液力缓速器制动性能影响因素分析

液力缓速器制动性能影响因素分析
林彩霞1张建莉2 何效平3
（华南农业大学工程学院，广州 510640）
摘要：液力减速器是高速、重载车辆必备的辅助制动器,具有高速制动力矩大、无机械磨损等优点,特别适合车辆下长坡及高速减速用，使用液力缓速器的车辆能提高制动系统的可靠性，延长制动系统的使用寿命，并能由此而大幅度降低车辆使用成本。

本文以福伊特液力缓速器为研究对象，通过对液力缓速器的制动性能进行分析，并指出影响液力缓速器制动性能的主要因素，如：流体介质的性质，缓速器的结构以及传动轴的转速等，为国内液力缓速器的研制开发提供理论依据。

关键词：液力缓速器；制动性能；影响因素；分析
0前言
随着我国经济和道路交通事业的发展，农村公路货物和旅客运输的需求量日益增加。

中国农村面积广大特别是山区面积众多，公路运输是农村的主要运输方式，主要行驶在矿山或山区公路上的汽车，经常要下长坡，需要对它进行持续制动；在交通状况好的地区，车辆平均行驶速度大幅度提高。

这就意味着在同样的制动条件下、同样的时间内，现在车辆的行车制动器要产生更多热量，承受更大的热负荷。

现在，不论是客车还是卡车，都在向高功率、高负载的方向发展，越来越重型化和高速化的运输，对车辆的性能提出了非常严格甚至苛刻的要求。

尽管车辆所选用的发动机功率在提高，但车辆行车制动器的制动效能在世界范围内还没有较大突破，由于受空间尺寸的限制，其散热能力有限等原因，在车辆频繁制动或持续制动的条件下会出现高温积累，造成过热现象，使制动器的摩擦系数减少，磨损增加，严重时还有可能导致制动失效引发安全事故。

因此，除了必要的行车制动器外，还应装备辅助制动器——行车缓速器，将行车制动器的负荷进行分流，使温度控制在安全范围内。

统计数字表明，使用液力缓速器，行车制动器平均故障率可降低48.12%，制动片和制动鼓用量分别可减少42.04％和50.78%。

表1的统计数字是安装缓速器前后刹车片的平均寿命对比数据，从表中可以看出其中，未装缓速器的客车制动片寿命约5-25万公里，而安装缓速器的客车制动片寿命约15-75万公里，其平均寿命可以提高3倍。

因此，液力缓速器能提高车辆制动系统的可靠性，延长制动系统的使用寿命，并能由此而大幅度降低车辆使用成本[1]。

表1刹车片平均寿命
Table. 1 Clutch Plate Average Life
车型未安装缓速器(km) 安装缓速器(km) 提高倍数
运输汽车 100,000 600,000 6
载重汽车 40,000 160,000 4
巴士 35,000 250,000 7
废物载重车 12,000 100,000 8.5
大客车* 150,000 450,000 3
注：*是马来西亚的经验值，其余为欧洲地区经验值
1、国内液力缓速器存在的问题
目前，我国商用车上所使用的缓速器基本上是国外的产品，这对于农村运输车辆而言，
林彩霞，（出生年—1976），女，广东阳江人，讲师，在读博士，研究方向：农业机械化
通讯地址：广东省广州华南农业大学工程学院车辆工程系，邮编：510640
Email:cxlin76@
成本较高。

我国在液力缓速器方面也已有所研究，华中科技大学曾经进行液力缓速器的研制工作，主要是以传统液力计算方法进行样机制作，性能试验和分析，北京理工大学进行了军用车辆用的牵引-制动型液力变矩器研究，实现液力减速和液力变矩双重功能。

少数厂家也拥有了自己的产品。

如原上海SH380型汽车就装备了液力缓速器作为辅助制动器。

但是总体上我国的液力缓速器还存在以下的问题[1]：1）需在较高转速下才能提供有效的制动力矩；2）制动响应时间较长，一般要2-3秒；3）出现漏油、漏气等；4）成本偏高。

我国液力缓速器尚未形成规模和系列，多数是单机制造，制造的工艺水平较低，故制造成本偏高。

5）有些产品仅进行了样机试制或少量试生产，未进行大量生产性考核和示范应用，作业性、可靠性、耐久性及商品性等方面还存在不少问题。

综上所述，关于液力缓速器的设计理论研究不够，没能形成定量化的理论来支撑液力缓速器及其液力缓速器工艺设计，仅能满足部分机械化生产的需求，也只能取得短期效益，和科技长远发展和社会发展长远目标是不相适应的，也不可能给缓速制动技术带来突破性发展。

因此，拥有研制开发生产液力缓速器的能力，对于改善农村的运输条件，促进我国农村的经济发展，具有重大的意义。

2、福伊特液力缓速器制动性能分析
目前，在液力缓速器领域国外主要的生产厂家有:德国ZF公司[2]、德国福伊特公司以及美国通用汽车公司。

本文主要以福伊特液力缓速器为对象，进行分析。

2．1 福伊特液力缓速器的结构和工作原理[3]
液力减速器主要由转子、定子、快速充放油机构、热交换器等组成。

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。

其结构如下图所示。

当缓速作用解除时，工作液释放会回工作液贮槽，从而消除对转子的阻力作用。

图1 福伊特液力缓速器的结构
Fig.1 Structure of the VOITH Hydrodynamics Retarder
2．2 缓速器制动性能分析
图2为4种不同型号福伊特缓速器在工作介质充满定子和转子之间间隙时的制动特性曲线。

这是缓速器制动力矩随转动轴转速变化的关系，从图中可以看出这些缓速器的随着转速的增加，制动力矩迅速增加，在1000 r/min左右达到最大值之后，随着转速的增加，有缓慢下降的趋势，但整体上保持很高的制动力矩。

如115H型缓速器，在800～2500 r/min都有高于2000Nm的缓速力矩。

图2 福伊特缓速器的制动特性曲线图
Fig.2 Brake Character Curve Figure of the VOITH Hydrodynamics Retarder
3、影响缓速器制动性能的因素分析
由束流理论推得液力缓速器的制动力矩计算公式为[3]：。

—重力加速度，—；—流体介质的密度，——制动力矩系数；—；—转子转速，—；—转子有效循环直径，—式中：2325//min /)
1(s m g cm g r n m D n gD M ρλλρ= （1）式中的λ和液力减速器的充液量有关，充满液时，λ为常数。

理论上，λ越大，制动力矩越大。

因此，从该公式可以看出，缓速器制动力矩的大小主要与流体介质的性质、数量，缓速器的几何参数，传动轴的转速等因素相关。

下面对这些影响因素一一进行分析。

是一个无因次物理量，对于具有直线型叶轮的缓速器而言，它的大小约在0．006~0．009之间，并能通过使叶片倾斜将其放大30倍，但它只是单方向有效，反向时该系数会相应降低。

3．1流体介质的性质
液力缓速器的流体介质除了传递动力外，还具有润滑、冷却和清洁运动部件的作用，因此一般使用的是液力传动油。

由于缓速器运行的状态特殊而又复杂，因此，要求液力传动油具有抗烧结性能、良好的粘温特性、摩擦性能以及抗氧化性、抗泡性和防腐防锈性[1]等。

(1) 粘温特性
一般液力传动油的粘度越小，传动效率越高。

但过小则不易形成油膜，使润滑变差，增大磨损，同时导致液体压力下降，起不到有效的制动效果；如果过大，流体流动阻力增加，不能快速地实施制动，使制动效率下降。

因此，对液力传动油的高、低温粘度要有严格的要求，保证在工作温度的范围内有良好的粘温特性。

（2）密度特性
从(1)式可以看出，缓速器制动力矩与流体介质的密度成正比关系。

液力传动油的密度越大，制动力矩越高，因此，要求液力传动油的还应有较大的密度。

目前，液力传动油主要有PTF-1、PTF-2、PTF-3、STOU 等类别，不同车型的缓速器可以适当选择。

（3）数量
液力减速器所产生的制动力矩与流体介质占工作腔的容积有关。

实际中使用的液力减速器不是全部充满液体，而是处于部分充液状态。

通常所说的在完全充满液体下工作的液力减速器，其流体介质的体积也只占工作腔容积的90%左右，留有一定的自由空间，以容纳减速器工作时从工作液体中分离出来的空气和水蒸气。

3．2 缓速器几何参数
液力缓速器的几何参数是影响液力缓速器性能的关键，它主要包括叶型参数和循环圆参数。

叶型参数包括叶片倾斜角、叶片数的选择；循环圆参数主要是循环圆的直径[4]。

下面一
一进行说明。

（1）叶片倾斜角的选择
液力减速器通常采用倾斜直叶片，如图3所示。

其进出口都是径向放射状，只是每个叶片所在的平面与通过叶片进、出口边的轴面有一个夹角，称为叶片倾斜角。

当叶片倾斜方向与工作轮旋转方向相同时称为前倾，反之则称为后倾。

在循环圆直径等同的情况下，具有前倾叶片的液力减速器具有较大的制动能力，因此在实际应用中，液力减速器通常采用前倾叶片。

各工作轮叶片倾斜角对液力减速器制动性能的影响也非常大，参考液力减速器以前研究取得的成果，以及液力减速器叶片倾斜角选取的经验值，液力减速器2个工作轮的叶片倾斜角一般都为30°或45°(如图3中的30°就为该液力减速器的叶片倾斜角)。

（2）叶片数的选择
根据相似理论，已知基型液力缓速器的叶片数，尺寸相差不大的缓速器可以按其选取定子和转子的叶片数，对尺寸相差较大的，依据以下的原则进行选取：定子叶片数和转子的叶片数必须有一差值，这是为了防止叶片数相等而使流体产生振荡。

另外叶片数多，可消除有限叶片数的影响，但太多会增加拥挤，使循环圆中流量减少、能容降低。

图3 倾斜直叶片液力减速器 图4 循环圆的结构
Fig.3 Slope Vertical Vane of Hydrodynamics Retarder Fig.4 Circulating Circle Structure
（3）循环圆的直径
循环圆的结构有两种，一种是有内环的结构（图4-a ），一种是没有内环的结构（图4-b ）。

现在使用的液力减速器多数是没有内环的结构，因为在使用实践中发现减速器的内环并非必要，甚至会对液流循环产生不利影响；而且，没有内环的减速器还可以简化结构，减少部件的体积和重量。

循环圆的最大直径，称为液力缓速器的有效直径D 。

在选定液力减速的类型后，即获得这种类型液力缓速器的原始特性。

在认为同一类型液力缓速器具有相同原始特性hydraulic retarder 的基础上，可以根据液力缓速器的制动扭矩计算方程（1）式来计算液力缓速器的有效直径D 值[5]：
)
2(52gn M D λρ=
这里的λ可以多次通过对基型液力缓速器进行原始特性试验来确定。

3．3传动轴的转速
由于工作腔压力是随液力缓速器的车速变化的，车速增加使转子转速升高，工作腔压力随着转子转速的升高而增加，因此，制动力矩增加。

4、结束语
综上所述，液力缓速器对高速、重载以及行驶在广大山区的车辆的安全行驶是非常重要的，影响液力缓速器制动性能的因素主要表现在缓速器流体介质的性质，缓速器的结构以及传动轴的转速等，因此，在设计的过程中，要综合考虑各方面的因素，使设计更趋于合理化。

参考文献：
[1] 刘岩.电控液力缓速器进气系统的压力控制阀特性研究.吉林大学硕士学位论文.2007
[2] Helmut Schreck, Heinz Kucher, Bernhard Reisch. ZF Retarder in Commercial Vehicles. SAE,No.922452,1992:1-11
[3]范守林.液力缓速器.城市车辆.2002.No.4 :51-52
[4]赵静一、王巍.液力传动.机械工业出版社.2007年
[5]姚寿文,王晓龙. 液力减速器叶栅系统优化及制动动力学仿真. 机械设计.2007.No. 12
[6]荆崇波、胡纪滨、鲁毅飞.车用液力减速器制动性能试验研究. 汽车技术. 2005. No.12: 28-31
The Influence Factor Analysis of Hydrodynamics Retarder Brake
Function
Lin-caixia1 Zhang-jianli2 He-xiaoping3
(South China Agriculture University Engineer College, Guangzhou 510640) Abstract: It is a certain assistant detent for high speed、burden vehicle that hydrodynamics retarder have the merit of big brake moment and non-machine abrasion, so it is suitable for the vehicle that is driving on long slope and at high speed. It will prove the brake reliability and prolong the life of the brake plate and save the use cost of vehicle. The paper analyses the brake function of hydrodynamics retarder that bases on the VOITH hydrodynamics retarder, , then points to the mostly influence factors, such as the property of the liquid 、the retarder structure and the rotate speed. and want to provide the theory base for the research of hydrodynamics retarder inboard.
Key words: Hydrodynamics retarder; brake function; influence factor; analysis。