電渦流緩速器應用探討

隨著我國經濟的快速發展，我國公路狀況的不斷改善，汽車制造技術的不斷提高，汽車車速及車載質量也在不斷攀升；近年來重型車輛、尤其是特大型客車、大型客車及重型貨車因制動輪轂過熱引起爆胎、制動失靈引發的交通事故逐年上升；緩速器作為一種方便可靠的輔助制動系統越來越得到人們的認可，已經廣泛的應用于各種中重型車輛上，很好的解決了車輛長距離下坡時制動輪轂過熱的現象，提高了車輛行駛的安全性。但是，在我國緩速器的應用還處于成長期，車輛的發動機、底盤、變速器、車橋、傳動軸型號繁雜、接口各異，使得緩速器的應用受到了一定的限制。

1 緩速器分類

按緩速器在底盤布置位置的不同分為兩級緩速器：一級緩速器，安裝在發動機上或在變速器的上游；二級緩速器安裝在變速器的下游。一級緩速器與發動機的轉速有著直接的關系，而二級緩速器則取決于傳動軸的旋轉轉速。

一級緩速器囊括了所有遠離車輪的、且與離合器和變速器可機械脫離的裝置。除了內部被動阻力、所有與曲軸機械連接的裝備、伺服機構和裝置所產生的扭矩外，一級緩速器參與發動機制動。美國的Jacobs制動器（或Jake Brake），雷諾卡車公司安裝在發動機上的“J”制動器，以及Mercedes公司的排氣閥，都被列為該范疇。

二級緩速器在布置方面具有很大的自由度，可以安裝在變速器后部、傳動軸中部、驅動橋前部，一般通過支架固定在底盤上，主要有應用流體動力的液力緩速器，應用電磁感應現象的電渦流緩速器、永磁緩速器等。本文主要介紹電渦流緩速器主機部分的應用情況，對電控系統及其它緩速器結構與應用這里不作介紹。

2 電渦流緩速器工作原理

電渦流緩速器由定子和轉子兩部分組成。轉子部分與車輛傳動系統相連接，定子部分固定在變速器后或車橋上，定子部分與轉子部分的互軛表面之間留有一定的空氣間隙。定子部分一般由勵磁線圈、鐵芯、磁軛組成；轉子部分由鑄有散熱風道的盤狀或桶狀的合金轉子及連接法蘭構成。當電渦流緩速器工作時，定子部分的勵磁線圈導通，通過鐵芯、磁軛建立交錯的磁場，轉子處于定子部分所產生的磁場中；轉子隨車輛傳動系統一起旋轉切割磁力線，基于物理學電磁感應原理，在轉子的互軛表面產生很強的感應電動勢；由于轉子采用電導率比較高的合金材料，在轉子表面形成強大的渦電流，渦電流產生的交變磁場和定子部分交錯磁場相互作用產生阻尼，使得轉子部分及傳動系統的旋轉速度降低，從而達到車輛緩速制動的目的。車輛行駛的動能轉化為電渦流緩速器產生的大量的熱能，通過轉子上的風葉產生強勁的風力將電渦流產生的熱量迅速的散發出去。

3 電渦流緩速器的結構特性

電渦流緩速器的結構受限于車輛底盤、車橋、傳動軸安裝形式，安裝空間；從上世紀30年代開始，電渦流緩速器的結構設計在不斷改進，現在常用的結構有以下幾種：

1）轉子為盤狀無中間軸系列；如圖1所示為該系列緩速器安裝在變速器輸出端示例，轉子部分通過中間法蘭直接和車輛傳動系相連，定子部分磁場方向成軸向分布。結構緊湊，轉子散熱性能良好，主要用于后置發動機的車輛及短軸牽引車。

此種類型的電渦流緩速器主要安裝于變速器及驅動橋上；根據在鄭州宇通、蘇州金龍、廈門金旅以及中通等車輛廠的安裝應用情況來看，此種結構的緩速器采用雙轉子結構主要有以下優缺點：

該系列安裝調整比較復雜，安裝過程中必須用調整墊片9調整前轉子2及后轉子4與定子3之間的間隙均勻一致：對變速器及驅動橋的精度要求較高；因此，也造成變速器、離合器維修時拆卸不方便；

優點便是對變速器油封、軸承、輸出軸及變速器結構的影響降低；該類型緩速器安裝時必須采用加強型后橋；一些緩速器廠家針對這種情況對轉子及定子部分進行改進設計，降低緩速器的安裝質量，盡量減小對驅動橋結構的影響。驅動橋形式的安裝避免了維修變速器、離合器時拆裝緩速器。

一般情況下，長途客車、旅游客車、短軸牽引車建議安裝在變速器輸出端，城市公交車輛安裝在驅動橋輸入端。應注意的是，由于安裝的位置不同電渦流緩速器轉子部分的旋轉方向應相應改變。

2）如圖2所示，該系列電渦流緩速器為盤狀轉子帶中間軸系列；安裝在傳動軸中間，對整車的動力系統基本沒有影響，主要應用于發動機前置的卡車和客車，轉子部分和定子部分用一根花鍵軸串聯為一個整體，出廠時定子部分與轉子部分的互軛間隙已經調試好，裝車時整體吊裝即可。

其優點是結構緊湊，安裝時安裝好托架1及安裝支架3后即可以整體吊裝，安裝方便快捷；由于獨立支承在車梁上，對后橋和變速箱基本沒有影響。缺點是質量大，制造成本高，只能安裝在前置車的傳動軸中間，且要定期維護。由于我國沒有相應的法律法規出臺，此種類型的緩速器價格相對于車輛購置成本偏高，應用范圍暫時受到限制。

3）如圖3所示為桶狀單轉子、勵磁磁場呈徑向分布的電渦流緩速器安裝示意圖。其結構為桶狀單轉子套于定子部分外部，和定子部分形成一種徑向的勵磁結構；其勵磁間隙不能調整，由制造公差保證。

該類型電渦流緩速器優點是：結構緊湊、重量輕，尺寸小，拆裝方便，磁場呈徑向分布，從而轉子間隙不受軸向竄動的影響，軸向長度小，轉子重量輕，對原車的傳動系統影響小，所須安裝空間小。由于采用單轉子結構，熱容量小、定子及轉子部分散熱效果不佳，制動力矩衰退很快，緩速器力矩不能做的很大。一般情況下，用于剎車頻繁、車速不高的城市公交車輛，在長途客車及旅游客車上或存在長距離下坡的路況下不建議使用。

4）應用于半掛車輛的內置式電渦流緩速器，此種電渦流緩速器和車橋集成，替換半掛車輛中的一根車橋；最重要的作用使得緩速器的制動力矩作用于半掛車輛后部，減少車輛行駛過程中的“回轉折合”現象。主要由中心車橋、差速系統、兩組定子系統及兩轉子構成；橋殼內的差速系統保證了兩車輪的轉速及制動力矩分配，兩組定子系統及兩轉子分別安裝于中心車橋的前后兩面，相當于兩個盤式單轉子緩速器相串連。

在國內，一些緩速器廠家為了適應半掛車輛的輔助制動的要求，采用盤狀轉子帶中間軸系列的電渦流緩速器、驅動后橋、傳動軸、發電機、電瓶組等組成輔助制動系統。主要結構以驅動后橋1代替半掛車輛中的一根車橋，通過驅動橋的輸入法蘭、傳動軸4連接電渦流緩速器3；車輛運行過程中，車輪通過驅動橋內半軸帶動差速系統及輸入法蘭旋轉，電渦流緩速器3通過傳動軸4連接同時旋轉；電渦流緩速器通過調速輪帶動發電機發電，發出的電流經過調節后直接給蓄電瓶和電渦流緩速器供電。

此種兩種類型的電渦流緩速器系統在國內還未完全適用，主要因為配置成本過高，運輸企業認同度暫時不夠，隨著緩速器相應法律法規的出臺，情況應有所改觀。

4 電渦流緩速器的匹配選型

電渦流緩速器和車輛的匹配選型很重要，不但要考慮到緩速器輸出力矩的大小，還要考慮到緩速器的安裝位置、緩速器的結構形式、車輛的類型、車輛的行駛路況等；如果電渦流緩速器選型不合適將會導致制動力矩不夠，傳動系統受損，嚴重時造成交通意外事故。

電渦流緩速器僅是一種車輛輔助制動系統，它是主制動系統的一個必要補充，不能代替主剎車系統。因為緩速器產品是整合到車輛底盤的傳動系中，緩速器的制動力矩選擇過大會影響到整個傳動系統的穩定性、平順性；有可能加快變速器、驅動橋齒輪磨損，軸承、油封的損壞；頻繁的大扭矩制動會造成齒輪及變速器輸出軸疲勞斷裂。電渦流緩速器的制動力矩的選型一般根據以下經驗公式選擇：

式中的車輛最大總質量m、車輪滾動半徑r、后橋主減速比i隨車型不同而有所變化；根據國內車輛使用，底盤配置等狀況，使用電渦流緩速器輔助制動時，城市客車的制動減速度一般推薦為不小于0.55～0.60 m/s2；貨車、長度客車、旅游客車制動減速度推薦為0.80～1.10 m/s2。選擇制動力矩過小時，制動效果不明顯，對常規制動系統保護不足。制動力矩過大，對變速箱、后橋都有一定的負影響，對發電機、蓄電池的要求也相應提高，減小了發動機的輸出功率。

5 電渦流緩速器的熱防護

電渦流緩速器主要把車輛行駛動能轉換為熱能通過轉子部分強制散發出去。按照GB12676－1999《汽車制動系統結構、性能和試驗方法》制動系統IIA型試驗要求，質量為15T的客車以30km/h的速度在7％的坡道上勻速行駛12min電渦流緩速器消耗的能量約為6.15×107焦耳，足可以使100kg的鋼鐵溫度升高到1500℃。使用電渦流緩速器時必須對其采取相應的熱防護，避免對車輛的零部件產生熱害影響。

在加裝電渦流緩速器時，其周邊布置各管路、線路時盡最大可能遠離緩速器；對緩速器周邊的零部件、管路及線路采取隔熱保護措施，如在緩速器與零部件間增加隔熱板，管路、線路外表包扎耐高溫的隔熱材料等。提高緩速器周邊零部件、管路、線路的耐熱使用溫度，如一般線束外表的波紋管保護套的耐熱溫度是105℃左右，而在緩速器周邊的線束采用的波紋管護套的耐熱溫度應在170℃以上。在長時間使用電渦流緩速器時，應采用低檔位和主剎車系統配合使用，以便獲得持久穩定的制動效能。

6 電渦流緩速器的應用前景

在二級緩速器中間，電渦流緩速器作為一種安裝、使用、維護方便的輔助制動系統得到了越來越廣泛的應用；和液力緩速器比較而言：其制動迅速靈活，安裝維護方便、可靠性高；但長時間使用溫度過高，體積、重量相對較大、制動力矩偏小等缺點限制了電渦流緩速器在特大型及重型車輛上的應用。

針對以上問題，新型的電渦流緩速器應該是制動迅速靈活、低功耗、重量輕、體積小、散熱性能好、制動力矩大且安裝維護方便可靠。前面介紹的幾種電渦流緩速器結構已經不能適應這種要求，需采用自發電、水冷和傳動系統并聯的結構，此種結構設想為電渦流緩速器采用兩組線圈，一組線圈產生勵磁、另一組線圈處于交變磁場中產生感應電流，并通過控制部分整流給勵磁線圈供電；轉子部分外圍套有水循環系統、和車輛散熱系統相連，轉子產生的熱量通過強制風力作用于水循環系統進行冷卻；轉子系統和變速器并聯，通過齒輪傳動，使得轉子系統轉速提高；在采用體積小、重量輕、低功耗的定子系統時，因為轉子系統的轉速提高，大大的提高了電渦流緩速器輔助制動功率，作用于整車系統制動力矩相應提高。

由于我國變速器型號繁雜、接口各異、底盤形式多樣，在未來的幾年中，此種結構的電渦流緩速器生產及批量安裝的可能性不大；此種結構的電渦流緩速器吸收了液力緩速器優點，加上其自身的特點使得電渦流緩速器的應用前景得到了擴展。