商用車液力緩速器匹配及試驗研究

武金龍 ,謝凡 ,黃志 ,鄧習樹 ,彭國偉

（1.410100 湖南省 長沙市 三一汽車制造有限公司；2.412000 湖南省 株洲市 湖南機動車檢測技術有限公司）

0 引言

液力緩速器作為獨立于行車制動的一種高效輔助制動裝置[1]，具有體積小、扭矩大、制動平穩、成本低等特點[2-3]，常用于長下坡持續制動的場景，能夠有效避免重載車輛下坡路段制動器過熱而失效，保障行車安全，近兩年越來越多地被應用于商用車及長途客車。而液力緩速器的卓越性能是建立在整車良好匹配的基礎上，因此本文著重就其具體設計匹配及轉鼓試驗方法進行研究，對緩速器的開發和應用提供參考。

1 液力緩速器結構和工作原理

液力緩速器由定子、轉子、傳動軸、散熱器、殼體、控制閥等組成[4]，如圖1 所示。緩速器通常位于變速箱后部，其底部儲存工作油液，內部開有油液循環用的孔道，緩速器的傳動軸連接變速箱輸出軸和傳動軸。轉子隨傳動軸實時轉動，定子固定于腔體內部?？刂崎y不同開度對應于緩速器的不同擋位。

圖1 液力緩速器的內部結構Fig.1 Interior structure of hydrodynamic retarder

基本工作原理：當緩速器開始工作時，控制閥控制一定氣壓的空氣進入緩速器內部，將油底殼中的油液經過孔道壓入定轉子腔體內，轉子帶動油液沿軸向和葉片方向高速運動，將油液甩向定子，定子固定于殼體，迫使油液在腔體內做渦旋損耗運動，對轉子產生反作用力，從而產生制動力矩，使車輛減速[5]。產生制動力矩的同時，將車輛動能轉化為熱能，高溫高壓的油液經過散熱器冷卻降壓后再回流至油底殼，冷卻液經過散熱器將熱量帶走。如此循環往復，持續產生制動力矩，直至駕駛員主動關閉緩速器或達到整車最大散熱能力，緩速器自動解除工作為止。

2 緩速器與整車的匹配

2.1 液力緩速器布置及匹配

商用車的液力緩速器一般采用并聯式[6]，即緩速器輸入軸齒輪與變速箱輸出軸齒輪嚙合，如圖2 所示。布置過程中需注意與車架等是否存在干涉、緩速器殼體的最小離地間隙等。通常液力緩速器與發動機共用一套冷卻系統，冷卻回路如圖3 所示。液力緩速器對整車散熱能力的要求較高，因此整車散熱系統的匹配是關鍵。整車在匹配緩速器時，應綜合考慮緩速器的轉速、扭矩、冷卻液流量及壓力、散熱器功率等。以ZF 某款緩速器為例，整車匹配時應遵循以下原則：（1）無論大小循環，發動機的冷卻液必須全部流經緩速器的熱交換器；（2）冷卻水管內徑一般要≥50 mm，保證足夠的冷卻液流量；（3）緩速器進出水管的布置應由下朝上，避免管路氣蝕；（4）水泵選型應確保其流量≥280 L/min；（5）選取合適的散熱器功率≥220 kW。

圖2 緩速器的位置Fig.2 Position of hydrodynamic retarder

圖3 緩速器冷卻回路Fig.3 Cooling circuit of hydrodynamic retarder

2.2 液力緩速器的控制策略

由于緩速器和發動機共用一套冷卻系統，為了避免出現冷卻液開鍋、緩速器制動油溫過高等現象，必須為緩速器制定合適的控制策略，一般應遵循以下原則：（1）冷卻液溫度≥105℃，緩速器自動退出工作；（2）冷卻液溫度≥95℃，緩速器逐步限扭；（3）緩速器工作時，風扇應全速運轉；（4）制動及加速時緩速器應自動退出工作。（5）緩速器應具有恒速及不同的制動擋。

2.3 液力緩速器參數匹配

緩速器轉速與車速滿足式（1）：

式中：N——緩速器轉速，r/min；V——車速，km/h；R——輪胎滾動半徑，m。

平地制動瞬時最大制動減速度滿足式（2）：

式中：m——整車質量，kg；g——重力加速度，9.8 m/s2；amax——瞬時最大制動減速度，m/s2；Fv——當前車速下車輛行駛阻力，N；V——當前車速，m/s；Pmax——緩速器瞬時最大制動功率，W。

坡道恒速擋持續制動時滿足式（3）：

式中：m——整車質量，kg；g——重力加速度，9.8 m/s2；α——坡度；Fv——當前車速V 下的車輛行駛阻力，N；V——當前車速，m/s；P——散熱器的額定功率，W。

參照2.1、2.2 中緩速器的設計理論，按照式（1）—式（3），對某款商用車進行緩速器匹配選型。經過仿真及校核計算，確定整車及液力緩速器的主要相關參數，具體見表1。

表1 商用車主要參數表Tab.1 Key parameters of heavy vehicle

3 實車轉鼓試驗

3.1 液力緩速器制動減速特性轉鼓試驗

將車輛固定在重型轉鼓上，根據車輛的GVW 質量得出行駛阻力系數見表2。將車輛及轉鼓充分預熱后，基于此行駛阻力系數滑行并設定轉鼓阻力參數。完成準備工作后，記錄車速、持續時間、減速度、制動功率、制動力、緩速器進出水溫等參數。試驗過程中，通過選取合適擋位來保證發動機初始轉速1 500～1 800 r/min，并且確保輪胎無明顯打滑。在轉鼓上開展緩速器70～30 km/h 速度區間的最大減速度試驗[7]，試驗結果如表3 所示。緩速器可提供優秀的制動力，平均減速度達到0.8～1.0 m/s2。進一步分析此速度區間緩速器的制動力和制動功率，結果分別如圖4、圖5 所示。緩速器的制動力在起始階段迅速上升至最高點（緩速器轉速1 500 r/min 時），有一小回落后制動力基本保持穩定；緩速器啟動瞬時制動功率達到530 kW，因遠超散熱器的額定功率290 kW，所以無法在較大功率范圍內保持長時間制動，緩速器的制動功率跟車速基本保持一次線性關系。

圖4 緩速器制動扭矩隨轉速的曲線Fig.4 Curve of hydrodynamic retarder braking torque vs speed

圖5 緩速器制動功率隨轉速的曲線Fig.5 Curve of hydrodynamic retarder braking power vs speed

表2 車輛行駛阻力推薦系數Tab.2 Recommended running resistance coefficients of vehicle

表3 平直道路緩速器制動減速度Tab.3 Hydrodynamic retarder braking deceleration on straight road

3.2 6%坡持續制動熱平衡試驗

由式（1）計算可得30～70 km/h 速度區間對應的緩速器轉速。用轉鼓模擬6%坡道（轉鼓設置為F 模式），在恒速擋模式下，轉鼓驅動車輛分別以30,40,50,60,70 km/h 運行12 min，測量緩速器恒速制動功率，觀察緩速器是否能連續運行12 min。測試結果見表4。

表4 恒速擋持續制動試驗數據表Tab.4 Constant gear continuous braking test data

從試驗結果知，緩速器恒速擋可保持70 km/h 車速長時間勻速下坡，此時平均制動功率為288.7 kW，已基本達到散熱器額定制動功率290 kW，因此該商用車在6%下坡工況下恒速擋能維持的最大車速為70 km/h。6%坡道上緩速器水溫與車速關系曲線如圖6 所示。隨著車速的增加水溫逐步上升，70 km/h 時，緩速器的水溫維持在90～95℃，此時散熱器已基本達到穩定平衡狀態。6%坡道上緩速器的制動功率及轉速與車速之間關系如圖7 所示。制動功率及轉速跟車速基本保持一次線性關系。

圖6 6%坡道緩速器水溫跟車速關系曲線Fig.6 Relation curve between retarder water temperature and vehicle speed on 6% slope

圖7 制動功率及轉速跟車速關系曲線Fig.7 Relation curve between braking power and vehicle speed

4 結論

液力緩速器通過攪動殼體中的油液做渦流運動而產生制動力，液力緩速器制動過程將車輛的動能轉化成熱能，持續制動會產生大量熱量，需要依靠整車冷卻系統進行冷卻，其瞬時制動力取決于緩速器的瞬時最大制動功率，而坡道上恒速擋持續穩定車速的大小則由整車散熱器的散熱功率決定，因此整車冷卻系統匹配的好壞直接決定了液力緩速器的制動效果。適當增大整車散熱功率，能保證液力緩速器穩定的持續制動性能。