什么是液力减速器?
车辆传动中液力减速器的技术发展
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北京理工大学 杨凯华 郑慕侨 阎清东 项昌乐
1 概述
车辆液力减速器高速制动力矩大、制动平稳、噪声小,寿命长,而结构体积较小,在现代车辆上得到了日益广泛的应用。 国外液力减速器研究和应用开展得比较早,技术成熟,结构类型多样,目前在车辆上应用比较普遍。德国的ZF公司,美国的阿里森公司等都有自己的液力减速器系列。我国液力减速器研究和应用开展得比较晚,主要用于内燃机车和工程机械上,在军用车辆、重型...全部
车辆传动中液力减速器的技术发展
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北京理工大学 杨凯华 郑慕侨 阎清东 项昌乐
1 概述
车辆液力减速器高速制动力矩大、制动平稳、噪声小,寿命长,而结构体积较小,在现代车辆上得到了日益广泛的应用。
国外液力减速器研究和应用开展得比较早,技术成熟,结构类型多样,目前在车辆上应用比较普遍。德国的ZF公司,美国的阿里森公司等都有自己的液力减速器系列。我国液力减速器研究和应用开展得比较晚,主要用于内燃机车和工程机械上,在军用车辆、重型货车及大型轿车上也有一些应用。
2 液力减速器工作原理和类型
2.1 工作原理
液力减速器主要由转子、定子、快速充放油机构、减少泵气损失机构等组成。转子和定子共同组成工作腔。液力减速器工作时,工作腔中充油,油液在转子叶片带动下在工作腔中循环冲击,动量矩发生变化,产生制动力矩,将旋转机械的机械能转化为工作液体的热能,通过散热机构将热量带走。
单一减速制动型液力减速器制动力矩和制动功率的计算公式如下:
M=γλMn2D5 (1)
N=γλNn2D5 (2)
式中 M、N——液力减速器的制动力矩和制动功率
λM、λN —— 液力减速器的制动力矩系数和制动功率系数
γ ——工作液体重度
n—— 液力减速器转子转速
D—— 液力减速器循环圆有效直径
制动力矩与循环圆有效直径的5次方成正比,与转速的平方成正比。
要提高液力减速器的制动效能,可以通过增大循环圆直径和转速来实现;将液力减速器布置在传动链的高速环节上,则可以较小的径向尺寸实现较高的制动性能。
2.2 类型
按功能分类,液力减速器主要有图1所示的几种类型:单一减速制动型液力减速器在工作时工作腔充油,不工作时将油排空。
牵引-制动复合型液力减速器在牵引、制动工况时工作腔中都充油,制动工况时结合制动元件,将工作轮制动或反转。
3 单一减速制动型液力减速器
3.1 布置在非驱动轮轮毂内的液力减速器
图2所示减速器的转子通过一个行星排与车轮的轮毂相连,结构紧凑,在一定程度上可以对车辆起到减速的作用。
但是径向尺寸受到轮毂限制;散热系统的布置困难,主要依靠车轮轮毂散热,散热能力有限,制动功率和连续制动时间受到限制。
3.2 布置在变速器中的液力减速器
目前车辆上应用的液力减速器多数与变速器做成一体,结构紧凑,径向尺寸可以较大,有可能布置专用的减速器散热器。
减速器转子的转速高,制动力矩大。
3。2。1布置在变速机构后的液力减速器
将液力减速器布置在变速机构后的优点是车辆换挡时不会产生动力中断,但是为了提高低挡时的制动效能,往往需要一个增速齿轮级,另外,液力减速器布置在变速器后面,可以利用动力输出系统外围的空间,结构更为紧凑。
图3为该减速器的原理图。
3。2。2布置在变速机构前的液力减速器
液力减速器布置在变速机构前,高、低挡时转子转速都较高,可以不需要增速齿轮级,但是在车辆换挡时会产生动力中断和冲击。
图4为阿里森AT545R液力减速器。
3。3 布置在轴间的反转型液力减速器
图5(a)为一种可以装在多轴车辆或拖车上的一种特殊的液力减速器,该减速器的两个工作轮都是转动的,一个正转,一个反转,分别由车辆的两轴驱动。
冷却风扇由从减速器中甩出来的传动油驱动并对传动油进行散热,冷却后的油再流回减速器。该减速器最大制动力矩为1780 N穖,最大减速速度为2300r/min,连续冷却功率为140kW。该减速器由于采用反转结构,减速器的力矩系数较高,因而可以在较低的转速下获得较高的制动力矩。
其制动特性曲线如图5(b)虚线所示。
4 牵引-制动复合型液力减速器
牵引-制动复合型液力减速器将液力变矩器和液力减速器在结构上合二为一,主要有以下几个优点:节省空间,总体布置方便;位于车辆传动链的高速环节,可以小尺寸获得大制动力矩。
4.1制动轮型
图6是前苏联研制的一种减速器。该减速器同时具备液力变矩器和液力减速器的功能。其主要结构由五个工作轮组成:泵轮、涡轮、导轮和两个制动轮,其中两个制动轮可以看作由变矩器涡轮分割而成,制动轮之间刚性联接。
在牵引工况,两个制动轮和涡轮一道自由旋转不消耗功率;在减速工况,直接将制动轮制动。减速工况分两种情况:泵轮和涡轮闭锁;泵轮和涡轮不闭锁。后一种情况下的制动力矩大约为前一种情况下的30%。
4.2 涡轮反转型
图7是涡轮反转型牵引-制动复合型液力减速器方案。
其主要结构由一个离合器、一个制动器和一个普通液力变矩器组成。在牵引工况时离合器接合,制动器松开;在制动工况,将离合器松开,制动器接合,同时通过变速器中的倒挡机构或专门的倒转机构使与输出端相连的涡轮反转,带动液体冲击泵轮,产生制动力矩。
5 关键技术
5.1 叶型
液力减速器的叶型是决定液力减速器性能的一个重要因素。液力减速器一般采用前倾叶片(即叶片倾斜方向与工作轮相对另一工作轮旋转方向相同),这样可以提高液力减速器的力矩系数。
图8(a)是阿里森AT545R型液力减速器的定子的前倾叶片,图8(b)是该液力减速器制动特性图。实线为2、3、4挡的100%制动容量曲线;虚线为2、3、4挡的50%制动容量曲线。
5.2控制
最简单的控制是对充放油时机进行控制。
需要减速时对工作腔充油,不需要减速时将油排出。由于现代电控技术的发展,人们是综合车速、车重、路况和驾驶员意图,对液力减速器、停车制动器、发动机的油门和变速器挡位等进行综合控制的,根据制动力矩控制减速器循环流量的大小,这种综合电控技术在一些高档车辆上已经得到了应用。
对液-机联合制动型要控制匹配性能。图9为ZF公司的LSG3000传动液-机联合恒扭矩制动控制系统液压原理图和特性图:在高速时液力减速器工作,可以消耗大量动能,在低速时机械制动器工作,利用机械制动器在低速时的大扭矩,通过控制保持合成制动力矩为恒定值。
图10、图11分别是ZF商用车液力减速器和阿里森AT545R液力减速器液压控制系统图。
5.3 散热器
散热设备是现代车辆液力减速系统必不可少的一部分。液力减速器的连续制动能力主要影响车辆下长坡的性能,如果液力减速器的连续制动能力不够,在下长坡的过程中,将导致制动力矩降低,车速增加而使车速高于安全车速。
图12是ZF商用车液力减速器制动特性曲线图,图中的虚线就是制动功率限制曲线。
6 发展前景和方向预测
纵观液力减速器的发展历程,结合市场需求和相关技术的发展,今后商用车辆、重型汽车和军用车辆液力减速器的发展,将会出现以下几个特点:
(1)液力减速器具有其它类型的减速器所不具备的许多优势,这决定了液力减速器在车辆上的普遍应用是未来发展的总趋势。
(2)液力减速器制动力矩的控制将日趋精确,在高挡车辆上将出现对停车制动器、ABS控制系统和液力减速系统进行统一集成控制的减速制动电控系统,该系统将成为现代车辆智能控制和自动巡航电子管理系统的一部分。
(3)随着车辆液力传动技术的进一步发展和普遍应用,同时具备液力变矩器和液力减速器功能的复合型液力减速器的研制和应用将受到重视。
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