩 擦力矩减小，从而使制动能力降低，这种现象成热衰退现象。因此，可以用制动 器处于热状态时能否保持冷状态时的制动效能来评价汽车制动抗热衰退性能。制 动抗热衰退性是衡量制动效能恒定性的一个指标。 3 制动稳定性 制动稳定性【1 】【4 】是指制动时汽车的方向稳定性。通常用制动时汽车按给定轨 迹行驶的能力来评价，即汽车制动时维持直线行驶或预定弯道行驶的能力。制动 稳定性良好的汽车在实验时一定宽度的试验通道上不会产生不可控制的偏离。制 动稳定性可以通过在测量制动力时得到的每轴两轮平衡动力差来体现。 一般情况下，汽车是将摩擦制动作为汽车的主要制动方式。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。这种制动方式结构比较简单，制动时比较灵敏，但是使用一段时间后， 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上的长时间行 驶。因为此时制动摩擦产生的能量很大，又不能得到及时的散发，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、甚至烧坏，从而导致 制动蹄块摩擦因数降低或使制动失效。这对行驶中的汽车是十分有害和危险的， 并可能酿成重大事故。因此，在大型车辆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。本论文就是针对辅助制动系统中的电涡流缓速器在汽车 行驶中的分析和应用。 1 2 我国汽车使用缓速器的重要性 在我国总面积9 6 0 万平方公里的土地上，山区面积( 包括山地、丘陵、比较 崎岖的高原) 约占2 1 3 ，平原面积只占1 1 0 多一点，形成了多山的地形特色。 在交通方面，山区道路占相当大的比例。近十余年来，祖国公路建设飞速发展， 取得了令人瞩目的成就，汽车行驶环境得到了极大的改善，山区道路状况也有相 应改观。但综观山区汽车运输环境总的状况，我国山区道路等级不高，以三、四 级低等级路为主，道路崎岖复杂，山高路陡，坡长弯多。以陕西秦岭山脉大岭北 坡2 1 0 国道为例，坡长3 3 k m ，以5 6 坡度为主，最大纵坡达8 9 。我国闽 赣、云贵、川陕地区比以上条件更为苛刻的道路不乏其例。 汽车在山区路段行驶时，制动器过热会导致制动蹄片加速磨损，制动器热衰 退甚至使汽车完全丧失制动力，严重危及人身安全。尤其是大型车辆，由于质量 大，车轮制动器要消耗掉更大的运动能量，以上问题尤其严重。经常可以见到一 些汽车因制动鼓过热下不了山的情况，司机喜欢采用喷水法给制动鼓降温。喷水 法虽然是一种解决汽车下山制动问题的简洁手段，但是，却避免不了较长时间持 续制动引起的制动蹄片快速磨损问题，更避免不了冷却不均匀使局部热应力过大 引起的制动鼓损坏，冬季冷却水流到地面还会造成后续车辆的安全事故。 配合传统的摩擦式车轮制动器制动，人们利用发动机制动以及排气制动提 高车辆的持续制动性能。但是，在超过6 或7 的坡道上，用发动机制动和排气 制动形不成安全的稳定车速。而缓速器制动却能很好的满足大坡度持续制动的要 求。采用缓速器和发动机制动或缓速器和排气制动的联合使用方案，汽车在任何 坡道上均能获得满足安全行驶要求的稳定车速。 1 3 缓速器国内外研究现状 缓速器又称缓行器，是利用电磁感应理论和楞次定律，使安装在传动轴上的 转子产生电涡流，给传动轴的转动施加一个制动阻力矩而实现车辆平稳减速，提 高车辆行驶安全性、舒适性的装置，缓速器的控制方式包括手柄、踏板、混合控 制以及其他控制方式。最早出现的缓速器只是应用在火车上。后来，西欧地区有 些多山的国家开始将缓速器应用于汽车列车上，发现了其具有良好的辅助制动效 果，并将缓速器的使用推广到了山区行驶的重型货车和大中型客车及高速公路 上。现在，缓速器在欧、美、日等国家的大中型客车和载重货车上已随处可见。 并且，电涡流缓速器已成为奔驰、沃尔沃、斯堪尼亚等世界知名汽车的标准配备， 广泛用于公交客车、豪华客车、载货车等车辆上。在我国，有一些客车厂家( 例 如郑州宇通、江苏亚星、厦门金龙、苏州金龙等) 也已经在一些新产品上开始安 装。 随着缓速器在各国的推广使用，专业生产缓速器的公司也发展起来。目前外 国知名的缓速器制造公司有：法国的t e l m a 公司、日本的t b k 公司、德国 f r e n e l s a 公司、日本三菱公司和住友公司等等。这几家公司从6 0 年代就开始 研制，目前他们的技术比较成熟，且形成了系列产品，适用车型也很广泛。 ( 醣乐玛缓速罂a x i a l 系列 国) 泰乐玛缓速器f o c a l 系列( 蠛乐玛缓速器i - p d r a l 系列 ( d ) 寨乐玛缓速器c c 系列 图i - it e l m a 电涡流缓速器结构 图1 - 1 为著名的法国t c l m a 电涡流缓速器的几种产品的结构图，图( a ) 为泰乐 玛缓速器a x i a l 系列：图( b ) 为泰乐玛缓速器f o c a l 系列；图( c ) 为泰乐玛缓速 器h y d r a l 系列；图( d ) 为泰乐玛缓速器c c 系列。由图可见缓速器主要有转子 和定子两部分组成。定子部分包括：线圈、铁芯、定子本体。转予部分为带散热 4 叶片的金属转盘。 近几年来，我国有许多企业正在开发研制电涡流缓速器技术，他们吸收国外 先进技术，并根据中国车辆特点加以改进，在我国多种客车上已成功地安装和使 用，解决了国内需求中低端产品的问题，同时也替代了一些进口产品，具有独立 知识产权。现在，我国出现的缓速器生产厂家，例如：图1 2 深圳冠业电子有限 公司( 生产电涡流缓速器) 、浙江嘉兴纽曼机械有限公司( 生产电涡流缓速器) 、 图1 3 江苏南通三泰铸造有限公司( 生产电涡流缓速器) 、图1 4 广州市科奥机 电有限公司( 图a 生产电涡流缓速器和图b 永磁缓速器) 、广州市瓯特玛电涡流 科技有限公司等。这几家公司的产品有的形成了系列，已经应用在部分国产汽车 匕。 图1 - 2 深圳冠业电子有限公司 生产的电涡流缓速器 图ak a d 系列电涡流缓速器 图1 - 3 江苏南通三泰铸造有限公司 生产的电涡流缓速器 图b k a y 系列永磁缓速器 图1 - 4 广州市科奥机电有限公司 1 4 本论文的研究意义 现代汽车的发展方向是高速、安全、环保、舒适，辅助制动器将会是行车安 全必不可少的标准配置。电涡流缓速制动器作为辅助制动器的一种，安装在山区 和城市的运行车辆上有显著的制动效果。国家交通部和建设部颁布的交通法规中 对汽车安装电涡流缓速制动器作了明确要求，建设部还将此作为推广应用技术， 然而电涡流缓速制动器在我国研制、生产和应用处于起步阶段。 缓速器适用于中、重型载重车的辅助制动系统，尤其适用于巴士客车高速行 驶的减速制动。目前国产汽车已达年产3 5 0 万辆以上( 不含其他车辆) ，其中可 装上电磁缓速机总重9 吨以上的中、重型汽车年产量2 0 0 万辆以上，由于这一项 目属于技术含量较高，属高科技、高新技术领域，国际上单价约5 _ _ 6 万元人民 币，因此，该产品适用于总重1 5 吨以上，价格较高的重型车和高档豪华型客车，这 部分车约占中、重型车产量的3 2 左右。随着它的普及，将逐步推广向中型货车、 普通客车与小型轿车、中型面包车方面扩展，预测国内市场对该产品的年需求量 约在1 5 0 万台以上，由此可以看出，市场潜力大，市场广阔、拓展前景可观。 纵观我国经济增长稳定、健康发展大好局面，国民生活水平有了显著的提高， 经济的发展、社会的进步，必将促进汽车工业的发展。汽车工业的发展，也决定 了对缓速器的迫切需求不断增大，自然顺延了该项目的生命周期。我国入世以后， 汽车市场的竞争必将更趋于激烈，而缓速器以其先进、优越的安全的物理性能优 于其它制动，此等优越条件亦决定了该项目的周期将持续不息。所以本论文对缓 速器的智能控制就有很大的研究意义。 1 5 本论文研究的主要内容和任务 1 本论文的主要内容是： ( 1 ) 对汽车辅助制动作了比较详细的介绍； ( 2 ) 对电涡流缓速器在汽车上安装方式的介绍，以及电涡流缓速器的输出制 动扭矩的计算和影响输出制动扭矩的参数进行了分析； ( 3 ) 对电涡流缓速器在汽车上使用过程中的智能控制原理介绍及其智能控制 系统的设计； ( 4 ) 对电涡流缓速器在大客车底盘综合试验台上的试验方案设计。 2 本论文的主要任务是设计电涡流缓速器在汽车制动过程中的智能控制， 使其可以实现以下功能： ( 1 ) 在平直道路，当前面有车辆行驶时，智能控制系统会自动的判断，使两 车之间处于安全行驶状态； ( 2 ) 在长距离的下坡途中，通过对采集到的坡度信号和速度信号进行判断， 实现对缓速器的智能控制，达到下坡稳定车速，自动满足公路下坡行驶要求的操 作方案，指导驾驶员正确使用缓速器下坡。 7 第二章缓速器的介绍 2 1 缓速器的发展历史 缓速器的历史可以追溯到3 0 年代，当时，德国、法国等西欧一些国家为了 解决火车列车下长坡制动问题，首先在火车上使用了这种装置。因为火车列车质 量大，短距离制动减速困难，为了提高火车的制动能力，人们研制了最早型式的 缓速器。后来，西欧地区多山国家开始将缓速器应用于汽车列车，发现了其良好 的辅助制动效果，并将缓速器的使用推广到了在高速公路和山区行驶的重型货车 和大中型客车上。此后，日本等国家也开始在重型货车和大中型客车上使用。 六、七十年代缓速器在少量大型载货汽车上装车使用。八十年代中期开始较 广泛地在大中型货车、客车等运输车辆上采用，以当时法国t e l m a 缓速器安装率 为例，欧洲1 0 ，法国2 0 ，1 5 吨以上的货车为8 5 ，5 吨以上的客车为7 0 。八十年代后期日本运输车辆上开始采用缓速器，九十年代安装率迅速增长， 9 4 年底4 0 以上的大功率增压柴油机汽车采用缓速器。 随着缓速器的迅速推广使用，专业生产缓速器的公司也发展起来，目前知名 的公司和产品主要有：法国的t e l m a 公司生产的电涡流式和液力式缓速器，西班 牙f r e n e l s a 公司的电涡流式和液力式缓速器，德国f o i t h 公司生产的液力式缓 速器，日本的t b k 公司生产的电涡流式缓速器，日本三菱公司( i s u z u ) 和住友 公司( s m i m o t o ) 联合开发生产的永磁式缓速器等。经过几十年不懈努力，到今天 缓速器技术已经发展到了较成熟的阶段，形成了系列产品，适用的车辆范围也非 常广泛。实践证明，缓速器在欧美、日本等经济发达国家的使用确实为提高车辆 运行的安全性发挥了重要的作用。 我国在汽车上开始安装缓速器的历史可以追溯到6 0 年代，但由于体积与重 量的原因、或由于技术落后的原因，长期未在运输车辆上得到应用。直到9 0 年 代中叶以后，才在凯斯鲍尔、沃尔沃、奔驰等一批引进的豪华型大客车上作为选 装件使用。我国2 7 吨1 2 5 吨一些液力传动矿用自卸车上有装进口液力缓速器 的例子，并将液力缓速器装在变速器的前方，位于变矩器之后，由变速器输入轴 驱动，利用变速器的升速作用提高缓速器转子的转速，以减小其尺寸。1 9 6 4 年 上海客车厂曾研制过电涡流缓速器，安装在上海到黄山的长途客车上，据说效果 不错。但是，由于受当时技术水平所限，体积和重量参数得不到技术突破，也无 法应用电子手段控制缓速器温度，使得研制工作很快停止。安凯客车集团引进的 凯斯鲍尔大客车选装德国v o i t h 公司的缓速器，陕西汽车厂引进的奔驰大客车选 装法国t e l m a 电涡流缓速器。西班牙弗雷纳萨公司在深圳也有其电涡流缓速器产 品的销售代理。 由于一开始其应用是由火车上移植到汽车上的原因，早期的研究文献集中在 对液力式缓速器的研究上，直至今天，对液力式缓速器的研究还在继续，研究的 技术关键为：小型化的同时，提高制动能力；减轻转动件的惯性质量；通 过改变油压大小，实现制动力的可调节化；提高工作开始和终了的快速响应能 力；提高冷却系统的热交换能力，寻求使用油、水等多种冷却方式；与变速 器一体化的内置式技术；与电子控制技术的结合应用。 8 0 年代末在日本出现对永久磁铁缓速器的研究。到9 0 年代初，由日本学者 桑原牵头，五十铃汽车公司和住友金属工业公司合作开发成功了这类产品。因此， 永久磁铁缓速器的研究文献以日本学者的多见。研究的技术关键和目标为：从 结构、永磁材料等多种途径解决制动力小的问题：n d - r b 系稀土类高导磁率 材料的应用。热强度好、同时又具备合适的相对导磁率和导电率材料的研究； 非工作状态时的磁力屏蔽及工作状态时对磁铁的热屏蔽；启动与断开时磁路结 构的有效性和可靠性；面向高速车辆，追求轻型化、简洁化，使用最高挡时， 能以8 0 k m h 的稳定车速下5 的坡道；寿命达到1 0 0 万l ( i i l 以上；用支撑臂 结构解决转鼓因反复热胀冷缩引起的裂损和变形。 电涡流缓速器的研究从6 0 年代开始较多的见诸文献。由于其制动力大，且 结构简单、安装方便，被西欧和日本等多山国家广泛采用。但是，传统的电涡流 缓速器为了确保散热的要求，体积较大，减轻其重量一直是个难题。9 0 年代法 国、日本开始将电子技术应用于缓速器温度的控制，突破了传统电涡流缓速器的 技术瓶颈，使得缓速器结构尺寸和重量大幅度降低，给传统电涡流缓速器注入了 强劲的生命力，使电涡流缓速器作为汽车用缓速器的主流地位进一步得到加强。 电涡流缓速器研究的技术关键为：在选用材质上，保证转子受热后不变形、不 裂损，并有良好导电率；降低电磁铁减磁率：在保证制动能力的同时，应用 9 电子控制技术对缓速器温度进行控制；散热好、风阻小的转鼓叶片形状。另外， 不仅是电涡流式，包括永久磁铁式和液力式缓速器在内，都存在装车后的控制技 术和使用技术的研究问题，这些研究概括为：制动力匹配研究；使用效果研 究；车间距离调整、停车距离控制研究；与排气制动、发动机制动联合使用 的综合控制研究；依据使用工况进行的电子控制研究，这些工况包括汽车加减 速、使用行车制动器等；有利于制动稳定性的低附着系数路面的应用问题： 与a b s 联合作用的控制问题；既能以稳定车速下山，又能保证缓速器温度不超 过限界的最优控制问题。 我国对火车用缓速器的研究资料尚可见到，但是汽车用缓速器的研究文献却 是风毛麟角，所能收集到的都是介绍国外技术的文章。开展缓速器技术的研究成 为当务之急。长安大学电涡流缓速器课题组9 7 年开始着手这方面的研究工作， 9 8 年承担了交通部“5 0 0 n m 级汽车电涡流缓速器研制”的攻关课题，近几年一直 致力于缓速器开发技术与应用技术的研究。 电磁缓速器是从十九世纪发现的电磁原理的基础上发展起来的，当今世界上 生产制造这种装置的厂家有：法国的t e l i v i a 公司、日本的t b k 公司、德国 f r e n e l s a 公司、日本三菱公司和住友公司等。这几家公司从6 0 年代就开始研 制，目前他们的技术比较成熟，且形成了系列产品。目前，在国外发达国家中重 型客、货车上缓速机的应用率已达到9 0 以上，电磁缓速机的控制系统引进了与 汽车稳态控制系统相关联的接口，如与a b s 、a s r 、e b v 等结合，使其成为主 动、安全、稳定控制系统的一部分，使车辆行驶轻松、安全有效，在紧急情况下 或极限条件下，仍能对车辆实施有效控制，避免了事故的发生。电磁缓速器适用 于中、重型载重车的辅助制动系统，尤其适用于巴士客车高速行驶的减速制动。 2 2 缓速器的分类及其各自的特点 2 2 1 缓速器按作用原理分类【5 l 6 1 1 7 1 缓速器按照作用原理的不同，可分为电磁涡电流式缓速器、永久磁铁涡电流 式缓速器和液力式缓速器等。 2 2 1 1 电磁涡电流式缓速器 图2 1 所示为电涡流缓速器的工作原理图，当缓速器各线圈绕组通过直流电 1 0 流时，各线圈绕组会产生磁场，励磁铁芯使磁场进一步加强。相邻两线圈的极性 设置为反相，磁场方向如图i - i 所示。缓速器转鼓转动时切割磁力线，于是在转 鼓内表面产生了涡电流，涡电流的方向符合f l e m i n g 右手法则。当涡电流产生后， 磁场便会对载流转鼓产生力的作用，阻止转鼓的转动，即产生了制动力。制动力 的方向符合f l e m i n 左手法则。转鼓内产生的涡电流以热能的形式通过鼓上的散 图2 1 磁场及涡电流的产生 热片耗散到空气中。电涡流缓速器不断地将汽车的动能转化为转鼓中的涡电流， 又将涡电流转化成热能，达到消耗汽车运动能量的目的。当切断线圈中的电流后， 由于形不成电磁铁作用，缓速器不产生制动转矩。 电磁涡电流式缓速器简称为电涡流缓速器，它是以磁电效应产生制动作用 的。因为电涡流缓速器采用风冷结构，与汽车上其他系统的联接关系少，所以安 装和维修方便。从工作原理来看，电涡流缓速器在执行时没有时间上的滞后性， 可以无级调节线圈中的电流来改变转矩大小，在启动工作时，没有冲击，没有噪 声。 2 2 1 2 永久磁铁涡电流式缓速器 永久磁铁式缓速器与使用线圈的电涡流式缓速器原理相同，如图2 2 所示。 按f l e m i n g 法则，图2 - 2 中的金属盘旋转时，由于永久磁铁的磁场作用，金属盘 上将产生涡电流，与此同时产生一个与金属盘旋转方向相反的制动力。实际的电 磁式缓速器利用这一原理，将旋转体做成圆筒形转鼓( 转子) ，将若干个永久磁 铁极性交错地均布于环形支架的外圆上形成定子( 图2 3 ) 。若把每个永久磁铁 看作是电磁铁，则永久磁铁式缓速器的原理与电涡流缓速器的原理完全相同。永 久磁铁式缓速器的工作与断开是靠移去磁铁块或屏蔽磁铁块的磁力来实现的，需 要配备气或液力驱动缸。 图2 - 2 永久磁铁式缓速器的工作原理图2 - 3 永久磁铁式缓速器的磁回路 永久磁铁涡电流式缓速器简称为永久磁铁式缓速器，它也是以磁电效应产生 制动作用的。因为永久磁铁缓速器也采用风冷结构，与汽车上其他系统的联接关 系少，所以安装和维修方便。从工作原理来看，永久磁铁缓速器靠气压缸移动磁 铁块控制缓速器的工作，控制结构比较复杂。由于永久磁铁缓速器因磁性材料性 能的限制，它的最大制动力不大。 2 2 1 3 液力缓速器 图2 4 是液力式缓速器的工作原理图。转子叶轮与汽车传动轴连为一体， 定子叶轮固定在缓速器壳体上，转子叶轮和定子叶轮中充满液体。当汽车传动轴 带动转子叶轮旋转时，油液随即运动并将动能传给定子叶轮欲带动定子叶轮旋 图2 4 液力式缓速器工作原理 转，可是，定子部分并不能随着转动，两叶轮产生搅动和挤压油液的作用，使得 工作油液升温，动能转化成油液的热能，并由设置在油路中的热交换器将这部分 热量散发到空气中去。液力式缓速器是将汽车的动能转化为工作油液的热能来实 现制动作用的。为了能够控制制动力的大小，在储油箱内油液上方充有压力空气。 压力空气取自汽车气制动系统，压力空气的压力靠连接在进气管路上的比例阀调 节。当储油箱内的空气压力增大时，转子叶轮和定子叶轮之间的油液量增多，油 液的压力增大，转子相对定子转动的阻力矩增大，汽车将获得较大的制动力。 液力缓速器是利用耦合叶轮搅动油液产生阻力形成制动作用。液力缓速器在 比较紧凑的结构环境下可以获得较大的制动力，并且体积小，重量轻，低速范围 制动力大。但是，液力缓速器采用水冷结构，水冷系统和车用散热器合用，所以 安装和维修不方便。从工作原理来看，在开始工作时要向转子和定子油腔充满油 液需要一定的时间，所以起始工作有时间滞后性，当然，断开时也存在同样的滞 后性。 液力缓速器具有以下特点： ( 1 ) 适用于高速、大功率车辆。液力缓速器的制动力矩与车辆传动轴转速的 平方或减速器工作腔有效直径的5 次方成正比，因而在车辆高速行驶且制动器直 径较大时，液力缓速器能比其它辅助制动方式提供更大的制动力矩。 ( 2 ) 适用于长时间的连续制动。液力缓速器采用液力制动方式，无机械磨损， 且有循环冷却装置可以将油液产生的热量带走，因此能长时间连续为车辆提供制 动能力。 ( 3 ) 提高下坡行驶速度，减少车轮制动器磨损。 ( 低速制动能力差。由液力缓速器的特性所决定，当车速下降时其制动力 矩下降很快。在传动轴转速低于5 0 0 f r a i n 时，制动力矩有波动，在转速为零时 完全失去制动能力，故需与其它制动配合使用。 ( 5 ) 空转损失大。由于液力缓速器的动轮是与车辆传动系统相连，被驱动而 旋转时，动轮和定轮内的空气产生循环流动，从而产生一定的能量损失，该损失 值约为所传递功率的4 左右。因此，必须尽量降低空转损失。 ( 6 ) 控制要求高。液力缓速器是依靠改变充液量来控制制动力矩的。在部分 充液时，为了维持制动力矩稳定，就必须保持液力减速器内油液量的动态平衡。 其次，车辆在高速行驶条件下进行紧急制动的时间很短。而在这段时间内，液力 缓速器必须从无油到充满油，这就要求液压系统的流量大、动态响应快。这就给 控制系统带来相当的难度。 2 2 1 4 内燃机缓速器 内燃机缓速器包括发动机制动和发动机排气制动。 发动机制动的原理是对行驶中的汽车的发动机停止供给燃料，并将变速器挂 入某一前进挡，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。发动机的水泵、油泵、空压机等附件阻碍曲轴旋转的力矩即为制动力矩， 将通过传动系放大后传给驱动轴。 发动机排气制动是在发动机制动的基础上发展起来的，通常是在发动机排气 管的出口处安装一个蝶形阀，当排气制动不起作用时，阀片处在张开的位置，不 影响发动机的正常工作；当排气制动起作用时，阀片关闭，同时断油机构强制性 切断发动机的供油，行驶的汽车带动发动机曲轴旋转，发动机活塞在排气行程中， 排出的气体因制动阀片关闭而被压缩，产生压力，使发动机如同压气机一样工作， 被压缩的气体使排气时活塞上行产生阻力，加大了发动机的压气损失，从而起到 了制动效果。 当前装在国内汽车的辅助制动装置多采用发动机捧气辅助制动系统。发动机 排气制动具有以下特点： ( 1 ) 结构简单，性能可靠，操作方便，在结构上较其它形式缓速器简单，制 动效能良好。 ( 2 ) 由于使用排气辅助制动时，必须切断发动机燃料供给，因此可以产生一 定的节油效果。 ( 3 ) 保证汽车在不使用或少使用主制动器的情况下，能够在坡道上保持一定 的速度稳定下坡行驶，实现安全减速，减少主制动器的工作次数，提高其使用寿 命。 ( 4 ) 排气制动是由压缩气体产生的，因此制动柔和，不像车轮制动器制动那 样带有冲击性，故减少了零部件所承受的冲击载荷，延长了有关零部件的使用寿 命，减少了维修保养次数。 ( 5 ) 由于压缩比及其它技术原因，该装置适用于柴油机，而不适应于汽油机。 1 4 ( 6 ) 只能提供制动和不制动两种选择，且制动力不能随汽车载荷和运行工况 进行相应调整。 r 7 ) 排气控制阀片易出现烧蚀和卡死故障，也会出现气门卡死和汽缸垫损坏 的故障。 2 2 1 5 牵引电机缓速器 牵引电机缓速器也称为发电制动或能耗制动。对于采用电传动系的汽车，可 以对电动驱动轮中的牵引电动机停止供电，使之受驱动轮驱动而成为发电机，将 汽车的部分动能转变成电能，再使之通过电阻转变为热能而耗散。这时电动机对 驱动轮的阻力矩即是制动力矩。 2 2 1 6 空气动力缓速器 空气动力缓速器，又称空气阻力制动，依靠突然增大的车身空气阻力或装于 车辆尾部的可弹出的空气阻力伞产生制动力。这种制动方式制动平稳，安全可靠 且无冲击，一般应用于赛车。 2 2 1 7 再生式制动缓速器 再生式制动缓速器是通过产生的制动力矩以回收车辆动能并将其存储在车： 轮能量储存器中的任何形式的缓速器。目前处于研究阶段，在国内已经有再生式 制动器的相关研究，但在与缓速器的结合利用上尚无研究。 2 2 2 按转盘数量分类1 8 l 按转盘数量分为有单转盘和双转盘电涡流缓速器。单转盘缓速器的优点是转 子重轻但电效率低、力矩小，通常用于中小型车辆。双转盘缓速器除电效率高、 力矩大外，由于其在定子前后对称分布一个转盘解决定子对转盘产生的轴向力， 是最广泛使用的缓速器。 2 2 3 按安装方式分类( 8 1 按安装方式分为有中心轴和无中心轴两种缓速器。有中心轴的缓速器其定子 中心有轴承座、轴承和中心轴转盘和传动轴突缘固定在轴的两端其优点是缓速 器自成一个整体对车辆的变速器、后桥无任何影响，但必须占用传动轴3 0 dm 左 右的长度，故一般用于前置和中置发动机的车辆。无中心轴缓速器的定子通过固 定支架固定在变速器或后桥上。转子通过连接法兰或过渡环固定在变速器或后桥 的突缘上，其基本上不占用传动轴长度，是目前客车应用最多的一种形式。 2 3 缓速器的辅助制动特点 缓速器又称缓行器，是利用电磁感应理论和楞次定律，使安装在传动轴上的 转子产生电涡流，给传动轴的转动施加一个制动阻力矩而实现车辆平稳减速，提 高车辆行驶安全性、舒适性的装置。 1 提高了车辆的安全性 由于缓速器的辅助制动作用，明显的减少了驾驶员对制动器的使用次数。同 时，由于电涡流式缓速器是非接触无摩擦，因而实现了缓速器的免维护特性。缓 速器采用了风冷却的方式，极大地简化了安装，还可以防止制动器衰退的发生。 另外，安装缓速器后司机更容易控制车与车之间的距离和行驶速度，对平路上汽 车高速行驶的安全性也大有好处。 2 提高车辆运行的经济性 由于减少了制动毂、制动蹄衬片及制动器的维修，使得成本下降；以及减少 了它们间隙调整的时间，使车辆的有效工作时间得以延长；以及平均行驶车速的 提高，使运输效率得以增大，进而增加了经济性。 3 提高车辆的舒适性 安装了缓速器的车辆，不但可以减少制动踏板的使用频次，也可以减少所需 踏板力，因而有效地减轻了驾驶员的疲劳感。同时，缓速器还缓和了制动时所造 成的冲击和噪声，使驾驶变得更安全，更容易。 4 提高坡道行驶时的平均速度 安装了缓速器的车辆，因为缓速器不存在和挡位关联的制动力变换，因此， 下坡时利用缓速器可以维持较高的稳定行驶速度。 5 适时控制和其他 由于缓速器的控制采取了电控的方式，使用时不会有明显的滞后性。同时， 其电控部分可以车辆上其它系统配合使用，由于智能化控制，持续使用时缓速器 也不会过热。此外，缓速器的一个突出特点就是安装便捷。 2 4 有关法规和标准情况1 9 1 各国对大型商用车辆的持续制动都通过法规予以规定。联邦德国交通法规规 定：总质量在5 5 吨以上的客车和9 吨以上的载货汽车，必须装有持续制动系统。 并规定了持续制动的测试方法，即在坡道为7 、坡长为6 k m 的坡道上，持续制 动能保证汽车以3 0 k m h 的速度正常行驶至坡底。瑞士交通法规规定：总质量3 5 吨的牵引车以及总质量8 吨以上的载重车必须安装持续制动装置。日本在自勤卓 规格j a s oc4 5 5 9 4 中具体规定了缓速器的试验方法。我国强制性标准 g b l 2 6 7 6 1 9 9 9 关于持续制动性能的要求是，对于总质量大于1 0 0 0 0 k g 的非城市 客车中的m 3 类客车，应能在只使用缓速器下，以3 0 k m h 的平均速度在7 的坡道 上满载下坡行驶6 k m 。2 0 0 2 年6 月1 日，交通部已颁布实旌中华人民共和国交通 行业标准j t t3 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，大型高一级、高二级和高三级客车都必须装置缓速器。 第三章电涡流缓速器在汽车上的应用 3 1 适合安装缓速器的车辆 最早出现的缓速器只是应用在火车上。后来，西欧地区有些多山的国家开始 将缓速器应用于汽车列车上，发现了其具有良好的辅助制动效果，并将缓速器的 使用推广到了山区行驶的重型货车和大中型客车及高速公路上。 伴随着发动机大功率化和高速公路网的完善，货车和客车高速长距离运行的 情况越来越多，翻山越岭、长距离下坡的机会增多，这就要求制动系统必须充分 保证安全性，同时还应保证快速行驶特性和舒适性。因此，缓速器成为汽车辅助 制动中的首选装置。一般缓速器适用于经常行驶于山区道路、长距离下坡，且又 要求有较高行驶速度的中重型货车、汽车列车和大型客车上。由于这些车辆的质 量大，行车制动负荷高，极易出现制动鼓过热，导致行驶速度降低，甚至出现安 全事故。客车安装缓速器后不仅安全性提高，还可以避免频繁制动给乘客造成不 快，提高乘坐舒适性。特别对高增压大功率柴油发动机汽车，由于废气增压和较 小的传动系传动比，使得排气制动的效果不够理想，因而安装缓速器的需求更加 迫切。另外，排气制动在高挡位时效果甚微，在山区高速公路上使用缓速器有很 大的必要性。 现在，缓速器在欧、美、日等国家的大中型客车和载重货车上已随处可见。 并且，电涡流缓速器已成为奔驰、沃尔沃、斯堪尼亚等世界知名汽车的标准配备， 广泛用于公交客车、豪华客车、载货车等车辆上。在我国，有一些客车厂家( 例 如郑州宇通、江苏亚星、厦门金龙、苏州金龙等) 也已经在一些新产品上开始安 装。 3 2 电涡流缓速器的安装方法1 6 在安装电涡流缓速器之前注意：断掉原车电源，测量变速箱箱体端面与变速 箱凸缘端面之间的距离，测量变速箱凸缘的轴向跳动量、径向跳动量，清洁各安 装结合面及止口位。图3 1 所示为缓速器的安装示意图。 缓速器安装步骤如下： ( 1 ) 安装固定支架； ( 2 ) 安装辅助支架； ( 3 ) 安装前转盘总成； ( 4 ) 测量前转盘到固定支架四支脚面的距离； ( 5 ) 安装定子总成： ( 6 ) 安装传动轴前半轴； ( 7 ) 安装后转盘和过渡环； ( 8 ) 安装速度传感器支架总成； ( 9 ) 安装电源线束； ( 1 0 ) 对准传动轴标记将传动轴后半轴插入前半轴并将传动轴后半轴安装 到后桥凸缘上，按厂家规定扭矩紧固螺母。 注意：缓速器上的所有螺栓、螺母、螺杆处必须加螺纹紧固胶! 图3 - 1 电涡流缓速器的安装结构图 电气部分安装要求如下： ( 1 ) 驱动控制器的安装 安装位置要防尘、防水、易散热；驱动控制器需平放或侧放。 ( 2 ) 气压开关的安装 安装位置需防高温、防腐蚀；安装车辆气路必须有干燥器。 ( 3 ) 速度传感器总成的安装 1 9 有适当间隙，有适当活动余量。 ( 4 ) 指示灯总成安装 便于驾驶员观察及美观。 ( 5 ) 相关线束安装要求 相关线束沿整车主线束布线，锐角、高温处要做适当的保护；驱动线束总成 要有跳动余量。 ( 6 ) 电源开关安装 安装位置需在防水、防潮，接线柱做适当防腐处理。 3 3 电涡流缓速器在汽车上的安装p i l 6 i 3 3 1 安装方案 电涡流缓速器是近年才传入国内的一种新型动态安全装置，安装在汽车的传 动系统中，用来提高车辆的安全性能。电涡流缓速器在汽车上的安装位置和形式 主要有以下两种。 第一种为中央减速安装方式。即把电涡流缓速器安装在某个车桥的中部，控 制整个车桥的制动减速。电涡流缓速器产生的制动力矩先作用在传动轴上，在分 配于左右两侧的驱动轮上，使整个汽车减速。即使两侧驱动轮的制动力矩大小有 所差距，但他们只承受部分的制动力 矩，只占有整个制动力矩的很少部分， 这样能有效抑制制动器的差异而形成 的制动跑偏的问题。这种安装方式又 有三种安装方式，可以安装在变速器 输出轴端、传动轴之间和主减速器输 入端三个安装部位。图3 - 2 变速器输出端安装方案 图3 2 所示为安装于变速器壳体后端的形式，为了保证有足够的连接强度， 变速器壳体必须配套加工。该连接形式适用于后置发动机后驱动的大客车以及前 置发动机前驱动的大客车、货车和牵引车使用。 图3 - 3 所示为安装于传动轴之间的形式。这种形式不要求与变速器等部件配 2 0 套加工，安装非常灵活，适用于前置发动机后驱动的任何车型。 图3 3 安装于传动轴之间方案 图3 4 所示为安装于主减 ， 速器输入端的形式。适用于后置 发动机后驱动的大客车以及半 挂车非驱动桥。由于该连接形式 的缓速器属于非悬挂质量部分， 因此，该方案较前两种在平顺性 方面略有逊色。 ( a ) 侧极式 顶极式 图3 - 4 主减速器输入端安装方案 另一种是车轮减速安装方式。对于矿山采掘和特大型运输车辆，特殊要求的 运输车辆以及港口大型车辆和集装箱运输车辆，宜在每个车轮上安装一个电涡流 缓速器。根据各个车轮的不同工况，电涡流缓速器可与制动器进行灵活的匹配， 得到均匀、连续、无冲击的制动力，制动十分平稳，可以实现车辆平缓、柔和制 动的要求。 3 3 2 控制系统【5 l 图3 - 5 所示为一安装于传动轴间的电涡流缓速器及其控制系统的简例，图 中所示的各个部分的位置及作用简要说明如下