卡車輔助制動技術(shù)介紹以及液力緩速器應(yīng)用分析

王海云，劉翠巧，李文倩

（陜汽集團(tuán)寶雞華山工程車輛有限責(zé)任公司，陜西 西安 710200）

卡車輔助制動技術(shù)介紹以及液力緩速器應(yīng)用分析

王海云，劉翠巧，李文倩

（陜汽集團(tuán)寶雞華山工程車輛有限責(zé)任公司，陜西 西安 710200）

隨著卡車安全問題的日益突出，輔助制動也隨之成為用戶關(guān)注的焦點，文章就目前常見的輔助制動技術(shù)做了詳解，對發(fā)動機制動以及液力緩速器制動進(jìn)行了對比，并對液力緩速器的應(yīng)用情況進(jìn)行了分析。

輔助制動；發(fā)動機制動；緩速器

CLC NO.:U463.8 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-227-04

引言

隨著工業(yè)及物流市場的快速發(fā)展，近年卡車的市場需求及銷量也快速增長，整車噸位和速度也在同步提高，與卡車相關(guān)的交通事故越來越多，卡車尤其是重型卡車的行車安全成為了大家的關(guān)注焦點。現(xiàn)在的貨車制動主要還是依靠剎車片的摩擦制動為主，在長時間的下坡制動時需要頻繁的使用行車制動（剎車系統(tǒng)）來對車輛進(jìn)行減速，以保證汽車安全行駛，摩擦運動會產(chǎn)生大量的熱量，使剎車裝置的溫度急劇上升，高溫使得剎車能力大大降低，這就是所謂的剎車“熱疲軟”現(xiàn)象，剎車片過熱會出現(xiàn)制動失效，甚至引起燃燒。當(dāng)發(fā)生“熱疲軟”現(xiàn)象時，汽車的剎車距離會大大延長。尤其是汽車在下長坡時，“熱疲軟”現(xiàn)象更明顯。目前能解決剎車“熱疲軟”的根本辦法是使用輔助制動裝置來協(xié)助汽車進(jìn)行減速制動。輔助制動系統(tǒng)能夠降低車速或保持車速穩(wěn)定，很多車輛通過安裝多個輔助裝置相互配合，使車輛的安全制動性能達(dá)到最大化。目前使用的輔助制動類型較多，性能和效果各有差異，本文主要介紹當(dāng)前主流的卡車輔助制動技術(shù)以及應(yīng)用情況。

1、卡車輔助制動技術(shù)優(yōu)勢及類型介紹

1.1 使用輔助制動帶來的優(yōu)點

在很多的情況下可不使用剎車而使用輔助制動來降低車速，因此帶來下面的優(yōu)點：（1）減少主摩擦剎車系統(tǒng)和輪胎的磨損，提高其使用壽命。延長維修更換剎車片的時間周期4－7倍；降低輪轂、輪胎的溫度，下降幅度可達(dá)30%～40%；輪轂、輪胎壽命可延長3倍以上。這可大大降低用戶運行成本。（2）保障汽車安全下坡。（3）消除剎車熱疲軟現(xiàn)象，改善汽車的制動安全性能。（4）舍棄淋水裝置，減輕汽車的重量和降低對水資源的浪費。（5）減少汽車的維修量而提高汽車的使用效率。

1.2 輔助制動類型

根據(jù)制動轉(zhuǎn)矩作用形式的不同主要分為兩大類，第一大類是利用發(fā)動機進(jìn)行的輔助制動，俗稱一級緩速（作用在變速箱前端的緩速），包括了排氣蝶閥制動，泄氣式制動以及壓縮式制動三個類型。第二大類是利用傳動系統(tǒng)進(jìn)行的輔助制動，俗稱為二級緩速（作用在變速箱后端的緩速），目前流行的有電渦流緩速器及液力緩速器兩類。

2、發(fā)動機輔助制動介紹

2.1 排氣蝶閥制動

排氣蝶閥制動是利用從傳動軸方向逆向驅(qū)動發(fā)動機而產(chǎn)生的發(fā)動機旋轉(zhuǎn)阻力來制動汽車的。在發(fā)動機正常制動時，排氣行程中的氣壓幾乎與大氣壓力相等，活塞上不受壓力，但如果在排氣系統(tǒng)中裝設(shè)了排氣制動裝置，排氣管中的空氣將被壓縮，活塞頂部受到壓縮空氣的壓力作用，阻止發(fā)動機的運轉(zhuǎn)而產(chǎn)生制動作用，從而達(dá)到控制車速的目的。

圖1 排氣蝶閥制動構(gòu)成

排氣蝶閥制動原理如圖1所示，將4（通氣閥）接到排氣管道前部，1（電磁閥）通過控制從5（電磁閥通氣接頭）進(jìn)入2（氣缸）高壓空氣來控制3（閥片）的開閉。當(dāng)3關(guān)閉，處于工作狀態(tài)，3開啟（如圖），排氣制動沒有工作，不起制動作用。排氣蝶閥結(jié)構(gòu)相對簡單，容易加裝，成本低廉，制動效率（相比于正功）最低，只能達(dá)到20-30%。

2.2 泄氣式制動

泄氣制動工作時，將排氣門打開一個小的間隙，使發(fā)動機在壓縮沖程中通過泄氣釋放壓縮能量，這樣在做功沖程幾乎沒有能量返回活塞，如下圖2所示。而在排氣過程中，排氣沖程依靠排氣蝶閥或VGT渦輪增壓器產(chǎn)生的背壓來增加進(jìn)排氣功耗。

圖2 泄氣式制動原理圖

按照實現(xiàn)方式的不同可分為主動式和被動式兩種：（1）被動式泄氣制動器，需要排氣蝶閥進(jìn)行輔助。當(dāng)排氣蝶閥關(guān)閉后，柴油機壓縮行程形成使得排氣通道中的廢氣壓力急劇上升，相鄰處于吸氣沖程下止點附近氣缸的排氣門會被壓力頂開一個小縫隙，再通過增加一套控制排氣門行程的執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)排氣門在發(fā)動機制動過程中保持打開一個空隙。（2）主動式泄氣制動器，主動式泄氣制動器則是通過電磁閥控制，用液壓裝置保持排氣門微啟，不需要依賴排氣蝶閥。泄氣式制動方式制動效率（相比于正功）能達(dá)到50-60%。

2.3 壓縮式制動

壓縮式制動是指通過改變發(fā)動機排氣門的配氣相位，將產(chǎn)生能量的柴油發(fā)動機變成了吸收能量的空氣壓縮機。在壓縮沖程即將結(jié)束時，開啟排氣門，這樣發(fā)動機在壓縮缸內(nèi)空氣時所做的功，便被釋放到排氣系統(tǒng)，能量不會返回到活塞上，車輛的沖量通過車輪和傳動系統(tǒng)傳到發(fā)動機，并成為反拖發(fā)動機運轉(zhuǎn)的唯一動力,如下圖3所示。壓縮式制動方式制動效率（相比于正功）能達(dá)到80-90%。

圖3 常規(guī)發(fā)動機沖程與壓縮式發(fā)動機沖程對比圖

3、緩速器輔助制動

相比發(fā)動機輔助制動來說，緩速器是在發(fā)動機和車輪動力傳遞中間增加了制動設(shè)置，通過降低傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)速來達(dá)到減速的效果，目前常見緩速器根據(jù)其介質(zhì)不同主要分為電渦流緩速器和液力緩速器。

3.1 電渦流緩速器

電渦流緩速器主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，是利用電磁學(xué)原理，旋轉(zhuǎn)金屬盤在磁場作用下所產(chǎn)生的電渦流而獲得緩速的裝置，電渦流緩速器的前轉(zhuǎn)子和后轉(zhuǎn)子通過過渡盤與主減速器輸入凸緣連接，定子殼體通過支架固定在主減速器殼上，定子上裝有勵磁線圈。工作時由汽車蓄電池通入電流而產(chǎn)生磁場，在轉(zhuǎn)子中引起電渦流，渦流磁場對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，其值與勵磁電流的大小（由選擇器控制）和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有關(guān)。在轉(zhuǎn)子夾層中鑄出冷卻風(fēng)道，使電渦流產(chǎn)生的熱通過強制對流散出，如下圖4所示。

圖4 電渦流緩速器及其構(gòu)成

3.2 液力緩速器

液力緩速器是通過液力裝置降低車輛行駛速度，一般由緩速器本體、操縱裝置、電子控制單元等部件組成，緩速器本體包含了轉(zhuǎn)子、定子、工作腔、輸入軸、熱交換器、儲油箱和殼體，如下圖5所示。

其定子與緩速器殼體為一體，與變速器后端或車架連接，轉(zhuǎn)子通過空心軸與傳動軸相連，轉(zhuǎn)子和定子上均鑄出葉片。工作時，借助于控制閥的操縱向油池施加壓力，使工作液充入轉(zhuǎn)子和定子之間的工作腔內(nèi)。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時通過工作液對定子作用一個轉(zhuǎn)矩，而定子的反轉(zhuǎn)矩即成為轉(zhuǎn)子的制動轉(zhuǎn)矩，其值取決于工作腔內(nèi)的液量和壓力（根據(jù)控制閥調(diào)定的制動強度檔位而定），以及轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。汽車動能消耗于工作液的摩擦和對定子的沖擊而轉(zhuǎn)化為熱能，使工作液溫度升高。工作液被引入熱交換循環(huán)流動，將熱傳給冷卻水，再通過發(fā)動機冷卻系統(tǒng)散出，如下圖6所示。

圖5 液力緩速器構(gòu)成

圖6 液力緩速器原理

4、液力緩速器的優(yōu)勢及布置形式

4.1 液力緩速器優(yōu)勢

相比較來說發(fā)動機制動技術(shù)里面的排氣蝶閥制動模式雖然簡單，但制動力矩太小，對整車緩速效果并不明顯，卡車尤其是重卡下坡輔助制動無法完全依賴發(fā)動機蝶閥制動。其余兩種泄氣式制動以及壓縮式制動技術(shù)需要發(fā)動機制造廠家對發(fā)動機進(jìn)行研發(fā)升級，技術(shù)較復(fù)雜，卡車制造主機廠以及后期用戶加裝困難。

相對來說電渦流緩速器以及液力緩速器均可由卡車制造主機廠以及用戶自行加裝，但目前重型卡車中電渦流緩速器使用較少，主流全部是液力緩速器，原因是液力緩速器具有以下優(yōu)點：（1）制動效能強。制動熱衰退是電渦流緩速器面臨的瓶頸，這致使電渦流緩速器不能長時間進(jìn)行制動。相反，液力緩速器則利用發(fā)動機冷卻系統(tǒng)散熱，保證了持續(xù)制動效能。（2）制動扭矩大，重量輕，體積小。相較于電渦流緩速器，液力緩速器更容易以較小的體積和質(zhì)量實現(xiàn)較大的緩速力矩，更適合重型貨車。液力緩速器從 2000-4000Nm，重量約為65-85kg，而電渦流緩速器2000Nm時重量就達(dá)175kg。（3）能源消耗小。電渦流緩速器因為有電磁線圈，而電磁線圈相對于電控系統(tǒng)消耗電能要大的多，增加了蓄電池的負(fù)荷，電渦流緩速器需要112A-180A的電流，而液力緩速器則僅需要最大為1A的電流。（4）“工作腔”溫度低。電渦流緩速器工作溫度極高，對周圍部件有較高的耐熱要求且易引起整車著火。相反，液力緩速器不存在此問題。（5）反應(yīng)時間，由于電渦流是給電磁線圈通電，大約需要40ms,而液力緩速器是給工作液貯槽施加氣壓使工作液充入工作腔，因此液力緩速器比電渦流緩速器的反應(yīng)時間長，大約為800 ms，這是電渦流緩速器唯一的優(yōu)勢，但一秒內(nèi)（800 ms）的反應(yīng)時間已經(jīng)完全可以滿足卡車的下坡輔助制動需求。因此通過對各項指標(biāo)比較，不難得出結(jié)論，液力緩速器更適用于卡車。

4.2 液力緩速器的應(yīng)用情況

液力緩速器根據(jù)其安裝方式一般分為三類：串聯(lián)于傳動軸之間（圖7所示）、串聯(lián)于變速器（圖8所示）、并聯(lián)于變速器（圖9所示）。采用圖7中布置方式時，需要增加傳動軸數(shù)量并設(shè)計緩速器自身的懸置以及冷卻水管的固定，而且因為動力總成模塊與緩速器模塊分開懸置，震動頻率不一致導(dǎo)致的水管連接密封問題也需要考慮，比較復(fù)雜，一般采用較少。采用圖8的布置方式時，與無緩速器車型相比，需更改傳動軸長度且無法安裝變速器后取力器，但是整體與動力總成一起安裝，避免了緩速器自身的懸置問題，以及水管的走向和固定也難度大幅降低， 同時避開了與車架縱梁以及橫梁的干涉，對車架空間要求不高，在牽引車中應(yīng)用較多（效果圖如圖10所示）。釆用圖9的布置方式時，能夠很好的解決兩種串聯(lián)布置形式帶來的問題，在整車應(yīng)用中最多，唯一的不足是需要考慮與車架縱梁以及橫梁的間距問題，避免出現(xiàn)干涉情況。

圖7 串聯(lián)布置狀態(tài)（一）

圖8 串聯(lián)布置狀態(tài)（二）

圖9 并聯(lián)布置狀態(tài)

圖10 串聯(lián)布置狀態(tài)（二）實物效果圖

圖11 并聯(lián)布置狀態(tài)實物效果圖

5、結(jié)語

輔助制動技術(shù)的應(yīng)用大大的提升了車輛行駛的安全性，隨著國內(nèi)發(fā)動機廠家的技術(shù)研發(fā)投產(chǎn)，以及液力緩速器的國產(chǎn)化，使得輔助制動技術(shù)能夠使用在更多的卡車上， 進(jìn)而推動行車安全的提升以及因為制動原因引起的事故的大量降低。

[1] 王狄.適用于貨車的緩速器[J].truck&logistics,2012(4):28-29.

[2] 王東斌.重型卡車緩速器的應(yīng)用及發(fā)展趨勢[J].汽車實用技術(shù), 2012(6).

[3] 汽車工程手冊設(shè)汁篇[M].汽車工程手冊編委會編:人民交通出版社,2001(5).

[4] 吳修義.商用汽車液力緩速器[J].重型汽車,2002(4).

[5] 黃榕清.液力緩速器和電渦流緩速器[J].機電工程技術(shù),2005(3).

[6] 薛文祥.三大分類發(fā)動機輔助制動系統(tǒng)技術(shù)簡析[Z].卡車之家.2015(5).

Analysis of truck auxiliary brake technology introduction and application of hydraulic retarder

Wang Haiyun, Liu Cuiqiao, Li Wenqian
( Shaanxi Heavy Duty Automobile Co. Ltd., Shaanxi Xi’an 710200 )

Regarding the truck safety problems have become increasingly prominent, the auxiliary brake becomes the focus of attention to the user, this paper the auxiliary brake technology do explain, compares the engine brake and hydraulic retarder, and the application of the hydraulic retarder are analyzed.

The auxiliary brake; Engine brake; Retarder

U463.8

A

1671-7988(2016)07-227-04

王海云，就職于陜汽集團(tuán)寶雞華山工程車輛有限責(zé)任公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.073