汽車的制動(dòng)系統(tǒng)是車輛影響安全性最大的系統(tǒng)之一。目前，汽車制動(dòng)不良而引發(fā)的交通事故很多，如何改善制動(dòng)系統(tǒng)，提高制動(dòng)效果得到越來越多讀者的關(guān)注。

　　華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院 林彩霞 張建莉

　　摘要：本文以福伊特液力緩速器為研究對(duì)象，通過對(duì)液力緩速器的制動(dòng)性能進(jìn)行分析，指出影響液力緩速器制動(dòng)性能的主要因素，為國內(nèi)液力緩速器的研制開發(fā)提供理論依據(jù)。
 

　　關(guān)鍵詞：液力緩速器；制動(dòng)性能；分析

　　引言

　　隨著我國經(jīng)濟(jì)和道路交通事業(yè)的發(fā)展，公路貨物和旅客運(yùn)輸?shù)男枨罅咳找嬖黾?。中國農(nóng)村面積廣大特別是山區(qū)面積眾多，公路運(yùn)輸是農(nóng)村的主要運(yùn)輸方式，主要行駛在礦山或山區(qū)公路上的汽車，經(jīng)常要下長坡，需要對(duì)它進(jìn)行持續(xù)制動(dòng)；在交通狀況好的地區(qū)，車輛平均行駛速度大幅度提高。這就意味著在同樣的制動(dòng)條件下、同樣的時(shí)間內(nèi)，現(xiàn)在車輛的行車制動(dòng)器要產(chǎn)生更多熱量，承受更大的熱負(fù)荷?，F(xiàn)在，不論是客車還是卡車，都在向高功率、高負(fù)載的方向發(fā)展，越來越重型化和高速化的運(yùn)輸，對(duì)車輛的性能提出了非常嚴(yán)格甚至苛刻的要求。盡管車輛所選用的發(fā)動(dòng)機(jī)功率在提高，但車輛行車制動(dòng)器的制動(dòng)效能在世界范圍內(nèi)還沒有較大突破，由于受空間尺寸的限制，其散熱能力有限等原因，在車輛頻繁制動(dòng)或持續(xù)制動(dòng)的條件下會(huì)出現(xiàn)高溫積累，造成過熱現(xiàn)象，使制動(dòng)器的摩擦系數(shù)減少，磨損增加，嚴(yán)重時(shí)還有可能導(dǎo)致制動(dòng)失效引發(fā)安全事故。因此，除了必要的行車制動(dòng)器外，還應(yīng)裝備輔助制動(dòng)器——行車緩速器，將行車制動(dòng)器的負(fù)荷進(jìn)行分流，使溫度控制在安全范圍內(nèi)。統(tǒng)計(jì)數(shù)字表明，使用液力緩速器，行車制動(dòng)器平均故障率可降低48.12%，制動(dòng)盤和制動(dòng)鼓用量分別可減少42.04%和50.78%。下表的統(tǒng)計(jì)數(shù)字是安裝緩速器前后剎車片的平均壽命對(duì)比數(shù)據(jù)，從表中可以看出其中，未裝緩速器的客車制動(dòng)盤壽命約5—25萬公里，而安裝緩速器的客車制動(dòng)盤壽命約15—75萬公里，其平均壽命可以提高3倍。因此，液力緩速器能提高車輛制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性，延長制動(dòng)系統(tǒng)的使用壽命，并能由此而大幅度降低車輛使用成本[1]。

　　1. 國內(nèi)液力緩速器存在的問題

　　目前，我國商用車上所使用的緩速器基本上是國外的產(chǎn)品，我國在液力緩速器方面也已有所研究，華中科技大學(xué)曾經(jīng)進(jìn)行液力緩速器的研制工作，主要是以傳統(tǒng)液力計(jì)算方法進(jìn)行樣機(jī)制作，性能試驗(yàn)和分析，北京理工大學(xué)進(jìn)行了軍用車輛用的牽引—制動(dòng)型液力變矩器研究，實(shí)現(xiàn)液力減速和液力變矩雙重功能。少數(shù)廠家也擁有了自己的產(chǎn)品。如原上海SH380型汽車就裝備了液力緩速器作為輔助制動(dòng)器。但是總體上我國的液力緩速器還存在以下的問題：（1）需在較高轉(zhuǎn)速下才能提供有效的制動(dòng)力矩。（2）制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間較長，一般要2—3s。（3）出現(xiàn)漏油、漏氣等。（4）成本偏高。我國液力緩速器尚未形成規(guī)模和系列，多數(shù)是單機(jī)制造，制造的工藝水平較低，故制造成本偏高。（5）有些產(chǎn)品僅進(jìn)行了樣機(jī)試制或少量試生產(chǎn)，未進(jìn)行大量生產(chǎn)性考核和示范應(yīng)用，作業(yè)性、可靠性、耐久性及商品性等方面還存在不少問題。

　　綜上所述，關(guān)于液力緩速器的設(shè)計(jì)理論研究不夠，沒能形成定量化的理論來支撐液力緩速器及其液力緩速器工藝設(shè)計(jì)，僅能滿足部分機(jī)械化生產(chǎn)的需求，也只能取得短期效益，和科技長遠(yuǎn)發(fā)展和社會(huì)發(fā)展長遠(yuǎn)目標(biāo)是不相適應(yīng)的，也不可能給緩速制動(dòng)技術(shù)帶來突破性發(fā)展。因此，擁有研制開發(fā)生產(chǎn)液力緩速器的能力，促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，具有重大的意義。

　　2. 福伊特液力緩速器制動(dòng)性能分析

　　目前，在液力緩速器領(lǐng)域國外主要的生產(chǎn)廠家有：德國ZF公司、德國福伊特公司以及美國通用汽車公司。本文主要以福伊特液力緩速器為對(duì)象，進(jìn)行分析[2]。

　　2．1 福伊特液力緩速器的結(jié)構(gòu)和工作原理

　　液力減速器主要由轉(zhuǎn)子、定子、快速充放油機(jī)構(gòu)、熱交換器等組成。轉(zhuǎn)子和定子共同組成工作腔。液力減速器工作時(shí)，工作腔中充油，油液在轉(zhuǎn)子葉片帶動(dòng)下在工作腔中循環(huán)沖擊，動(dòng)量矩發(fā)生變化，產(chǎn)生制動(dòng)力矩，將旋轉(zhuǎn)機(jī)械的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為工作液體的熱能，通過散熱機(jī)構(gòu)將熱量帶走。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)緩速作用解除時(shí)，工作液釋放會(huì)回工作液貯槽，從而消除對(duì)轉(zhuǎn)子的阻力作用。

　　2．2 緩速器制動(dòng)性能分析

　　圖2為4種不同型號(hào)福伊特緩速器在工作介質(zhì)充滿定子和轉(zhuǎn)子之間間隙時(shí)的制動(dòng)特性曲線。這是緩速器制動(dòng)力矩隨轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系，從圖中可以看出這些緩速器的隨著轉(zhuǎn)速的增加，制動(dòng)力矩迅速增加，在1000 r/min左右達(dá)到最大值之后，隨著轉(zhuǎn)速的增加，有緩慢下降的趨勢(shì)，但整體上保持很高的制動(dòng)力矩。如115H型緩速器，在800—2500 r/min都有高于2000 N·m的緩速力矩。

　　3. 影響緩速器制動(dòng)性能的因素分析

　　由束流理論推得液力緩速器的制動(dòng)力矩計(jì)算公式為[3]：

　　(1)

　　(1)式中的λ和液力減速器的充液量有關(guān)，充滿液時(shí)，λ為常數(shù)。理論上，λ越大，制動(dòng)力矩越大。因此，從該公式可以看出，緩速器制動(dòng)力矩的大小主要與流體介質(zhì)的性質(zhì)、數(shù)量，緩速器的幾何參數(shù)，傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速等因素相關(guān)。下面對(duì)這些影響因素一一進(jìn)行分析。

　　3．1 流體介質(zhì)的性質(zhì)

　　液力緩速器的流體介質(zhì)除了傳遞動(dòng)力外，還具有潤滑、冷卻和清潔運(yùn)動(dòng)部件的作用，因此一般使用的是液力傳動(dòng)油。由于緩速器運(yùn)行的狀態(tài)特殊而又復(fù)雜，因此，要求液力傳動(dòng)油具有抗燒結(jié)性能、良好的粘溫特性、摩擦性能以及抗氧化性、抗泡性和防腐防銹性[1]等。

　?。?）粘溫特性

　　一般液力傳動(dòng)油的粘度越小，傳動(dòng)效率越高。但過小則不易形成油膜，使?jié)櫥儾睿龃竽p，同時(shí)導(dǎo)致液體壓力下降，起不到有效的制動(dòng)效果；如果過大，流體流動(dòng)阻力增加，不能快速地實(shí)施制動(dòng)，使制動(dòng)效率下降。因此，對(duì)液力傳動(dòng)油的高、低溫粘度要有嚴(yán)格的要求，保證在工作溫度的范圍內(nèi)有良好的粘溫特性。

　　（2）密度特性

　　從(1)式可以看出，緩速器制動(dòng)力矩與流體介質(zhì)的密度成正比關(guān)系。液力傳動(dòng)油的密度越大，制動(dòng)力矩越高，因此，要求液力傳動(dòng)油的還應(yīng)有較大的密度。

　　目前，液力傳動(dòng)油主要有PTF-1、PTF-2、PTF-3、STOU等類別，不同車型的緩速器可以適當(dāng)選擇。

　?。?）數(shù)量

　　液力減速器所產(chǎn)生的制動(dòng)力矩與流體介質(zhì)占工作腔的容積有關(guān)。實(shí)際中使用的液力減速器不是全部充滿液體，而是處于部分充液狀態(tài)。通常所說的在完全充滿液體下工作的液力減速器，其流體介質(zhì)的體積也只占工作腔容積的90%左右，留有一定的自由空間，以容納減速器工作時(shí)從工作液體中分離出來的空氣和水蒸氣。

　　3．2 緩速器幾何參數(shù)

　　液力緩速器的幾何參數(shù)是影響液力緩速器性能的關(guān)鍵，它主要包括葉型參數(shù)和循環(huán)圓參數(shù)。葉型參數(shù)包括葉片傾斜角、葉片數(shù)的選擇；循環(huán)圓參數(shù)主要是循環(huán)圓的直徑[4]。下面一一進(jìn)行說明。

　?。?）葉片傾斜角的選擇

　　液力減速器通常采用傾斜直葉片，如圖3所示。其進(jìn)出口都是徑向放射狀，只是每個(gè)葉片所在的平面與通過葉片進(jìn)、出口邊的軸面有一個(gè)夾角，稱為葉片傾斜角。當(dāng)葉片傾斜方向與工作輪旋轉(zhuǎn)方向相同時(shí)稱為前傾，反之則稱為后傾。在循環(huán)圓直徑等同的情況下，具有前傾葉片的液力減速器具有較大的制動(dòng)能力，因此在實(shí)際應(yīng)用中，液力減速器通常采用前傾葉片。各工作輪葉片傾斜角對(duì)液力減速器制動(dòng)性能的影響也非常大，參考液力減速器以前研究取得的成果，以及液力減速器葉片傾斜角選取的經(jīng)驗(yàn)值，液力減速器2個(gè)工作輪的葉片傾斜角一般都為30°或45°。