車用電渦流緩速器制動過程的動力學仿真

宋欣鋼　劉成曄　章欣華

摘要：介紹電渦流緩速器的結構、工作原理及安裝位置。針對車輛持續制動時產生的制動問題，建立車用電渦流緩速器在制動過程中的動力學數學模型，運用MATLAB/Simulink，對其進行減速能力分析，結果表明：車輛在下坡時可在一定速度上穩定行駛，且制動力矩與坡度、速度相關，提高了車輛下坡時的平均行駛速度，從而提高了車輛的行駛安全性；車輛在水平路面上制動時，可以實現車輛的減速制動，且在電渦流緩速器的四個檔位，即Ⅰ檔、Ⅱ檔、Ⅲ檔、Ⅳ檔分別制動時，制動能力依次增大。

關鍵詞：車輛；電渦流緩速器；持續制動；行車安全

中圖分類號：U463.53 文獻標識碼：A 文章編號：2095-7394（2016）02-0026-05

由于車輛在下長坡時和在城市內的頻繁啟動引起的連續制動導致的制動性能衰減和制動片磨損以至于制動系統失效問題，為了提高車輛的行駛安全性，2012年5月的新國標《GB7258-2012機動車運行安全技術條件》規定：車長大于9m的客車（對專用校車為車長大于8m）、總質量大于等于12000kg的貨車和專項作業車、所有危險貨物運輸車，應裝備緩速器或其他輔助制動裝置。因此現在許多大中型客車和重型車輛安裝了輔助制動裝置，這樣可以提高車輛下坡時的平均行駛速度，確保車輛能夠安全行駛。電渦流緩速器是應用最廣的一種緩速器，其可在較長時間內維持制動功率不發生變化，從而保證汽車安全行駛。本文通過對裝用用電渦流緩速器的車輛在下坡制動和水平路面制動這兩方面來探討車輛的制動效能。

1 電渦流緩速器的介紹

1.1 電渦流緩速器的結構和工作原理

電渦流緩速器的緩速能力可以分為四個檔位，即Ⅰ檔、Ⅱ檔、Ⅲ檔、Ⅳ檔，制動力矩比例分別是25%、50%、75%、100%，以保證不同的減速要求。其結構主要由定子、轉子盤及固定架等裝置構成，如圖1所示。定子是由八個高導磁材料的鐵芯構成，其上纏繞著勵磁線圈，呈圓周均勻分布在固定架上，且上面相對的兩個勵磁線圈或串聯或并聯成一組磁極，并且相鄰點的兩個磁極的極性相反。轉子是由轉子盤和轉子軸組成。轉子通過凸緣裝置與傳動軸相連，并隨著傳動軸一起轉動，定子則可以通過固定架安裝在車架上。

電渦流緩速器的工作原理是：當緩速器的開關接通時，勵磁線圈通直流電流，此時產生的磁場在定子、氣隙及轉子盤之間構成了回路。

當轉子盤跟隨著傳動軸轉動，磁通量發生變化，將在轉子盤上產生電渦流，此后電渦流產生的磁場阻止帶電轉子盤轉動，這個產生的阻力即是制動力，阻力合力形成了一個與轉子旋轉方向相反的制動力矩，同時由于渦電流的作用，轉子盤發熱，這樣就將車輛的動能轉化為熱能，并將熱量散發掉空氣中，從而實現了車輛的減速目的。

1.2 電渦流緩速器的安裝位置

電渦流緩速器安裝在變速器的后端蓋上、傳動軸中間和后橋主減速器上，如圖2所示。在圖2a中，電渦流緩速器在變速器的后端蓋上，在此位置會影響變速器、離合器的拆裝；在圖2b中，電渦流緩速器在傳動軸中間，在此位置對傳動軸的縱向承受力有影響；在圖2c中，電渦流緩速器在后橋主減速器外殼上，在此位置時車輛的變速器等拆裝方便，另一方面可能對主減速器殼體等產生影響。

2 電渦流緩速器制動時的車輛動力學方程

當車輛采用電渦流緩速器制動時，車輛的動力學方程為式中：F_j為車輛的減速阻力；F_i為車輛的坡道下滑力；F_f為車輛的滾動阻力；F_w為車輛的空氣阻力；F_r為電渦流緩速器作用在驅動輪上的制動力；T為電渦流緩速器產生的制動力矩；i₀為主減速器傳動比；r為車輪滾動半徑；η_r為傳動系的機械效率。

當裝有電渦流緩速器的車輛在水平路面上行駛時，此時坡道下滑力F_i=0，車輛的動力學方程為：

若質量為m的車輛空擋在坡度為的坡道上滑行，建立數學模型：式中g為重力加速度；a為汽車縱向減速度；μ為車輪與地面之間的附著系數；G_D為空氣阻力系數；P為空氣密度；A為車輛橫截面積；u為車輛速度。

式（4）可改寫為：

式（7）中，可知測得車輛的瞬時加速度。以及知道坡度θ的大小，則可確定F_r的大小；如果車輛是恒速滑行，瞬時加速度大小為0，只需知坡度θ的大小，可確定F_r的大小。

3 電渦流緩速器的制動負荷控制

對車輛在輔助制動過程中進行分析，以某型車為例，該車質量為7250kg，主減速比為4.30，輪胎滾動半徑為0.391m，迎風面積為4.435m²，其余參數在文獻查得。該車選用的是法國泰樂瑪生產的AD50-55型電渦流緩速器，其最大制動力矩為550N·m。

3.1 車輛下坡時坡度與速度對制動力矩影響

當車輛下坡行駛時，使用電渦流緩速器輔助制動，假定車輛是恒速下坡滑行，其瞬時加速度=0，由式（5）、（6）、（7），可得

文中驗證車輛下坡時，車輛是否能夠以一定速度穩定下滑，電渦流緩速器是否符合輔助制動的要求。以上面的車型為例分析，使車輛在不同的坡道上以速度為20、30、40km/h分別下滑，運用MATLAB/Simulink仿真軟件，將車輛所需制動力矩的變化關系繪制成曲線，如圖3所示。由圖3可知，車輛所需電渦流緩速器的制動力矩的波動范圍在給定的數值之內，符合該車型的制動要求，制動力矩隨著道路坡度的增大而增大，且制動力矩的增大與坡度成一定的比值。

車輛在坡度無明顯變化的坡道滑行時，車輛以不同的速度滑行所需制動力是不一樣的。對于此種情況，需要驗證電渦流緩速器的制動力是否符合要求，本文中設定在坡度為5%，最高車速不超過40km/h時，車輛以不同速度恒速下滑，制動力矩的變化關系曲線如圖4所示。由圖4可知，車輛在下坡時，所需要的制動力矩變化波動在電渦流緩速器的制動力矩范圍之內，符合制動要求。車輛的速度較大時所需的制動力矩小于車輛速度較小時的制動力矩。

3.2 車輛下坡時電渦流緩速器的制動力矩變化

車輛在下坡滑行時，使用電渦流緩速器進行制動，降低車輛的行駛速度，并以一定的速度穩定行駛。若在理想狀態，以某型車輛在60km/h在道路坡度為0.05的路上下滑，目標速度為30km/h。建立數學模型，由式（4）知：

F_r+F_w+F_f-mg sinθ=ma，開始制動時，使緩速器的制動力矩達到最大值，直到車輛速度達到目標值。在制動過程中，初期所需要的減速度較大，此后車輛的縱向減速度隨著車速的變化而不停改變，其變化曲線如圖5所示。車輛在行駛約270m后，到達目標速度30km/h，然后車輛的速度在接近30km/h的很小范圍內波動變化，變化曲線開如圖6所示。在此過程中，電渦流緩速器將繼續進行工作，電渦流緩速器的制動力發生變化，制動力有一些波動，此時坡道分力與電渦流緩速器產生的制動力接近，縱向減速度的大小趨向于0，車輛速度趨于穩定，電渦流緩速器的制動力大小趨于固定值的很小范圍內，如圖7所示。

3.3 水平路面工況時，車輛的制動狀況

當車輛在水平路面行駛時，為了控制車輛的行駛距離，降低車輛的行駛速度，可以采用電渦流緩速器制動。在制動過程中建立數學模型：

假定車輛的車速從50km/h減速至30km/h，在此速度區間內，驗證電渦流緩速器的制動效果。假定風阻忽略不計，使電渦流緩速器的4個檔位分別進行制動，分別得到其制動距離和制動時間，可以考察電渦流緩速器4個檔位的減速能力。用MATLAB/Simulink軟件，可以得到電渦流緩速器的4個檔位的制動距離與時間關系曲線如圖8所示，車輛速度與時間曲線如圖9所示。由圖8可知，車輛在水平路上進行減速制動時，無緩速器制動時車輛快速前進；而電渦流緩速器輔助制動時，車輛的制動距離比無緩速器時明顯減少，且隨著檔位的增加，車輛到達目標速度時的制動距離越來越小，這些說明電渦流緩速器能夠很好地完成車輛的減速工作。由圖9可知，電渦流緩速器的4個檔位的制動能力不一樣，即檔位越大制動能力越大。

4 結語

本文從車輛下坡時制動和水平路面制動等多角度進行分析，對裝用電渦流緩速器的車輛進行研究，結果表明：（1）車輛下坡時，采用電渦流緩速器制動，車輛可以在一定的速度上穩定行駛，提高車輛下坡時的行駛速度；（2）車輛在一定速度穩定行駛時，電渦流緩速器制動力矩大小與坡度、車速有關，坡度增加，所需制動力矩增大，車輛速度增大，所需制動力矩減少；（3）車輛在水平路面行駛，電渦流緩速器制動時，可以控制車輛的行駛距離，降低車輛的速度，且制動力矩越大制動能力越大。由此可知對車輛加裝輔助制動裝置，可以提高汽車的行駛安全性，有效地控制車輛的行駛速度變化。

責任編輯 祁秀春