（光学工程专业论文）电涡流缓速器自动控制系统研究.pdf

摘要 电涡流缓速器是汽车制动系统的一个重要组成部分，它对于提高汽车行驶安全性和 运输效率、降低驾驶员的劳动强度都有十分重要的影响。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 的客运车、货运车和商用车是不可缺少的。目前，随着电涡流缓速器应用的日益普及， 国内的高校和生产厂商纷纷开展研发自主知识产权的电涡流缓速器。但是，国内研发的 电涡流缓速器还存在控制方式复杂，制动力矩输出不连贯等缺点，并且在连续长下坡时 不能根据坡度的变化实时的调整制动力的大小，导致车辆行驶速度不够稳定。 为了进一步提高汽车制动效能和稳定性，提高行驶安全性，方便驾驶员在连续长下 坡时的操作，减少疲劳，本课题提出了电涡流缓速器档位和制动力矩的自动控制方案， 并分析了励磁电流等控制参数对制动力矩的影响。本课题运用模拟电子电路、单片机电 路和k e i ll x v i s i o n 软件对电涡流缓速器的自动控制系统的实现进行了设计。课题所设计 的电涡流缓速器自动控制系统具有自动变换缓速器档位、p w m 电压电流调节、车速采 集、传动轴转速采集、稳定行驶车速设定、过热保护等功能，而且在设计中利用了模拟 电路代替了传统缓速器控制电路中的继电器电路。通过以上功能车辆可以在连续长下坡 时根据坡度的变化实时的调整制动力的大小，进一步提高电涡流缓速器的控制效率，弥 补了传统电涡流缓速器的不足，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；p w m ；单片机；自动控制 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 st h ei m p o r t a n tp a r to fa u t o m o t i v e ，i th a ss i g n i f i c a n t i n f l u e n c ef o rt h es a f e t yd r i v e ，t r a n s p o r te f f i c i e n c ya n dr e d u c ed r i v e r sw o r ki n t e n s i t y i ti sa n i 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 gd e v i c e ，w h i c hi ss e l f - e x i s t e n tt om a i nb r a k i n gs y s t e m a n dp a r k i n gb r a k i n gs y s t e m ，i ti si n d i s p e n s a b l et ot h ec o a c h - b u s 、t h el o r r ya n dt h ec o m m e r c i a l v e h i c l er u n n i n go nt h em o u n t a i nr o a d n o w a d a y s ，a l o n gw i t ht h ei n c r e a s i n gp o p u l a r i z a t i o no f e d d yc u r r e n tb r a k e s ，m o r ea n dm o r ed o m e s t i cc o l l e g e sa n d m a n u f a c t u r e r sd e v o t et h e m s e l v e s i n ，d e v e l o p i n gi n d e p e n d e n t i n t e l l e c t u a l p r o p e r t yr i g h t o fe d d yc u r r e n tb r a k e s b u tt h e t r a d i t i o n a le l e c t r i c a le d d yc u r r e n tr e t a r d e rh a sm a n yd e f e c t sf o re x a m p l ei t sc o n t r o lm e t h o di s c o m p l e xa n di t sb r a k i n gt o r q u ei s n ts m o o t h m o r e o v e r , i tc a n n tc o n t r o lt h eb r a k i n gt o r q u e c o n s t a n t l ya c c o r d i n gt ou n d u l a t i n gg r a d i e n to nt h ec o n t i n u o u sd o w n h i l lr o a d ，r e s u l tt h ev e h i c l e h a r d l yr u n n i n g i nac o n s t a n ts p e e d f o rt h es a k eo fi m p r o v i n gd r i v i n gs a f e t y 、t h eb r a k ee f f i c i e n c ya n ds t a b i l i t y , m a k i n g o p e r a t i o nc o n v e n i e n to l lt 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 da u t o m a t i c c o n t r o lm e t h o do l lc o n t i n u o u sb r a k i n gs y s t e mo ft h ee 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 e s i d e s t h ep a p e ra n a l y z e dt h ep a r a m e t e r ss u c ha se x c i t a t i o nc u r r e n ti n f e c t i o no nt h eb r a k em o m e n t t h es t u d yd e s i g n sa u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mb a s i n go na n a l o ge l e c t r o n i cc i r c u i t s 、d i g i t a l e l e c t r o n i cc i r c u i t sa n dk e i li t v i s i o n t h ed e s i g nh a ss o m en e wf u n c t i o n ss u c ha sa u t o m a t i c t r a n s m i s s i o nc o n t r o l ，v o l t a g ep w mc o n t r o l 、h u b o d o m e t e r ，a c t u a t i n gs h a f ts p e e dm e a s u r e 、 v e h i c l es p e e ds e t t i n ga n do v e r h e a t i n gc o n t r o l ，m o r e o v e r , m a k eu s eo fa n a l o ge l e c t r o n i cc i r c u i t s r e p l a c e st h er e l a yc i r c u i t si nt h i sd e s i g n t h ev e h i c l e sc a n c o n t r o lt h eb r a k i n gt o r q u ec o n s t a n t l y a c c o r d i n gt ou n d u l a t i n gg r a d i e n to nt h ec o n t i n u o u sd o w n h i l lr o a db yt h e s ed e s i g n s ，w h i c h b e t t e r l yi m p r o v e st h ec o n t r o le f f i c i e n c ya n dc o m p l e m e n tt h ed e f e c to ft r a d i t i o n a le 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 , l 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 y w 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 ；p w m ；s i n g l ec h i p m i c r o c o m p u t e r ；a u t o m a t i cc o n t r o l l l 论文独创性声明 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：彳以乎 沙矿9 年岁月占日 论文知识产权权属声明 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) 论亭作者签名：伽乎 导师签名： 如疋 枷7 年岁月2 日 川年箩月2 9 日 长安大学硕士学位论文 1 1 缓速器的概况 第一章绪论 1 1 1 缓速器的介绍 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，最初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。六十年代初期日 本等国家也开始在重型货车和大中型客车上使用【1 1 。 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 第一章绪论 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 f 。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k m 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、 2 长安大学硕士学位论文 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凤毛 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 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。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。 1 1 2 缓速器的分类 缓速器按转盘数量 2 1 【3 1 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。 缓速器按安装方式【3 】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 c m 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。 电涡流缓速器缓速器按照作用原理的不同f 4 1 ，可分为电磁涡电流式缓速器、永久磁 3 第一章绪论 铁涡电流式缓速器。 1 1 2 1 电磁涡电流式缓速器 图1 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1 1 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1 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【5 1 1 6 1 。 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。 1 1 2 2 永久磁铁涡电流式缓速器1 7 j 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1 2 所示。按 f l e m i n g 法则，图1 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 4 长安大学硕士学位论文 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1 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1 2 永久磁铁式缓速器的工作原理图1 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。 1 1 2 3 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排气辅助制动系统。发动机排气制 5 第一章绪论 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。 ( 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。 ( 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。 1 1 2 4 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。 1 1 2 5 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。 1 1 2 6 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。 1 2 我国汽车使用缓速器的重要性 6 长安大学硕士学位论文 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 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 4 1 。 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， 7 第一章绪论 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l ”。 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、同本的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。 图l4 为著名的法国t e l m a 电涡流缓速器的几种产品的结构图 9 1 ，r e ( a ) 为泰乐玛缓 速器a x i a l 系列：r e ( 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；圈( 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。转子部分为带散热叶片的金属转盘。 螯莲；箧 a ) 泰乐玛缓速器a x i a l 系列( b ) 泰乐玛缓逮器f o c a l 系列0 ) 泰乐玛缓速器h y d r a l 系列 堂懋 ( d 庙乐马缓蛀器c c 系列 圈i at e l m a 电涡流缓速嚣结构 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，在我国多种客车上己成功地安装和使用，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 5 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 6 江苏南通三泰铸造有限公司 ( 生产电涡流缓速器) 、图17 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，已经应用的部分国产汽车上。 长生大学硕十学位论文 嘲 图1 5 深圳冠业电子有限公司 生产的电涡流缓速器 图ik a d 系列电涡流瑷速器 图bk a y 系列永诺缓速器 图1 7 广，i l 市科奥机电有限公司 目前，电涡流缓速器控制器大多以微处理器为核心，正朝着智能化的方向发展，例 如具有过流、短路和过压等安全保护措施，实现调节砺磁电流的无级输出、和脚刹联动 等功能。 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， 藤矗罗乎 一渗燃蕊霹一，媾一一羹 第一章绪论 属高科技、高新技术领域，国际上单价约5 一万元人民币，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。目前我国正在实施西部大开发战略，经济增长， 交通先行。我国西部多山地丘陵，上下坡道多，为了行车的安全可靠，在车辆上装用电 涡流缓速器就显得十分必要。另外，现代城市的公交车和豪华大客车也都需要安装辅助 制动装置。 目前，在国内缓速器的应用已经得到了认同，特别是电涡流缓速器以其体积小，质 量轻，易于控制的特点越来越受到重视。传统的电涡流缓速器控制方式采用手控开关和 脚控开关来控制继电器【2 7 】，手控开关一般分4 个档次。开关处于0 挡位时，线圈全部断 电；处于第1 挡位时，继电器盒内l 号继电器吸合，则第一组励磁线圈通电，这时缓速 器产生的制动力矩约为最大力矩的2 5 ；处于第2 挡位时，继电器盒内1 号与2 号继电 器吸合，则第一组和第二组励磁线圈同时通电，这时电涡流缓速器产生制动力矩约为最 大力矩的5 0 ；第3 、第4 档位依此类推；电涡流缓速器还有一个脚控开关，当驾驶员 踩下制动踏板时，电涡流缓速器自动起作用，并根据制动踏板的行程，脚控开关上4 个 压力传感器依次接通，其作用与手控开关一样。继电器盒内有4 个大电流继电器，分别 为每组励磁线圈提供励磁电流。这种控制方式使驾驶员操作起来非常复杂。驾驶员在驾 驶车辆的同时还要控制缓速器，要时时根据速度，坡度改变缓速器的档位，无形当中增 加了驾驶员的工作量。长时间如此驾驶会增加驾驶员的疲劳度，降低车辆行驶的安全性。 不仅如此，传统的电涡流缓速器控制系统包括手控开关和脚控开关相关的许多电子、机 械元件，使得操纵机构布置起来更为复杂，出现故障时维修起来也十分不便。所以本论 文对于电涡流缓速器的自动控制就有很高的研究意义。 但是，国内目前生产和进口产品，大部分处于较低技术水平档次。主要表现在： ( 1 ) 励磁电能仅由蓄电池提供，长期使用，将导致消耗的电能难于得到及时地补充； 1 0 长安大学硕士学位论文 部分进1 2 1 产品安装有发电绕组，经驱动器整流后提供励磁，但在较低车速( 2 0 k m h ) 时， 制动力不足。 ( 2 ) 电涡流产生的热量使转子温升过高和励磁线圈通电后要发热( 其温度可达1 5 0 c ) ，将出现大幅度的退磁现象，从而引起制动力矩下降。 ( 3 ) 由于缓速器是由大电流继电器输出，所以制动力是一级一级的，不可以连续调 节的，不能实现恒速、恒转矩、限电流等控制，舒适性较差。 所以说，研究开发基于微机技术的智能型电涡流缓速系统，形成有自主知识产权的 特色产品，具有较高的社会价值和研究意义。单片机控制系统提供了高速响应的性能， 将是未来汽车电子控制系统发展的一个方向。它的研发成功可以有效提高产品的质量和 加工效率，有利于拉近我国缓速器技术与国外先进水平的差距、填补省内缓速器生产企 业的不足，对提高我国经济效益和社会效益都有着重要的意义。本项目的研究符合现代 汽车控制的发展趋势，能很好地满足我国现阶段汽车蓬勃发展的需要，对我国汽车制造 业的国产化发展具有良好的促进作用，并且具有极大的市场潜力和经济效益。 1 5 有关法规和标准情况 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 实施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【l l 】。 1 6 本论文研究的主要内容和任务 1 6 1 本论文的主要内容 ( 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 第一章绪论 矩的计算和影响输出制动扭矩的参数进行了分析； ( 3 ) 对现阶段常用的几个数学模型进行分析，在前人的基础上根据电磁场理论和 动力学理论，得出电涡流缓速器的制动力矩随转速变化的公式；经验证，该推导方法对 认识和设计缓速器的工作有实际的指导意义： ( 4 ) 对电涡流缓速器在汽车上使用过程中的自动控制原理介绍及其自动控制系统 的设计。 1 6 2 本论文的主要任务 ( 1 ) 在使用缓速器行驶时，控制系统会根据车速对缓速器的档位进行自动控制， 提高缓速器换档的平顺性，降低了辅助制动控制系统的复杂性，使车辆行驶在稳定状态； ( 2 ) 在长距离的下坡途中，通过对采集到的速度信号进行判断，并与驾驶员设定 的速度进行比较，通过控制励磁电流和控制缓速器各个档位相结合地方法实现对缓速器 的自动控制，使车辆在长距离坡度变化较大的情况下达到下坡稳定车速的，满足公路下 坡行驶的要求。这种方法简化了驾驶员手动操纵缓速器的复杂性，方便驾驶员正确使用 缓速器下坡； ( 3 ) 国外的缓速器速度传感信号一般是从里程表后借用的，实际上在开发初期， 国产的速度传感器寿命短、故障多，部分缓速器厂商在缓速器机械部分上自配一套独立 的速度传感器，严重影响缓速器的使用，故现在利用传感器和单片机来获得车速和传动 轴转速的。这种方法不仅充分利用了单片机的资源，而且将此功能与控制系统集成到一 起，降低了缓速器机构的复杂度； ( 4 ) 由于传统的电涡流缓速器是由大电流继电器输出，所以制动力是一级一级的， 不能实现连续调节，不能实现恒速、恒转矩、限电流等控制，舒适性较差，且继电器开 断时会产生涌流，由于反应稍慢，无法用于很精细开断控制电路中，如调压等。由于三 极管在电路中的应用能够实现电路的无触点控制，以小电流控制大电流，并且不象继电 器那样控制时有火花产生，而且反应灵敏、动作快、寿命长、可靠性好。本课题中应用 三极管代替了继电器，使单片机输出的信号经过三极管、达林顿管放大，用于控制电涡 流缓速器的线圈电路的关断和p w m 调压电路。 1 2 长安大学硕士学位论文 2 1 汽车制动过程 2 1 1 汽车制动力学 第二章电涡流缓速器的工作原理 汽车制动的目的是使汽车从一定的车速制动到较低速度或停车，必须由路面提供的 制动所需的阻力，这个阻力称为路面制动力【1 2 】。如图2 - 1 所示，e 为车轴对车轮的推力， e 为路面对车轮的法向反作用力，凡为车轮垂直载荷。忽略车轮的滚动阻力偶矩、减速 时的惯性力和惯性力偶矩。汽车制动时，车轮制动器的摩擦力矩c 死) 通过车轮传给路面 的周缘力称为制动器制动力以) 。显然： 凡= m u r ( 2 1 ) 式中：耽制动器的摩擦力矩，n m ；厂车轮半径，m 。 由式可知，制动器制动力取决于制动器的结构参数。但路面制动力最大值受车轮与 路面间的摩擦力的限制。车轮与路面间的摩擦条件称为附着条件，其间的摩擦力称为附 着力限) ，摩擦系数为附着系数( 9 ) 。关系如图2 2 所示，制动管路压力在某一极限值r 以内时，路面制动力足以克服摩擦力矩推动车轮滚动，当超过只极限值后，路面制动 力不再随制动管路压力增大而增大，这是由于路面附着力制约了路面制动力的继续增 大。即如 啪妒，为当路面制动力达到最大值= f z 伊，车轮将“抱死”停转而产生 滑动。 2 1 2 汽车车轮的制动特性 汽车制动过程中，路面附着系数不是固定不变的，而是与车轮的滑动程度有关【1 2 】。 车轮的滑动状况常用滑移率表征。滑移率定义为汽车速度与车轮速度之差对汽车速度 之百分比，其值可按下式计算： 旯：v - - w r 1 0 0 ， ( 2 2 ) 式中：1 ，是汽车速度，m s ； w 车轮速度，r a d s ； 厂车轮半径，m 。 第二章电涡流缓速器的工作原理 图2 1 汽车制动时车轮、 路面和车身上的力和力矩 0 一 一 糊一 图2 2 路面制动力、制动器 制动力及路面附着力的关系 实验证明，当车轮在路面滑动的时候，附着系数与滑移率之间的关系如图所示。图 中铷为沿车轮旋转平面方向的附着系数，称为纵向附着系数。绺为垂直于车轮旋转平 面方向的附着系数，称为横向附着系数。从图可见，附着系数随滑移率( ”的增大近似直 线上升，达最大值后，便随滑移率( ”继续增大逐渐减小。附着系数的最大值称为峰值附 着系数( 9 p ) 。峰值附着系数在滑移率( 柚= 0 2 左右生成，在峰值滑移率的左边，路面附着 力能跟随汽车制动力矩的增加，提供足够的路面制动力( 矩) ，而这时的横向附着系数( 缈曲 也较大，具有足够的抗侧滑能0 - , 故一般称峰值滑移率的左边为制动稳定区。 争 分 摄 镁 糯 莲 糠 错够事 图2 3 滑移率与附着系数 在峰值滑移率的右边，附着系数随滑移率的增大而减小，制动器摩擦力矩与路面制 动力差值的急剧扩大，就使车轮迅速减速而趋向“抱死”停转，发生拖滑。称这一区域为 制动不稳定区。这就有可能导致车速反而加大，由于每个车轮的受力和方向都不平衡， 汽车的方向不可控，是非常危险的情况【l 引。这个时候就要启动a n t i 1 0 c kb r a k es y s t e m ( 刹 车防抱死装置) ，或者辅助刹车装置通过非接触刹车来解决险情： 1 4 长安大学硕士学位论文 2 2 电涡流缓速器的工作原理与使用方法 2 2 1 电涡流缓速器的机械结构 电涡流缓速器本体的机械结构如图2 4 所示。1 一转子盘；2 _ 铁心；孓- 励磁线圈； 仁转子轴；5 一轴承；仁固定架；7 二气隙；8 接线柱。缓速器定子上有8 个由高导 磁材料的磁极作为磁扼，呈圆周分布形式均匀安装在优质铝板上，8 个励磁线圈套于磁 极上，圆周上相对的2 个磁极的励磁线圈为串联连接而形成的一对磁极，相邻磁极均为 北、南相间，这样就形成了相对相互独立的4 对磁裂1 4 】。转子由内转子与外转子组成， 内外转子均为圆环状，用导磁性能良好的铁磁材料制成，转子通过法兰盘装置在传动轴 凸缘上，可随传动轴自由转动，内外转子盘和定子磁轭间保持有极小的、均匀的间隙。 a t l 甚 ， f隰j 褓 (惑；b。i “、 f _舟 u v、 1 - - - - 一 s 篷辞：l 隧钐弱 】 r1 图2 4 电涡流缓速器结构 2 2 2 传统电涡流缓速器的控制系统 图2 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【4 1 。 a 控制器：安装在驾驶舱仪表板下的空腔内，它的主要作用是分析处理传感器采集到 的各种输入信号，并输出一定的使缓速器是否产生动作的控制指令信号。 b 驱动器：安装于车架内侧。作用是当接收到控制器的动作指令时，驱动器将向缓速 器本体线圈输送直流电流，使本体产生制动力。 c 缓速器本体：安装与传动轴上，作用是当产生制动力时，使转子的转动动能转化为 转子的热能。 d 转毂温度传感器l ：安装于缓速器本体的电磁线圈励磁铁芯中部，主要作用是通过 测量转毂附近的空气温度来测得转毂的温度变化。 e 转毂温度传感器2 ：安装于缓速器本体的电磁线圈励磁铁芯内，当转毂温度传感器1 第二章电涡流缓速器的工作原理 发生故障时，代替其工作。 h r e d 图2 5 缓速器及其控制系统 f 线圈温度传感器：安装于缓速器本体的线圈内部，用来测定制动时的线圈温度。 g 主继电器：安装于变速箱后部车架内侧或电瓶架旁，接收到由控制器发送的控制信 号时产生动作，供给缓速器本体线圈电流。 h 保险丝：安装于主继电器旁，起到对缓速器本体线圈的过电流保护作用。 i 故障指示灯：安装于仪表板上，显示缓速器是否在工作中。 j 主制