重載車輛液力減速器關鍵部件設計★

李曉莉

（阜陽職業技術學院工程科技學院， 安徽 阜陽 236031）

引言

作為重載車輛的第三制動系統，液力減速器在山區和丘陵區域的制動時發揮著重要作用。下長坡時，以摩擦制動為主的傳統制動裝置，受多種因素影響會導致制動效能下降。而液力減速器可以提供穩定的制動力，是一種優良的輔助制動裝備[1-4]。

1 結構與工作原理

液力減速器并非是液力傳動元件。液力減速器主要由轉子和定子、油箱、散熱系統以及控制系統組成。轉子與傳動軸相連，定子固定在殼體上不動，并且轉子和定子共同組成工作腔。當其起作用時，轉子旋轉，充填在工作腔里的工作液受離心力和轉子葉片的雙重作用從轉子葉片拋向定子葉片，由于定子葉片固定不動，沖向定子葉片的工作液會對轉子葉片產生一個反作用力，從而形成制動力矩，起到制動作用[5-6]。液力減速器的制動力矩與制動功率公式為：

式中：P為制動功率；λp為制動功率系數；ρ為工作液體密度；D為循環圓有效直徑；n為液力減速器轉子轉速；M為制動力矩；λMB為制動力矩系數。

2 基本參數的確定與分析

2.1 工作腔室的選定

液力減速器工作腔型有長圓形、圓形、扁圓形三種，如圖1所示。圖1-1為長圓形工作腔型，有內環葉片和無內環葉片兩種。圖1-2為圓形工作腔型，啟動系數和過載系數較高，用于普通液力減速器。圖1-3為扁圓工作腔型，用于普通液力減速器，一般采用前傾葉片。圖2為不同腔型轉速和轉矩曲線。本例選擇的圓形腔型作為液壓減速機工作腔型。

圖1 液力減速器的三種工作腔型（mm）

圖2 不同腔型的轉速-轉矩曲線

2.2 工作腔型有效直徑的確定

工作腔型有效直徑計算如下式：

式中：Pn為工作機額定功率；λn為泵輪力矩系數；ηn為泵輪額定轉速。

選定腔型中額定功率Pn和額定轉速ηn后，由式（2）可以得到工作腔型有效工作直徑D。液力減速器產生制動力矩T的大小與工作腔有效直徑D的5次方成正比，所以有效直徑對制動性能的影響很大。根據設計標準，取工作腔型最小值有效直徑D為320mm。

2.3 循環圓內外直徑比d/D的確定

在其他條件不變的情況下，減小循環圓內徑d等于增加了液流的過流面積和循環流量，因而傳遞力矩有可能增加。但d/D的減小將使內轂尺寸減小，會使葉片數量減少，液力損失增加。所以常取d/D=0.5左右，在此取d=160mm。

2.4 流道寬度和循環圓有效直徑比B/D的確定

流道寬度增加等于增大了循環流量和傳遞力矩工作的液體的沖液量，所以流道寬度的增加，傳遞的力矩也增大。但過寬的流道寬度，不僅會加大液力損失，而且也給加工帶來難度。流道寬度B通常在（0.135～0.160）D 之間，取 B=45mm。

2.5 工作葉輪軸向間隙與循環圓有效直徑比Δ/D

為避免液力減速器兩工作葉輪在工作中因軸向力而相碰，通常在轉子和定子的軸向間留有一定的間隙，Δ=（0.005～0.010）D，其值過大，則可能加大容積損失，但根據試驗，在一定范圍內，Δ/D的值對特性影響不大。在此取Δ=18mm。

2.6 液力減速器葉輪的設計

2.6.1 葉片數目的確定

葉片數目的計算：

式中：Z為定子葉片數量；D為有效直徑，mm。

將D=320mm代入公式（3）計算后，取整得到定子葉片數為42，利用液力減速器的制動力矩公式（1），做出定子 /轉子葉片數為 41/43，37/39，35/37 時的轉速與轉矩曲線，如圖3所示。在定子/轉子葉片數為35/37時轉矩最優。

圖3 不同葉片數的轉速與轉矩曲線

2.6.2 葉片厚度的確定

應對高轉速、大功率的液力減速器葉片厚度進行強度計算，一般減速器的葉片厚度可以查表獲取。為了增加葉片強度，又不降低有效腔容，常將葉片設計成徑向或者軸向不等厚。通過減速器葉片厚度表查詢，為了既不影響傳遞力矩，又能增加葉片強度，往往將葉片制成徑向或者軸向不等厚。因此，本例葉片厚度取1.5mm。

2.6.3 葉片形狀的確定

由同一葉片沿流線方向截面形狀的中線所構成的平面稱為平面葉片。液力減速器的葉片全為平面葉片。按平面葉片在葉輪中所處位置可分為徑向葉片和傾斜葉片。葉片骨面通過葉輪軸線的平面葉片稱為徑向葉片。徑向葉片的骨面與葉輪軸面相重合，如圖4所示。絕大多數液力減速器采用徑向葉片。葉片骨面葉輪軸面相交的平面葉片稱為傾斜葉片。在傾斜葉片中，葉片骨面在流道出口向著水泵輪轉向相反方向傾斜稱為前傾葉片，與前傾方向相反的葉片稱為后傾葉片。圖5所示為兩種傾角葉片，對于液力減速器常用前傾葉片。

圖4 徑向葉片

圖5 傾斜葉片

2.6.4 葉片傾角與結構的確定

液力減速器的傾角一般選為35°、40°、45°。由圖6可見液力減速器的葉片傾角最好選用45°。葉片結構形式對液力減速器的性能有很大影響。

圖6 不同葉片傾角的轉速和轉矩曲線

3 轉子和定子的三維建模

基于上述基本參數的確定，應用三維建模軟件UG繪制轉子與定子的三維圖，如第26頁圖7所示。

4 結論

基于上述基本參數的確定，轉子與定子的主要參數為：轉子半徑為160mm，葉片數為37，葉片厚度為1.5mm，葉片傾角為前傾45°；定子半徑為160mm，定子葉片數為32，葉片厚度為1.5mm，葉片傾角為前傾45°。根據此參數，建模獲得了轉子與定子三維UG模型。

圖7 轉子與定子三維UG模型